KR101063956B1 - 전압변환회로를 이용한 발광 다이오드 구동 장치 - Google Patents

전압변환회로를 이용한 발광 다이오드 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전압변환회로를 이용한 발광 다이오드 구동 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전압변환회로를 이용한 발광 다이오드 구동 장치는 한 개 이상의 다이오드가 직렬로 구성된 부하단; 상기 부하단의 일측에 전원을 공급하는 전원공급단;
상기 부하단의 다른 일측과 연결되고, 상기 부하단의 출력전압을 조정하여 출력하는 전압변환단; 상기 전압변환단으로부터 조정된 출력전압을 입력받아 구동되는 제어회로로 구성된 제어단;을 포함하되,
상기 전압변환단은,
상기 부하단의 출력전압을 입력받아 설정된 전압 이하의 전압을 출력하는 전압복사단; 상기 전압복사단이 과도하게 높은 전압을 출력하는 것을 방지하는 제한전압단; 및 상기 전압복사단으로부터 출력된 전압을 상기 제어단에 입력 가능한 전압으로 변환시킨 변환전압을 출력하는 전압조정단을 포함한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 고전압을 저전압으로 변환함으로써, 발광 다이오드 구동 장치를 저전압용 칩의 제조공정으로 제작 가능하다는 이점이 있다.

Description

전압변환회로를 이용한 발광 다이오드 구동 장치{LIGHT-EMITTING DIODE DRIVER USING A VOLTAGE CONVERTING CIRCUIT}
본 발명은 발광 다이오드 구동 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게 본 발명은 발광 다이오드 구동 장치의 제어회로에서 저전압 공정을 위한 전압변환회로를 갖는 발광 다이오드 구동 장치에 관한 것이다.
액정표시장치용 백라이트의 광원으로는 발광 다이오드(LED), 형광램프, 메탈할라이드 램프 등이 주로 사용된다. 이중 발광 다이오드는 수명이 길며, 별도의 인버터가 필요 없고, 경량 및 박형으로 균일 발광이 가능하고 저소비전력 특성이 우수하여, 중소형 액정표시장치용 백라이트 광원으로 많이 사용되고 있다.
일반적으로 액정표시장치용 백라이트 광원으로 이용되는 발광 다이오드의 구동은 발광 다이오드 적용 방법에 따라 직렬 또는 병렬로 연결하고 전원을 인가하여 사용한다. 이때, 발광 다이오드의 구동을 위해서 높은 전압이 발광 다이오드에 인가 된다. 발광 다이오드에 인가된 높은 전압은 발광 다이오드의 고장이 발생한 경우, 그대로 제어회로로 인가 될 수 있다. 이와 같이 높은 전압이 제어회로에 인가 된 경우, 제어회로의 파손을 야기할 수 있다. 따라서, 제어회로는 높은 전압을 허용할 수 있는 고전압 공정을 이용하여 제작되어야 한다. 그러나 고전압 공정을 이용하여 제어회로를 제작하는 경우 높은 제조 비용이 발생한다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전압변환회로를 이용하여, 발광 다이오드 구동 장치의 제어회로에 고전압이 인가되는 것을 방지하고 항상 저전압이 인가되도록 전압을 변환함으로써, 저전압용 칩의 제조공정이 가능한 발광 다이오드 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 한 개 이상의 다이오드가 직렬로 구성된 부하단, 부하단의 일측에 전원을 공급하는 전원공급단, 부하단의 다른 일측과 연결되고, 부하단의 출력전압을 조정하는 전압변환단, 전압변환단으로부터 조정된 출력전압을 입력 받아 구동되는 제어회로로 구성된 제어단, 부하단의 출력전압을 입력 받아 출력전압과 동일한 전압을 출력하는 전압복사단, 전압복사단이 과도하게 높은 전압을 출력하는 것을 방지하는 제한전압단 및 전압복사단으로부터 출력된 전압을 제어단에 입력 가능한 전압으로 변환시킨 변환전압을 출력하는 전압조정단을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동 장치가 제공된다.
전압복사단은, 캐소드(Cathode)단은 부하단의 출력전압을 입력 받고, 애노드(Anode)단은 제한전압단과 연결되는 제1 다이오드; 및 캐소드(Cathode)단은 전압조정단과 연결되고, 애노드(Anode)단은 제한전압단과 연결되는 제2 다이오드를 포함한다.
제한전압단은 전압복사단이 과도하게 높은 전압을 출력하는 것을 방지하기 위해 제한전압을 설정한다.
부하단의 출력전압이 제한전압 미만인 경우, 전압복사단은 부하단의 출력전압과 동일한 전압을 출력한다.
부하단의 출력전압이 제한전압 이상인 경우, 전압복사단은 제한전압에서 제2다이오드의 문턱전압을 제외한 전압을 출력한다.
전압조정단은 제2다이오드의 캐소드단과 변환전압을 출력하는 출력단 사이에 위치하여 연결된 제2저항 및 출력단과 접지 사이에 위치하여 연결된 제3저항을 포함하되, 제2저항 및 제3저항에 의해서 변환전압이 조정된다.
제어단은 저전압(Low Voltage) 공정에 의해서 제작된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 고전압을 저전압으로 변환함으로써, 발광 다이오드 구동 장치를 저전압 공정으로 제작 가능하다는 이점이 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 발광 다이오드 구동 장치를 저전압용 칩의 제조공정으로 제작 가능함에 따라, 종래의 고전압 공정으로 제작시 보다 비용이 절감된다는 이점이 있다.
도1은 발광 다이오드 구동 장치를 나타낸 예시도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 전압변환단을 나타낸 예시도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 전압변환단을 포함하는 발광 다이오드 구동 장치를 나타낸 예시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
이하, 본 발명에 따른 전압변환회로를 이용한 발광 다이오드 구동 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1은 발광 다이오드 구동 장치를 나타낸 예시도이다.
도1을 참고하면, 발광 다이오드 구동 장치는 전원공급단(110), 부하단(120) 및 제어단(300)을 포함할 수 있다.
전원공급단(110)은 부하단(120)의 일 측면과 연결된다. 전원공급단(110)은 부하단(120)의 구동을 위해 부하단(120)에 전원을 공급한다. 이때 전원공급단(110)은 부하단(120)을 구성하는 다이오드들을 모두 구동시키기 위해서 높은 전압을 부하단(120)에 공급한다.
부하단(120)은 여러 개의 다이오드가 직렬로 구성된다. 부하단(120)을 구성하는 다이오드는 발광 다이오드 일 수 있다. 부하단(120)은 전원공급단(110)으로부터 전원을 공급받아 턴 온(Turn On)되거나 턴 오프(Turn Off)될 수 있다.
제어단(300)은 부하단(120) 및 전원공급단(110)을 포함하는 발광 다이오드 제어 장치의 제어를 위한 제어 회로를 포함한다.
제어단(300)은 부하단(120)의 다른 일 측면인 제1 노드(130)와 연결된다. 제어단(300)은 제1 노드(130)를 통해서 부하단(120)의 출력전압을 입력 받는다. 발광 다이오드 제어 장치에서 제어를 위한 회로로 구성된 제어단(300)은 칩(Chip) 형태로 제작될 수 있다.
부하단(120)을 구성하는 다이오드들 중에서 일부의 다이오드가 고장 등의 이유로 단락(Short) 상태일 때, 전압공급단(110)으로부터 높은 전압이 부하단(120)에 인가 될 수 있다. 또한, 부하단(120)이 PWM 오프(Off) 상태일 때, 전압공급단(110)으로부터 높은 전압이 부하단(120)에 인가 될 수 있다. 이때, 전압공급단(110)으로부터 인가된 높은 전압이 부하단(120)의 상태에 따라 충분히 소모되지 않을 수 있다. 따라서, 부하단(120)에서 충분히 소모되지 않은 높은 전압이 출력되어 그대로 제어단(300)에 인가 될 수 있다. 제어단(300)에 인가된 전압이 IC의 바이어스 전압 등의 제어 회로를 포함하는 제어단(300)이 허용할 수 있는 전압보다 높을 수 있다. 만약, 제어단(300)이 허용할 수 있는 전압보다 높은 전압이 제어단(300)에 인가되면, 제어단(300)을 구성하는 회로의 파손 등의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 발광 다이오드 구동 장치의 경우, 제어단(300)은 칩으로 제작 시 높은 전압을 받아 들일 수 있는 고전압(High Voltage) 공정으로 제작되야 한다. 그러나, 고전압 공정을 이용하여 칩을 제작할 경우, 높은 제작 비용이 소모된다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 전압변환단을 나타낸 예시도이다.
도2를 참고하면, 전압변환단(200)은 전압복사단(220), 제한전압단(230) 및 전압조정단(240)을 포함하여 구성된다.
전압복사단(220)은 제한전압(231) 이하의 전압을 입력 받은 경우, 입력전압과 동일한 전압을 출력하고 제한전압(231) 이상의 전압을 입력 받은 경우, 제한전압(231)을 출력한다. 여기서 제한전압(231)은 과도하게 높은 전압이 전압복사단(220)을 통해 출력되는 것을 방지하기 위해 미리 설정한 전압이다.
전압복사단(220)은 제1 다이오드(221) 및 제2 다이오드(222)를 포함한다. 제1 다이오드(221)의 캐소드(Cathode)단은 제1노드(130)와 연결되어 입력전압이 인가되고, 제1 다이오드(221)의 애노드(Anode)단은 제2 노드(210)와 연결된다. 제2 다이오드(222)의 캐소드단은 제3노드(250)와 연결되고, 제2 다이오드(222)의 애노드단은 제2 노드(210)와 연결된다. 여기서, 제2 노드(210)는 제1 다이오드(221)와 제2 다이오드의 각각의 애노드단과 제한전압단(230)이 서로 연결된 지점이다. 제3 노드(250)는 입력전압 또는 제한전압(231)이 출력되는 지점으로, 제2 다이오드(222)의 캐소드단과 전압조정단(240)이 연결되는 지점이다.
제한전압단(230)은 전압복사단(220)에 과도하게 높은 전압이 입력될 경우, 전압복사단(220)에 의해 입력전압이 그대로 출력되는 것을 방지하기 위한 제한전압(231)이 설정된다. 제한전압(231)은 부하단(도1의 120)을 구성하는 다이오드의 고장시 발생하는 최소 전압으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 제한전압(231)은 부하단(도1의 120)을 구성하는 다이오드 중에서 2개의 다이오드가 동작하지 않을 경우, 부하단(도1의 120)으로부터 출력되는 최소 출력전압으로 설정될 수 있다.
제한전압단(230)의 제한전압(231, VLIMIT)은 아래의 [식1]과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
VLIMIT = VDC-DC - (VTurn on + VThreshold)
여기서, VDC-DC는 전원공급단(도1의 110)의 전압, VTurn on은 부하단(도1의 120)의 턴 온 전압, VThreshold는 제1 다이오드(221) 및 제2 다이오드(222)의 문턱(Threshold)전압이다.
예를 들어, 전원공급단(도1의 110)의 전압이 40V, 부하단(도1의 120)을 구성하는 다이오드의 턴 온 전압이 3V, 부하단(도1의 120)을 구성하는 다이오드는 10개, 제1 다이오드(221) 및 제2다이오드(222)의 문턱전압이 1V가 될 수 있다. 이때, 제한전압(231)은 부하단(도1의 120)의 다이오드 중에서 2개의 다이오드가 동작하지 않을 경우 부하단(도1의 120)의 최소 전압으로 설정될 수 있다. 따라서, [식 1]에 의해서 제한전압(231)은,
VLIMIT = VDC-DC - (VTurn on + VThreshold)
= 40V - (3V × 8 + 1V)
= 15V
가 된다.
이와 같은, 제한전압단(230)에 의해서, 부하단(도1의 120)의 출력전압이 15V 이상인 경우, 제3 노드(250)에는 VLIMIT에서 제2 다이오드(222)의 문턱전압을 제외한 전압이 인가된다. 따라서, 제3 노드(250)에는 15V이상의 전압이 인가되지 않는다.
전압조정단(240)은 전압복사단(220)에서 출력된 전압을 제어단(도1의 300)이 허용할 수 있는 전압으로 조정한다. 전압 조정단(240)은 제2저항(241) 및 제3 저항(242)을 포함한다. 전압 조정단(240)은 제3 노드(250)에 인가된 전압을 제2 저항(241) 및 제3저항(242)을 이용한 전압분배법칙을 이용하여 조정된 전압을 출력한다. 즉, 전압조정단(240)에서 출력되는 전압이 제어단(도1의 300)이 허용할 수 있는 전압이 되도록 제2 저항(241) 및 제3 저항(242)의 저항 값을 조정할 수 있다. 전압조정단(240)의 출력전압은 아래의 [식2]과 같이 나타낼 수 있다.
[식 2]
Figure 112010005348241-pat00001

이와 같이, 전압변환단(200)은 높은 전압을 입력 받으면, 전압복사단(220) 및 제한전압단(230)에 의해서 제3 노드(250)에 입력전압과 동일한 전압(VIN) 또는 제한전압(231)이 인가된다. 제3 노드(250)에 인가된 전압은 전압조정단(240)에서 전압분배 법칙에 의해 제어단(도1의 300)이 허용 가능한 전압으로 조정된다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 전압변환단을 포함하는 발광 다이오드 구동 장치를 나타낸 예시도이다.
도3을 참고하면, 발광 다이오드 구동 장치는 전원공급단(110), 부하단(120), 전압변환단(200) 및 제어단(300)을 포함할 수 있다. 여기서 전압변환단(200)은 전압복사단(220), 제한전압단(230) 및 전압조정단(240)을 포함하여 구성된다.
예를 들어, 전원공급단(110)인 VDC-DC에 40V가 인가될 수 있다. 부하단(120)은 턴 온 전압이 3V인 다이오드 10개로 구성될 수 있다. 제한전압단(230)에서 제한전압(231, VLIMIT)은 15V가 될 수 있다. 전압복사단(220)에서 제1 다이오드(221) 및 제2 다이오드(222)의 문턱전압은 1V가 될 수 있다. 전압조정단(240)에서 제2 저항(241)인 R2는 4Ω, 제3저항(242)인 R3는 1Ω이 될 수 있다. 제어단(300)이 허용할 수 있는 전압은 최대 3V가 될 수 있다.
만약, 부하단(120)을 구성하는 모든 다이오드가 정상 동작을 하는 경우, 부하단(120)의 출력전압인 VCSEN은
VCSEN = VDC-DC - VTurn on
= 40V - (3V × 10)
= 10V
가 될 수 있다.
즉, 제1 노드(130)에10V가 인가된다. 제1 노드(130)에 인가된 전압이 제한전압(231)보다 낮으므로, 전압복사단(220)에 의해서, 제3노드(250)에 제1 노드(130)에 인가된 전압과 동일한 전압인 10V가 인가된다. 이어서, 제3 노드(250)에 인가된 전압은 전압조정단(240)에 의해서 조정된 전압을 출력한다. 출력된 전압인 VOUT은
Figure 112010005348241-pat00002
Figure 112010005348241-pat00003
Figure 112010005348241-pat00004
가 된다.
따라서, 제어단(300)은 허용전압인 3V보다 낮은 전압인 2V를 입력 받게 된다.
만약, 부하단(120)을 구성하는 모든 다이오드 중에서 5개의 다이오드가동작을 하지 않는 경우, 부하단(120)의 출력전압인 VCSEN은
VCSEN = VDC-DC - VTurn on
= 40V - (3V × 5)
= 25V
가 될 수 있다.
즉, 제1 노드(130)에25V가 입력된다. 제1 노드(130)에 인가된 전압이 제한전압(231)보다 높게 된다. 이때, 제1 다이오드(221)의 캐소드단에 연결된 제한전압(231)은 15V이고, 제1 다이오드(221)의 애노드단에 연결된 제1 노드(130)에 인가된 전압은 25V가 된다. 따라서, 제1 다이오드(221)에는 전류가 흐르지 않는 단락상태가 된다. 따라서, 제2 다이오드(222)의 캐소드단에는 15V가 인가되어, 제2 다이오드(222)의 애노드단에는 15V에서 문턱전압인 1V가 제외된 14V가 인가 된다. 즉, 제2 다이오드(222)의 애노드단과 연결된 제3노드(250)에는 14V가 인가된다.
이어서, 제3 노드(250)에 인가된 전압은 전압조정단(240)에 의해서 조정된 전압을 출력한다. 출력된 전압인 VOUT은
Figure 112010005348241-pat00005
Figure 112010005348241-pat00006
Figure 112010005348241-pat00007
가 된다.
따라서, 제어단(300)은 허용전압인 3V보다 낮은 전압인 2.8V를 입력 받게 된다.
이와 같이, 부하단(120)의 다이오드의 고장으로 높은 전압이 출력되어도, 제어단(300)은 허용전압보다 낮은 전압을 입력 받게 된다.
즉, 부하단(120)의 고장 등과 같은 이유로 부하단(120)으로부터 높은 전압이 출력되어도, 제어단(300)에 높은 전압이 그대로 인가되지 않고, 전압변환단(200)에 의해서, 제어단(300)이 허용 가능한 전압으로 변환되어 입력된다. 따라서, 제어단(300)은 높은 비용이 소요되는 고전압 공정이 아니라, 저전압용 칩의 제조공정으로 제작될 수 있다.
110 : 전원공급단 120 : 부하단
130 : 제1 노드 200 : 전압변환단
210 : 제2 노드 220 : 전압복사단
221 : 제1다이오드 222 : 제2 다이오드
230 : 제한전압단 231 : 제한전압
240 : 전압조정단 241 : 제2 저항
242 : 제3 저항 250 : 제3 노드
300 : 제어단

Claims (7)

  1. 한 개 이상의 다이오드가 직렬로 구성된 부하단;
    상기 부하단의 일측에 전원을 공급하는 전원공급단;
    상기 부하단의 다른 일측과 연결되고, 상기 부하단의 출력전압을 조정하여 출력하는 전압변환단;
    상기 전압변환단으로부터 조정된 출력전압을 입력 받아 구동되는 제어회로로 구성된 제어단;을 포함하되,
    상기 전압변환단은,
    상기 부하단의 출력전압을 입력 받아 설정된 전압 이하의 전압을 출력하는 전압복사단;
    상기 전압복사단이 과도하게 높은 전압을 출력하는 것을 방지하는 제한전압단; 및
    상기 전압복사단으로부터 출력된 전압을 상기 제어단에 입력 가능한 전압으로 변환시킨 변환전압을 출력하는 전압조정단을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압복사단은,
    캐소드(Cathode)단은 상기 부하단의 출력전압을 입력 받고, 애노드(Anode)단은 상기 제한전압단과 연결되는 제1 다이오드; 및
    캐소드(Cathode)단은 상기 전압조정단과 연결되고, 애노드(Anode)단은 상기 제한전압단과 연결되는 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제한전압단은 상기 전압복사단이 과도하게 높은 전압을 출력하는 것을 방지하기 위해 제한전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부하단의 출력전압이 상기 제한전압 미만인 경우, 상기 전압복사단은 상기 부하단의 출력전압과 동일한 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 부하단의 출력전압이 상기 제한전압 이상인 경우, 상기 전압복사단은 상기 제한전압에서 상기 제2다이오드의 문턱전압을 제외한 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전압조정단은
    상기 제2다이오드의 캐소드단과 상기 변환전압을 출력하는 출력단 사이에 위치하여 연결된 제2저항; 및
    상기 출력단과 접지 사이에 위치하여 연결된 제3저항을 포함하되,
    상기 제2저항 및 상기 제3저항에 의해서 상기 변환전압이 조정되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동 장치.
  7. 삭제
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