KR101087375B1

KR101087375B1 - Led전등용 전원공급기

Info

Publication number: KR101087375B1
Application number: KR1020100052693A
Authority: KR
Inventors: 김진국
Original assignee: 하가전자 주식회사
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-11-25

Abstract

최근 탄소 배출량 감소를 위한 에너지 절감 대책의 일환으로 LED전등의 보급이 활성화 되고 있다. 그러나 LED전등의 경우 요구되는 출력에 맞게 LED를 직병렬 연결하여 구성해서 거기에 맞는 LED전등용 전원 공급기로 전원을 공급한다. 통상 전원 공급기로 SMPS[Switching Mode Power Supply]를 많이 사용하는데 이것은 SMPS가 효율이 좋기 때문이다. 그러나 입력 전압이 AC220V와 같이 일반 상용전압일 경우는 SMPS용 부품들이 많이 수급되고 사용되고 있어 LED전등용 전원공급기의 생산과 공급에 문제가 없으나, AC 입력전압이 AC460V등과 같이 고전압일 경우는 일반 SMPS용 부품으로는 SMPS의 구성이 어렵게 된다. 또 LED전등에 있어서도 사람이 없을 때는 전등을 희미하게[Dimming]하여 전력을 더욱 절감할 수 있도록 하는 특성이 요구되고 있으나 마땅한[저비용, 고신뢰성의] 대안이 없었다. 본 발명에 따른 LED전등용 전원공급기는 고입력 전압용 LED전등용 전원공급기에 있어서도 일반 부품으로 구성이 가능하여 가격 경쟁력을 혁신적으로 개선하였으며, 또 에너지 절감을 위한 디밍[Dimming ; 어둡게함] 기능이 있어 탄소배출량 감소에 크게 기여하는 효과도 있다.

LED 전등용 전원 공급기

Description

LED전등용 전원공급기{ Power Supply for LED Lamp}

본 발명은 LED전등용 전원공급기에 있어, AC 입력 전압이 AC460V와 같이 고전압에 있어서도 일반 SMPS용 부품만으로 LED전등용 전원공급기의 구성이 가능하고 AC 입력 전압이 정격 입력 전압보다 높으면 밝기 100％로 LED전등용 전원을 출력하고, AC 입력 전압이 정격 입력 전압보다 낮아지면 AC 입력 전압이 낮아지는 것에 비례하여 LED전등의 밝기를 낮추는 전원을 출력하는 LED전등용 전원공급기에 관한 것이다.

본 발명은 LED전등용 전원공급기에 관한 것으로서 입력 전압이 AC460V와 같이 고전압에서도 작동이 가능하고, 또 AC 입력 전압이 정격 전압보다 높을 때에는 100％ 밝기로 출력 전원을 출력하고 AC 입력 전압이 정격 전압보다 낮을 때에는 낮은 정도에 따라 밝기를 낮추어 주는 출력 전원을 출력하는 LED전등용 전원공급기에 관한 것이다. [도1]과 같이 구성된 종래의 LED용 파워에 있어서는 입력 전원 전압이 AC220V일 때에는 D₁∼D₄, 및 C₂로 구성된 브릿지 정류전압이 약 DC300V∼DC350V가 되어 스위칭 소자[FET]를 내장한 스위칭 IC[U₁]의 드레인[D]단자에는 약 700V 까지 Pulse전압이 인가 되어 통상 800V 내압의 스위칭 IC[U₁]를 사용한다. 그러나 입력 전원 전압이 AC460V와 같이 높아지게 되면 브릿지 정류 전압도 비례해서 높아져 약 650∼750V까지 상승하게 되어 스위칭 IC[U₁]의 드레인 단자[D]에는 약 1500V의 Pulse전압이 인가 되어 U₁의 내압은 1600V이상 이어야 한다. 그러나 내압 1600V이상 되는 스위칭 IC는 수요가 없어 시장 구매가 불가능할 뿐 아니라, 특수 제작하여 공급을 받는다 해도 내압 800V의 스위칭 IC에 비해 10배 이상 고가가 될 것이 확실하다. 따라서 스위칭 소자의 내압이 800∼1000V로 가능한 입력 전압 AC460V의 LED전등용 전원공급기가 요구된다.

본 발명의 목적은 AC460V와 같이 220V가 아닌 고입력 전압에도 대응이 가능한 LED전등용 전원공급기, 또 AC 입력 전압이 정격 전압 보다 높을 때에는 부하출력을 부하에 연결된 LED가 100％ 밝기를 내도록 정격 전압과 전류로 출력하고, AC 입력 전압이 정격보다 낮을 때에는 낮은만큼 LED전등의 전압과 전류를 감소시켜 출력하는 LED전등용 전원공급기를 제공함에 있다.

본 발명에 있어서는 AC 입력 전압이 AC460V와 같이 고전압일 때에도 대응이 가능하도록 하기 위하여 [도2]에서와 같이 전류 피드백 방식의 벅·컨버터[Buck Converter]를 사용하여 LED파워를 구성하였다. 전류 피드백 방식의 벅·컨버터에 있어서는 무부하시 출력전압이 입력 전압 만큼 상승하여 콘덴서[C₇]가 파괴되는 현 상이 있으나 본 발명에 있어서는 제2 제너다이오드[ZD₂]와 제7 및 제8 저항[R₇, R₈], 포토커플러[PC₁]로 출력 전압 억제회로를 구성하여 이를 방지 하였으며, 브릿지 정류 전압을 제5 저항[R₅]과 제6 저항[R₆]으로 분압 하여 이것을 출력 제어 기준 전압으로 사용해서 입력 전압에 비례해서 출력이 가변 되도록 하였고 브릿지 정류 전압을 제1 저항[R₁]과 제3 콘덴서[C₃]로 벅·컨버터 IC[U₁]의 정격 입력 전압 이내로 낮추어 벅·컨버터 IC의 입력 단자[V_IN]에 가함으로써 고입력 전압에서도 벅·컨버터 IC가 안정적으로 작동하도록 하였다.

본 발명에 따른 LED전등용 전원공급기는 AC 입력 전원이 AC460V와 같이 고전압에서도 일반 220V용 부품을 사용하여 그 구성이 간단하고 원가 경쟁력이 있을 뿐 아니라, AC입력 전압이 정격 전압보다 높을 때에는 정격 전압과 전류로 출력하여 LED의 수명을 보호하고 AC 입력 전압이 정격 전압 보다 낮을 때에는 낮은 만큼 출력 전압과 전류를 낮추어 출력 함으로써, 필요에 따라 출력을 조절하여 전력을 절감[Power Saving]함으로써 탄소배출량 저감에 기여하는 효과가 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED전등용 전원공급기의 동작 원리를 도면과 함께 상세히 설명한다. 도2의 실시 예에서 F₁은 휴즈이고, 바리스터[ZNR₁]는 입력 과전압 보호용이며 LF₁은 노이즈 대책용 라인 필터이다. 제1 콘덴서[C₁]는 고주파 노이즈 대책용이고 제1 다이오드[D₁] ∼ 제4 다이오드[D₄]는 브릿지 정류용이며 제2 콘덴서[C₂]는 리플 필터용이다. 벅·컨버터 IC[U₁]의 내부 계통도는 [도3]과 같다. 도3에서 전류감지 단자[CS] 전압이 250mV 이상이 되면 게이트[GATE] 단자가 로우[Low]로 되어 도2의 스위칭 FET[Q₁]가 오프[OFF]된다. 전류감지 단자[CS] 전압이 리니어 디밍[LD]단자 전 보다 높아도 게이트 단자가 Low로 변하여 상기 Q₁이 오프한다. 도3에서 PWMD단자에 로우[Low]를 가해도 Gate단자가 Low로 되어 Q₁이 오프[OFF]한다. 도3에서 LD단자 전압이 250mV보다 높을 때에는 CS단자 전압이 250mV와 비교하여 Gate단자를 제어하고 LD 단자 전압이 250mV보다 낮을 때에는 LD 단자 전압과 비교하여 Gate단자를 제어하는 것을 알 수 있다. 도2에서 Rcs는 전류 감지용 저항으로 부하에서 요구하는 정격 전류가 흘렀을 때 250mV가 CS단자에 감지 되도록 저항치를 설정한다. 예를 들어 출력[Vout] 단자에 연결된 부하 LED가 정격 정류 600mA의 3.2V LED 10개가 직렬로 연결된 LED등이라고 하면 요구되는 LED 파워의 정격 전압은 32V이고 정격 전류는 600mA이다. 전류 리플이 ±15％ 라고 하면 600mA * (1 + 0.15)의 피크 전류에서 Q₁이 오프하도록 하면 되므로 V=IR 에서

이 된다. 이때 부하 피크 전류가 690mA일 때 Q₁이 오프한다. 그러나 출력단자에 부하 LED가 연결되어 있지 않을 때에는 순식간에 도2에서 제7 콘덴서는 브릿지 정류 전압까지 충전되기 때문에 AC460V 입력의 경우는 콘덴서 내압이 700V 이상 되어야 하는데 32V 평활용으로 700V 내압의 콘덴서를 사용하는 것은 합리적이지 못하다. 따라서 이 경우[무부하인 경우]는 출력 단자 전압을 약 40V 수준으로 억제할 필요가 있다. 도3과 도2에서 PWMD 단자에 로우[Low]를 인가하면 Gate단자가 Low가 되어 스위칭 소자[Q₁]가 오프되기 때문에 출력 전압[VOUT]이 40V가 되면 포토 커플러[PC₁]가 도통되어 PWMD 단자가 Low가 되도록 제2 제너다이오드[ZD₂]의 도통 전압과 제7 저항과 제8 저항의 저항치를 설정하면 무부하시에도 출력 전압은 40V로 억제된다. 제3 저항[R₃]을 전원 단자[V_DD]와 PWMD 단자 간에 연결 구성한 것은 정상 상태[정상 부하 상태]에서는 PWMD 단자를 하이[High]로 고정하기 위한 것이다. 제8 저항[R₈]은 포토 커플러[PC₁]가 도통을 개시할 때의 제2 제너다이오드[ZD₂]에 흐르는 전류를 정하기 위한 것으로, 예를 들어 포토 커플러의 입력 다이오드의 VF=1V 라 하고 ZD₂의 전류가 1mA일 때 도통을 개시하게 하고저 할 때에는 R₈ 저항치를 1KΩ으로 하면 된다. R_T 저항은 벅·컨버터의 발진 주파수 결정용이고 제4 저항[R₄]과 제5 콘덴서[C₅]는 전류감지 응답 속도 결정용이다. 제1 저항과 제3 콘덴서[C₃]는 벅·컨버터 IC[U₁]의 입력 단자[V_IN]에 가하는 전압을 낮추기 위한 것으로 입력 전압이 AC460 일 경우 브릿지 정류 전압은 650V까지 상승하게 되어 U₁의 내압 450V를 초과하게 되므로 안전하게 약 290V 수준으로 낮출 필요가 있다. U₁의 정상 동작 전류가 약 2mA 수준이므로 제1 저항[R₁]의 저항치를 180KΩ으로 정하면 R₁에서 강하되는 전압이 360V가 되어 제2 저항[R₂]을 통하여 U₁의 입력 단자에 가해지는 전압은 290V가 되어 U₁이 안정 동작하게 된다. 제1 제너다이오드[ZD₁]는 U₁의 전류가 1mA이하로 떨어지는 경우에 대한 U₁의 보호용으로 그 도통 전압 사양을 약 300V∼400V로 설정하면 된다. 또, 제2 저항[R₂]은 벅·컨버터 IC[U₁]의 입력 전류를 제한 하기 위한 저항이다. AC 입력 전압이 정격 전압[예 460V_AC] 이상일 경우는 U₁의 LD 단자에 250mV 이상이 인가 되도록 하면 LED전등용 전원공급기가 정격 전압과 정격 전류를 출력하도록 동작함은 앞서 설명한 바와 같다. 예를 들어 정격 입력 전압이 AC460V라 하면 브릿지 정류 전압은 약, 460 * 1.414 ≒ 650V가 되고 R₅와 R₆의 저항치를 R₅=650KΩ, R₆=250Ω 으로 정하면 AC 입력 전압이 정격 전압일 경우 도2에서 U₁의 LD단자에는

가 인가 되어 출력 단자[Vount단자]에는 정격 전압과 전류가 출력 된다. AC 입력 전압이 정격 전압 AC460V보다 떨어지게 되면 U₁의 LD단자에 인가되는 전압은 250mV 보다 떨어지게 되어 LD 단자 전압을 eLD(mV)라 하면, 정격 부하 전류를 600mA라고 하고 부하전류를 i_L이라 하면

가 되어 AC 입력 전압의 하강치 만큼 부하 전류가 감소하게 된다. 제5 다이오드는 스위칭 소자[Q₁] 오프시 제1 코일[L₁]에 축적된 에너지를 부하에 공급하기 위한 플라이 휠 다이오드 이다. 제4 콘덴서[C₄]는 U₁의 전원 안정화용 이다.

도1은 종래의 SMPS 전원 회로 구성도

도2는 본 발명에 의한 LED용 파워의 일 실시 예를 나타내는 회로 구성도

도3은 본 발명의 동작 원리를 설명하기 위한 보충 도면

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

ACin ; AC 전원 IN 단자

F₁; 휴즈

ZNR₁ ; 바리스터

LF₁; 라인 필터

C₁∼C₇; 제1∼ 제7 콘덴서

R₁∼R₈ ; 제1∼ 제8 저항

R_T; 주파수 결정용 저항

R_CS; 전류 감지용 저항

L₁ ; 코일

D₁∼D₅; 제1∼ 제5 다이오드

ZD₁∼ZD₂; 제1∼ 제2 제너다이오드

PC₁; 포토 커플러

Q₁ ; FET

U₁; 벅·컨버터 IC

1 ; AC 입력 전원 브릿지 정류 회로 블록

2 ; 입력 전원 정합 회로 블록

3 ; 전류 피드백 방식 벅·컨버터 회로 블록

4 ; 출력 전압 억제 회로 블록

5 ; 디밍 제어 회로 블록

; 어스 단자

Vout ; 출력 단자

Claims

AC 입력 전원 브릿지 정류 회로 블록(1) 및 상기 브릿 정류 회로 블록에 연결된 입력 전원 정합 회로 블록(2) 및 상기 입력 전원 정합 회로 블록(2)의 전원을 입력받아 구동하는 전류 피드백 방식 벅·컨버터 회로 블록(3) 및 상기 벅·컨버터 회로 블록(3)에 연결되어 상기 벅·컨버터의 무부하시 출력 전압을 억제 하는 출력 전압 억제 회로 블록(4) 및 상기 브릿지 정류 회로 블록(1)과 상기 전류 피드백 방식 벅·컨버터 회로 블록(3)의 LD 단자에 연결되어 AC 입력 전압에 비례하여 상기 벅·컨버터의 출력 전압과 출력 전류를 저감하는 디밍 제어 회로 블록(5)을 포함하는 LED전등용 전원공급기.
제 1항에 있어서,

상기 입력 전원 정합 회로 블록(2)에 입력 전류에 비례하여 입력 전압을 강하 시키는 저항[R₁] 및 순시 전류 공급을 위한 콘덴서[C₃] 및 입력 전원 전압 제한용 제너다이오드[ZD₁] 및 순시 입력 전류 제한용 저항[R₂]을 포함하는 LED전등용 전원공급기.
제 1항에 있어서,

상기 벅·컨버터 회로 블록의 출력단자에 연결된 출력 전압 억제 회로 블록(4)이 출력 전압이 일정 기준 이상으로 상승하면 스위칭 소자[Q₁]를 오프 시키기 위하여 상기 벅·컨버터 회로 블록(3)의 PWMD 단자를 로우[Low]로 끌어 내리기 위한 포토 커플러[PC₁] 및 상기 포토 커플러[PC₁]의 입력 다이오드를 구동시키기 위하여 상기 입력 다이오드와 직렬로 연결된 저항[R₇]과 제너다이오드[ZD₂] 및 상기 포토 커플러의 입력 다이오드와 병렬로 연결한 저항[R₈]을 포함 하는 LED전등용 전원공급기.
제 1항에 있어서,

상기 AC 입력 전원 브릿지 정류 회로 블록(1)과 벅·컨버터 회로 블록(3)에 연결된 디밍 제어 회로 블록(5)이 브릿지 정류 전압을 두 저항[R₅, R₆]으로 분압하여 분압된 전압을 콘덴서[C₆]로 평활한 후 벅·컨버터 회로 블록의 LD 단자에 연결 한 것을 포함하는 LED전등용 전원공급기.