KR101182985B1

KR101182985B1 - 발광 다이오드들에 대한 구동기 어레인지먼트

Info

Publication number: KR101182985B1
Application number: KR1020107016241A
Authority: KR
Inventors: 니코 세스코넬로; 니콜라 잔포르린; 파올로 데 안나
Original assignee: 오스람 아게
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2012-09-18
Also published as: CN101904217A; KR20100095027A; EP2225912B1; CN101904217B; EP2225912A1; WO2009081423A1; TW200937998A; US8319448B2; US20110001439A1

Abstract

LED들(L)에 대한 구동기 어레인지먼트는 제 1 출력 라인(101) 및 접지 출력 라인 사이의 LED 공급 전압을 전달하기 위한 고주파수 PWM 제어기(10) 및 LED 공급 전류를 조절하기 위하여 PWM 제어기(10)의 접지 출력 라인(102)에 결합된 선형 전류 조절기(12)를 포함한다. 전류 조절기(12)는 기준 전압(Vref, R10, R11)에 선택적으로 (Q2) 결합하고 접속 스위치(14)는 제어기(10)의 피드백 핀(104)을 제어기(10)의 제 1 출력 라인(101) 상 전압(Vout)의 스케일-다운 버젼(scaled-down) 버젼에 접속하기 위해 제공된다. 온/오프 PWM 제어 신호는 제어 라인(16) 상에 제공되어:
- PWM 제어 신호의 온/오프 레벨들 중 하나에서, 전류 조절기(12)는 LED 공급 전류를 중단하고, 이에 따라 제어기(10)의 접지 출력 라인(102) 상 전압(Vr)이 플로팅하고 접속 스위치(14)가 PWM 제어기 피드백 핀(104)을 제어기(10)의 제 1 출력 라인(101) 상 전압(Vout)의 스케일-다운 버젼에 접속하고, 그리고
- PWM 제어 신호의 온/오프 레벨들 중 다른 하나에서, 전류 조절기(12)는 LED 공급 전류를 제어하기 위하여 기준 전압(Vref, R10, R11)에 결합되고, 접속 스위치(14)는 제어기의 제 1 출력 라인(101) 상 전압(Vout)의 스케일-다운 버젼으로부터 제어기(10)의 피드백 핀(104)을 분리하고 제어기(10)의 접지 출력 라인(102) 상 전압(Vr)은 조절된다.

Description

발광 다이오드들에 대한 구동기 어레인지먼트{A DRIVER ARRANGEMENT FOR LIGHT EMITTING DIODES}

본 발명은 발광 다이오드들 또는 LED들을 구동하기 위한 기술들에 관한 것이다.

본 발명은 광원들로서 사용된 LED들을 구동함에 있어 가능한 사용에 주목함으로써 도출되었다. 그러나, 이런 가능한 애플리케이션에 대한 언급은 본 발명의 범위를 제한하는 견지에서 해석되지 않아야 한다.

LED들, 특히 조명 목적들을 위해 사용된 LED들을 구동하는 것은 충족되어야 할 다수의 기본 요구조건들을 제기한다.

구동기의 컴팩트성(compactness) 및 전기적으로 높은 효율성은 예상된 대량 제조의 측면에서 제 1 요구 조건이다. 고성능 PWM(펄스 폭 변조) 디밍(dimming) 능력(예를 들어, 말하자면 5 마이크로초들보다 작은 LED 전류 상승/하강 시간들)은 다른 요구조건을 나타낸다. 매우 낮은 LED 전류 리플(ripple)(예를 들어, 1% 미만)은 다른 목표된 특징이다.

높은 효율성 및 컴팩트성은 높은 리플 전류 및 열악한 하강/상승 시간 성능을 대신하여 단일-스테이지(stage) 스위칭 어레인지먼트로 달성될 수 있다. 다른 기존 LED 구동기 어레인지먼트들은 열악한 효율성을 나타내는 양호한 상승/하강 시간 성능 및 낮은 리플을 유도할 수 있다.

실제로, LED의 휘도(즉, 광 강도)를 조절하기 위하여 LED를 디밍하는 펄스 폭 변조(PWM)는 대안적으로 LED를 턴 온 및 오프하는 스위칭 어레인지먼트를 수반한다. 온/오프 파형의 듀티 사이클(duty cycle)(즉, 그런 파형을 변조하는 PWM)을 조절하는 것은 LED에 공급되는 평균 전력을 지시하고 결과적으로 이에 따라 생성된 광 방사의 휘도를 지시한다.

LED들을 구동하기 위해 사용된 스위칭 어레인지먼트들은 본래 고주파수(HF) 스위칭 리플을 생성하기 쉽다. 디밍되는 LED에 공급된 전류 상의 리플을 회피하기 위한 통상적인 어레인지먼트는 소위 선형 전류 조절기를 사용하는 것이고, 상기 선형 전류 조절기는 LED의 공급 라인으로부터 피드백 전류 신호를 유도하는 것을 수반한다. 이러한 조절기는 저효율성의 고유 단점을 가진다.

문헌 DE-A-10 2005 028 403은 하나 또는 그 이상의 선형 전류 조절기들에 전압을 전달하는 고효율성 사전-조절기(pre-regulator)(DC/DC)를 포함하는 이중 스테이지 해결책들에 의지하여, 전체 효율성을 개선하면서 선형 전류 조절기들의 낮은 리플 전류 및 보다 빠른 상승/하강 시간들의 장점들을 유지하는 어레인지먼트를 개시한다. 피드백 신호는 선형 조절기들 양단 전압 강하가 최소화되도록 DC/DC 스테이지의 출력 전압을 제어한다. 상기 어레인지먼트는 다양한 전류 조절기들 양단 전압들을 정의된 최소 기준 값과 비교하기 위하여 비교기들을 사용하는 것을 포함한다. 선형 조절기 양단 전압이 기준보다 낮을 때, DC/DC 컨버터에 의해 전달된 전압(VDD)은 증가된다. 출력 전압이 기준보다 높을 때, 전압(VDD)은 감소된다. 이것은 소위 히스테리시스(hysteretic) 제어 또는 "뱅-뱅(bang-bang)" 제어이다.

이런 효율성들에도 불구하고, 상기 제어 어레인지먼트는 특히 PWM 디밍 애플리케이션들의 경우에서 분명한 단점들을 나타낸다. 그 경우, LED 전체 또는 각각 상의 전류는 LED 휘도를 변화시키기 위하여 구형파 PWM 신호에 의해 쵸핑(온 및 오프)된다. PWM 신호의 "오프" 시간 동안, 비교기들의 인버팅 입력들 상의 전압이 하이(high)일 때, 통상적인 히스테리시스 또는 "뱅-뱅" 제어 어레인지먼트는 점차적으로 VDD 전압을 감소시키고자 할 것이다. PWM 턴 온에서, 당해 전압은 일반적으로 LED 전류를 적당하게 제어하기에 전류 조절기에 대해 너무 낮을 것이다.

그러므로 상기된 단점이 없애는 것 외에, 또한 다음 요구조건들을 충족할 수 있는 개선된 어레인지먼트에 대한 필요성이 느껴진다: 상기 요구조건들은,

- 단일 전압원으로부터 하나 또는 그 이상의 LED 모듈들 또는 스트링들(string)을 구동하고,

- PWM 기술을 사용하여 LED 휘도를 제어하고,

- LED 전류 상승 및 하강 시간들을 최적화하면서(이것은 고성능 컬러 관리 시스템에 대한 통상적인 요구조건임) LED 전류 상의 고주파수 리플을 최소화하고,

- 가능한 높은 전기 효율성을 유지하고, 그리고

- 어레인지먼트의 전체 크기들을 최소화하는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 상기된 필요성들을 적당하게 충족할 수 있는 개선된 어레인지먼트를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 상기 목적은 다음 청구항들에 나타난 특징들을 가진 구동기 어레인지먼트에 의해 달성된다.

청구항들은 여기에 제안된 바와 같은 본 발명의 개시 내용의 일체부를 형성한다.

실시예에서, 이중 스테이지 (캐스케이드) LED 구동기 어레인지먼트에는:

- 스위칭 스테이지(자체적으로 매우 효과적이고 컴팩트함), 및

- 빠른 상승 및 하강 시간들 및 낮은 리플을 가진 상기 스위칭 스테이지에 캐스케이드된 선형 스테이지를 포함하는,

간단하고, 매우 효과적인 제어 전략이 제공된다.

실시예에서, 여기에 기술된 어레인지먼트는 빠른 동적 성능을 손실하지 않고 손실들을 최소화하기 위하여 스마트 프로시저(procedure)을 기초로 제어될 수 있다.

본 발명은 여기에 기술된 어레인지먼트의 예시적인 실시예의 블록도인 첨부된 도면들을 참조하여 예시적으로만 지금 기술될 것이다.

도 1은 여기에 기술된 어레인지먼트의 예시적인 실시예의 블록도이다.

다음 상세한 설명에서, 다수의 특정 세부 사항들은 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위하여 제공된다. 실시예들은 하나 또는 그 이상의 특정 세부 사항들 없이, 또는 다른 방법들, 컴포넌트들, 재료들, 등등을 가지고 실행될 수 있다. 다른 예들에서, 잘 공지된 구조들, 재료들, 또는 동작들은 실시예들의 측면들을 불명확하게 하는 것을 회피하기 위하여 상세히 도시되거나 기술되지 않는다.

"일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 이 명세서를 통한 언급은 실시예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 이 명세서를 통하여 다양한 장소들에서의 어구들 "일 실시예" 또는 "실시예"의 모습들이 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 게다가, 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 또는 그 이상의 실시예들에서 임의의 적당한 방식으로 결합될 수 있다.

여기에 제공된 소 표제들은 편리함만을 위한 것이고 실시예들의 범위 또는 의미를 해석하지 않는다.

도면의 블록도는 그 자체로 종래에 공지되었고 이 출원이 출원된 시에 현재 이용 가능한 3개의 기본 컴포넌트들을 중심으로 만들어진다.

특히, 참조 번호(10)는 출력 라인들(101) 상에서 하나 또는 그 이상의 LED들(예를 들어, LED "스트링" 내에 배열된 다수의 LED들)로 이루어진 LED 모듈에 대한 공급 전압을 생성하기 위하여 일정 공급 전압(예를 들어 24 Vcc) 및 접지(0 또는 GND) 사이에 접속된 DC/DC 컨버터(10)를 나타낸다. 당해 LED 또는 LED들은 전체적으로 L로 표시된다.

도시의 완전성을 위해 도면에 도시되었지만, LED 모듈(L)은 그 자체가 본 발명의 청구 대상을 형성하는 구동기 어레인지먼트의 일부를 나타내지 않는다.

보다 특히, 컨버터(10)는 제 1 출력 라인(101) 상에 전압(Vout)을 제공하고 "접지" 출력 라인(102)은 ― 도시된 예시적인 실시예에서 ― 에러 증폭기(120)를 중심으로 만들어진 선형 전류 조절기(12)에 접속된다. 마지막으로, 참조 번호(14)는 전자 스위치를 나타낸다.

이들 컴포넌트들에 대한 언급이 본 발명의 범위를 제한하는 견지에서 해석되어서는 않되고, 10, 12(120) 및 14로 표시된 엘리먼트들을 실행하기 위해 적응된 예시적인 컴포넌트들은 컴포넌트들 L5973AD(DC/DC 컨버터 (10)), LM2904(에러 증폭기 (120)) 및 MAX 4731(스위치 (14))이다.

도면에서, 당해 컴포넌트들에는 적당한 동작을 요구된 바와 같은 적당한 바이어스, 필터링 및 기타 등등을 제공하는 레지스터들, 캐패시터들, 인덕터들 같은 보조 컴포넌트들이 결합된 것으로 도시된다. 당업자는 예시적인 목적들을 위하여 여기에 도시된 바와 같은 보조 컴포넌트들의 어레인지먼트가 다수의 가능한 어레인지먼트들 중 단지 하나인 것을 인식할 것이다. 보조 컴포넌트들의 대안적인 어레인지먼트들을 도출(및 이들 컴포넌트들에 대한 적당한 값들을 선택하는 것)하는 것은 당업자의 능력 내에서 능숙한 설계 작업이고 여기에서 상세한 설명을 요구하지 않는다.

여기에서의 목적들을 위해, 레지스터들(R3 및 R4)을 포함하는 분압기가 라인(101)(즉, 전압 Vout) 및 접지(또는 0 볼트) 사이에 제공되는 것을 언급하는 것은 충분할 것이다. 당해 분압기는 스위치(14)를 통하여 PWM 제어기로서 동작할 컨버터(10)의 피드백 핀(104)(이것은 L5973AD의 FB 핀일 수 있음)에 선택적으로 접속되도록 적응된 중간 지점(즉 레지스터들 R3 및 R4가 서로 접속되는 지점)을 가진다. 간략화를 위해 컨버터(10)(예를 들어, L5973)가 목표된 값으로 출력 전압(Vout)을 조절하기 위하여 고주파수 PWM(예를 들어, > 50 kHz)을 제공하는 것이 상기될 것이다.

이것은 LED 모듈(L)의 목표된 디밍 레벨을 선택하기 위하여 사용자에 의해 작동되는 슬라이더 같은 예를 들어 수동 제어부로부터 유도된 외부의 저주파수(예를 들어, 100 - 500 Hz) PWM 제어 신호에 의해 제어되는 적절한 PWM 디밍 동작과 혼동되지 않아야 한다.

당해 PWM 제어 신호는 LED 모듈(L)의 PWM 디밍 동작(선택적인 온/오프 스위칭)을 제공하기 위하여 라인(16)을 통하여 공급된다.

라인(16) 상에 제공된 PWM 신호는 스위치(14) 및 전자 스위치(Q2)의 게이트를 제어한다.

스위치(Q2)는 라인(16) 상에 인가된 PWM 제어 신호 값의 함수로써 제로가 아닌 공칭 전류 기준 값(예를 들어, 700 mA) 또는 제로의 값(0 mA)을 교번적으로 에러 증폭기(120)의 비반전(+) 입력으로 전달하기 위한 것이다.

이를 달성하기 위해, 두 개의 레지스터들(R10 및 R11)로 이루어진 다른 분압기는 에러 증폭기(120)의 비-반전 입력부에 접속된 중간 지점(즉, 레지스터들 R10 및 R11이 서로 접속되는 지점)과 기준 전압(Vref) 및 접지(0 볼트) 사이에 배열된다.

일 실시예에서, 제어 스위치(Q2)는 mosfet이고 상기 mosfet의 드레인-소스 라인은 레지스터(R10) 양단에 접속된다. 따라서 스위치(Q2)는 기준 전압이 에러 증폭기(120)의 비-반전 입력부에 생성되게 하고, 상기 기준 전압은 외부 기준 전압(Vref) 및 R10 및 R11의 값들의 함수이다.

따라서 스위치(Q2)는 에러 증폭기(120)를 통하여 라인(102)(즉, 전압 Vr) 및 분로 전류 측정 레지스터(Rm) 사이에 배열된 다른 전자 스위치(Q1)(다시 실시예에서 mosfet)의 게이트를 제어한다.

참조 번호(18)는 감지 레지스터(Rm)를 통해 스위치(Q1)를 통하여 흐르는 전류(LED들을 통하여 흐르는 전류에 대응함)를 나타내는 전압을 감지하고 이 전압을 에러 증폭기(120)의 반전 입력부에 공급하는 선형 전류 조절기(12)의 피드백 라인을 나타낸다.

본래, 에러 증폭기(120)의 역할은 통상적인 피드백 방식에 따라 전력 mosfet(Q1) 상에 작용함으로써 특정된 값으로 조절된 LED 전류를 비-반전 입력부 상에 유지하는 것이다. 만약 측정된(즉, 감지된) 전류가 전류에 대한 목표된 값보다 낮으면, 에러 증폭기(120)는 전력 mosfet의 채널의 개방을 증가시켜 LED들을 통한 전류를 증가시킨다. 반대로, 만약 감지된 전류가 전류에 대한 목표된 값보다 높으면, 에러 증폭기(120)는 전력 mosfet의 채널의 개방을 감소시켜 LED들을 통한 전류를 감소시킨다.

도면에 도시된 어레인지먼트의 동작은 다음과 같다.

라인(16) 상의 PWM 신호가 하이(high)일 때, 에러 증폭기(120)의 비-반전 입력부에서의 전압은 제로와 동일하고 스위치(Q1)를 포함하는 mosfet은 개방 회로이므로, LED 모듈(L) 상의 전류는 똑같이 제로(LED 모듈의 PWM 디밍 동작의 "오프" 부분)이고 전류 조절기는 실제로 활성화되지 않는다. "접지" 출력라인(102) 상의 전압(Vr)은 플로팅이다. 논리 스위치(14)는 폐쇄되고 PWM 제어기(10)의 피드백 핀(104)을 레지스터들(R3 및 R4)에 의해 형성된 분압기 내의 상기 레지스터들(R3 및 R4) 사이의 중간 지점에 존재하는 Vpart인 전압에 접속한다. 전압(Vpart)은 라인(101) 상 출력 전압(Vout)의 스케일-다운(scaled-down) 버젼이다.

이 상태에서, 전압(Vout)은 충분히 높게, 즉 선형 전류 조절기(12)가 추후 PWM 턴 온에서 적당하게 작동할 것을 보장하도록 선택된 임계값보다 높게 설정된 정의된 값으로 조절된다.

라인(16) 상의 PWM이 로우(low)일 때, 전류 조절기(12)는 활성화된다(LED 모듈의 PWM 디밍 동작 중 "온" 부분). 전류 조절기는 기준 전위(Vref)에 의해 설정된 바와 같은 목표된 값(Iref)으로 LED 전류 및 레지스터들(R10, R11)의 값들을 제어한다. 동시에, 스위치(14)는 개방될 것이고 PWM 제어기(10)의 피드백 핀(104)은 분압기(R3, R4)로부터 분리될 것이다(따라서 Vout에 무관하게 됨).

이 상태에서, "접지" 출력라인(102) 상의 전압(Vr)은 LED 전류 조절을 여전히 보장하면서 동시에 선형 조절기(12) 내에서 전력 손실들을 최소화시키는 가장 낮은 가능한 값으로 선택되는 레벨(Vrl)로 활성적으로 그리고 동적으로 조절될 것이다.

라인(16) 상의 PWM 신호의 "하이" 및 로우" 상태들과 LED 모듈의 PWM 디밍 동작의 "오프" 및 "온" 부분들 사이의 관계가 예를 들어 라인(16)과 연관된 논리 인버터의 존재로 인해, 상기에서 참조된 것과 반대일 수 있다는 것이 인식될 것이다. 이런 이유로, PWM 제어 신호의 하나의 온/오프 레벨들 및 다른 온/오프 레벨들은 뒤따르는 청구항들에서 열거된다.

부가적으로, "접지" 출력라인(102)으로서 제어기(10)의 출력 라인(102)의 설계가 제 1 출력 라인(101)(전압 Vout으로 됨)에 관련하여 라인의 관념적인 역할과 관련되는 것이 인식될 것이다. 기술된 바와 같이, 라인(102) 상의 전압(Vr)은 접지(즉, 제로로)로 고정되는 것이 아니고, 어레인지먼트의 동작 조건들에 따라 플로팅되거나 최소값으로 조절된다.

여기에 기술된 어레인지먼트는 외부 비교기들을 사용한 히스테리시스 제어 대신 보다 신뢰성 있고, 보다 잡음이 적고 빠른 동적 에러 증폭기(가능하면 5973AD와 같이 사전-조절기에 통합됨)를 기초로 할 수 있다.

본 발명의 근본 원리를 손상하지 않고, 세부 사항들 및 실시예들은 첨부된 청구항들에서 정의된 바와 같은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서, 단지 예를 들어 기술 및 도시되었던 것과 관련하여 심지어 크게 가변할 수 있다.

Claims

LED들(L)에 대한 구동기 어레인지먼트로서,
제 1 출력 라인(101) 및 접지 출력 라인(102) 사이의 LED 공급 전압을 전달하기 위한 고주파수 PWM 제어기(10) ― 상기 제어기는 PWM 제어기 피드백 핀(104)을 가짐 ―;
LED 공급 전류를 조절하기 위하여 상기 제어기(10)의 상기 접지 출력 라인(102)에 결합된 선형 전류 조절기(12) ― 상기 전류 조절기(12)의 에러 증폭기(120)는 제어 스위치(Q2)에 의해서 기준 전압(Vref, R10, R11)에 선택적으로 결합할 수 있음 ―;
상기 제어기(10)의 상기 피드백 핀(104)을 상기 제어기(10)의 상기 제 1 출력 라인(101) 상의 전압(Vout)의 스케일-다운 버젼(scaled-down version)에 직접적으로 연결하기 위하여 선택적으로 동작할 수 있는 접속 스위치(14); 및
제어된 LED 디밍을 선택적으로 형성하기 위하여 온/오프 PWM 제어 신호를 수신하기 위한 PWM 제어 라인(16) ― 상기 PWM 제어 라인(16)은 상기 전류 조절기(12)의 상기 에러 증폭기(120)를 상기 기준 전압(Vref, R10, R11)에 선택적으로 연결하기 위하여 상기 제어 스위치(Q2)에 연결되고, 상기 접속 스위치(14)의 스위칭을 제어하기 위하여 상기 접속 스위치(14)에 연결됨 ―;
을 포함하고, 이에 따라:
상기 PWM 제어 신호의 온/오프 레벨들 중 하나에서, 상기 전류 조절기(12)가 상기 LED 공급 전류를 중단하고, 상기 제어기(10)의 상기 접지 출력 라인(102) 상의 전압(Vr)이 플로팅(floating)하고, 상기 접속 스위치(14)가 상기 PWM 제어기 피드백 핀(104)을 상기 제어기(10)의 상기 제 1 출력 라인(101) 상의 전압(Vout)의 상기 스케일-다운 버젼에 직접적으로 연결하고, 그리고
상기 PWM 제어 신호의 상기 온/오프 레벨들 중 다른 하나에서, 상기 전류 조절기(12)의 상기 에러 증폭기(120)가 상기 기준 전압(Vref, R10, R11)에 연결되고 상기 LED 공급 전류를 제어하고, 상기 접속 스위치(14)가 상기 제어기의 상기 제 1 출력 라인(101) 상의 전압(Vout)의 상기 스케일-다운 버젼으로부터 상기 제어기(10)의 상기 피드백 핀(104)을 분리하고 상기 제어기(10)의 상기 접지 출력 라인(102) 상의 전압(Vr)이 조절되는,
구동기 어레인지먼트.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 스위치(Q2)는 상기 전류 조절기(12)의 상기 에러 증폭기(120)가 넌-제로(non-zero) 기준 전압(Vref, R10, R11) 및 제로 기준 값 중 어느 하나에 연결되게 하도록 상기 PWM 제어 라인(16)에 연결된,
구동기 어레인지먼트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제어기(10)는 상기 PWM 제어기 피드백 핀(104)이 상기 접속 스위치(14)에 의해 상기 제어기(10)의 상기 제 1 출력 라인(101) 상의 전압(Vout)의 상기 스케일-다운 버젼에 직접적으로 연결되는 동안 상기 어레인지먼트에 의해 구동되는 LED 또는 LED들의 임계값 또는 상기 임계값들의 합보다 높은 레벨로 상기 제 1 출력 라인(101)의 전압을 조절하도록 구성되어, 상기 전류 조절기(12)가 후속적인 PWM 턴 온에서 동작하게 하는,
구동기 어레인지먼트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제어기(10)는 상기 전류 조절기(12)가 활성화되는 동안 주어진 값으로 상기 접지 출력 라인(102) 상의 전압(Vr)을 조절하도록 구성되는,
구동기 어레인지먼트.
제 4 항에 있어서,
상기 주어진 값은 활성화될 때 LED 전류가 상기 전류 조절기(12)에 의해 조절되게 하면서 상기 전류 조절기 내 전력 손실들을 최소화하기 위한 최소 값인,
구동기 어레인지먼트.