KR100979432B1 - 엘이디 조명용 엘이디 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역률과 효율이 모두 향상되는 최적의 LED 구동회로를 제공한다.
본 발명은, 엘이디 구동 회로에 있어서,
입력 교류 전압을 정류하는 정류 회로; 상기 정류 회로의 출력 전압이, 이 출력전압의 피크치를 다수개의 전압 영역으로 분할한 전압 영역 중에서 어느 영역에 속하는지를 검출하는 전압검출 회로; 상기 분할된 전압 영역 각각 전압에서 동작하도록 설정되고, 상기 전압검출 회로에서 검출된 전압영역에 대응하는 모듈이 점등되는 엘이디 모듈들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명을 이용하면, 역률과 효율이 모두 향상되는 최적의 LED 구동회로를 제공할 수 있게 된다.

Description

엘이디 조명용 엘이디 구동회로{LED Driving Circuit for LED Lighting}

본 발명은 LED램프나 LED 백라이트 등의 LED 조명기구에서 LED구동회로의 역률 및 효율을 향상시키는 LED 구동회로에 관한 것이다.

LED램프나 LED 백라이트에 사용되는 LED를 구동하는 LED구동회로는 일반적으로 SMPS를 사용해서 LED 구동회로를 구성하지만, SMPS는 가격이 비싸고 부피도 많이 차지하는 등 문제점이 있어서, 최근에는 SMPS를 사용하지 않고 교류 신호를 이용해서 LED를 직접 구동하는 기술들이 나오고 있다.

SPMS를 이용하지 않는 LED 구동 방식의 경우에는, 도1에서와 같이 입력 전압의 파형에 대하여 특정 영역의 위상(도1의 구간 a)에서만 입력 전류가 흐른다면 무효전력이 존재하게 되고, 이러한 현상이 커지게 될수록(즉 구간 a가 적어질수록) 역률이 악화되게 되고, 이에 따라 전력을 공급하는 전송선로에 손실이 발생한다.

이러한 역률 악화를 방지하기 위해서는, 역률 개선 회로(Power Factor Correction Circuit : PFC)를 가진 LED 구동회로를 사용해야 한다.

그런데, 종래기술의 역률 개선 회로에는 수동(Passive) 방식과 능동(Active) 방식이 있고, 수동 방식의 대표적인 방법은 도2에서와 같이 전해 콘덴서에 대응하는 인덕터를 사용하는 LC공진회로 방식이고, 이 방식에서는 인덕터가 콘덴서의 위상 차이를 보상해 주어 역률이 개선되며(즉, 콘덴서에 의한 진상을 인덕터의 지상으로 보상해 준다), 이 수동방식에서는 보통 0.8정도까지 역률을 개선할 수 있다.

그러나, 교류 전류가 50Hz 내지 60Hz의 저주파수이므로 저주파 인덕터를 만들기 위해서는 인덕터의 크기가 크고, 이에 따라 무게가 무거워서 소형 전원 공급 장치에 사용할 수 없다.

또한, 능동방식은 스위칭 방식을 이용하여 고역률을 구현 가능하지만, 회로가 복잡하여 가격이 비싸고 스위칭에 따른 고조파 발생으로 인하여 EMI 등의 대책을 세워야 하는 문제가 있어서, 내부 공간이 협소하고 저가격 제조가 필요한 소형 전원 공급 장치에서는 능동 방식의 역률 개선 회로를 사용하기 어렵다.

한편, 도1에서는 구간(a)의 폭이 좁아서 역률이 아주 나쁘지만, 효율이 근사적으로 폭(r) 상부의 입력전압 파형의 면적(근사적으로는 r x h₁ + r x h₂/2)에 대한 폭(r) 상부의 사각형의 면적(r x h₁)으로 정의되고, 높이(h₁)가 상대적으로 높이(h₂)에 비해 상당히 크므로, 효율면에 있어서는 효율이 좋다. 결국, 상기 사각형의 상단이 입력 파형에 근접할수록 효율은 좋게 된다.

즉, 도1의 경우에는 구간(a)의 폭이 좁을수록 역율이 악화되지만 효율이 좋아지고, 역율을 향상시키기 위해 구간(a)의 폭을 늘려줄수록 효율은 악화되는 딜레마에 빠지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 LED 구동회로의 문제점을 감안하여, LED 조명장치에서, 역률과 효율이 모두 향상되는 최적의 LED 구동회로를 제공한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1실시예에서는, 엘이디 구동 회로에 있어서,

입력 교류 전압을 정류하는 정류 회로; 상기 정류 회로의 출력 전압이, 이 출력전압의 피크치를 다수개의 전압 영역으로 분할한 전압 영역 중에서 어느 영역에 속하는지를 검출하는 전압검출 회로; 상기 분할된 전압 영역 각각 전압에서 동작하도록 설정되고, 상기 전압검출 회로에서 검출된 전압영역에 대응하는 모듈이 점등되는 엘이디 모듈들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 제2실시예에서는, 엘이디 구동 방법에 있어서,

입력 교류 전압을 정류하는 정류 단계; 상기 정류 단계의 출력 전압의 피크치를 다수개의 전압 영역으로 분할하는 단계; 상기 정류 단계의 출력 전압이 상기 다수개의 전압영역 중 어느 영역에 속하는지를 검출하는 전압검출 단계; 상기 분할된 전압 영역 각각의 전압에서 동작하는 엘이디 모듈들 중에서, 상기 전압검출 단계에서 검출된 전압 영역에 대응하는 엘이디 모듈을 점등시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명을 이용하면, 역률과 효율이 모두 향상되는 최적의 LED 구동회로를 제공할 수 있게 된다.

도1은 종래기술에서 특정 영역의 위상에서만 입력 전류가 흐르는 경우를 도시함.
도2는 종래기술에서 콘덴서에 대응하는 인덕터를 사용하는 LC공진회로 방식의 역률 개선회로를 도시함.
도3은 본 발명의 원리를 설명하는 도면.
도4은 도3의 원리를 적용한 본 발명에 따른 엘이디 구동 회로.

먼저, 본 발명의 원리 및 실시예를 도3, 4를 참고로 하여 설명하기로 한다.

본 발명은 도3에서와 같이 입력 교류 전압을 다수개의 위상 영역(a₁, a₂, a₃)으로 나누어서, 입력 전압이 어느 영역에 존재하는지를 검출하여 해당 영역(전압범위 영역)에 적합한 LED 모듈에 정전류가 흐르게 하는 것이다.

입력전압이 브리지 다이오드 회로에 인가되면 브리지 다이오드 회로의 출력은 상기 도3의 파형이 반복되어, 하나의 파형은 도3과 같은 형태가 된다.

이때, 교류입력전압이 220V라고 하면, 입력의 피크치(V_P)는 루트2를 곱하여 대략 311V가 되고, 이 전압 영역을 3개의 영역(a₁, a₂, a₃)로 분할하면, 영역(a₃)은 V₁ ~ V₂, 영역(a₂)은 V₂ ~ V₃, 영역(a₁)은 V₃ ~ V_P 가 된다.

그리고, 전압검출회로1은 브리지 다이오드 회로의 출력 전압이 V₁ 과 V₂ 사이에 있는지를 검출하는 것이고, 전압검출회로2는 브리지 다이오드 회로의 출력 전압이 V₂ 과 V₃ 사이에 있는지를 검출하는 것으로, 원하는 전압범위 내에 브리지 다이오드 회로의 출력 전압이 있는 경우에는 H 전압 (FET1 또는 FET2를 온시키는 전압)이 출력되게 된다. 여기서, 전압 검출회로1, 2는 전자회로 분야에서 널리 쓰이는 다양한 회로(예: OP 앰프를 이용한 전압 비교기)를 사용하면 된다.

또한, 도통시 LED 모듈1에는 V₂ 전압이 걸리고(즉, LED모듈1의 동작전압이 V₂), 도통시 LED 모듈2에는 V₁ 전압이 걸리도록(즉, LED모듈2 의 동작전압이 V₁), LED의 개수 등을 정한다.

그리고, 전압(V₃)은 LED모듈1의 동작 전압(V₂)과 LED모듈2의 동작 전압(V₁)의 합보다 크게 , 즉 V₃ > V₁+V₂ 가 되게 정한다.

이렇게 하면, 브리지 다이오드 회로의 출력 전압이 V₁ 전압 이하이면 전압 검출 회로1, 2 모두가 L 전압출력(FET1과 FET2를 오프시키는 전압) 이므로 FET1과 FET2가 오프이지만, LED모듈1과 LED모듈2에는 LED모듈1의 동작 전압(V1) 이하의 전압이 인가되므로 LED 모듈1과 LED모듈2가 모두 오프된다.

다음으로, 브리지 다이오드 회로의 출력 전압이 V₁ 과 V₂ 사이의 전압이면 전압 검출 회로1 만 H 전압출력이므로 FET1만 온되어, LED모듈1이 바이패스 되어서 정전류회로를 통해 LED모듈2만 점등하게 된다.

그리고, 브리지 다이오드 회로의 출력 전압이 V₂ 과 V₃ 사이의 전압이면 전압 검출 회로2 만 H 전압출력이므로 FET2만 온되어, LED모듈2가 바이패스 되어서 정전류회로를 통해 LED모듈1만 점등하게 된다.

또한, 브리지 다이오드 회로의 출력 전압이 V₃ 와 V_P사이의 전압이면, 전압 검출 회로1, 2 모두 L 전압출력이므로 FET1, 2가 모두 오프되어, 정전류회로를 통해 LED모듈1,2 모두가 점등하게 된다.

결국, 입력 전압이 위상에 따라 변화하더라도, 도3의 영역(a₁)과 영역(a₂) 과 영역(a₃) 모두에 대하여 입력 전류가 흐르게 되어서 영역(a₁)에 대해서만 전류가 흐르는 종래기술(도1)에 비하여 역률이 개선되게 된다.

또한, 도3에서와 같이, 사각형들의 상부 괘적이 입력 전압파형에 근접하게 되므로 효율도 향상되어, 본 발명은 역률과 효율이 동시에 향상되는 효과를 가지게 된다.

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 점에 유의해야 한다.

예를 들어, 상기에서는 3개의 위상 영역(a₁, a₂, a₃)으로 분할하는 것으로 설명하였지만, 더 많은 개수로 분할하면, 약간씩 역률 및 효율이 더 개선되게 된다. 그러나, 이러한 약간의 역률 및 효율 개선을 위하여, 분할 개수가 늘어날수록 입력 전압 감지 회로가 더욱 더 복잡해진다는 점을 고려하면, 2~3개의 영역으로 분할하는 것이 바람직하다.

Claims (4)

1. 엘이디 조명용 엘이디 구동 회로에 있어서,
   입력 교류 전압을 정류하는 브리지 다이오드 회로;
   상기 브리지 다이오드 회로의 출력전압의 피크치를 4개의 전압 크기 영역으로 분할한 전압 영역 중에서, 상기 브리지 다이오드 회로의 출력전압이 2번째와 3번째 전압 크기 영역에 속하는 것을 각각 검출하는 제1, 2 전압 검출 회로;
   상기 브리지 다이오드 회로의 출력에 직렬 연결되어 정전류를 공급하는 정전류 회로;
   상기 정전류회로의 출력에 직렬 연결되어, 도통시에 상기 3번째 전압 크기 영역의 하단 전압이 걸리는 제1 LED모듈;
   상기 제1 LED모듈과 직렬 연결되어, 도통시에 상기 2번째 전압 크기 영역의 하단 전압이 걸리는 제2 LED모듈;
   상기 제1 전압 검출회로가 검출시에 온되어 상기 제1 LED 모듈을 바이패스시키는 제1 FET;
   상기 제2 전압 검출회로가 검출시에 온되어 상기 제2 LED 모듈을 바이패스시키는 제2 FET를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명용 엘이디 구동 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1, 2 전압 검출 회로는 OP앰프를 사용하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명용 엘이디 구동 회로.
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