KR101002600B1 - 엘이디 조명 제어 회로 - Google Patents

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Abstract

인체의 유무 또는 사용자의 설정 및 LED조명의 밝기에 따라 LED스트링으로 공급되는 전압을 제어하는 디밍(dimming)기능을 갖는 LED조명제어회로가 제공된다. 상기 LED조명제어회로는 교류전압을 직류전원으로 변환하여 출력하는 정류회로를 구비한 LED 조명제어회로에서 매우 유용하게 사용되며, 상기 LED조명제어회로는 선형적으로 변화되는 제어전압에 따라 폭이 조절되는 폭이 조절되는 PWM신호를 출력하는 PWM구동부와; 상기 PWM신호에 의해 입력전원을 스위칭하여 안정된 전압으로 출력하는 SMPS와, 상기 SMPS의 출력노드에 접속되어 그로부터 출력되는 전압/전류에 의해 구동되는 LED스트링과; 상기 LED스트링의 최종단 LED의 캐소드와 접지사이에 접속되어 상기 LED스트링에 흐르는 전류를 감지하여 전압으로 변환된 제어전압을 상기 PWM구동부로 제공하는 전류감지기와; 상기 SMPS로부터 출력되는 전압/전류를 분압하여 미리 설정된 과전압 검출 기준전압보다 더 높은 경우에 응답하여 상기 PWM구동기의 출력노드와 상기 SMPS의 PWM신호 입력단자 사이에 형성된 PWM전달경로를 차단하여 상기 LED 스트링으로의 전압/전류 유입을 차단하는 과전압방지부를 포함하여 구성된다.

Description

엘이디 조명 제어 회로{LED LIGHTING CONTROLLER}
본 발명은 다수의 엘이디(light emitting diode : 이하 "LED"라 칭함)가 직렬접속된 LED 스트링(string)을 구동하는 LED조명제회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체의 유무 또는 사용자의 설정 및 LED조명의 밝기에 따라 LED스트링으로 공급되는 전압을 제어하는 디밍(dimming) 기능을 갖는 LED조명제어회로에 관한 것이다.
LED 조명의 기하급수적인 성장과 함께 조절된 전력을 LED에 공급하는 다양한 집적 회로 장치가 속속 등장하고 있다. 전력 소비가 큰 직류형 전류 공급원이 오랫동안 표준으로 사용되어 왔지만, 에너지 문제가 심각한 이슈로 대두된 최근에는 스위칭 모드 LED 드라이버로 자연스럽게 대체되고 있다.
현재 손전등에서부터 경기장의 전광판에 이르기까지 광범위한 분야에서 정전류의 정밀한 제어기능을 요구하고 있다. 대부분의 경우 LED 출력 세기를 시시각각 조절하는 것이 필요하다. 이러한 기능을 흔히 디밍 제어(dimming control)라고 한다.
종래의 기술에 의한 디밍제어기능을 갖는 LED조명제어회로의 예로서는 "주식회사 애버드"에 특허허여된 등록특허 제10-0825348호 "하브브릿지회로를 사용하는 전력공급장치"(이하 "특허문헌"이라 칭함)가 있다.
그러나, 상기 특허문헌에 기재된 LED조명제어회로는 하프브리지타입의 회로를 구성하여 디밍제어를 실행하기 때문에 회로가 매우 복잡하고, 디밍제어를 실행하기 위하여 별도로 디밍제어전압을 설정하여야 하기 때문에 LED 출력세기에 따라 자동적으로 버스트 디밍(Bust dimming)제어를 할 수 없는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, LED 스트링(string)에 흐르는 전류를 검출하여 상기 LED스트링에 전압을 제공하는 컨버터의 출력 전압/전류를 조절하여 LED의 휘도(밝기)를 자동으로 조절하는 LED조명제어회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 인체를 감지 시에 버스트 디밍(Bust dimming)를 활성화하여 LED 스트링에 구동전압을 제공하고, LED 스트링(string)에 흐르는 전류를 검출하여 상기 LED스트링에 전압을 제공하는 컨버터의 출력 전압/전류를 조절하여 LED의 휘도(밝기)을 자동으로 조절하는 LED조명제어회로를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 LED스트링을 구성하는 LED의 단선을 검출하여 LED스트링으로 공급되는 전압/전류를 차단하여 LED를 보호하는 기능을 갖는 LED조명제어회로를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 교류전압을 직류전원으로 변환하여 출력하는 정류회로를 구비한 LED 조명제어회로에서 매우 유용하게 사용되며, 상기 LED조명제어회로는 선형적으로 변화되는 제어전압에 따라 폭이 조절되는 폭이 조절되는 PWM(pulse width modulation)신호를 출력하는 PWM구동부와; 상기 PWM신호에 의해 입력전원을 스위칭하여 안정된 전압으로 출력하는 스위칭모드전원장치(Switching Mode Power Supply : 이하 "SMPS"라 칭함)와, 상기 SMPS의 출력노드에 접속되어 그로부터 출력되는 전압/전류에 의해 구동되는 LED스트링과; 상기 LED스트링의 최종단 LED의 캐소드와 접지사이에 접속되어 상기 LED스트링에 흐르는 전류를 감지하여 전압으로 변환된 제어전압을 상기 PWM구동부로 제공하는 전류감지기와; 상기 SMPS로부터 출력되는 전압/전류를 분압하여 미리 설정된 과전압 검출 기준전압보다 더 높은 경우에 응답하여 상기 PWM구동부의 출력노드와 상기 SMPS의 PWM신호 입력단자 사이에 형성된 PWM전달경로를 차단하여 상기 LED 스트링으로의 전압/전류 유입을 차단하는 과전압방지부를 포함하여 구성되어 있다.
상기 PWM구동부는 인체의 유무를 감지하여 인체가 감지되는 경우 인체감지부로부터 출력되는 버스트 디밍 신호의 활성화에 응답하여 PWM신호를 출력함을 특징으로 한다.
상기 SMPS는 상기 PWM신호에 의해 스위칭되는 스위치를 구비하여 상기 정류회로의 출력단자와 상기 LED 스트링의 전압/전류 입력단자 사이에 접속되며 상기 스위칭 소자의 스위칭에 의해 입력 전압을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터(boost converter)임을 특징으로 한다.
상기 전류감지기의 출력노드와 상기 PWM구동부의 제어전압단자 사이에는 가변저항을 더 접속하여 상기 LED 스트링의 밝기를 수동으로 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따른 LED조명제어회로는 조명장치의 주변에 인체가 감지되었을 때 버스트 디밍이 활성화(activation)되어 PWM구동부를 이네이블(enable)시키고, LED스트링에 흐르는 전류량에 적응하여 상기 PWM구동부의 온/오프 듀티비를 조절하여 SMPS의 스위치를 스위칭하여 LED스트링의 디밍을 최적의 상태로 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LED조명제어회로도를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 디밍 제어 전압의 관계를 설명하기 위한 버스트 디밍 타이밍다이어그램.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 LED조명제어회로로를 도시한 도면.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 하기에 설명되는 본 발명의 실시 예는 당업자에게 본 발명의 사상을 충분하게 전달하기 위한 것임에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LED조명제어회로도를 나타낸 도면으로서, 정류회로(REC)의 출력노드에는 부스트 컨버터 타입의 SMPS(BS)가 채용된 LED조명제어회로가 도시되어 있다. 상기 부스트 컨버터 타입의 SMPS(BS)는 인덕터(L), 스위치(S1), 다이오드(D), 캐패시터(C)로 구성되며, 상기 스위치(S1)의 온/오프 스위칭에 의해 인덕터(L1)로 유입되는 전류/전압을 승압하여 출력노드에 접속된 LED스트링(LEDS)로 제공한다.
상기와 같이 구성된 SMPS(BS)는 정류회로(REC)의 출력노드에 인덕터(L)와 다이오드(D)가 직렬 연결되며, 상기 다이오드(D)와 접지노드 사이에 캐패시터(C)와 LED스트링(LEDS)이 병렬 연결된다. 상기 인덕터(L)와 다이오드(D)의 접속노드와 접지사이에는 PWM신호에 입력에 의해 온/오프 스위칭되는 스위치(S1)이 연결되어 있다. 상기 스위치(S1)는 LED스트링(LEDS)와 직렬로 연결되어 PWM신호에 의해 스위칭되어 상기 LED스트링(LEDS)에 흐는 전류를 제어하게 된다.
상기 스위치(S1)가 "온"인 경우에, 상기 정류회로(REC)로부터 공급되는 전류는 인덕터(L) 및 스위치(S1)의 드레인-소오스를 통해 흐르게 되고 이때 상기 인덕터(L)에는 에너지가 저장된다. 상기 스위치(S1)가 "오프"인 경우에, 상기 정류회로(REC)의 출력과 상기 인덕터(L)에 축적된 에너지의 합이 다이오드(D)를 통과하여 LED스트링(LEDS)에 전달된다. 이때, LED스트링(LEDS)로 공급되는 전압은 캐패시터(C)에 의해 평활된 후 전달되며, 그 값은 정류회로(REC)로부터 출력되는 전압보다 크거나 같게 된다. 따라서, 상기 스위치(S1)가 "온/오프"됨에 따라서 LED스트링(LEDS)에 흐르는 전류가 제어됨을 알 수 있다.
상기와 같이 동작되는 SMPS(BS)의 스위치(S1)는 PWM구동부(PWMD)의 출력단자(QG)로부터 출력되는 PWM신호에 의해 구동된다. 이때 상기 PWM구동부(PWMD)는 이네이블단자(OE)의 활성화(논리 "하이")에 의해 동작되며, 디밍제어전압 입력단자(VFB)로 입력되는 제어전압에 의해 PWM신호의 온/오프 듀티를 가변하여 출력한다. 예를 들면, 상기 PWM 구동부(PWMD)는 제어전압 입력단자(VFB)로 인가되는 전압이 증가하는 경우 출력되는 PWM신호의 온 시간을 증가시키고, 인가되는 전압이 감소하는 경우 출력되는 PWM신호의 온 시간을 감소시키도록 동작된다.
상기 LED스트링(LEDS)의 캐소드와 상기 PWM구동부(PWMD)의 제어전압 입력단자(VFB)의 사이에는 상기 LED스트링(LEDS)에 흐르는 전류를 감지하여 전압으로 변환하는 전류감지기(Rs)와 수동으로 LED스트링(LEDS)의 밝기를 조절하기 위한 디밍저항(Rdim)이 접속되어 있다.
또한 상기 LED스트링(LEDS)에는 SMPS(BS)의 과전압 출력을 검출하기 위한 병렬로 전압분압저항(R1, R2)이 접속되어 있다. 도 1에 도시된 부스트 컨버터타입의 SMPS(BS)는 출력노드에 접속된 LED스트링(LEDS) 중 하나의 LED가 단선되어 전류가 끊어지면 전류가 상기 LED스트링(LEDS)에 흐를 때보다 더욱 높은 전압을 캐패시터(C)에 충전하게 된다. 이러한 동작은 스위치(S1)의 스위칭을 통해 인덕터(L)에 넘겨주는 전하가 계속 축적되어 결국 과전압으로 회로를 손상시킬 수 있는 위험이 있다.
이때, 상기 LED스트링(LEDS)에 병렬로 두 개의 저항(R1, R2)이 전압을 적절하게 분압한 후 과전압검출 기준전압(Vref)이 설정된 비교기(COMP)로 공급하여 상기 두 개의 저항(R1, R2)에 의해 분압된 전압이 과전압검출 기준전압(Vref)보다 높은 경우 과전압으로 검출하여 상기 PWM구동부(PWMD)의 출력노드(QG)와 스위치(S1)의 게이트 사이에 접속된 게이트버퍼(G1)의 경로를 차단한다. 상기 게이트버퍼(G1)의 경로가 차단되면, 스위치(S1)의 스위칭동작이 중지됨으로써 SMPS(BS)의 출력이 차단되어 제어회로 및 LED스트링(LEDS)의 소손을 방지할 수 있다.
한편, 상기 PWM구동부(PWMD)는 LED스트링(LEDS)의 주변에 움직이는 물체가 있는 경우, 즉, 사람이 근접하고 있을 때만 활성화된다. 이러한 동작을 위하여 인체의 유무를 감지하는 동체감지부(PIF)의 출력이 PWM구동부(PWMD)의 이네이블단자(OE)에 접속되어 있다. 상기 동체감지부(PIF)는 주변에 사람이 감지될 때 소정 시간 동안 논리 "하이"로 활성화되는 버스트 디밍신호를 상기 PWM구동부(PWM)의 이네이블단자(OE)로 제공하여 활성화시킨다. 상기와 같은 동체감지부(PIF)의 예로서는 초전센서, 적외선센서 또는 마이크로웨이브센서 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
위와 같이 구성된 LED조명제어회로는 조명장치의 주변에 인체가 감지되었을 때 버스트 디밍이 활성화(activation)되어 PWM구동부(PWMD)를 이네이블(enable)시키고, LED스트링(LEDS)에 흐르는 전류량에 적응하여 상기 PWM구동부(PWMD)의 온/오프 듀티비를 조절하여 SMPS(BS)의 스위치(S1)를 스위칭하여 LED스트링(LEDS)로 흐르는 전압/전류를 최적상태로 제어하여 LED스트링의 온/오프 및 밝기를 자동으로 조절할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 디밍 제어 전압의 관계를 설명하기 위한 버스트 디밍 타이밍다이어그램이다.
도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 LED조명제어회의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다.
LED조명장치의 주변에 사람이 위치하였을 때 동체감지부(PIF)가 이를 감지하여 도 2의 (가)와 같은 버스트 디밍신호(인체감지신호)를 출력하면, PWM구동부(PWMD)는 상기 버스트 디밍신호가 논리 "하이"로 활성화된 경우 이네이블된다.
상기 버스트 디밍신호가 활성화되면, PWM구동부(PWMD)는 제어전압단자(VFB)로 입력되는 제어전압의 레벨에 따른 PWM신호를 출력한다. 예를 들면, 상기 PWM 구동부(PWMD)는 제어전압 입력단자(VFB)로 인가되는 전압이 증가하는 경우 출력되는 PWM신호의 온 시간을 증가시키고, 인가되는 전압이 감소하는 경우 출력되는 PWM신호의 온 시간을 감소시키도록 동작된다.
상기 PWM구동부(PWDM)로부터 도 2의 (나)와 같은 PWM신호가 출력되면, 스위치(S1)은 이에 대응하는 속도로 스위칭됨으로써 도 2의 (다)와 전류가 LED스트링(LEDS)로 공급됨으로써 LED스트링(LEDS)이 구동된다. 이때, 상기 LED스트링(LEDS)의 캐소드와 접지사이에 접속된 전류감지저항(Rs)은 상기 LED스트링(LEDS)에 흐르는 전류를 감지하여 도 2의 (라)와 같은 전류-전압변환신호를 PWM구동부(PWMD)의 제어전압단자(VFB)로 출력한다.
따라서, 상기 PWM구동부(PWMD)는 LED스트링(LEDS)에 흐르는 전류에 대응하는 PWM신호를 출력함으로써 LED스트링(LEDS)의 밝기는 항상 일정하게 조절되을 알 수 있다. 이때, 상기 전류감지저항(Rs)와 상기 PWM구동부(PWMD)의 제어전압 입력단자(VFB)의 사이에 접속된 가변저항(Rdim)은 LED 스트링(LEDS)의 밝기를 수동으로 조절하는 기능을 수행한다.
한편, 상기 LED스트링(LEDS)에 병렬로 접속된 저항(R1, R2)은 상기 LED스트링(LEDS)의 양단에 걸리는 전압을 분압하여 출력한다. 상기 LED스트링(LEDS)내의 LED가 단선 등의 고장 상태가 아니라면 상기 저항(R1, R2)로부터 분압되어진 출력전압은 과전압검출 기준전압(Vref)보다 낮고, 상기 LED스트링(LEDS)내의 LED가 단선 등의 고장 상태라면 상기 저항(R1, R2)로부터 분압되어진 출력전압은 과전압검출 기준전압(Vref)보다 높게 출력된다.
따라서, LED스트링(LEDS)를 구성하는 LED가 단선 등의 고장인 경우 비교기(COMP)의 출력이 논리 '로우'로 출력되어 게이트버퍼(G1)를 차단시키므로 SMPS(BS)의 출력은 없게 된다. 즉, 고장인 경우 SMPS(BS)의 출력을 차단하여 회로의 소손을 방지한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 LED조명제어회로로로서, 전술한 도 1과는 LED스트링(LEDS)의 캐스드와 접지사이에 접속된 전류감지저항(Rs)의 양단의 전압을 조도센서(Cds)와 분압저항(R3)에 의해 분압하여 LED스트링(LEDS)의 점등되었을 때 주변의 조도에 따라 디밍전압을 출력하도록 되어 있다.
따라서 도 3의 회로는 LED스트링(LEDS)의 주변밝기에 따라 조절되는 디밍전압으로 LED스트링(LEDS)으로 공급되는 전압/전류를 조절할 수 있어 주변밝기에 따라 조도가 자동으로 조절됨을 알 수 있다.
REC : 정류회로, PIF : 동체감지부, PWMD : PWM구동부, COMP : 비교기, G1 : 게이트버퍼, S1 : 스위치, LEDS : LED스트링, L : 인덕터, C : 캐패시터, D : 다이오드, Rs : 전류감지저항, R1, R2, R3 : 저항, Cds : 조도센서, Rdim : 디밍가변저항.

Claims (4)

  1. 엘이디 조명 제어 회로에 있어서, 선형적으로 변화되는 제어전압에 따라 폭이 조절되는 PWM신호를 출력하는 PWM구동부와; 상기 PWM신호에 의해 전원입력단자로 입력되는 전원을 스위칭하여 안정된 전압으로 출력하는 SMPS와, 상기 SMPS의 출력노드에 접속되어 그로부터 출력되는 전압/전류에 의해 구동되는 LED스트링과; 상기 LED스트링의 최종단 LED의 캐소드와 접지 사이에 접속되어 상기 LED스트링에 흐르는 전류를 전압으로 변환하여 상기 PWM구동부의 제어전압으로 제공하는 전류감지기와; 상기 SMPS의 PWM신호입력단자와 상기 PWM구동부의 출력 노드 사이에 연결되며 경로차단신호에 응답하여 상기 PWM구동부로부터 상기 SMPS로의 PWM전달경로를 차단하는 게이트 버퍼와; 상기 SMPS로부터 출력되는 전압/전류를 분압하여 미리 설정된 과전압 검출 기준전압보다 더 높은 경우에 상기 게이트 버퍼로 경로차단신호를 제공하여 상기 LED 스트링으로의 전압/전류 유입을 차단하는 과전압방지부를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 엘이디 조명제어회로.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 PWM구동부는 움직이는 물체의 유무를 감지하여 움직이는 물체가 감지되는 경우 동체감지부로부터 출력되는 버스트 디밍 신호의 활성화에 응답하여 PWM신호를 출력함을 특징으로 하는 엘이디 조명제어회로.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 SMPS는 상기 PWM신호에 의해 스위칭되는 스위칭 소자가 상기 SMPS의 전원입력단자와 상기 LED 스트링의 전압/전류 입력단자 사이에 접속되며 상기 스위칭 소자의 스위칭에 의해 입력 전압을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터임을 특징으로 하는 엘이디 조명제어회로.
  4. 청구항 3에 있어서, LED스트링의 밝기를 조절하도록 상기 전류감지기의 출력노드와 상기 PWM구동부의 제어전압단자에는 조도센서와 디밍조절 가변저항 중 적어도 하나 이상이 접속되어 상기 LED스트링의 주변밝기 또는 사용자가 선택한 밝기에 대응하여 상기 제어전압을 조절함을 특징으로 하는 엘이디 조명제어회로.
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