KR100735943B1 - Ｌｅｄ 발광 모듈용 공급 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED 발광 모듈을 위한 공급 어셈블리(a supply assembly)에 관한 것으로, 이는 LED 발광 모듈이 접속될 수 있는 PWM 제어 전류원 공급 유닛(a PWM controlled current source supply unit)과, 평균 광 출력을 제어하기 위하여 전력 공급 유닛을 스위칭 온 및 스위칭 오프할 수 있는 버스트 주파수(fburst)로 버스트 제어 유닛(a burst control unit)을 포함한다. 바람직하게, 버스트 제어 유닛에는 공급 유닛이 동작하는 동안 펄스 길이(Tpulse)를 제어하는 펄스 지속시간 변조기(a pulse duration modulator)가 제공된다.

Description

ＬＥＤ 발광 모듈용 공급 어셈블리{SUPPLY ASSEMBLY FOR A LED LIGHTING MODULE}
본 발명은 LED 발광 모듈(a LED lighting module)용 공급 어셈블리(a supply assembly)에 관한 것으로, 상기 공급 어셈블리는 LED 발광 모듈이 접속될 수 있는 공급 유닛(a supply unit)과, LED 발광 모듈의 평균 광 출력을 제어하기 위하여 LED 발광 모듈(a LED lighting module)로의 전력 공급(전압 또는 전류)을 버스트 주파수(burst frequency)로 스위칭 온 및 스위칭 오프할 수 있는 버스트 제어 유닛(a burst control unit)을 포함한다.
LED 발광 모듈은 물체를 조명하는(illuminate) 데에 점점 더 사용되고 있다. 이들은, 예를 들면 교통 신호등과 같이 신호등(signal lighting)으로도 이용된다. LED 발광 모듈의 광 출력은 다양한 잘 알려진 방식으로 제어될 수 있다. 상기 방식들 중 하나는 모듈을 흐르는 전류 세기를 제어하는(디밍(dimming)하는) 데에 있다. 이것은 공칭 전류 세기(nominal current intensity)의 약 20%아래의 전류 세기에서는 전류 세기와 광 출력 사이의 관계가 매우 비선형적이어서, 모듈의 효율이 최적의 상태에서 멀어진다는 단점을 가진다. 그러므로, 모듈에 흐르는 공칭 전류 세기가 유지되는 동안에 광의 세기가 제어될 수 있도록 하는 해결 방안이 강구되었다. 미국 특허 5,661,645는 도입부에서 기술된 바와 같은 LED 발광 모듈용 공급 유닛(a supply unit)을 기술한다. 이 문서에서, 버스트 제어 유닛은 전압원의 출력과 LED 발광 모듈 사이에 배치되어, 모듈로의 전력 공급이 특정 버스트 주파수로 스위칭 온 및 스위칭 오프될 수 있다. 전압원은 지속적으로 온 상태(on-state)이며, 또한 LED 발광 모듈로의 전력 공급 차단(cut off) 상태인 경우에도 온 상태이어서 불필요한 에너지의 손실을 초래한다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 효율적이며, 신뢰할 수 있으며, 비용이 저렴하며, 간단한, 향상된 성능을 가지는 LED 발광 모듈용 공급 어셈블리를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따라 버스트 제어 유닛이 버스트 주파수로 전력 공급 유닛을 스위칭 온 및 스위칭 오프할 수 있다는 점에서 달성된다. 이 경우에, 공급 유닛은 전류가 실제로 공급되는 경우에만 온 상태(on-state)이어서, 열 및 에너지 손실이 최소화되어 시스템의 향상된 효율을 가져다 준다.
바람직하게, 버스트 제어 유닛은 공급 유닛이 온 상태인 동안에 펄스의 길이를 제어할 수 있는 펄스 지속시간 변조기(a pulse-duration modulator)를 포함한다. 이것은 평균 광 출력이 제어되는 것을 의미한다.
바람직하게, 공급 유닛은 제어형 정전류원(a controlled constant-current)이다. 이것은 LED에 흐르는 전기 전류를 제어하기 위하여 추가적인 저항의 제공과 같은 LED 모듈내의 부가적인 수단이 필요하지 않다는 장점을 가진다.
바람직하게, 공급 유닛은 리플(ripple) DC 전류 또는 리플 DC 전압을 공급하는 고주파수 스위치 모드 전력 공급기(switch mode power supply(smps))인데, 이 공급 유닛은 바람직하게 하프 브리지 변환기(a half-bridge converter), 벅 변환기(a buck converter) 또는 플라이백 변환기(a flyback converter)를 포함한다. 바람직하게, 펄스 지속시간 변조기는 버스트 주파수로 변환기를 스위칭 온 및 스위칭 오프할 수 있다. 이러한 방식으로, 원하는 효과가 매우 효율적으로 달성될 수 있다. 바람직하게, 추가적으로 변환기의 리플 주파수는 버스트 주파수의 정수배(an integer multiple)이며, 리플 DC 전압 또는 리플 DC 전류는 버스트 제어 신호에 동기화될 수 있는데, 이는 시스템의 안정성 문제 및 에너지 손실의 감소를 가져다 준다.
바람직하게, 동일한 이유로 버스트 주파수는 전압원, 예를 들면 공급 어셈블리가 접속될 수 있는 메인 전압(mains voltage)의 주파수(통상적으로 50㎐ 또는 60㎐)의 정수배이며, 버스트 제어 신호는 메인 전압 신호에 동기화된다.
바람직하게, 버스트 주파수는 50에서 200㎐ 사이, 또는 20㎑ 보다 큰 주파수 범위에 놓이는데, 바람직하게 버스트 주파수는 (메인 주파수가 50㎐인 경우에)100㎐ 또는 (메인 주파수가 60㎐인 경우에)120㎐이다. 하프 브리지 변환기가 이용되는 때에는 스위칭 손실과 관련하여 버스트 주파수가 가능한한 낮게 선택되는 경우가 최상의 경우이다. 그러나, 바람직하게 주파수는 육안으로 관찰될 수 있는 주 파수(약 70㎐)를 초과하여야 하는데, 이는 보다 낮은 주파수에서는 LED에 의해서 생성되는 플리커(flicker)가 현저하여 불리하게 작용하기 때문이다. 추가적으로, 바람직하게 주파수는 200㎐에서 20㎑까지의 가청 범위 밖에 놓여서 방해되는 사운드 효과(disturbing sound effects)를 배제하여야 한다.
바람직하게, 공급 유닛이 온 상태에서 LED 발광 모듈에 공급하는 전류는 공칭 전류(a nominal current)로 선택되어, 최적의 LED 발광 모듈의 광 출력을 가져다 주는 정전류이며, 결과적으로 공급 유닛은 공칭 전류 세기에 대하여 최적화될 수 있게 되어 효율에 있어서 바람직한 효과를 미친다.
바람직한 실시예에서, 버스트 제어 유닛은 LED 발광 모듈의 온도 및/또는 광 출력을 측정할 수 있는 센서에 결합되는데, 이 버스트 제어 유닛은 공급 유닛이 온 상태인 동안에 센서에 의해서 측정된 값에 따라 펄스의 길이를 제어할 수 있다. 이 덕분에, 모듈의 광 출력은 변하는 조건에서도 안정화될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 펄스들의 지속시간은 사용자에 의해서 조절될 수 있다. 이 덕분에, 모듈의 광 출력은 사용자의 필요에 따라 디밍(dimming)될 수 있다.
또한, 본 명세서에 기술된 공급 어셈블리는, 예를 들면 LCD(a liquid crystal display)와 같은 디스플레이 유닛을 형성하는 LED 발광 모듈을 동작시키는 데에도 적합하다.
본 발명의 이러한 측면 및 다른 측면은 아래에 기술되는 실시예로부터 명확해지고, 이를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 LED 발광 모듈(LED lighting module)이 접속된 공급 어셈블리(a supply assembly),
도 2는 LED 발광 모듈을 통과하는 전류가 시간의 함수로 나타난 그래프,
도 3은 도 1에 도시된 시스템의 제 1 상세 실시예,
도 4는 도 1에 도시된 시스템의 제 2 상세 실시예.
도 1에 도시된 바와 같이, 공급 어셈블리(a supply assembly) I는 공급 유닛(a supply unit), 바람직하게는 제어형 정전류원(a controlled constant-current source)(1)을 포함하는데, 이는 LED 발광 모듈(a LED lighting module)(2)에 전류를 공급한다. 예를 들면, LCD용 백라이트(backlight)와 같은 LED 발광 모듈(2)은 많은 발광 다이오드들(LEDs)(3)을 포함하는데, 이들은 병렬 연결되거나 직렬 연결될 수 있다. 도면은 버스트 제어 유닛(a burst control unit)(4)이 제어형 정전류원(1)을 스위칭 온(switching on) 및 스위칭 오프(switching off)할 수 있음을 도식적으로 나타낸다. 이러한 목적을 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 버스트 제어 유닛(4)은 제어형 정전류원(1)을 버스트 주파수(fburst)로 스위칭 온하는 지속시간 (Tpulse)를 가지는 펄스(pulse)로 구성되는 버스트 제어 신호(5)를 내보낸다. 버스트 주파수 fburst는 육안으로 관찰될 수 있는 주파수(약 70㎐)를 초과하여야 하는 데, 이는 낮은 주파수에서는 LED 발광 모듈에 의해서 생성된 플리거(flicker)가 매우 시각을 어지럽히기 때문이다(디스플레이 튜브의 모니터(the monitor of a display tube) 참고). 그러나, 버스트 주파수(fburst)는 특정 값을 초과하지는 않아야 하는데, 이것은 불필요한 양의 스위칭 손실을 초래할 것이며, 추가적으로 바람직하지 않은 가청 배경 잡음(audible background noises)을 초래할 수 있기 때문이다.
본 예에서, 제어형 정전류원(1)은 하프-브리지 변환기(a half-bridge converter)를 포함하는 고주파수 스위치 모드 전력 공급기(switch mode power supply(smps)인데, 이 하프-브리지 변환기는 버스트 제어 유닛에 의해서 스위칭 온 및 스위칭 오프될 수 있다. 벅 변환기(a buck converter), 플라이백 변환기(a flyback converter) 및 다른 타입의 변환기들과 같은 다른 고주파수 변환기들 또한 제어형 정전류원으로 적절하게 이용될 수 있다. 이러한 공지된 제어형 정전류원은 직류 전류를 전달하는데, 이것의 전류 세기(current intensity) 및/또는 전압은 제어될 수 있다. 이러한 제어형 정전류원의 특유의 특징은 직류 전류가 리플 직류 전류(a ripple direct current)라는 점인데, 이것은 전류 세기가 최소값(6)에서 최대값(7) 사이에서 높은 리플 주파수(a high ripple frequency)에 따라 변한다는 것을 의미한다. 이러한 최소값(6) 및 최대값(7)의 평균은 제어형 정전류원(1)의 직류 전류 세기(8)의 평균이다. 이러한 전류 세기(8)는 바람직하게 LED 발광 모듈(2)에 대한 공칭 전류(nominal current)로서 선택된 전류와 동일하다. 바람직하게, 제어형 정전류원(1)의 리플 신호는 추가적인 스위칭 손실을 막기 위하여 버스트 제어 신호와 동기화된다.
도 2는 LED 발광 모듈(2)을 통과하는 전류(9)의 평균 크기(mean size)가 제어형 정전류원의 평균 전류(8)의 50%에 세팅(setting)된 상황을 나타낸다. 이것은 펄스 지속시간(Tpulse)를 주기 길이(cycle length)(fburst)의 50%에 세팅함으로써 이루어진다. 펄스 지속시간(Tpulse)를 변화시킴으로써, LED 발광 모듈을 흐르는 전류(9)의 평균 크기는 제어형 정전류원(1)에 의해서 전달되는 공칭 전류의 0%에서 100% 사이의 원하는 값을 얻을 수 있다. 이러한 목적에서, 버스트 제어 유닛(4)에는 펄스 지속시간 변조기(a pulse duration modulator)가 제공된다.
도 3 및 도 4는 공급 어셈블리(a supply assembly) I의 바람직한 실시예를 도시하는데, 도 3에 도시된 것과 같은 공급 어셈블리 I는 메인(mains)과 같은 AC 전압원에 접속될 수 있으며, 도 4에 도시된 것과 같은 공급 어셈블리 I는 배터리(a battery)와 같은 DC 전압원에 접속될 수 있다. 도 1과 공통 바와 같이, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 고주파수 스위치 모드 전력 공급기(high-frequency switch mode power supply)는 제어형 정전류원(스위치 모드 전류원(Switch mode current source))(1), LED 발광 모듈(LED MODULE)(2) 및 버스트 제어 유닛(버스트 제어(Burst control))(4)을 포함한다.
버스트 제어 유닛(4)은 버스(Bus)를 통해서 사용자에 의해서 세팅될 수 있는 디밍 디바이스(a dimming device(딤 인터페이스(Dim interface)))(14)에 접속될 수 있다. 디밍 디바이스는 전압 신호(Vdim)에 의해서 버스트 제어 유닛(4)의 펄스 지속시간(펄스 폭이라고도 불림)(Tpulse)를 제어할 수 있다.
LED의 광 출력이 온도에 따라서 변하기 때문에, LED 광 유닛(2)에는 LED 광 유닛(2)의 온도(TEMP-OUT) 및/또는 광 출력(OPT_OUT)를 관찰하는 센서(sensor)가 제공될 수 있다. 센서는 전압 신호(VTF 및 VOF 각각)를 버스트 제어 유닛(4)에 전송할 수 있는데, 이 전압 신호는 또한 펄스 지속시간(Tpulse)를 제어할 수 있다. 이러한 피드백(feedback)에 의해서, LED 발광 모듈(2)의 광 출력은 효율적으로 안정화된다.
도 3에 따르면, 제어형 정전류원(1)에는 그 자체로서 잘 알려진 방식으로 필터/정류기(Filter/rect.)(10) 및 프리컨디셔닝 디바이스(preconditioning device)(Preconditioner)(11)가 제공되는데, 이는, 예를 들면 단자 L, N 및 PE에 의해 접지된 전기 메인(110V/60㎐ 또는 230V/50㎐)에 접속된다. 저전력 시스템(<25W)의 경우에, 프리컨디셔닝 디바이스는 간단한 에너지 버퍼(a simple energy buffer)로 대체될 수 있다. 프리컨디셔닝 디바이스의 안정성에 관련된 문제점을 배제하기 위하여, 동기화 신호(Sync)에 의해서 버스트 제어 신호를 메인 전압 신호에 동기화시키는 것이 중요하다. 보조 공급기(auxiliary supply)(Aux. supply)(15)는 시스템의 상이한 부분에 필요한 저전압 공급기(necessary low-voltage supply)를 제공한다.
도 4에 따르면, 제어형 정전류원(1)에는 DC 필터(Filter)(12)가 공급되며, 선택사항으로 DC/DC 변환기(DC-DC converter)(13)가 제공되는데, 이들은 단자 L 및 N을 가지는 저장 셀(a storage cell) 또는 배터리에 접속된다.

Claims (10)

  1. LED 발광 모듈(a LED lighting module)용 공급 어셈블리(a supply assembly)에 있어서,
    상기 LED 발광 모듈(2)에 접속가능한 전력 공급 유닛(a power supply unit)(1)과,
    상기 LED 발광 모듈(2)의 평균 광 출력을 제어하기 위하여 상기 LED 발광 모듈(2)에 대한 상기 전력 공급 유닛(1)을 버스트 주파수(a burst frequency)(fburst)로 스위칭 온(switching on) 및 스위칭 오프(switching off)할 수 있는 버스트 제어 유닛(a burst control unit)(4)- 상기 버스트 제어 유닛(4)은 상기 전력 공급 유닛(1)이 온-상태(on-state)로 있는 동안의 펄스 길이(Tpulse)를제어할 수 있는 펄스 지속기간 변조기를 포함함 -을 포함하되,
    상기 버스트 주파수(fburst)는 상기 공급 어셈블리가 접속될 수 있는 메인 전압(mains voltage)의 주파수의 정수배이며, 상기 버스트 제어 유닛(4)은 버스트 제어 신호를 메인 전압 신호(the mains voltage signal)에 동기화할 수 있는 수단을 포함하는
    공급 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급 유닛은 제어형 정전류원(a controlled constant-current source)인 공급 어셈블리.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 전력 공급 유닛(1)은 리플 주파수를 갖는 리플 DC 전류(a ripple DC current) 또는 리플 DC 전압(a ripple DC voltage)을 공급하는 변환기를 포함하는 고주파수 스위칭 모드 전력 공급기(a high-frequency switch mode power supply)인 공급 어셈블리.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전력 공급 유닛(1)의 상기 변환기의 상기 리플 주파수는 상기 버스트 주파수(fburst)의 정수배이며, 상기 전력 공급 유닛(1)은 상기 리플 DC 전압 또는 리플 DC 전류를 상기 버스트 제어 신호에 동기화하는 수단을 포함하는 공급 어셈블리.
  7. 삭제
  8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 버스트 주파수(fburst)는 50Hz에서 200㎐사이의 범위이거나, 20㎑를 초과하는 공급 어셈블리.
  9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 버스트 주파수(fburst)는 100Hz 또는 120㎐인 공급 어셈블리.
  10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 전력 공급 유닛(1)이 온 상태일 때 상기 LED 발광 모듈에 공급하는 전류(ILED)는, 공칭 전류(a nominal current)로 선택되어 상기 LED 발광 모듈의 최적의 광 출력을 가져다 주는 정전류인
    공급 어셈블리.
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