KR101083785B1

KR101083785B1 - 조명용 발광다이오드 구동회로

Info

Publication number: KR101083785B1
Application number: KR1020100097461A
Authority: KR
Inventors: 박성휘
Original assignee: (주) 이노비전
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2011-11-18
Also published as: US20130207557A1; WO2012046927A1; CN103155709B; CN103155709A; US9072145B2

Abstract

본 발명은 특정 패턴의 구동데이터를 구동전원의 한 주기 또는 반 주기 내에서 여러 구동구간 별로 분할하여 구동데이터 기억장치에 저장해 두고, 이 구동데이터를 이용하여 LED 배열부에 마련된 직렬접속된 발광다이오드를 구동하여 고효율, 고역율로 구동이 가능하고 전고조파가 낮게 나타나도록 한 기술에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 상기 LED 배열부의 발광다이오드들을 고효율, 고역율로 구동하고 전고조파가 낮게 나타나도록 구동하기 위한 패턴의 구동데이터가 상기 구동전원의 한 주기 또는 반주기 내에서 여러 구동구간 별로 분할되어 저장되어 있는 구동데이터 기억장치; 상기 동기신호 및 클럭 발생부에서 출력되는 클럭에 대응되는 어드레스신호를 발생하여 상기 구동데이터 기억장치에 저장된 각 구동구간별 구동데이터를 순차적으로 읽어내어 상기 LED 배열부의 발광다이오드들의 구동을 제어하는 구동제어부를 구비한다.

Description

조명용 발광다이오드 구동회로{LED DRIVING CIRCUIT FOR LIGHTENING}

본 발명은 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode)를 구비한 조명장치의 구동기술에 관한 것으로, 특히 특정 패턴의 구동데이터를 이용하여 고효율, 고역율 및 저고조파 특성이 발휘되도록 발광다이오드의 구동을 제어할 수 있도록 한 발광다이오드 조명 장치의 구동회로에 관한 것이다.

반도체 기술의 발전으로 인하여, 발광 다이오드(LED)의 효율성이 많이 향상되었다. 이에 따라, LED는 백열 전구나 형광등과 같은 기존의 조명 장치에 비하여 수명이 길고 에너지 소모가 적어 경제적일 뿐만 아니라 친환경적이라는 장점을 갖게 되었다. 이와 같은 장점들로 인하여 LED는 현재 신호등이나 평판표시장치(예: LCD)의 백라이트 등을 대체할 광원으로 주목받고 있다.

일반적으로, LED를 조명장치로 사용하는 경우 다수의 LED가 실장된 LED 모듈을 특정의 배열로 여러개 배치하고, 이렇게 배치된 LED 모듈을 공간의 천장이나 벽면 등에 설치하여 사용한다. 이와 같은 LED 모듈은 LED가 적정 전압의 직류전류에 의해 구동되는 특성을 감안하여 AC/DC 컨버터를 구비하게 된다. 상기와 같은 AC/DC 컨버터는 교류전압을 강압하기 위한 트랜스 코일을 포함하게 되며, 이러한 트랜스 코일은 LED 모듈에서 상당한 크기로 배치되므로 이를 적용한 제품이 대형화되는 문제점을 초래하였다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 근래 들어 SMPS(SMPS: Switching Mode Power Supply)라는 전원공급장치가 사용되었다. 하지만, 최근 들어 LED 조명장치는 SMPS가 배제된 구성으로 다수의 LED를 직렬연결하여 전원에 대해 각 LED에서 전압 강하를 수행하는 방식으로 구동하는 기술이 사용되고 있다.

그런데, 종래의 LED 조명 장치는 시간적으로 변동되는 구동전원에 대응하여 LED의 구동을 적절히 제어하지 못하였다. 이로 인하여 효율 및 역율이 저하되고 전고조파 특성(THD: Total Hormonic Distortion)이 나쁘게(높게) 나타나는 문제점이 있었다. 그리고, 입력 구동전원의 출렁임 변동 등이 발생되는 경우 그에 따라 밝기가 변동되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 특정 패턴의 구동데이터를 구동전원의 한 주기 또는 반 주기 내에서 여러 구동구간별로 분할하여 구동데이터 기억장치에 저장해 두고, 이 구동데이터를 이용하여 LED 배열부에 마련된 직렬접속된 발광다이오드를 고효율, 고역율로 구동하고 전고조파가 낮게 나타나도록 구동할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 목적들은 앞에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 교류전원을 전파정류하여 맥류 형태의 구동전원을 두 개 이상의 직렬연결된 발광다이오드를 구비한 LED 배열부에 공급하는 브릿지 다이오드 정류부; 상기 맥류 형태의 구동전원의 주기를 검출하여 그에 따른 동기신호를 발생하고, 그 동기신호를 이용하여 입력전원의 수 배 이상의 주파수를 갖는 클럭을 발생하는 동기신호 및 클럭 발생부; 상기 LED 배열부의 발광다이오드들을 고효율, 고역율로 구동하고 전고조파가 낮게 나타나도록 구동하기 위한 패턴의 구동데이터가 상기 구동전원의 한 주기 또는 반 주기 내에서 여러 구동구간별로 분할되어 저장되어 있는 구동데이터 기억장치; 상기 동기신호 및 클럭 발생부에서 출력되는 클럭에 대응되는 어드레스신호를 발생하여 상기 구동데이터 기억장치에 저장된 각 구동구간별 구동데이터를 순차적으로 읽어내는 구동제어부; 상기 구동제어부에서 출력되는 디지털의 구동데이터를 아날로그신호로 변환하여 출력하는 D/A 변환기; 상기 D/A 변환기의 출력신호에 따라, 상기 LED 배열부의 직렬연결된 발광다이오드를 선택적으로 구동시키기 위해 그들의 탭에 각기 연결된 다수의 정전류 구동장치를 구비하고, 그 다수의 정전류 구동장치를 통해 상기 직렬연결된 발광다이오드 중에서 해당 발광다이오드를 해당 구동구간동안 해당 전류값으로 구동시키는 정전류 구동장치부를 구비한다.

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본 발명은 소정 패턴의 구동데이터를 구동전원의 한 주기 또는 반 주기 내에서 여러 구동구간별로 분할하여 구동데이터 기억장치에 저장해 두고, 이 구동데이터를 이용하여 LED 배열부에 마련된 직렬접속된 발광다이오드를 적절히 구동하여 발광다이오드를 고효율, 고역율로 구동하고 전고조파가 낮게 나타나도록 구동하는 것이 가능한 효과가 있다.

또한, 입력 전원전압이 변동되더라도, 직렬접속된 발광다이오드에 흐르는 전류가 변동되지 않도록 전류를 제어함으로써 깜박임 현상이 나타나지 않는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 발광다이오드 조명 장치의 구동회로에 대한 블록도.
도 2는 본 발명에 의한 발광다이오드의 전류 패턴을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명에 의한 발광다이오드 조명 장치의 구동회로에서 입력전력에 대한 출력전력의 비교 파형도.
도 4는 본 발명에 따른 발광다이오드 조명 장치의 구동회로를 이용하는 경우 입력전원에서 발생되는 고조파를 나타낸 파형도.
도 5는 도 4에 도시된 고조파를 표로 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 의한 LED 구동장치의 구동회로에 대한 성능 평가표.
도 7은 본 발명에 의한 발광다이오드 조명 장치의 구동회로에서 전원전압의 변동에 대응하여 발광다이오드에 흐르는 전류가 변화되지 않는 것을 나타낸 파형도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 발광다이오드 조명 장치의 구동회로에 대한 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 브릿지 다이오드 정류부(10), 동기신호 및 클럭 발생부(20), 전원공급부(30), LED 배열부(40), 구동데이터 기억장치(50), 구동제어부(60), D/A 변환기(70) 및 정전류 구동장치부(80)를 구비한다.

브릿지 다이오드 정류부(10)는 입력되는 상용 교류전원(AC)을 전파정류하여 맥류 형태의 구동전원을 LED 배열부(40)에 공급한다.

동기신호 및 클럭 발생부(20)는 상기 브릿지 다이오드 정류부(10)로부터 입력되는 전원의 주기를 검출하여 그에 따른 동기신호를 발생하고, 그 동기신호를 이용하여 입력전원의 수 배 이상(예: 수 백배)의 주파수를 갖는 클럭을 발생한다. 그리고, 상기 동기신호 및 클럭 발생부(20)는 상기 입력전원의 한 주기 동안 발진된 클럭을 카운트하여 그 카운트 값이 미리 설정된 발진 주파수의 오차 범위에 드는지 확인하고, 확인 결과 미리 설정된 발진 주파수의 오차 범위에 들지 않는 경우 오차 범위에 들도록 발진 주파수를 조절한다.

전원공급부(30)는 상기 브릿지 다이오드 정류부(10)에서 출력되는 맥류 형태의 전압을 평활하고, 발광다이오드 조명장치의 각부에서 필요로 하는 레벨의 전압(예: VCC,VDD)으로 변환하여 출력한다.

LED 배열부(40)는 두 개 이상의 직렬연결된 발광다이오드(LED1-LED4)를 구비하는데, 이들의 캐소우드가 탭을 통해 해당 정전류 구동장치(81-84)에 각기 연결된다.

구동데이터 기억장치(50)는 상기 LED 배열부(40)의 발광다이오드(LED1-LED4)들을 구동함에 있어서, 고효율, 고역율, 전고조파 특성(THD)이 가장 바람직하게 나타나도록 구동하기 위한 특정 패턴의 구동데이터가 미리 저장되어 있다. 상기 구동데이터 기억장치(50)에 저장된 상기 구동데이터는 상기 구동전원의 한주기 또는 반 주기를 소정 구동구간 예를 들어, 도 2에서와 같이 90개의 구동구간으로 나누고, 그 각 구동구간에서 정전류 구동장치(81-84)를 선택적으로 구동하기 위한 인에이블신호, 인에이블된 정전류 구동장치가 해당 구동구간에서 흘려야 할 전류값, 각 구동구간의 폭, 상기 발광다이오드(LED1-LED4)의 수, 입력되는 구동전원의 전압 및 주파수, 사용하고자 하는 전력량 등을 포함한다. 또한, 상기 구동데이터 기억장치(50)는 상기 구동데이터를 저장함에 있어서, 상기 발광다이오드의 특성, 연결된 발광다이오드의 수, 입력구동전압과 주파수, 사용하고자 하는 전력에 대응되는 효율, 역율 및 저고조파 특성에 대응하여 제품별로 최적의 구동데이터를 저장하는 것이 바람직하다. 상기 구동데이터 기억장치(50)는 여러 채널의 구동데이터를 동시에 저장할 수도 있다.

구동제어부(60)는 상기 동기신호 및 클럭 발생부(20)에서 출력되는 클럭에 대응되게 예를 들어, 16개의 클럭이 입력될 때마다 그에 대응되는 어드레스신호를 발생하여 상기 구동데이터 기억장치(50)에 공급한다. 이에 따라, 상기 구동제어부(60)는 상기 구동데이터 기억장치(50)로부터 해당 어드레스에 저장된 해당 구동구간의 전류값 및 구동구간의 폭값, 상기 인에이블신호를 순차적으로 출력한다.

D/A 변환기(70)는 상기 구동제어부(60)에서 출력되는 상기 인에이블신호를 아날로그신호로 변환하고, 그 변환된 인에이블신호를 이용하여 정전류 구동장치부(80)의 정전류 구동장치(81-84) 중에서 해당 정전류 구동장치를 인에이블시킨다. 이와 함께, 상기 D/A 변환기(70)는 상기 구동제어부(60)에서 출력되는 해당 구동구간의 전류값과 구동구간의 폭값을 아날로그신호로 변환하여 상기 인에이블된 구동장치에 출력하는 동작을 수행한다.

정전류 구동장치부(80)는 다수개의 정전류 구동장치(81-84)를 구비하는데, 이들이 한편으로는 상기 발광다이오드(LED1-LED4)의 탭(캐소우드)에 각기 연결되고, 다른 한편으로는 상기 D/A 변환기(70)의 해당 출력단에 각기 연결된다.

상기 D/A 변환기(70)의 출력신호 의해 상기 정전류 구동장치(81-84)가 구동되는 것을 도 2를 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

구동전원의 한 주기 또는 반 주기를 도 2에서와 같이 작은 구동구간(예: 90개 구동구간)으로 나누었을 경우 각 구동구간에 대하여 상기와 같은 인에이블신호, 전류값 및 구동구간의 폭값이 상기 구동제어부(60)에 의해 상기 구동데이터 기억장치(50)로부터 독출된 후 상기 D/A변환기(70)를 통해 출력된다.

상기 D/A변환기(70)에서 출력되는 인에이블신호에 의해 임의의 구동구간에서 정전류 구동장치(81)가 인에이블되는 경우 그 구동구간에서 발광다이오드(LED1)가 해당 전류값 및 구동구간의 폭값으로 점등된다.

상기 D/A변환기(70)에서 출력되는 인에이블신호에 의해 임의의 구동구간에서 정전류 구동장치(82)가 인에이블되는 경우 그 구동구간에서 발광다이오드(LED1),(LED2)가 해당 전류값 및 구동구간의 폭값으로 점등된다.

상기 D/A변환기(70)에서 출력되는 인에이블신호에 의해 임의의 구동구간에서 정전류 구동장치(83)가 인에이블되는 경우 그 구동구간에서 발광다이오드(LED1),(LED2), (LED3)가 해당 전류값 및 구동구간의 폭값으로 점등된다.

상기 D/A변환기(70)에서 출력되는 인에이블신호에 의해 임의의 구동구간에서 정전류 구동장치(84)가 인에이블되는 경우 그 구동구간에서 발광다이오드(LED1),(LED2), (LED3),(LED4)가 해당 전류값 및 구동구간의 폭값으로 점등된다.

도 2를 참조하면, 상기 90개 구동구간 중에서 제 1구동구간부터 제 29구동구간에 도달할 때 까지(제1군)는 대체적으로 상기 정전류 구동장치(81),(82),(83) 순서로 인에이블되고 그 때 해당 전류값이 해당 구동구간의 폭 만큼씩 출력된다. 이로 인하여 하나의 발광다이오드(LED1) 또는 두 개의 발광다이오드(LED1,LED2) 또는 3개의 발광다이오드(LED1),(LED2),(LED3)가 해당 전류값에 상응되는 밝기로 해당 구동구간의 폭 동안 점등된다.

이후, 제 30 구동구간부터 제 62 구동구간 까지(제2군)는 상기 마지막 단의 정전류 구동장치(84)가 고정적으로 인에이블되어 해당 전류값에 상응되는 밝기로 해당 구동구간의 폭 동안 점등되므로 최대 밝기가 된다.

이후, 제 63 구동구간부터 제 90 구동구간 까지(제3군)는 대체적으로 상기 정전류 구동장치(83),(82),(81) 순서로 인에이블되고 그 때 마다 해당 전류값이 해당 구동구간의 폭 만큼씩 출력되고, 이에 의해 3개의 발광다이오드(LED1),(LED2),(LED3) 또는 두 개의 발광다이오드(LED1,LED2) 또는 하나의 발광다이오드(LED1)가 해당 전류값에 상응되는 밝기로 해당 구동구간의 폭 동안 점등된다.

상기와 같은 일련의 처리과정을 통해 LED 배열부(40)에 직렬로 배열된 상기 다수의 발광다이오드(LED1-LED4)가 상기와 같이 점등되므로 입력전력에 대한 출력전력이 도 3에서와 같이 전 구동구간에 걸쳐 거의 유사하게 된다.

상기와 같이 구동데이터를 이용하여 상기 발광다이오드(LED1-LED4)를 구동하는 경우, 도 4에서와 같이 입력전원에서 전고조파가 17% 이하로 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 참고로, 각 차수의 고조파는 5% 이하이지만 전고조파는 이들을 모두 RMS한 값이므로 도 6의 성능표에서와 같이 17.82%로 나타난다. 목표치는 20% 이하 이며 이는 종래에 비하여 절반 이하의 값이다.

도 5는 상기 도 4에 도시된 고조파를 표로 나타낸 것이다.

도 6은 상기와 같이 구동데이터를 이용하여 상기 발광다이오드(LED1-LED4)를 구동하는 경우, LED 구동장치에 대한 성능 평가를 나타낸 표이다.

결국, 상기 도 3 내지 도 6에서와 같이 본 발명을 이용하는 경우 상기 발광다이오드(LED1-LED4)가 고효율, 고역율 및 저고조파 특성이 발휘되도록 구동되는 것을 알 수 있다.

본 발명을 이용하는 경우 도 7에서와 같이 입력 전원전압이 변동되더라도, 상기 발광다이오드(LED1-LED4)에 흐르는 전류가 변동되지 않으므로 깜박임 현상이 나타나지 않게 된다.

도 1에서는 하나의 발광다이오드에 대응하여 하나의 정전류 구동장치가 대응되게 연결된 것을 예로 하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니라 직렬연결된 다수개의 발광다이오드 당 하나의 정전류 구동장치가 대응되게 연결되어 구동(점등)을 제어할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 : 브릿지 다이오드 정류부
20 : 동기신호 및 클럭 발생부
30 : 전원공급부
40 : LED 배열부
50 : 구동데이터 기억장치
60 : 구동제어부
70 : D/A 변환기
80 : 정전류 구동장치부

Claims

교류전원을 전파정류하여 맥류 형태의 구동전원을 두 개 이상의 직렬연결된 발광다이오드를 구비한 LED 배열부에 공급하는 브릿지 다이오드 정류부;
상기 맥류 형태의 구동전원의 주기를 검출하여 그에 따른 동기신호를 발생하고, 그 동기신호를 이용하여 입력전원의 수 배 이상의 주파수를 갖는 클럭을 발생하는 동기신호 및 클럭 발생부;
상기 LED 배열부의 발광다이오드들을 고효율, 고역율로 구동하고 전고조파가 낮게 나타나도록 구동하기 위한 패턴의 구동데이터가 상기 구동전원의 한 주기 또는 반 주기 내에서 여러 구동구간별로 분할되어 저장되어 있는 구동데이터 기억장치;
상기 동기신호 및 클럭 발생부에서 출력되는 클럭에 대응되는 어드레스신호를 발생하여 상기 구동데이터 기억장치에 저장된 각 구동구간별 구동데이터를 순차적으로 읽어내는 구동제어부;
상기 구동제어부에서 출력되는 디지털의 구동데이터를 아날로그신호로 변환하여 출력하는 D/A 변환기;
상기 D/A 변환기의 출력신호에 따라, 상기 LED 배열부의 직렬연결된 발광다이오드들을 선택적으로 구동시키기 위해 상기 발광다이오들의 직렬 연결 탭에 일대일로 대응되게 각기 연결된 다수의 정전류 구동장치를 구비하고, 그 다수의 정전류 구동장치를 통해 상기 직렬연결된 발광다이오드 중에서 해당 발광다이오드를 해당 구동구간동안 해당 전류값으로 구동시키는 정전류 구동장치부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, 교류전원은 상용 교류전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, LED 배열부는 두 개 이상의 직렬연결된 발광다이오드를 구비하고, 하나 또는 그 이상의 발광다이오드 단위로 탭을 통해 상기 정전류 구동장치에 대응적으로 연결된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제3항에 있어서, 탭은 해당 발광다이오드의 캐소우드에 각기 연결된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, 동기신호 및 클럭 발생부는 상기 교류전원의 한 주기 동안 발진된 클럭이 오차 범위에서 벗어날 때 오차 범위에 들도록 발진 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, 구동데이터는 상기 구동전원의 한 주기 또는 반 주기를 소정 구간으로 나누고, 그 각 구간에서 각 정전류 구동장치를 선택하기 위한 인에이블신호, 인에이블된 정전류 구동장치가 해당 구동구간에서 흘려야 할 전류값, 구동전원의 한 주기 또는 반 주기 내에서 분할된 각 구동구간의 폭, 발광다이오드의 수, 입력되는 구동전원의 전압 및 주파수, 사용하고자 하는 전력량 정보를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, 구동데이터 기억장치는 상기 발광다이오드의 특성, 연결된 발광다이오드의 수, 입력구동전압과 주파수, 사용하고자 하는 전력에 대응되는 효율, 역율 및 저고조파 특성에 대응하여 제품별로 최적의 구동데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, 구동데이터 기억장치는 여러 채널의 구동데이터를 동시에 저장하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, 구동데이터는 입력 전원전압의 변동에 관계없이 상기 발광다이오드에 흐르는 전류가 변동되지 않도록 하는 전류값을 포함하여 깜박임 현상이 나타나지 않게 하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, 정전류 구동장치부는 제1군에서 제1-3정전류 구동장치를 순차적으로 구동시키되 해당 전류값이 해당 구동구간의 폭 만큼씩 출력되도록 하고, 제2군에서는 마지막의 제4정전류 구동장치를 계속 구동시키되 모든 발광다이오드가 해당 전류값에 상응되는 밝기로 해당 구동구간의 폭 동안 점등되도록 하고, 제3군에서는 제3-1정전류 구동장치를 순차적으로 구동시키되 해당 전류값이 해당 구동구간의 폭 만큼씩 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 브릿지 다이오드 정류부에서 출력되는 맥류 형태의 전압을 평활하고, 발광다이오드 조명장치의 각부에서 필요로 하는 레벨의 전압으로 변환하여 출력하는 전원공급부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 조명 장치의 구동회로.