KR101174101B1 - 고효율 교류 구동 ｌｅｄ 모듈 - Google Patents

고효율 교류 구동 ｌｅｄ 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고효율 교류 구동 LED 모듈에 관한 것으로, 상용전원 전압을 정류하는 전파정류부와, 다수의 LED 또는 LED그룹이 직렬로 배열된 LED부와, 직렬 접속된 LED를 순차적으로 구간 제어하는 구간순시전류 제어부와, 입력전압 변동에 대한 입력전류와 입력전력의 상승을 능동적으로 제어하는 입력전력 보상부;가 One-Board, Module(ASIC)화 혹은 IC화 된 것을 특징으로 하는 고효율 교류 구동 LED 모듈을 제공한다.
본 발명에 따르면, 입력전압 변동에 대한 입력전류와 입력전력의 상승을 능동적으로 제어해 편차를 줄임은 물론 전력효율을 극대화하기 위해 최대전압(Vrms*√2)까지 LED Chip을 직렬 배열하여 전류를 단계적으로 제어함으로써 약 95% 이상의 전력효율을 달성할 수 있고, 상용전압 및 주파수를 그대로 능동제어 하므로 전자파가 매우 낮아 최소한의 필터 구성만 요구되며, 미주시장에서 주로 사용되고 있는 Triac-Dimming에 매우 적합하게 설계될 수 있다.

Description

고효율 교류 구동 ＬＥＤ 모듈{LED MODULE FOR HIGH EFFICIENCY AC DRIVING}
본 발명은 고효율 교류 구동 LED 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상용전압을 브리지 다이오드(Bridge Diode) 정류 후 적절한(최대상용전압*√2/Diode VF) 다량의 직렬 LED 칩(Chip)을 순차적으로 구간 제어하고, 전류를 증가하면서 구동하는 방식으로 현존하는 AC LED의 가장 큰 문제점인 입력전압 변동에 의한 전력/전류 편차 및 역률(Power Factor)을 대폭 개선해 각국 규격(PF 0.9이상)을 준수함은 물론, 제어손실을 최소화 해 LED 램프의 전력효율(약 95% 이상)을 극대화시킬 수 있도록 한 고효율 교류 구동 LED 모듈에 관한 것이다.
LED(Luminescent Diode)는 전류 구동 소자로 정전류가 안정적으로 공급되어야 동작할 수 있다.
이러한 LED 중 소형 LED의 경우에는 도 1과 같은 방식으로 제어될 수 있다.
예컨대, 도 1은 LED 램프의 제어방식 중 하나를 나타낸 것으로, 종래 직류전압변환장치인 SMPS와 정전류 드라이버를 사용하여 LED를 점등시키고 있기 때문에 제조원가가 높은 단점이 있다.
특히, 제어 방식의 문제점인 전해콘덴서(C1,C3,C4,C5)에 의한 짧은 수명(MTBF 약 10,000HR~20,000HR)으로 LED 단품의 수명을 100% 활용할 수 없는 수명단축 문제, SMPS 스위칭(Switching) 방식에 의한 전자파 문제, 조립구조에 의한 방열문제, 에너지 변환에 의한 효율(약 80%) 문제 등 다양한 문제의 개선이 요구되고 있다.
이에, 이를 개선하기 위해 일부 LED 제조사에서 개발된 도 2의 AC LED가 있으나 과전압(과전류)에 민감하게 반응하는 LED의 원천적인 특성에 따라 사용전압범위를 10V단위로 구분하여 제조(판매)하고 있는 실정이다.
또한, 가장 중요한 문제로 LED 단품의 경우 파워팩터(Power Factor) 규제(5W 이하는 0.85 이상)를 만족시킬 수 있으나 이를 사용해 만든 LED 램프(Bulb, Down-light, Tube, Flat, Street 등)의 경우 램프의 입력전력 기준으로 보면 도 3과 같이 파워팩터(Power Factor)(0.9이상) 규제를 만족시키지 못해 각국의 램프 규격 인증을 받을 수 없는 단점이 있다.
또한, 수동소자(Bridge-Diode, Resistor)로만 구성되어 있어 효율이 나쁘며, 입력전압 변동에 대한 전류제어가 능동적으로 이루어지지 않아 전압 변동범위에서 입력전력 및 전류가 급격히 줄거나 상승하여 LED 램프의 밝기가 일정하지 않고 급격히 변화한다.
이는 각국 규격을 만족시키기 어려울 뿐만 아니라 열에 의한 LED 수명, 광속 등이 저하될 수 있고 신뢰성을 현저히 떨어뜨릴 수 있는 문제점을 가지고 있다.
최근 AC LED의 파워팩터(Power Factor) 문제를 개선한 교류구동 LED 드라이버(driver)가 개발되었으나, LED의 VF 특성상 정전류 제어기에서 상대적으로 효율을 저하시킴에 따라 정격전압범위의 상위구간에서 능동소자의 손실(Loss)이 크게 발생되어 효율을 떨어뜨리는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로 다음과 같은 목적을 가진다.
첫째, 종래 SMPS 정전류 방식(에너지 변환으로 인한 효율문제), AC LED(수동소자 사용으로 인한 효율문제), 교류구동 LED 드라이버(정격전압범위의 상위구간에서 능동소자의 손실로 인한 효율문제)의 문제점인 효율을 약 95% 이상으로 개선시키기 위함에 있다.
둘째, SMPS 정전류제어 방식에서 필히 사용되는 전해콘덴서(Electrolytic Capacitor)로 인한 반감되고 있는 수명(MTBF 약 10,000HR~20,000HR) 문제를 개선하여 LED 램프의 수명을 증대(LED 단품 특성에 준함)시키기 위함에 있다.
셋째, LED 특성상 가지고 있는 AC LED의 낮은 역률(Power Factor 약0.85)을 개선하여 LED 램프 역률을 0.95 이상으로 만족시키기 위함에 있다.
넷째, SMPS 고주파 스위칭에서 발생하는 EMI 규제에 대응하기 위해 삽입되는 EMI 필터(Filter)의 크기, 가격, EMI 대책 등의 문제를 해결하기 위함에 있다.
다섯째, AC LED의 입력전압 변동과 입력전력 및 전류의 급격한 변동으로 발생되는 LED 램프의 불규칙적인 밝기를 최대한 균일하게 유지되도록 개선하고자 함에 있다.
여섯째, AC LED의 특성상 밝기(Triac-Dimming)제어 구간이 좁은 한계가 있는데 좀 더 폭넓고 안정적으로 밝기(Dimming)를 제어하고 또한 시작 점을 제어하고자 함에 있다.
일곱째, 복잡한 회로 및 인덕터(Inductor)류와 같은 수동부품으로 인해 소형화 및 집적화가 어렵고 또한 제조 자동화가 어려워 생산성이 떨어지는 문제를 개선코자 함에 있다.
여덟째, LED 드라이버를 LED 램프의 종류에 따라 매번 설계해야 하는 문제를 표준화시켜 개선하고자 함에 있다.
아홉째, 내장되는 LED 드라이버로 인한 복잡한 구조적인 어려움으로 방열설계가 용이하지 못한 문제를 해결하고자 함에 있다.
본 발명은 상기한 다수의 목적을 해결하기 위한 수단으로, 상용전원 전압을 정류하는 전파정류부와, 다수의 LED 또는 LED그룹이 직렬로 배열된 LED부와, 직렬 접속된 LED를 순차적으로 구간 제어하는 구간순시전류 제어부와, 입력전압 변동에 대한 입력전류와 입력전력의 상승을 능동적으로 제어하는 입력전력 보상부;가 One-Board, Module(ASIC)화 혹은 IC화 된 것을 특징으로 하는 고효율 교류 구동 LED 모듈을 제공한다.
이때, 상기 구간순시전류 제어부는, 차 상위 구간순시전류 제어부의 그라운드(Ground)를 차 하위 구간순시전류 제어부의 션트레지스터(Shunt-Resistor)에 접속해 순차적으로 구간 제어하는 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 입력전력 보상부는, 입력전압 변동에 대한 입력 전류와 전력의 상승을 능동적으로 제어하는 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 상기 LED부를 제외한 전파정류부, 구간순시전류 제어부, 입력전력 보상부만을 One-Chip(Package)화 한 것에도 그 특징이 있다.
아울러, 상기 구간순시전류 제어부의 고효율화 설계를 위해 비반전 증폭기를 적용한 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 직렬 LED 혹은 LED 칩 구간 순시전류 순차제어방식에 의한 입력변동 전압 전구간 고효율화(약 95%)가 가능하다.
둘째, 전해 콘덴서(Electrolytic Capacitor)가 없는 제어방식으로 장수명(LED 단품에 준하는 수명)이 가능하다.
셋째, 직렬 LED를 순차적으로 제어, 전류를 증가해가며 구동하는 방식으로 역률(Power Factor)을 대폭 개선해 각국 규격(0.9이상)을 만족한다.
넷째, 상용전압 및 주파수를 그대로 능동제어하므로 전자파가 매우 낮아 최소한의 필터(Filter) 구성만 요구되므로 제조원가를 낮출 수 있다.
다섯째, 입력전압 변동 및 LED 특성에 대한 소비전력 및 전류를 능동적으로 제어해 안정적인 LED 램프의 밝기를 유지할 수 있다.
여섯째, 백열전구와 같이 밝기(Triac-Dimming) 제어에 적합해 넓은 구간을 제어 할 수 있고 디밍(Dimming) 시작점을 제어할 수 있다.
일곱째, 소형화 및 직접화된 회로구성과 낮은 제어손실에 의한 One-Board Module(ASIC)화가 가능하다.
여덟째, LED 모듈(Module)을 병렬로 사용시 충분한 램프 용량의 확장성이 확보된다.
아홉째, 조립구조가 단순해져 열 전달 면적을 충분히 확보할 수 있어 방열설계가 매우 용이하다,
도 1은 종래 SMPS 방식(전해콘덴서 사용)의 LED 드라이버 회로도,
도 2는 종래 AC LED 내부구성 및 구동회로도,
도 3은 종래 AC LED 구동 시 입력 단 전압, 전류의 위상 차를 보여주는 파형도,
도 4는 본 발명에 따른 고효율 교류 구동 LED 모듈의 대표적인 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 고효율 교류 구동 LED 모듈의 제어예를 보인 블록도,
도 6은 본 발명의 고효율 교류 구동 LED 모듈의 입력 단 전압, 전류 파형도,
도 7은 본 발명의 고효율 교류 구동 LED 모듈의 입력전압 변동에 따른 입력전류 변화 파형도,
도 8의 (a) 내지 (e)는 도 4의 시간에 따른 동작별 전류 루프를 보인 예시도,
도 9는 구간순시전류 제어부에 적용하는 전류증폭기(비 반전 증폭기 활용예)의 예시적인 회로도,
도 10은 본 발명에 따른 집적화 된 부품(Control IC)을 적용한 고효율 교류 구동 LED 모듈(ASIC)의 예상 제품도.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 교류 구동 LED 모듈의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 회로도이고, 도 5는 본 발명에 따른 고효율 교류 구동 LED 모듈의 제어예를 보인 블록도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전파정류부(100)는 상용전원 전압을 전파 정류하여 직렬 LED부(200)에 공급한다.
상기 직렬 LED부(200)는 효율 및 역률 최적화에 따라 각각의 LED 혹은 LED그룹으로 그룹화 배열되며, 그룹화 배열시 구간순시전류 제어부(300)는 각 그룹당 한 개씩만 적용된다.
전파 정류부를 통한 전압이 각각 혹은 그룹화 배열된 LED의 임계전압에 다다르면 연결된 LED TAB#을 통해 구간순시전류 제어부(300)로 전류가 흐르기 시작한다.
전파정류 전압이 상승하여 차 상위 LED의 임계전압에 다다르면 LED TAB#을 통해 차 상위 구간순시전류 제어부(400)에 전류가 흐르기 시작한다.
또한, 차 상위 구간순시전류 제어부(400)의 전류상승분 만큼 차 하위 구간순시전류 제어부(300)의 전류는 감소하고, 설정값 이상의 전류가 흐르면 자동 차단된다.
이와 같은 동작은 전파정류 전압의 최대치에 도달할 때까지 순차적으로 반복 적용된다.
최대치에 도달한 전파정류 전압이 하강하여 각각 혹은 그룹화 배열된 최 상위 LED의 임계전압 이하로 떨어지면 연결된 LED TAP#에 전류가 흐르지 않게 된다.
이러한 동작은 전파정류 전압의 최소치(0V)에 도달할 때까지 순차적으로 반복 적용된다.
즉, 상기 구간순시전류 제어부(300,400)는 전파정류 전압에 따라 하기와 같이 순차적으로 제어된다.
예컨대, 도 5에서와 같이, LED 그룹(Group)이 4개로 구성되었다고 가정하면, LED Group1 제어부 ON → LED Group2 제어부 ON + LED Group1 제어부 OFF → LED Group3 제어부 ON + LED Group2 제어부 OFF → LED Group4 제어부 ON + LED Group3 제어부 OFF → LED Group3 제어부 ON + LED Group4 제어부 OFF → LED Group2 제어부 ON + LED Group3 제어부 OFF → LED Group1 제어부 ON + LED Group2 제어부 OFF → LED Group1 제어부 OFF와 같이, 상기 구간순시전류 제어부(300,400)는 필요 구간에서 상기 직렬 LED부를 순차적으로 구간 제어 함으로써 효율, 역률, THD(Total Harmonic Distortion, 전 고조파 왜율)를 개선할 수 있게 된다.
또한, 상기 구간순시전류 제어부(300,400)의 그룹화 배열상태에 따라 전류파형이 변하며, 그룹를 세분화하면 효율, 역률, THD를 보다 더 개선할 수 있게 된다.
뿐만 아니라, 차 하위 그룹 구간순시전류 제어부(300)의 Q2 전력손실을 방지하기 위해 차 상위 구간순시전류 제어부(400)의 그라운드(Ground)(700)를 차 하위 구간순시전류 제어부(300)의 R4 션트레지스터(Shunt-Resistor) 위에(600) 올려 접속한다.
그리고, LED부에서 발생한 열에 의해 상기 구간순시전류 제어부(300,400)의 Q3, Q5의 전류증폭률(hfe)이 증가하여 Q2, Q4의 전류를 감소시킴으로써 입력전류와 입력전력이 감소되는 결과를 초래한다.
이를 보상하기 위해, 상기 구간순시전류 제어부(300,400)의 Q3, Q5 B-E단에 NTC 서미스터(Thermistor)를 근접하게 연결시켜 놓았다.
즉, LED부에서 발생한 열만큼 NTC 서미스터(Thermistor)의 저항 값이 작아지고, 이에 따라 병렬 접속된 상기 구간순시전류 제어부(300,400)의 R4, R6의 합성 저항 값도 작아지게 되어 Q2, Q4의 전류를 증가시키게 된다.
LED부에서 발생한 열에 의해 Q3, Q5의 전류증폭률(hfe)이 증가되어 Q2, Q4의 전류가 감소된 만큼 NTC 서미스터(Thermistor)에 의해 Q2, Q4의 전류를 증가시킴으로써 전체적인 입력전류와 입력전력 변동범위를 최소화 시킬 수 있다.
한편, 입력전력 보상부(500)는 입력전압 변동에 따른 구간순시전류 제어부(300)의 Q2 능동제어를 위해 적용되며, 모든 구간순시전류 제어부에 적용되는 것이 아니라 시작되는 몇 개의 구간순시전류 제어부에만 적용된다.
이 경우, 차 상위 구간순시전류 제어부(400)부터는 입력전력 보상부(500) 회로의 R1, R2, C1이 삭제되고, Q1 부품만 적용되며, 상기 입력전력 보상부(500)의 Q1 게이트(Gate)(800) 지점으로부터 차 상위 구간순시전류 제어부에 병렬로 연결된다.
또한, Q1 능동 제어를 통해 구간순시전류 제어부(300)의 Q2를 제어함으로써 입력전압 변동에 따른 입력전력과 입력전류의 변동범위를 최소화시킨다.
이때, 상기 입력전력 보상부(500) 또한 LED부에서 발생한 열에 의해 Q1의 VGS Threshold Voltage level이 감소되어 설정된 동작 제어구간 이상에서 Q1이 동작함에 따라 입력전류가 감소되는 결과를 초래한다.
이를 보상하기 위해 상기 입력전력 보상부(500)의 Q1 G-S간에 연결된 R2에 직렬로 NTC 서미스터(Thermistor)를 연결시켜 놓았다.
즉, LED부에서 발생한 열만큼 NTC 서미스터(Thermistor)의 저항 값이 작아지고, 이에 따라 Q1 G-S 전위가 낮아지게 되어 Q1 동작을 보상한다.
이와 같은 본 발명에 따른 고효율 교류 구동 LED 모듈은 종래 AC LED에 비해 샘플 시료를 테스트한 결과, 전압 변동범위에서 입력전력 및 전류의 변동범위가 작게 나타났는데 이를 정리하면 하기한 표 1과 같다.
Figure 112011057544988-pat00001
도 6은 본 발명에 따른 고효율 교류 구동 LED 모듈의 입력 단 전압/전류를 나타낸 파형을 나타낸다.
도 6에서, P1은 상기 입력전력 보상부(500) 적용에 의한 입력전류가 변화되는 구간이다.
또한, 도 7에서 입력전압 상승에 비례하여 입력전류 모양이 변화되는 것을 확인할 수 있다.
아울러, 도 8의 (a)~(d)를 참고하여 구간순시전류 제어부의 동작에 대해서 상세히 설명한다.
도 8의 (a) t0→t1에서는, 전파정류전압이 상승하여 LED1 임계전압에 다다른다.
도 8의 (b) t1→t2에서는, LED TAP1에서 구간순시전류 제어부(300)의 R3을 통해 전류가 흐르고 이에 따라 전압이 서서히 상승하여, Q2의 Vgs에 전압이 인가되면 Q2의 Drain 전류가 설정값까지 상승된다.
도 8의 (c) t2→t3에서는, 구간순시전류 제어부(300)의 R4 션트레지스터(Shunt-Resistor)와 Q3을 통해 설정된 전류가 일정하게 유지된다. 이때 전파정류전압이 상승하여 LED2 임계 전압에 다다른다.
도 8의 (d) t3→t4에서는, LED TAP2에서 차 상위 구간순시전류 제어부(400)의 R5을 통해 전류가 흐르고 이에 따라 전압이 서서히 상승하여, Q4의 Vgs에 전압이 인가되면 Q4의 Drain 전류가 설정 값까지 상승된다.
이와 동시에, 구간순시전류 제어부(400)의 전류는 그라운드(Ground)(700)와 연결된 차 하위 구간순시전류 제어부(300)의 R4 션트레지스터(Shunt-Resistor)(600)를 통해 흐르기 시작함에 따라, 차 상위 구간순시전류 제어부(400)의 전류가 증가하는 만큼 차 하위 구간순시전류 제어부(300)의 전류는 감소하게 되며, 설정값 이상이 되면 Q2는 Q3에 의해 OFF된다.
도 8의 (e) t4→t5에서는, 차 상위 구간순시전류 제어부(400)의 R6 션트레지스터(Shunt-Resistor)와 Q5을 통해 설정된 전류가 일정하게 유지된다. 이때 전파정류전압이 상승하여 LED3 임계 전압에 다다른다.
이와 같이, LED or LED 그룹(Group)이 입력전압 최대값(Vrms*√2)까지 반복 동작되며, 입력전압 최대값(Vrms*√2) 이후부터는 상기의 역순으로 반복 동작한다.
또한, R4 션트레지스터(Shunt-Resistor)의 손실(Loss)을 줄여 효율을 극대화하는 방법으로 필요에 따라 도 9와 같은 증폭기를 적용할 수 있다.
도 9는 비반전 증폭기를 사용한 예로서, 상기 구간순시전류 제어부(300)의 Q3의 베이스(Base)단에 적용할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 도 10과 같은 형태로 집적화되어 제품화될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 장치는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다.
100 : 전파정류부
200 : 직렬 LED부
300, 400 : 구간순시전류 제어부
500 : 입력전력 보상부
600 : 차 하위 구간순시전류 제어부의 션트레지스터(Shunt-Resistor)
700 : 차 상위 구간순시전류 제어부의 Ground
800 : 차 상위 구간순시전류 제어부의 션트레지스터(Shunt-Resistor)

Claims (5)

  1. 상용전원 전압을 정류하는 전파정류부와,
    다수의 LED 또는 LED그룹이 직렬로 배열된 LED부와,
    상기 직렬로 배열된 각각의 LED 혹은 LED그룹의 사이 영역 각각에 접속되어 상기 하나의 LED 혹은 하나의 LED 그룹에 적용되어 각각의 LED 혹은 LED그룹들을 순차적으로 구간 제어하는 구간순시전류 제어부와,
    입력전압 변동에 대한 입력전류와 입력전력의 상승을 능동적으로 제어하는 입력전력 보상부;를 포함하고,
    상기 구간순시전류제어부는 상기 전파 정류부를 통한 전압이 각각의 LED 혹은 LED그룹의 다음단에 접속된 구간순시전류 제어부(차 하위 구간순시전류 제어부)에 전류가 흐르고,
    상기 전파정류 전압이 상승하여 차 상위 각각의 LED 혹은 LED그룹의 임계전압에 다다르면 차 상위 구간순시전류 제어부에 전류가 흐르기 시작하며,
    상기 차 상위 구간순시전류 제어부의 전류 상승분만큼 차 하위 순시전류 제어부의 전류는 감소하고, 설정값 이상의 전류가 흐르면 상기 차 하위 구간순시전류 제어부의 전류가 자동 차단되도록 구성되며,
    상기 구간순시전류 제어부는, 차 상위 구간순시전류 제어부의 그라운드(Ground)를 차 하위 구간순시전류 제어부의 션트-레지스터(Shunt-Resistor)에 접속해 순차적으로 구간 제어하고,
    상기 입력전력 보상부는, 입력전압 변동에 대한 입력 전류와 전력의 상승을 능동적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 고효율 교류 구동 LED 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 LED부를 제외한 전파정류부, 구간순시전류 제어부, 입력전력 보상부만을 원칩패키지(One-Chip Package)화 한 것을 특징으로 하는 고효율 교류 구동 LED 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 구간순시전류 제어부의 고효율화 설계를 위해 비반전 증폭기를 적용한 것을 특징으로 하는 고효율 교류 구동 LED 모듈.
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