KR100736329B1

KR100736329B1 - 고효율 엘이디 구동 회로

Info

Publication number: KR100736329B1
Application number: KR1020060047108A
Authority: KR
Inventors: 한주원
Original assignee: (주)큐피디텍
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2007-07-11

Abstract

본 발명은 고효율 LED 구동 회로에 관한 것으로, 스위칭 동작시 발생하는 노이즈가 작으나 인덕터를 사용하는 직류 컨버터에 비해 효율이 낮은 차지-펌프형 직류 컨버터의 효율을 높이기 위하여, 전원 입력단을 통해 입력된 전원이 출력 전압 제어부에 의해 동작하는 스위칭 제어부에 의해 차지-펌프부에서 소정 시간동안 충전되어 2배의 전압을 전원 출력단으로 출력하여 전압원인 LED를 구동하는 차지-펌프형 직류 컨버터를 사용한 LED 구동 회로에 있어서, 상기 전원 출력단에 연결되고, 상기 전원 입력단을 통해 입력된 전원의 입력 전압이 소정 전압보다 낮은 경우에는 상기 차지-펌프부에서 충전된 전압으로 LED를 구동하고, 입력 전압이 소정 전압보다 높은 경우에는 전원 출력단의 출력 전류를 상기 전원 입력단으로 입력시키는 출력 전류 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

고효율, 차지-펌프, 직류 컨버터, LED 구동

Description

고효율 엘이디 구동 회로{A high efficiency LED driver}

도1은 종래 기술에 따른 차지-펌프형 직류 컨버터의 블록도이다.

도2는 도1의 회로 구성예이다.

도3은 도1에서 스위칭 제어부에 의해 생성된 클럭 신호를 도시한 것이다.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 고효율 LED 구동 회로의 블록도이다.

도5는 도4의 제1회로 구성예이다.

도6은 도4의 제2회로 구성예이다.

도7은 도4의 제3회로 구성예이다.

도8은 도4의 제4회로 구성예이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 직류 컨버터 11: 전원 입력단

12: 차지-펌프부 13: 전원 출력단

14: 출력 전압 제어부 15: 스위칭 제어부

100: LED 구동 회로 110: 전원 입력단

120: 차지-펌프부 130: 전원 출력단

140: 출력 전압 제어부 150: 스위칭 제어부

160: 기준 전압 제어 회로 170: 전압원

180: 출력 전류 제어부

본 발명은 고효율 LED 구동 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스위칭 동작시 발생하는 노이즈가 작으나 인덕터를 사용하는 직류 컨버터에 비해 효율이 낮은 차지-펌프형 직류 컨버터의 효율을 높일 수 있는 구동 회로에 관한 것이다.

커패시터를 이용하는 차지-펌프형 직류 컨버터(Charge-pump type DC-DC converter)는 인턱터를 사용하는 직류 컨버터에 비해 스위칭시에 발생하는 노이즈가 거의 없어, 발광 다이오드의 구동을 위한 응용회로에 자주 사용된다.

이하에서 첨부된 도면 도1 내지 도3을 참조로 일반적으로 사용되는 차지-펌프형 직류 컨버터를 설명한다.

도1은 종래 기술에 따른 차지-펌프형 직류 컨버터의 블록도이고, 도2는 도1의 회로 구성예이고, 도3은 도1에서 스위칭 제어부에 의해 생성된 클럭 신호를 도시한 것이다.

도1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 차지-펌프형 직류 컨버터(10: 이하에서 별다른 설명이 없는 한, ‘차지-펌프형 직류 컨버터’는 간략히 ‘직류 컨버터’라 한다)는 전원 입력단(11)을 통해 전원이 입력된다.

입력된 전원은 출력 전압 제어부(14)에 의해 동작하는 스위칭 제어부(15)에 의해 차지-펌프부(12)에서 소정 시간동안 충전되어 2배의 전압을 전원 출력단(13)으로 출력하여 LED를 구동한다.

이와 같은 동작을 수행하는 직류 컨버터(10)의 상세 동작을 도2를 참조로 설명한다.

전원 입력단(11)을 통해 입력된 전원(Vin, Iin)은 스위치(s1,s4)가 온(on) 상태가 되고 스위치(s2,s3)이 오프(off) 상태가 되었을 때, 입력 전압(Vin) 컨덴서 C1에서 충전된다. 이후, 스위치(s2,s3)가 온(on) 상태가 되고 스위치(s1,s4)이 오프(off) 상태가 되었을 때, 전원 출력단(13)에 입력 전압(Vin)과 컨덴서 C1에서 충전된 전압이 함께 전달된다. 즉, 전원 출력단(13)의 출력 전압(Vo)은 입력 전압(Vin)의 2배 전압을 갖게 된다. 따라서 도2와 도3에 도시된 직류 컨버터(10)는 “2배 모드(Mode)"라고 한다.

여기서 스위치(s1,s2,s3,s4)의 동작은 출력 전압 제어부(14)에 의해 동작하는 스위칭 제어부(15)에 의해 제어된다.

즉, 먼저 출력 전압이 정전압이 되도록 저항(R1,R2) 사이의 출력을 마이너스 단의 입력으로 사용하고, 소정의 기준 전압(Vref)이 플러스 단의 입력으로 사용하는 비교기의 출력이 스위칭 제어부(15)로 입력된다.

스위칭 제어부(15)는 도3에 도시된 바와 같이, 비교기의 출력을 클럭(clock)으로 사용하여, 클럭A와 클럭B 신호를 생성하여, 예를 들면 클럭A의 신호가 하이(high)인 경우에는 스위치(s1,s4)가 온 상태가 되도록 하고, 클럭B의 신호가 하이인 경우에는 스위치(s2,s3)가 온 상태가 되도록 한다.

여기서, 클럭A의 신호가 하이인 시간과 클럭B의 신호가 하이인 시간 사이에는 소정 의 데드 타임(dead time: t1과 t2 사이의 시간 또는 t3과 t4 사이의 시간)을 갖게 된다. 이와 같은 데드 타임은 스위치가 교차로 온 상태가 될 때 순간적으로 모든 스위치가 온 상태가 되는 것을 방지하기 위해서이다.

이와 같은 구성을 갖는 직류 컨버터(10)의 효율(η)은 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

η ≒ Vo × Io ÷ (Vin × Io × Mode) × 100 [%] (수학식 1)

여기서 모드(Mode)는 전술된 바와 같이 2배 이므로, 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

η ≒ Vo ÷ 2Vin × 100 [%] (수학식 2)

수학식 2를 통해 알 수 있듯이, 효율(η)은 출력전압(Vo)에 비례하고 입력 전압(Vin)의 2배에 반비례한다.

이상을 통해 알 수 있듯이, 종래 기술에 따른 직류 컨버터(10)는 입력 전압의 2배에 반비례하게 되어 입력 전압이 높을수록 효율이 떨어지는 문제가 상존한다.

본 발명은 전술된 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 고효율 LED 구동 회로의 제공을 목적으로 한다.

전술된 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시형태에 따른 고효율 LED 구동 회로는, 전원 입력단을 통해 입력된 전원이 출력 전압 제어부에 의해 동작하는 스위칭 제어부에 의해 차지-펌프부에서 소정 시간동안 충전되어 2배의 전압을 전원 출력단으로 출력하여 전압원인 LED를 구동하는 차지-펌프형 직류 컨버터를 사용한 LED 구동 회로에 있어서, 상기 전원 출력단에 연결되고, 상기 전원 입력단을 통해 입력된 전원의 입력 전압이 소정 전압보다 낮은 경우에는 상기 차지-펌프부에서 충전된 전압으로 LED를 구동하고, 입력 전압이 소정 전압보다 높은 경우에는 전원 출력단의 출력 전류를 상기 전원 입력단으로 입력시키는 출력 전류 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 전술된 출력 전압 제어부는: 상기 전원 출력단과 접지 사이에 연결된 2개의 저항; 상기 2개의 저항 사이의 출력을 마이너스 단의 입력으로 사용하고, 소정의 기준 전압을 플러스 단의 입력으로 사용하여 출력값을 상기 스위칭 제어부의 동작 클럭으로 입력하는 비교기 및 상기 기준 전압을 제어하는 기준 전압 제어 회로를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 전술된 기준 전압 제어 회로는: 상기 기준 전압이, 상기 입력된 전원의 입력 전압과 상기 전압원에 인가되는 전압의 합에 비례하고, 상기 2개의 저항값의 합을 상기 2개의 저항 중 접지측에 연결된 저항값으로 나눈 저항비에 반비례하도록 제어하는 것이 바람직하다.

또한 전술된 비교기의 출력값에 따라 상기 전원 입력단의 입력 전류량을 일정하게 제어하는 입력 전류 제어기를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예가 기술된다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이 용어들은 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

(고효율 LED 구동 회로의 구성)

먼저, 첨부된 도면 도4를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 고효율 LED 구동 회로의 구성을 설명한다.

도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고효율 LED 구동 회로(100: 이하에서 별다른 설명이 없는 한, ‘고효율 LED 구동 회로’는 간략히 ‘구동 회로’라 한다)는 차지-펌프형 직류 컨버터를 구성하는 전원 입력단(110), 차지-펌프부(120), 전원 출력단(130), 출력 전압 제어부(140) 및 스위칭 제어부(150)에서, 전원 출력단(130)에 출력 전류 제어부(180)를 추가로 포함하여 구성된다. 또한, 출력 전압 제어부(140)에 기준 전압 제어 회로(160)가 추가로 연결된다. 또한 전원 입력단(110)에 입력 전류 제어기(190)를 추가로 포함한다.

출력 전류 제어부(180)는 전원 입력단(110)을 통해 입력된 전원의 입력 전압이 소정 전압보다 낮은 경우에는 차지-펌프부(120)에서 충전된 전압으로 전압원(170)인 LED를 구동하고, 반대의 경우에는 전원 출력단(130)의 출력 전류를 전원 입력단(110)으로 입력시킨다.

입력 전류 제어기(190)는 전원 입력단(110)의 입력 전류량이 일정하도록 제어한다.

이하에서, 첨부된 도면 도5 내지 도8을 참조로 본 발명에 따른 구동 회로의 회로 구성예를 설명한다.

본 회로 구성예의 설명에 앞서, 본 회로 구성예는 본 발명의 구성이나 동작을 설명하기 위한 예시일 뿐, 필요에 따라, 당업자에 의해, 첨부된 청구범위의 정신과 사상 내에서 다양한 균등/등가 회로가 사용될 수도 있음에 유의해야 한다.

(제1회로 구성예)

이하에서 첨부된 도면 도5를 참조로, 본 발명에 따른 구동 회로의 제1회로 구성예를 설명한다.

도5는 도4의 제1회로 구성예이다.

도5에서 전원 입력단(110), 차지-펌프부(120), 전원 출력단(130)은 전술된 종래 기술과 동일한 동작을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다.

출력 전압 제어부(140)를 구성하는 제2비교기(COM2)의 플러스 단의 입력은 기준 전압 제어회로(160)에 의해 제어되는 기준 전압(Vref)이 입력된다.

이때의 기준 전압(Vref)은 입력된 전원의 입력 전압(Vin)과 전압원(170)에 인가되는 전압(Vf)의 합에 비례하고, 2개의 저항값의 합을 상기 2개의 저항 중 접지측에 연결된 저항값으로 나눈 저항비( (R1+R2)/R1 )에 반비례하도록 제어된다.

제1비교기(COM1)의 플러스 단의 입력으로 사용되는 값(V1)은 일정 기준 전압이고, 마이너스 단의 입력으로 사용되는 값(Vin/d)에서 ‘d'는 상수이다.

이하에서 제1회로 구성예의 동작을 설명한다.

먼저, 스위치(S5)가 온 상태가 되고, 스위치(S6)가 오프 상태가 되면, 출력 전류(Io)는 다시 입력 전압으로 복귀되어 입력 전압(Vin)에서 소비하는 전류는 ‘Io'가 된다.

따라서, 본 제1회로 구성예에 따르면 효율(η)은 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

η ≒ Vo ÷ Vin × 100 [%] (수학식 3)

스위치(S5)가 오프 상태가 되고, 스위치(S6)가 온 상태가 되면, 일반적인 2배 모드로 동작한다.

여기서, 기준 전압 제어 회로(160)는 Vref를 (Vin + Vf)/k에 비례하도록 제어한다. k는 (R1 + R2) / R1이다. 이처럼 Vref를 제어하면, Vo를 입력 전압에 비례적으로 제어할 수 있게 된다.

전술된 바와 같이 본 제1회로 구성예에 따르면, 스위치(S5)가 온 상태가 되고, 스위치(S6)이 오프 상태가 된 경우에 효율이 주지의 직류 컨버터에 비해 2배가 향상되는 이점이 있다.

(제2회로 구성예)

이하에서 첨부된 도면 도6을 참조로 본 발명에 따른 제2회로 구성예를 설명한다.

도6은 도4의 제2회로 구성예이다.

도6에 도시된 바와 같이, 본 제2회로 구성예는 2개의 PMOS 트랜지스터(x1, xM)를 미러(mirror) 형태로 배치한 것을 제외하고는 실질적으로 동일하다.

이에 의해 출력 전류(Io)가 전류원(Is)에 대해 M배로 제어되며, 효율은 제1회로 구성예의 효율과 동일하게 이루어진다.

(제3회로 구성예)

이하에서 첨부된 도면 도7을 참조로 본 발명의 제3회로 구성예를 설명한다.

도7은 도4의 제3회로 구성예이다.

도7에 도시된 바와 같이, 본 제3회로 구성예는 제2회로 구성예에 비해 입력 전류 제어기(190)를 추가로 포함하는 것을 제외하고는 실질적으로 동일하다.

입력 전류 제어기(190)는 2개의 PMOS 트랜지스터(x1, xN)를 미러 형태로 배치하여 구성되며, 출력 전압(Vo)을 검출한 에러량을 전류로 변환한 Ig의 N배로 입력 전류를 제어한다.

이와 같이 입력 전류 제어기(190)를 사용하게 되면, 출력 전압(Vo)이 오실레이터의 기준 주파수로 제어될 수 있고, 입력 전류(Iin)는 일정하게 제어될 수 있어 노이즈 특성이 좋아지는 이점이 있다.

(제4회로 구성예)

이하에서 첨부된 도면 도8을 첨부로 본 발명에 따른 제4회로 구성예를 설명한다.

도8은 도4의 제4회로 구성예이다.

도8에 도시된 바와 같이, 본 제4회로 구성예는 제3회로 구성예에 비해, 입력 전류(Iin)의 제어를 제2비교기(COM2)의 출력 전압에 의해 제어하는 것을 제외하고는 실질적으로 동일하다.

제4회로 구성예도 제3회로 구성예와 동일한 이점을 갖게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 기술하였다. 그러나 본 발명은 전술된 실시예에만 특별히 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라, 당업자에 의해, 첨부된 청구범위의 정신과 사상 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함에 유의해야 한다.

전술된 바와 같이, 본 발명에 따르면 출력 전압을 입력 전압과 전압원의 전압의 합에 비례하도록 제어할 수 있고, 출력 전압에서 입력 전압을 뺀 값을 전압원의 전압과 비교하여 2배 모드로 제어할 수 있어 효율이 높은 LED 구동 회로를 제공할 수 있다.

Claims

전원 입력단을 통해 입력된 전원이 출력 전압 제어부에 의해 동작하는 스위칭 제어부에 의해 차지-펌프부에서 소정 시간동안 충전되어 2배의 전압을 전원 출력단으로 출력하여 전압원인 LED를 구동하는 차지-펌프형 직류 컨버터를 사용한 LED 구동 회로에 있어서,

상기 전원 출력단에 연결되고, 상기 전원 입력단을 통해 입력된 전원의 입력 전압이 소정 전압보다 낮은 경우에는 상기 차지-펌프부에서 충전된 전압으로 LED를 구동하고, 입력 전압이 소정 전압보다 높은 경우에는 전원 출력단의 출력 전류를 상기 전원 입력단으로 입력시키는 출력 전류 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 LED 구동 회로.
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