KR100528260B1 - 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트구동용 인버터 - Google Patents

휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트구동용 인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터에 관한 것으로서, 전력 증폭기, 1차측이 상기 전력 증폭기의 출력단에 병렬로 연결된 복수개의 트랜스포머, 상기 각 트랜스포머의 2차측에 연결된 복수개의 램프, 상기 복수개의 램프 중 어느 하나의 출력단에 연결되어 상기 램프의 관전류의 크기에 상응하는 펄스폭의 구형파를 발생시켜 상기 전력 증폭기의 제어 입력단에 인가하는 제어칩을 포함하되, 상기 각 트랜스포머의 2차측과 상기 램프 사이에 직렬 보상 저항이 삽입되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 트랜스포머에 직렬로 저항을 삽입하여 기존 N개의 인버터을 사용한 회로를 1개의 인버터만 사용하여 동일한 성능(휘도의 균일성)를 갖도록 할 수 있기 때문에 N-1개의 제어칩과 전력증폭단의 소자를 감소시켜 휘도의 균일성을 유지하면서 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

Description

휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터{A Backlight Drive Inverter Having Serial Compansation Resistor For Providing Uniform Brightness}
본 발명은 백라이트 구동용 인버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측에 직렬 보상 저항을 연결하여 복수개의 램프의 휘도를 균일하도록 하는 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터에 관한 것이다.
LCD(Liquid Crystal Display) 패널은 경량, 박형, 저소비 전력 구동 등의 장점으로 인해 그 사용 범위가 점차 확대되고 있다.
이러한 LCD 패널은 PDP(Plasma Display Panel)와 달리 자체발광에 의하여 화면을 표시할 수 없고 후면에 배치된 램프로부터 빛을 투과하여 화면을 표시하는 특징이 있다. 따라서, 별도의 백라이트 유닛이 필요하게 되며, 현재 백라이트 유닛으로는 CCFL은 냉음극방출 현상을 이용한 광원관으로서 저발열, 고휘도, 장수명, 풀컬러화 등이 용이한 냉음극관(Cold Cathode Fluorescent Tube; 이하 "CCFL "이라 함)이 가장 널리 사용되고 있다.
이러한 CCFL은 저압의 직류 전원에서 고압 전원을 얻기 위해 인버터 회로를 사용하게 된다.
한편, 20인치 이상의 대화면 LCD 패널의 경우 화면 휘도의 강도 필요성에 의해 LCD 패널의 크기에 따라 다수의 램프가 사용되고 있으며, 램프를 균일한 간격으로 배치하는 직하형 방식을 채택하고 있다. 이 경우, 각 램프 밝기의 균일성이 백라이트 유닛의 성능을 좌우하는 핵심 요소 중의 하나이다. 램프 휘도의 균일성을 유지하기 위해서는 각 램프에 흐르는 관 전류의 RMS(root mean sequare)값이 동일해야 한다.
도 1a는 종래 백라이트 램프의 휘도를 제어하기 위한 일반적인 인버터의 구성 블록도이고, 도 1b는 도 1a의 내부 회로도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 각 인버터(100)는 램프(200)의 전류값을 검출하여 전력 증폭기(110)의 게이트단에 입력되는 스위칭 펄스 신호를 가변시키는 제어칩(130)을 포함하며, 하나의 제어칩(130)으로 하나의 램프 전류를 제어하도록 되어 있다.
제어칩(130)은 램프(200)의 출력 관전류를 기준 전류(Iref)와의 차를 검출하여 증폭시키는 OP AMP(130-1)와 상기 OPAMP(130-1)의 출력값에 따라 출력되는 구형파의 펄스폭을 가변시키는 PWM(130-3)으로 구성된다.
트랜스포머(120)는 제조 조건 또는 현재 온도 등의 주위 환경에 따라 인덕턴스 값이 상이할 수 있으며 이러한 경우 트랜스포머(120)의 2차측을 통해 램프(200)에 인가되는 전압의 크기가 달라지므로 각 램프(200)에 흐르는 관전류의 크기가 달라지게 된다.
그러나 각 제어칩(130)이 램프(200)의 관전류의 크기에 따라 전력 증폭기(110)의 스위칭 온 타임(Ton)을 조절하여 각 램프(200)에 일정한 관전류가 흐르도록 제어하여 각 램프(200)의 휘도가 균일하도록 제어한다.
즉, 종래의 경우에는 하나의 제어칩(130)으로 하나의 램프 전류를 제어하기 때문에 트랜스포머(120)의 인덕턴스의 편차가 있어도 모든 램프(200)의 휘도가 균일하도록 제어하는 것이 가능하였다.
그러나, 이러한 종래 인버터의 경우에는 다수개의 제어칩(130)이 요구되므로 생산 원가가 높은 단점이 있으며, 근래의 저가형 인버터의 경향과는 대치되는 문제점이 있었다.
따라서, 근래에는 저가형 인버터를 구현하기 위해 백라이트 유닛의 구성을 단순화시킨 인버터 회로들이 개발되고 있다.
도 2는 이러한 종래 백라이트 램프의 휘도를 제어하기 위한 저가형 인버터의 구성 블록도이다.
도 2의 인버터 회로에서는 하나의 제어칩(700)과 전력 증폭기(400)에 각 트랜스포머(500)와 램프(600)를 병렬 연결시켜 램프(600)를 구동하며, 제어칩(700)이 복수개의 램프(600) 중 하나의 램프(600)의 출력 관전류만을 검출하여 그에 상응하는 구형파 신호를 생성하도록 하고 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 동일한 사양의 트랜스포머(500)라고 하더라도 제조 조건 또는 현재 온도 등의 주위 환경에 따라 인덕턴스 값이 트랜스포머(500)마다 다소 상이할 수 있으며 이러한 경우 트랜스포머(500)의 2차측을 통해 램프(600)에 인가되는 전압의 크기가 달라지므로 각 램프(600)에 흐르는 관전류의 크기가 달라져 백라이트의 휘도가 불균일해지는 문제점이 있다.
이러한 백라이트의 휘도의 분균일을 등가회로에서의 전달함수에 대한 보드 선도를 통해 살펴보기로 한다.
도 3a는 도 2의 백라이트 구동용 인버터 회로에서 램프의 버닝 시 트랜스포머와 램프의 등가회로이고, 도 3b는 도 3a의 회로에서 전달함수의 크기에 대한 보드선도이다.
도 3a에서, L = Lsec(1-k2) 이다. 여기서, Lsec는 트랜스포머(500)의 2차측에서 본 등가 인덕턴스이고, k는 트랜스포머(500)의 커플링 계수()이고, C는 램프(600)에서 트랜스포머(500) 측으로 들여다본 커패시터 성분의 총합을 나타낸다. CCFL은 이그니션 후 정상 동작시 저항으로 모델링 되므로 램프(600)를 R로 표현하였다. Vs는 트랜스포머(500)의 1차측 전압 Vab가 트랜스포머(500)의 2차측으로 전달된 전압이다. 수식으로 표현하면 Vs = kNVab가 된다. 여기서 N은 트랜스포머(500)의 턴비이다.
위 회로에서 전달함수( VO(S)/VS(S) )를 구하면 다음 수학식 1과 같다.
도 3a에서 L=870mH, C=15pF, R=117kΩ 이라고 가정하고, L값의 변화가 ±10%인 경우에 대해 (1)식의 전달함수의 Magnitude(Vo(S)/Vs(S))에 대한 보드 선도는 도 3b와 같고, 도 3b의 그래프에서 □는 L=957mH, ◇=L=870mH, ▽=L=783mH인 경우에 대한 보드 선도이다.
도 3b의 파형에서 보면 L값이 커지면 램프(600)에 인가되는 전압이 작아짐을 알 수 있다. 램프(600)에 흐르는 관전류는 램프(600)에 인가되는 전압에 비례한다. 그러므로, 각각의 트랜스포머(500)의 L값이 다르면 램프(600)에 인가되는 전압이 달라지고, 각각의 램프(600)에 인가되는 전압이 달라지면 램프(600)의 관전류가 달라져서 각 램프간의 휘도가 동일하지 않게 된다.
도 4a는 도 2의 백라이트 구동용 인버터 회로에서 램프의 이그니션(Ignition) 시 트랜스포머와 램프의 등가회로이고, 도 4b는 도 4a의 회로에서 전달함수의 크기에 대한 보드선도이다.
도 4a는 램프(600)의 이그니션 시 종래 인버터 방식의 등가회로이다. 이그니션 상태에서 램프의 등가 저항은 ∞로 나타낸다.
도 4a 회로의 전달함수(Vo(S)/Vs(S))를 구하면 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 2를 이용하여 L값의 변화에 대한 보드 선도를 그려보면 도 4b와 같고, 도 4b의 그래프에서 □는 L=957mH, ◇=L=870mH, ▽=L=783mH인 경우에 대한 보드 선도이다.
도 4b에서 이그니션 상태의 동작 주파수를 67kHz라고 가정하면 L값이 클수록 램프(600)에 인가되는 이그니션 전압이 낮아짐을 알 수 있다. L값이 큰 경우(□)에는 이그니션 전압이 낮으면 초기 램프 활성화 정도가 원활하지 못해서 정상적인 밝기를 내기까지 많은 시간이 필요하다. L값이 작은 경우(▽)에는 이그니션 전압이 높기 때문에 램프 활성화가 잘 이루어져 정상적인 밝기를 내기까지 걸리는 시간이 작지만, 램프 수명에 악영향을 준다. 따라서, 각 트랜스포머(500)의 L값이 다른 경우 LCD 패널을 켜면 초기에 각 램프 휘도가 불균일해지는 현상이 발생한다.
따라서, 종래 이러한 백라이트 구동용 인버터의 불합리한 점을 극복하고 저가형 인버터로서 램프의 휘도를 균일하도록 할 수 있는 인버터에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점에 착안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 1개의 전력증폭기와 제어칩을 채용한 회로에서 각 트랜스포머의 1차측 또는 2차측에 직렬 보상 저항을 연결하여 복수개의 램프의 휘도를 균일하도록 하는 저가형 백라이트 구동용 인버터를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명에서는 각각의 트랜스포머에 직렬로 보상 저항을 삽입하여 각각의 트랜스포머와 램프간의 전달함수를 다르게 하여 하나의 제어칩을 사용하면서도 각각의 램프 휘도를 균일하게 맞춰주는 방식을 제안하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 전력 증폭기, 1차측이 상기 전력 증폭기의 출력단에 병렬로 연결된 복수개의 트랜스포머, 상기 각 트랜스포머의 2차측에 연결된 복수개의 램프, 상기 복수개의 램프 중 어느 하나의 출력단에 연결되어 상기 램프의 관전류의 크기에 상응하는 펄스폭의 구형파를 발생시켜 상기 전력 증폭기의 제어 입력단에 인가하는 제어칩을 포함하되, 상기 각 트랜스포머의 2차과 상기 램프 사이에 직렬 보상 저항이 삽입되는 것을 특징으로 하는 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터가 제공된다.
본 발명의 다른 일측면에 따르면, 전력 증폭기, 1차측이 상기 전력 증폭기의 출력단에 병렬로 연결되고 2차측에 램프가 직렬로 연결된 복수개의 트랜스포머, 상기 복수개의 램프 중 어느 하나의 출력단에 연결되어 상기 램프의 관전류의 크기에 상응하는 펄스폭의 구형파를 발생시켜 상기 전력 증폭기의 제어 입력단에 인가하는 제어칩을 포함하되, 상기 전력 증폭기의 출력단과 상기 각 트랜스포머의 1차측 사이에 직렬 보상 저항이 삽입되는 것을 특징으로 하는 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터가 제공된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 5a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터의 내부 회로도이고, 도 5b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터의 내부 회로도이다.
본 발명은 도 2에서와 동일한 방식으로 1개의 인버터를 채용한 저가형 인버터에 직렬 보상 저항(R)을 삽입한 회로로서, 제 1 실시예는 직렬 보상 저항(R)을 트랜스포머(30)의 2차측(각 트랜스포머(30)의 2차측과 램프(40) 사이)에 연결하고, 제 2 실시예는 직렬 보상 저항(R)을 트랜스포머(30)의 1차측(전력 증폭기(20)의 출력단과 각 트랜스포머(30)의 1차측 사이)에 연결한다는 점에서만 상이하다.
도 5a 및 5b와 같은 간단한 구성의 추가를 통해 하기와 같이 각 램프(40)의 균일한 휘도를 제공할 수 있다.
도 6a는 본 발명에 따른 백라이트 구동용 인버터에서 램프의 버닝 시 트랜스포머와 램프의 등가회로이고, 도 6b는 도 6a의 회로에서 전달함수의 크기에 대한 보드선도이다.
도 6a는 도 5b에 도시된 제 1 실시예에 따른 인버터 회로의 트랜스포머(30)의 2차측에 직렬 보상 저항(R)을 삽입하여 구성한 회로에서 트랜스포머(30)와 램프(40)를 모델링한 등가회로이다.
상술한 바와 같이, 제 2 실시예에 의할 경우에는 R을 트랜스포머(30)의 1차측에 직렬로 연결하면 되고, 이 경우 트랜스포머 일차측에 직렬로 연결할 경우에는 R/N2(N:트랜스포머 턴비)의 값을 넣어주어야 한다. 2차측에 직렬로 연결할 경우에는 R을 넣어주면 된다.
도 6a의 등가회로에서 전달함수(Vo(S)/Vo(S))를 구하면 수학식 3과 같다.
수학식 3을 이용하여 L값이 변해도 동일한 출력을 갖도록 R을 삽입하여 세가지 경우의 전달함수의 Magnitude(Vo(S)/Vo(S))에 대한 보드 선도는 도 6b와 같다. 도 6b의 그래프에서 □는 L=957mH, R=0 ◇=L=870mH, R=70KΩ ▽=L=783mH, R=113KΩ인 경우에 대한 보드 선도이다.
만일 램프(40)의 버닝 시 동작 주파수가 56 KHz라고 가정하면, 56KHz에서 L값의 변화에 따라 R의 값을 변화시켜 가면서 전달함수의 크기를 산출하면 L값의 변화에 관계없이 일정한 전압이 램프(40)에 인가되도록 하는 것이 가능하다.
실험 결과에서는 L=957mH, R=0 ◇=L=870mH, R=70KΩ ▽=L=783mH, R=113KΩ로 설정된 경우에 있어서, 버닝 시 동작 주파수인 56 KHz에서 전달함수의 크기가 일정함을 확인할 수 있었다.
따라서, 각 트랜스포머(30)의 인덕턴스값에 따라 적절한 직렬 보상 저항을 선택하면 램프(40)에 인가되는 관전류를 동일하게 만들어 모든 램프(40)의 휘도를 균일하게 만들 수 있음이 밝혀 졌다.
다음에서는 램프(40)의 버닝 상태에서 관전류를 동일하게 만들기 위해 삽입한 직렬 보상 저항이 램프(40)의 이그니션 상태에서 램프(40)에 어떠한 영향을 주는지 살펴보기로 한다.
도 7a는 본 발명에 따른 백라이트 구동용 인버터에서 램프의 이그니션 시 트랜스포머와 램프의 등가회로이고, 도 7b는 도 7a의 회로에서 전달함수의 크기에 대한 보드선도이다.
도 7a 회로의 전달 함수(Vo(S)/Vo(S))를 구하면 다음 수학식 4와 같다.
수학식 4를 이용하여 L, R값의 변화에 대한 세가지 경우에 대한 보드 선도가 도 7b에 도시되어 있다.
도 4b에서 이그니션 상태의 동작 주파수를 67kHz라고 가정했으므로 도 7b에서 동일한 주파수인 67kHz에서 살펴보면 L값이 편차에 대한 이그니션 전압의 변화 범위가 기존 방식에서는 3.5dB였지만, 직렬 보상 저항(R)을 삽입한 제안 회로에서는 1.5dB임을 확인했다. 즉, 직렬 보상 저항(R)을 삽입한 제안 회로가 이그니션 상태에서 L값의 편차에 대한 이그니션 전압의 변화가 작기 때문에 LCD 패널의 이그니션시 상태에서도 LCD 패널의 휘도 균일성이 기존의 회로보다 개선되었음을 알 수 있다.
상기 두 가지 실험 결과로 직렬 보상 저항(R)을 삽입하면 버닝 시 관전류을 동일하게 만들어 휘도의 균일성을 확보할 뿐만 아니라, 이그니션 시에도 램프(40)의 활성화 정도의 편차를 줄여서 LCD 패널을 켰을 때 초기 상태부터 각 램프 휘도의 균일성을 확보해 줄 수 있음이 증명되었다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 트랜스포머에 직렬로 저항을 삽입하여 기존 N개의 인버터을 사용한 회로를 1개의 인버터만 사용하여 동일한 성능(휘도의 균일성)를 갖도록 할 수 있기 때문에 N-1개의 제어칩과 전력증폭단의 소자를 감소시켜 휘도의 균일성을 유지하면서 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 저가형 CCFL 인버터에서 하나의 제어칩으로 다수 램프의 휘도를 제어할 경우, 트랜스포머의 인덕턴스의 편차로 인하여 관전류가 변하여 휘도가 달라지는 것을 보상하는 방법에 관한 것으로, 특히 가격 절감을 위한 LCD BLU 구현에 유용할 것으로 기대된다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
도 1a는 종래 백라이트 램프의 휘도를 제어하기 위한 일반적인 인버터의 구성 블록도이고, 도 1b는 도 1a의 내부 회로도이다.
도 2는 종래 백라이트 램프의 휘도를 제어하기 위한 저가형 인버터의 구성 블록도이다.
도 3a는 도 2의 백라이트 구동용 인버터 회로에서 램프의 버닝 시 트랜스포머와 램프의 등가회로이고, 도 3b는 도 3a의 회로에서 전달함수의 크기에 대한 보드선도이다.
도 4a는 도 2의 백라이트 구동용 인버터 회로에서 램프의 이그니션 시 트랜스포머와 램프의 등가회로이고, 도 4b는 도 4a의 회로에서 전달함수의 크기에 대한 보드선도이다.
도 5a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터의 내부 회로도이고, 도 5b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터의 내부 회로도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 백라이트 구동용 인버터에서 램프의 버닝 시 트랜스포머와 램프의 등가회로이고, 도 6b는 도 6a의 회로에서 전달함수의 크기에 대한 보드선도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 백라이트 구동용 인버터에서 램프의 이그니션 시 트랜스포머와 램프의 등가회로이고, 도 7b는 도 7a의 회로에서 전달함수의 크기에 대한 보드선도이다.
<주요 도면부호에 관한 설명>
10 : DC 전원 20 : 인버터
30 : 트랜스포머 40 : 램프
50 : 제어칩

Claims (3)

  1. 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터에 있어서,
    전력 증폭기;
    1차측이 상기 전력 증폭기의 출력단에 병렬로 연결된 복수개의 트랜스포머;
    상기 각 트랜스포머의 2차측에 연결된 복수개의 램프;
    상기 복수개의 램프 중 어느 하나의 출력단에 연결되어 상기 램프의 관전류의 크기에 상응하는 펄스폭의 구형파를 발생시켜 상기 전력 증폭기의 제어 입력단에 인가하는 제어칩을 포함하되,
    상기 각 트랜스포머의 2차측과 상기 램프 사이에 직렬 보상 저항이 삽입되는 것을 특징으로 하는 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 램프의 버닝 시 상기 트랜스포머의 2차측과 램프의 등가회로에서의 전달함수는
    (여기서, L = Lsec(1-k2) (Lsec는 상기 트랜스포머의 2차측에서 본 등가 인덕턴스, k는 상기 트랜스포머의 커플링 계수()임), C는 상기 램프에서 상기 트랜스포머 측으로 들여다본 커패시터 성분의 총합, RL은 램프의 정상동작 시의 저항값, R은 상기 직렬 보상 저항의 저항값임)
    로 표현되는 것을 특징으로 하는 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터.
  3. 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터에 있어서,
    전력 증폭기;
    1차측이 상기 전력 증폭기의 출력단에 병렬로 연결되고 2차측에 램프가 직렬로 연결된 복수개의 트랜스포머;
    상기 복수개의 램프 중 어느 하나의 출력단에 연결되어 상기 램프의 관전류의 크기에 상응하는 펄스폭의 구형파를 발생시켜 상기 전력 증폭기의 제어 입력단에 인가하는 제어칩을 포함하되,
    상기 전력 증폭기의 출력단과 상기 각 트랜스포머의 1차측 사이에 직렬 보상 저항이 삽입되는 것을 특징으로 하는 휘도 균일성 제공을 위한 직렬 보상 저항을 갖는 백라이트 구동용 인버터.
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