KR101048185B1 - 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집적회로의 기준전압에 따라 삼각파의 주파수를 결정하는 캐패시턴스 값을 변동시킨다. 동작 초기와 같이 부하에 더 많은 시간당 에너지를 공급할 필요가 있을 때는 높은 주파수를 유지하도록 하고, 동작이 정상화되었을 때는 다시 정상 주파수로 복귀시키는 등 집적회로의 구동 상태에 따라 주파수를 적절히 조절할 수 있다. 특히 LED 구동용 집적회로에 적용되면 저휘도 구현을 위한 Low Dim(약 0~5% Duty) 모드에서도 LED를 정상적으로 구동시킬 수 있게 된다.

Description

집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로{ Circuit for Adjusting Triangular Wave Frequency of Integrated Circuit }

본 발명은 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로에 관한 것으로서, 특히 LED 구동용으로 사용되는 집적회로(IC: Integrated Circuit)와 같이 삼각파를 이용하여 동작하도록 설계된 집적회로의 삼각파 주파수를 그 구동 상태에 따라 적절히 조절할 수 있도록 한다.

삼각파를 이용하여 동작하도록 설계되는 다양한 종류의 집적회로(IC)가 사용되고 있으며, 구체적인 예로는 삼각파를 이용하여 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 방식으로 LED를 구동하는 LED 구동용 집적회로를 들 수 있다.

이러한 집적회로들은 외부에서 연결되는 저항소자나 캐패시터를 이용하여 삼각파를 생성하도록 구성된다.

그런데 종래에는 집적회로의 구동 상태에 관계없이 항상 동일한 주파수의 삼각파만을 발생시킬 수 있었다.

도 1을 참조하여, 종래 LED 구동용 집적회로에서 삼각파를 발생시키는 회로의 예를 살펴보기로 한다.

집적회로(11)의 여러 단자들 중 단자 CT는 삼각파 입력단자이고, 단자 Vref은 기준전압 단자이다.

단자 Vref과 CT 사이에는 저항소자 R5와 캐패시터 C6이 연결되며, 저항소자 R5와 캐패시터 C6에 의한 충전과 방전을 통해 삼각파가 발생된다. 발생된 삼각파는 집적회로(11)의 내부에 있는 비교기(Comparator)을 이용하여 LED를 구동하기 위한 부스트(Boost) 회로에서 FET(Field-Effect Transistor)의 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 사용된다.

이때 삼각파의 주파수는 저항소자 R5와 캐패시터 C6에 의해 결정되며, 일 예로서 다음의 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.

즉, 종래에는 일단 저항소자 R5와 캐패시터 C6의 부품값이 결정되면 항상 단일한 고정 주파수로 동작될 수 밖에 없으며, 집적회로의 구동 상태에 따라 삼각파의 주파수를 적절하게 조절할 수 없었다.

예로서 LED의 출력전류는 휘도 제어신호(PWM)에 의해 0~100% 버스트(Burst) 형식으로 동작되는데, 5% 이하에서의 동작시 초기 부스트(Boost) 회로에서 LED로 충분한 에너지를 전달하지 못해 점등이 되지 않을 수 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, LED 드라이버와 같이 삼각파를 이용하여 동작하도록 설계된 집적회로의 삼각파 주파수를 그 구동 상태에 따라 적절히 조절할 수 있도록 해주는 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로는, 삼각파를 이용하여 동작하는 집적회로(IC)의 기준전압 단자와 삼각파 입력단자의 사이에 연결되는 제1 저항소자; 상기 삼각파 입력단자와 접지 사이에 연결되는 제1 캐패시터; 상기 제1 캐패시터와 병렬 연결되고 스위칭 트랜지스터에 의해 도통 여부가 결정되는 제2 캐패시터; 및 상기 기준전압 단자의 기준전압에 따라 상기 스위칭 트랜지스터를 온/오프 시키는 주파수 조절부를 포함하여 이루어진다.

상기 주파수 조절부는 상기 기준전압이 기준값 이하일 때 상기 스위칭 트랜지스터를 오프시키고, 상기 기준전압이 기준값을 초과할 때 상기 스위칭 트랜지스터를 온시키도록 구성될 수 있다.

상기 주파수 조절부는 상기 기준전압 단자와 접지 사이에 순서대로 직렬 연결되어 상기 기준전압을 분배하는 저항소자 R21과 R22; 상기 저항소자 R21과 R22의 접점과 상기 스위칭 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되는 저항소자 R23; 및 상기 스위칭 트랜지스터의 게이트와 접지 사이에 연결되는 스위칭 제어용 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 주파수 조절부는 상기 스위칭 제어용 캐패시터에 애노드가 연결되고, 상기 저항소자 R21과 R22의 접점에 캐소드가 연결되는 오프 타이밍 조절용 다이오드를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 삼각파를 이용하여 동작하는 각종 집적회로의 구동 상태에 따라 삼각파의 주파수를 조절할 수 있다.

특히 LED 구동용 집적회로에 적용되는 경우 초기 구동시에는 주파수를 높여 LED에 충분한 시간당 에너지를 공급할 수 있다.

또한 LED가 완전히 켜졌을 때는 정상적인 주파수로 복귀되므로, FET 소자 등의 발열을 막을 수 있으며, 저휘도 구현을 위한 Low Dim(약 0~5% Duty) 모드에서도 LED를 정상적으로 구동시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래 집적회로에서의 삼각파 관련 회로를 설명하기 위한 예,
도 2는 본 발명에 따른 삼각파의 주파수 조절 회로에 관한 일 실시예,
도 3은 주파수 조절부의 구체적인 실시예,
도 4는 주파수 변동 시점을 설명하기 위한 전압 파형의 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2를 참조하자면, 본 발명에 따른 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로(20: 이하, 주파수 조절회로라 한다)는 집적회로(15)에 연결되어 삼각파의 주파수를 조절하는 역할을 수행한다.

이하에서는 집적회로(15)가 LED 구동을 위하여 사용되는 것인 예로서 설명하지만, 주파수 조절회로(20)는 삼각파를 이용하여 동작하도록 설계되는 임의의 집적회로(IC)에 연결되어 사용될 수 있다.

또한, 이하에서는 집적회로(15)의 기준전압 단자를 'Vref'으로 표시하고, 삼각파의 입력과 관련된 단자를 'CT'로 표시하지만, 집적회로의 종류나 구조, 제작사 등에 따라 단자의 명칭과 위치는 임의적으로 설정될 수 있는 것임은 물론이다.

주파수 조절회로(20)는 집적회로(15)의 기준전압 단자(Vref)와 삼각파 입력단자(CT)의 사이에 연결되는 제1 저항소자(R11), 삼각파 입력단자(CT)와 접지 사이에 연결되는 제1 캐패시터(C11), 제1 캐패시터(C11)와 병렬 연결되고 스위칭 트랜지스터(Q1)에 의해 도통 여부가 결정되는 제2 캐패시터(C12), 기준전압 단자(Vref)의 기준전압에 따라 스위칭 트랜지스터(Q1)를 온/오프 시키는 주파수 조절부(21)를 포함하여 이루어진다.

이때 스위칭 트랜지스터(Q1)는 전계-효과 트랜지스터(FET: Field-Effect Transistor)를 이용하여 구성될 수 있다.

이와 같은 주파수 조절회로(20)의 동작을 살펴보자면, 집적회로(15)의 동작 초기와 같이 기준전압이 낮은 상태에서는 스위칭 트랜지스터 Q1이 오프 상태가 되어 제1 저항소자 R11과 제1 캐패시터 C11에 의해 삼각파의 주파수가 결정된다.

만일 제1 저항소자 R11의 저항값이 47KΩ 이고, 제1 캐패시터 C11의 캐패시턴스 값이 150pF 이라고 가정하면, 상기 수학식 1에 의할 때 삼각파의 주파수는 약 274kHz가 된다.

집적회로(15)가 상기와 같은 초기 주파수로 동작하다가 기준전압이 높아짐에 따라 주파수 조절부(21)에 의해 스위칭 트랜지스터 Q1이 온 상태가 되면, 제2 캐패시터 C12가 도통 상태가 된다.

이때 제1 캐패시터 C11과 제2 캐패시터 C12는 서로 병렬 연결되어 있으므로 삼각파의 주파수 결정에 관여하는 총 캐패시턴스는 제1 캐패시터 C11과 제2 캐패시터 C12의 캐패시턴스를 더한 값이 된다.

상기의 예에서 제2 캐패시터 C12의 캐패시턴스 값이 180pF 이라고 가정하면, 상기 수학식 1에 의할 때 삼각파의 주파수는 약 124.8kHz로 내려간다.

즉, 집적회로(15)는 동작 초기와 같이 기준전압이 낮을 때는 높은 주파수의 삼각파를 발생하여 LED에 시간당 많은 에너지를 공급하고, 기준전압이 높아지면 삼각파의 주파수를 다시 정상으로 낮추어 LED에 에너지를 공급할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 주파수 조절부(21)는 기준전압이 기준값 이하일 때 스위칭 트랜지스터 Q1을 오프시키고, 기준전압이 기준값을 초과할 때 스위칭 트랜지스터 Q1을 온 시킨다.

도 3을 참조하여 주파수 조절부(21)를 구성하는 구체적인 일 실시예를 설명하자면, 주파수 조절부(21)는 집적회로(15)의 기준전압 단자(Vref)와 접지 사이에 직렬 연결되어 기준전압을 분배하는 저항소자 R21과 R22, 저항소자 R21과 R22의 접점(a)과 스위칭 트랜지스터 Q1의 게이트 사이에 연결되는 저항소자 R23, 스위칭 트랜지스터 Q1의 게이트와 접지 사이에 연결되는 스위칭 제어용 캐패시터 C21을 포함하여 구성될 수 있다.

a 지점의 전압은 저항소자 R21과 R22에 의해 분배되고, 저항소자 R23을 통해 스위칭 제어용 캐패시터 C21이 충전된다.

스위칭 트랜지스터 Q1의 게이트에 연결되는 스위칭 제어용 캐패시터 C21에 스위칭 트랜지스터 Q1을 온 시킬수 있을 만큼의 전압이 충전되기 전에는 스위칭 트랜지스터 Q1이 오프 상태로 유지된다.

이 상태에서 삼각파의 주파수는 제1 저항소자 R11과 제1 캐패시터 C11에 의해서만 결정된다.

그러나, 기준전압이 증가하면서 스위칭 제어용 캐패시터 C21에 스위칭 트랜지스터 Q1을 온 시킬수 있을 만큼의 전압이 충전되면, 스위칭 트랜지스터 Q1이 온 상태로 된다.

이 상태에서 삼각파의 주파수는 제1 저항소자 R11, 및 제1 캐패시터 C11과 제2 캐패시터 C12의 병렬 연결에 의해 결정된다.

한편, a 지점의 전압은 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

여기서 V_a는 a 지점의 전압이다.

이때 기준전압이 초기에 상승하는 과정에서 스위칭 트랜지스터 Q1의 온 시간은 다음의 수학식 3과 같이 결정될 수 있다.

여기서 V_c는 스위칭 제어용 캐패시터 C21에 걸리는 전압, τ는 저항소자 R23과 스위칭 제어용 캐패시터 C21에 의해 결정되는 시정수이다.

구체적인 예로서, V_a값이 3.31V일 때 스위칭 트랜지스터 Q1이 온 상태가 되도록 저항소자 R21과 R22의 저항값을 설정하고, 스위칭 트랜지스터 Q1이 온 상태로 되기 위한 게이트 전압이 1V이며, 저항소자 R23의 저항값과 스위칭 제어용 캐패시터 C21의 캐패시턴스 값을 각각 10MΩ, 1μF으로 설정하였다면, 스위칭 트랜지스터 Q1의 온 시간은 다음의 수학식 4를 통해 결정될 수 있다.

수학식 4를 풀면 스위칭 트랜지스터 Q1의 온 시간 t는 약 3.597초가 된다.

도 4는 전압 V_a가 상승하는 파형의 예를 도시한 것으로서, 전압 V_th는 3.31V이고, 시점 t1은 3.597 초이다. 그러므로 집적회로(15)의 삼각파 주파수는 시점 t1을 기준으로 변동하게 된다.

위에서 설명한 주파수 조절부(21)는 스위칭 제어용 캐패시터 C21에 애노드가 연결되고, 저항소자 R21과 R22의 접점에 캐소드가 연결되는 오프 타이밍 조절용 다이오드 D21을 더 포함하여 구성될 수 있다.

오프 타이밍 조절용 다이오드 D21은 기준전압이 감소하여 스위칭 트랜지스터 Q1이 온 상태에서 오프 상태로 천이할 때 스위칭 제어용 캐패시터 C21에 충전되어 있는 에너지가 방전될 수 있도록 하여 주파수의 변환이 신속하게 이루어질 수 있도록 한다.

이와 같은 본 발명을 이용하면 LED 구동용 집적회로의 저휘도 구현을 위한 Low Dim(약 0~5% Duty) 모드에서 LED의 정상 동작에도 도움을 줄 수 있다.

상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.

11,15: 집적회로(IC) R11,R21,R22,R23: 저항소자
C11,C12,C21: 캐패시터 D21: 다이오드
Q1: 스위칭 트랜지스터 20: 주파수 조절 회로
21: 주파수 조절부

Claims (4)

1. 삼각파를 이용하여 동작하는 집적회로(IC)의 기준전압 단자와 삼각파 입력단자의 사이에 연결되는 제1 저항소자;
   상기 삼각파 입력단자와 접지 사이에 연결되는 제1 캐패시터;
   상기 제1 캐패시터와 병렬 연결되고 스위칭 트랜지스터에 의해 도통 여부가 결정되는 제2 캐패시터; 및
   상기 기준전압 단자의 기준전압에 따라 상기 스위칭 트랜지스터를 온/오프 시키는 주파수 조절부를 포함하여 이루어지는 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 주파수 조절부는 상기 기준전압이 기준값 이하일 때 상기 스위칭 트랜지스터를 오프시키고, 상기 기준전압이 기준값을 초과할 때 상기 스위칭 트랜지스터를 온시키는 것을 특징으로 하는 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 주파수 조절부는 상기 기준전압 단자와 접지 사이에 순서대로 직렬 연결되어 상기 기준전압을 분배하는 저항소자 R21과 R22;
   상기 저항소자 R21과 R22의 접점과 상기 스위칭 트랜지스터의 게이트 사이에 연결되는 저항소자 R23; 및
   상기 스위칭 트랜지스터의 게이트와 접지 사이에 연결되는 스위칭 제어용 캐패시터를 포함하는 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 주파수 조절부는 상기 스위칭 제어용 캐패시터에 애노드가 연결되고, 상기 저항소자 R21과 R22의 접점에 캐소드가 연결되는 오프 타이밍 조절용 다이오드를 더 포함하는 집적회로를 위한 삼각파의 주파수 조절 회로.

Images