KR101211094B1 - 플리커 방지 기능을 가지는 엘이디 형광등 - Google Patents

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Abstract

플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등이 개시된다. 본 발명에 의한 LED 형광등은, 형광등 거치대에 삽입되는 베이스 캡을 양 말단부에 포함하는 램프 커버, 램프 커버 내에 삽입되며, 구동 전압이 인가되면 발광하는 LED 어레이, LED 어레이로부터 발생하는 열을 방출하기 위한 히트 싱크, 베이스 캡 외부에서 전달된 AC 입력 전압을 DC 중간 전압으로 변환하는 AC/DC 컨버터, 및 DC 중간 전압을 인가받아, DC 중간 전압을 LED 어레이를 구동하기 위한 전압 레벨을 가지며 DC 중간 전압보다 감소된 전압 와동을 가지는 DC 출력 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함하며, AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터는 상호 열적으로 분리되어 실장되는 것을 특징으로 한다. 특히, DC/DC 컨버터는, 소정의 듀티비로 스위칭되는 스위칭 소자 및 스위칭 소자가 스위칭되는 동안 충방전을 반복하여, 스위칭 소자의 스위칭 주기 내에 DC 출력 전압의 최대 및 최소값 간의 차이인 전압 와동을 감소시키기 위한 커패시터를 포함한다. 본 발명에 의하여 LED 어레이에 안정적인 구동 전압을 공급할 수 있고, 전압 공급 장치를 내장하기 때문에 LED 형광등의 설치 비용을 줄일 수 있다.

Description

플리커 방지 기능을 가지는 엘이디 형광등{LED fluorescent lamp with flicker rejection function}
본 발명은 LED 어레이를 포함하는 LED 형광등에 관한 것으로서, 특히, 형광등에 발생되는 깜빡임과 같은 플리커(flicker)를 방지할 수 있으며, 장시간 사용해도 발생하는 발열량을 감소시킬 수 있는 LED 형광등에 관한 것이다.
전자 공학의 발전에 힘입어, 최근에 LED 기술이 급격히 발전해 왔으며, 그 결과 LED 램프는 차세대 조명 기구로 널리 각광을 받게 되었다. 그 이유는, LED 램프는 종래의 조명 기구에 비하여 에너지 효율이 높고, 수명이 길며 환경에 미치는 영향이 적기 때문이다. 더 나아가, LED 기술은 광량 뿐만 아니라 광원의 색상, 조명 기구의 형상 및 발광 패턴을 조정하는 것도 가능하게 한다.
실내 또는 실외의 LED 조명 기구를 위하여, 전압 공급 장치는 AC 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환하여 LED 어레이로 제공한다. 저전력 LED 조명 기구를 위한 전압 공급 장치는 일반적으로 단일-스테이지 컨버터 타입을 사용하지만, 고전력 조명 기구를 위해서는 2-스테이지 컨버터 타입이 이용된다.
그런데, LED 형광등에 포함되는 LED 어레이를 구성하는 각각의 LED 소자들의 동작 특성은 모두 동일하지 않다. 뿐만아니라, LED 어레이에 공급되는 구동 전압 자체가 일정한 정전압을 반드시 이루는 것은 아니다. 그런데, 이와 같이 구동 전압이 일정한 정전압이 아니라면, LED 어레이 내의 LED 소자들 각각의 밝기가 동일하게 유지될 수 없으며, 구동 전압의 변동에 따라 조명 기구의 조도도 변동한다. 이 경우, 사용자의 육안으로는 관측이 되지 않더라도 카메라 및 방송용 기기를 통해 형광등 빛을 관측할 때 LED 조명 기구가 일정한 패턴으로 깜빡이는 현상이 관측될 수 있으며, 이를 플리커(flicker)라 한다. 그러므로, 외국에서는 플리커 현상의 유무에 대한 판단을 일반적으로 육안 관측이 아닌 카메라를 통해 관측하는 방법이 사용이 된다. 현재까지 연구된 바에 의하면, 인간의 눈은 1~25Hz 의 범위를 가진 전압 변동이 발생하면 플리커를 가장 민감하게 인식하며, 또한, 인간은 초당 18번의 변화에 가장 민감하다는 것을 알 수 있다.
도 1은 플리커 현상에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 도 1에는 100Hz의 주파수를 가지는 교류 전압에서 발생되는 전압 와동에 대해 설명한다. 도 1에서, 평균치에서부터 최대값까지 또는 평균치부터 최소값까지인 dV가 전압 와동의 양에 해당한다.
플리커는 촬영한 영상에서 주기적인 명암 변화를 일으킬 수 있으며, 플리커가 심할 경우 사용자도 이를 감지할 수 있다. 플리커가 발생하면, 사용자가 이를 자각하는 것과 무관하게 눈에 심각한 피로감을 일으키며, 플리커가 심할 경우 조명 기구를 사용하면서 점점 시력을 잃어갈 수도 있다.
또한, LED 조명 기구의 전압 공급 장치에서는 많은 열이 발생된다. 이는 전기 에너지를 스위칭을 통해 레귤레이팅하는 과정에서 많은 전기 에너지가 열에너지로 변환되어 손실되기 때문이다. 또한, LED 조명 기구에 포함되는 LED 어레이에서도 LED를 구동할 때 적지않은 열이 발생된다. 그러므로, LED 조명 기구에 전압 공급 장치를 내장시킬 경우, 전압 공급 장치에서 발생되는 열이 LED 어레이 자체에서 발생되는 열과 합산되어 더 큰 열이 발생될 수 있다. 그 결과, LED 어레이의 동작 특성이 열화될 뿐만 아니라, 전압 공급 장치에 포함되는 회로 소자들의 동작도 열화되고, 심지어는 회로 소자들의 오동작을 일으킬 수 있다.
따라서, 사용자의 시력에 치명적인 영향을 주는 플리커를 제거하면서도 LED 조명 기구 내에 내장된 전압 공급 장치에서 발생되는 열을 감소시킬 수 있는 LED 형광등이 절실히 요구된다.
[1] "Design Guideline of Single-Stage Flyback AC-DC Converter Using FAN7530 for LED Lighting", Jae-Eul Yeon, HV-PCIA/Fairchild Korea Semiconductor [2] http://focus.ti.com/lit/an/slva057/slva057.pdf [3] http://focus.ti.com/lit/an/slva061/slva061.pdf [4] http://focus.ti.com/lit/an/slva059a/slva059a.pdf
본 발명의 목적은 플리커를 방지할 수 있는 LED 형광등용 전압 공급 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플리커 방지 기능을 가지며 발생되는 열이 감소된 전압 공급 장치를 내장하는 LED 형광등를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 LED 형광등에 관한 것이다. 본 발명에 의한 LED 형광등은, 형광등 거치대에 삽입되는 베이스 캡(base cap)을 양 말단부에 포함하는 램프 커버, 램프 커버 내에 삽입되며, 구동 전압이 인가되면 발광하는 LED 어레이, LED 어레이로부터 발생하는 열을 방출하기 위한 히트 싱크, 외부에서 전달된 AC 입력 전압을 DC 중간 전압으로 변환하는 AC/DC 컨버터, 및 DC 중간 전압을 인가받아, DC 중간 전압을 LED 어레이를 구동하기 위한 전압 레벨을 가지며 DC 중간 전압보다 감소된 전압 와동(voltage fluctuation)을 가지는 DC 출력 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함하며, AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터는 상호 분리되어 실장되는 것을 특징으로 한다. 특히, DC/DC 컨버터는, 소정의 듀티비로 스위칭되는 스위칭 소자 및 스위칭 소자가 스위칭되는 동안 충방전을 반복하여, 스위칭 소자의 스위칭 주기 내에 DC 출력 전압의 최대 및 최소값 간의 차이인 전압 와동을 감소시키기 위한 커패시터를 포함한다. 스위칭 소자 및 커패시터는 상호 열적으로 분리되어 실장되는 것이 바람직하다. 특히, 스위칭 소자 및 커패시터는 베이스 캡 및 히트 싱크 상에 각각 실장되는 것이 바람직하다. DC/DC 컨버터는, AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 스위칭 소자 및 다이오드, 및 다이오드의 양단 간에 직렬 연결되는 인덕터 및 커패시터를 포함하는 벅 컨버터(Buck converter)이며, 다이오드는 스위칭 소자가 턴온될때 턴오프되고, 스위칭 소자가 턴오프될때 턴온되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, DC/DC 컨버터는 AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 인덕터 및 스위칭 소자, 및 스위칭 소자의 양단 사이에 직렬 연결되는 다이오드 및 커패시터를 포함하는 부스트 컨버터(Boost converter)이며, 다이오드는 스위칭 소자가 턴온될때 턴오프되고, 스위칭 소자가 턴오프될때 턴온되도록 구성되고, 인덕터는 스위칭 소자가 턴온될때 충전되고, 스위칭 소자가 턴오프될때 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, DC/DC 컨버터는 AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 스위칭 소자 및 인덕터, 및 인덕터의 양단 사이에 직렬 연결되는 다이오드 및 커패시터를 포함하는 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost converter)이며, 다이오드는 스위칭 소자가 턴온될때 턴오프되고, 스위칭 소자가 턴오프될때 턴온되도록 구성되고, 인덕터는 스위칭 소자가 턴온될때 충전되고, 스위칭 소자가 턴오프될때 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, DC/DC 컨버터는, AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 제1 인덕터 및 스위칭 소자, 스위칭 소자의 양단 사이에 순차적으로 직렬 연결되는 커패시터 및 제2 인덕터, 및 커패시터 및 제2 인덕터의 접점과 출력단 사이에 연결되는 다이오드를 포함하는 세픽 컨버터(Sepic converter)이며, 스위칭 소자 및 다이오드는 상보적으로 턴온되도록 구성되고, 스위칭 소자가 턴온되면, 제1 인덕터가 충전되고, 커패시터가 방전되어 제2 인덕터를 충전시키도록 구성되며, 스위칭 소자가 턴오프되면, 제1 인덕터가 방전되어 커패시터를 충전시키고, 제2 인덕터는 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, DC/DC 컨버터는, AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 제1 인덕터 및 스위칭 소자, 스위칭 소자의 양단 사이에 순차적으로 직렬 연결되는 커패시터 및 다이오드, 및 커패시터 및 다이오드의 접점과 출력단 사이에 연결되는 제2 인덕터를 포함하는 쿡 컨버터(Cuk converter)이며, 스위칭 소자 및 다이오드는 상보적으로 턴온되도록 구성되고, 스위칭 소자가 턴온되면, 제1 인덕터가 충전되고, 커패시터가 방전되어 제2 인덕터를 충전시키도록 구성되며, 스위칭 소자가 턴오프되면, 제1 인덕터가 방전되어 커패시터를 충전시키고, 제2 인덕터는 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터는 베이스 캡 및 히트 싱크 상에 각각 실장되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 LED 형광등에서는 LED 어레이에 공급되는 전압의 전압 와동(voltage fluctuation)이 감소하기 때문에, 육안으로 LED 형광등의 플리커를 감지할 수 없을 뿐만 아니라, 카메라 등의 촬영 장치에 의해서도 플리커가 없는 촬영 결과물을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하여 플리커 방지 기능을 가지는 전압 공급 장치가 LED 형광등에 내장되기 때문에, 종래의 형광등 소켓을 대대적으로 교체하지 않더라도 본 발명에 의한 LED 형광등를 위한 소켓으로 전용할 수 있게 되어 LED 형광등의 공급 가격을 낮추어 시장 경쟁력을 확보할 수 있다.
더 나아가, 본 발명에 의한 LED 형광등에 내장되는 전압 공급 장치는 발열이 심한 회로부분을 열적으로 분리하였으므로, 전압 공급 장치에서 발생되는 열이 감소하여 LED 형광등이 장시간 동안 구동되더라도 동작 안정성을 보장할 수 있고, 과열로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 플리커 현상에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 LED 형광등에 내장되는 플리커 방지용 전압 공급 장치를 개념적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 SMPS(230)로서 이용될 수 있는 플라이백 컨버터의 일 실시예를 예시하는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 벅 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 부스트 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 벅-부스트 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 Sepic 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 Cuk 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에 의한 LED 형광등에 내장되는 전원 공급 장치가 실장되는 실시예를 도시한다.
도 10a 및 10b는 본 발명에 의한 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등의 동작 결과를 나타내는 도면들이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 LED 형광등에 내장되는 플리커 방지용 전압 공급 장치를 개념적으로 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 LED 형광등에 내장되는 플리커 방지 전압 공급 장치(200)는 SMPS(Switching Mode Power Supply)(230) 및 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)를 포함한다.
SMPS(230)는 AC 입력 전원(210)으로부터의 AC 입력 전압(v i )를 변환하여 DC 중간 전압(Vinter)를 생성한다.
그러면, 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)는 DC 중간 전압(Vinter)을 변환하여 LED 형광등에 포함되는 LED 어레이를 구동하기 위한 DC 출력 전압을 생성한다. 또한, 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)는 DC 출력 전압에서, 스위칭 소자의 스위칭 주기 내에 최대 및 최소 전압값 간의 차이인 전압 와동(voltage fluctuation)을 감소시킨다. 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)의 구성 및 동작에 대해서는 도 3 내지 도 8을 참조하여 상세히 후술된다.
또한, 본 발명에 포함되는 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)는 SMPS(230)로부터 열적으로 분리되도록 구현된다. 본 발명에서 A 및 B가 '열적으로 분리된다'는 의미는 A와 B가 상호 분리되어 실장된다는 뜻으로, 예를 들어 A와 B가 각각 다른 위치에 개별적으로 실장됨으로써, A 및 B로부터 발생되는 열들이 상호 영향을 주지 않는다는 의미이다. 더 나아가, 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)에 포함되는 회로 소자들도 상호 열적으로 분리되도록 구현될 수도 있다.
이와 같이, SMPS(230) 및 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)가 상호 열적으로 분리되도록 구현되고, 또한, 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250) 내의 회로 소자들도 상호 열적으로 분리되도록 구현되므로, SMPS(230) 및 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)에서 발생되는 열이 서로 합산되지 않도록 하는 것은 물론, 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로부터 발생되는 열도 감소시킬 수 있다. 그 결과, LED 형광등에 포함되는 LED 어레이의 동작 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있으며, 전압 공급 장치에 포함되는 회로 소자들의 동작의 견실성(robustness)도 향상되기 때문에, LED 형광등의 수명이 연장된다.
SMPS(230) 및 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)가 열적으로 분리되도록 구현되는 실시예는 도 9를 이용하여 후술된다.
도 3은 도 2에 도시된 SMPS(230)로서 이용될 수 있는 플라이백 컨버터의 일 실시예를 예시하는 도면이다.
도 3에서, 입력 전압(v i )은 수동 필터를 거쳐 브릿지 다이오드(BD)로 인가되고, 브릿지 다이오드(BD)는 인가된 입력 교류 전압을 전파 정류로 변환한다. 브릿지 다이오드(BD)의 출력은 평활 커패시터를 거쳐 평활되고, 평활된 출력이 플라이백 컨버터로 인가된다.
플라이백 컨버터의 동작에 대해서는 당업자에게는 주지된 바 있으므로, 명세서의 간략화를 위하여 더 자세한 설명이 생략된다. 플라이백 컨버터의 동작에 대한 개략적인 내용은 참조 문헌 [1]에 소개되어 있다.
입력 전압을 DC 전압으로 변환하기 위하여, 플라이백 컨버터 토폴로지가 이용되는 이유는, 이 토폴로지에는 유도성 필터(inductive filter)가 불필요하고, 그 대신 변압기 자체가 유도성필터로서 동작하기 때문이다. 따라서, 플라이백 컨버터에서는 입력단 및 출력단이 전기적으로 절연된다.
도 3을 참조하면, 플라이백 컨버터에서 과부하 상태 및 과전압 상태를 방지하기 위해서는 정전압(constant voltage, CV) 피드백 회로 및 정전류(constant current, CC) 피드백 회로가 모두 필요하다. LED 조명 기구에 이용되는 플라이백 컨버터는 언제나 모든 부하가 걸려있는 조건에서 동작하며, LED LED 어레이의 순방향 전압 강하는 LED의 결합 온도(junction temperature)가 증가함에 따라서 감소된다. 그러므로, 출력 전압은 통상적인 경우에 CC 모드에서 제어되어야 하고, CV 모드는 오직 과전압 보호를 위해서만 이용된다.
다시, 도 2를 참조하면, SMPS(230)로부터 출력된 DC 중간 전압(Vinter)은 설정된 값에 해당하는 전압 레벨 및 해당 전압 레벨 근방에서 변동하는 전압 와동을 갖는다. 그러면, DC 중간 전압(Vinter)은 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)에 인가된다. 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)는, 스위칭 소자의 스위칭을 이용하여 SMPS(230)로부터 수신된 DC 중간 전압(Vinter)의 전압 레벨을 변경하고, 변경된 전압 레벨 근처에서의 DC 중간 전압(Vinter)의 전압 와동을 감소시킨다. 이때, 출력 전압(Vo)의 전압 와동을 감소시키기 위하여 커패시터가 이용된다.
그러면, 감소된 DC 중간 전압(Vinter)이 출력 전압(Vo)으로서 LED 어레이(270)에 공급되어 LED 어레이(270)를 구동한다. 출력 전압(Vo)에 포함되는 전압 와동은 DC 중간 전압(Vinter)에 포함되는 전압 와동 보다 작기 때문에, LED 어레이(270)는 플라이백 컨버터 없이 안정적으로 구동될 수 있다.
이하, 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로서 이용될 수 있는 회로에 대해서 도 4 내지 도 7을 이용하여 설명한다.
일반적으로, 도 2의 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)를 구현하기 위해서는, 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터, Sepic 컨버터 및 Cuk 컨버터와 같은 비절연 타입의 DC-DC 토폴로지가 이용될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 벅 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)는 일반적인 벅 컨버터를 도시하며, (b) 및 (c)는 각각의 동작 상태에 따른 등가 회로를 도시한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 벅 컨버터는 제어 회로(TR), 인덕터(L), 다이오드(D), 및 커패시터(C)를 포함한다. 출력 전압(Vo)이 걸리는 출력단은 저항(R)으로서 등가화된다.
본 발명에서, PWM(Pulse Width Modulation)이란 PWM 파형을 이용하여 전압을 조절하는 기법을 가리킨다. 벅 컨버터에서, 펄스에서 On time 즉, High 구간의 폭이 한 주기 시간동안 얼마나 되느냐에 따라 듀티비가 결정되고, 벅 컨버터의 출력은 듀티비에 따라서 결정된다.
도 4의 (b) 및 (c)를 참조하여 벅 컨버터의 동작을 간략히 설명한다.
도 4(b)는 제어 회로(TR)가 턴온되었을 경우의 등가 회로를 나타낸다. 우선, AC 전원 전압(Vi)이 제어 회로(TR)에 인가된다. 제어 회로(TR)는 BJT, MOSFET 등과 같은 트랜지스터일 수 있으며, BJT보다는 동작 속도 측면에서 FET를 이용하는 것이 더 바람직하다. 만일 제어 회로(TR)가 N-MOSFET이라면, AC 전원 전압(Vi)은 MOSFET의 드레인으로 인가된다.
만일 FET의 게이트에 걸린 PWM 파형이 High 구간이라면 MOSFET은 턴온되어 드레인으로부터 소스로 전류가 흘러간다. 그런데, 제어 회로(TR)의 소스를 통해 인가된 전원은 사실 굉장히 짧은 시간의 게이트에 걸린 High 신호를 통하여 입력된 전원신호이기 때문에 고주파적인 신호이기 때문에 저역 통과 필터(LPF)를 이용하여 고주파 성분을 제거한다.
L과 C가 On-Time동안 완충상태가 되면 제어 회로(TR)의 게이트에 Low 신호가 입력되고, 그러면 제어 회로(TR)은 입력전원을 차단시켜 턴오프된다.
도 4(c)는 제어 회로(TR)가 턴오프되었을 경우의 등가 회로를 나타낸다. 이렇게 되면 인덕터에 저장되었던 에너지가 방전을 시작하고, 순간적이지만 마치 입력 전원처럼 작용하여 계속적으로 부하에 전원을 공급하게 된다. 벅 컨버터의 다이오드는 제어 회로(TR)을 제외하고 폐회로를 생성하기 위해서 이용된다.
이런 방식으로 인덕터(L)의 에너지가 모두 방출되어 전압이 어느정도 이를 피드백을 통해 감지하여 이러한 동작을 반복한다.
벅 컨버터의 출력전압과 입력전압 간의 관계는 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112011105073350-pat00001
수학식 1에서, D는 듀티비를 나타낸다.
벅 컨버터에 대한 더 상세한 설명에 대해서는, 본 명세서에 참조되어 통합되는 참조 문헌 [2]를 참고한다.
이와 같이, 벅 컨버터를 이용하면 인덕터 및 커패시터를 통하여 에너지의 충반전이 일어나므로 출력 전압의 전압 와동을 감소시킬 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 부스트 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)는 일반적인 부스트 컨버터를 도시하며, (b) 및 (c)는 각각의 동작 상태에 따른 등가 회로를 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 부스트 컨버터는 제어 회로(TR), 인덕터(L), 다이오드(D), 및 커패시터(C)를 포함한다. 출력 전압(Vo)이 걸리는 출력단은 저항(R)으로서 등가화된다.
도 5의 (b) 및 (c)를 참조하여 부스트 컨버터의 동작을 간략히 설명한다.
도 5(b)는 제어 회로(TR)가 턴온되었을 경우의 등가 회로를 나타낸다. 제어 회로(TR)가 턴온되면, 인덕터(L)에 전류가 흐르며 에너지가 축적된다. 그러면, 부하측 저항 R 에는 커패시터(C)에 축적된 에너지가 소비된다. 이 경우, 다이오드(D)는 커패시터(C)의 전하가 제어 회로(TR)로 흐르는 것을 차단한다.
도 5(c)는 제어 회로(TR)가 턴오프되었을 경우의 등가 회로를 나타낸다. 제어 회로(TR)가 턴오프되면 AC 전원 전압(Vi)에 인덕터(L)에 축적된 에너지가 더해져서 다이오드(D)를 지나는 전압은 Vi + VL 값이 되어 인덕터에 축적된 에너지 전압 만큼 높아지게 된다. 즉, 출력 전압 Vo = Vi + VL의 관계식이 성립한다.
폐회로를 위해서 MOSFET의 다이오드를 통해 전류가 흐른다. 즉, 제어 회로(TR)가 턴오프되면 본래의 전원과 인덕터에서 충전된 에너지가 같이 공급되기 때문에 실제 공급되는 전압이 증가되는 것이다.
부스트 컨버터에 대한 더 상세한 설명에 대해서는, 본 명세서에 참조되어 통합되는 참조 문헌 [3]을 참고한다.
이와 같이, 부스트 컨버터를 이용하면 인덕터 및 커패시터를 통하여 에너지의 충반전이 일어나므로 출력 전압의 전압 와동을 감소시킬 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 벅-부스트 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)는 일반적인 벅-부스트 컨버터를 도시하며, (b) 및 (c)는 각각의 동작 상태에 따른 등가 회로를 도시한다. 벅-부스트 컨버터는 부스트 컨버터 및 벅 컨버터의 회로를 결합하여 승압과 강압을 듀티비 D에 따라서 결정할 수 있는 회로이다. 동작 원리는 부스트 컨버터와 비슷하게 인덕터(L)가 On-state동안 충전되다가, Off-state가 되면 다이오드(D)의 방향에 따라 인덕터(L)가 방전되면서 역방향 전류가 부하(R)와 캐패시터(C)에 흐르게 된다.
벅-부스트 컨버터에 대한 더 상세한 설명에 대해서는, 본 명세서에 참조되어 통합되는 참조 문헌 [4]를 참고한다.
상기 설명된 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 및 벅-부스트 컨버터에서 LPF로서 인덕터 및 커패시터가 이용된 이유를 설명하면 다음과 같다.
만일, RC 회로를 이용한다면, R에서 발생하는 손실이 문제가된다. 즉, 고주파의 스위칭 성분을 완전히 제거하기 위해서는 커패시터가 충분한 시정수를 가져야 하는데, 시정수는 R x C이므로 R이 커질수록 손실이 많아지고 이는 발열의 원인이 된다.
반대로, 손실을 줄이기 위해 R을 줄이고 C를 크게 한다면 스위칭 소자에서 순간적으로 커패시터를 충전하기 위한 전류가 굉장히 커진다. 결국 출력 저항에서 발생되는 손실이 높아지기 때문에 RC 회로로는 바람직한 LPF를 구성할 수 없다. 따라서, 이와 같은 손실이 없이 LPF를 구성하기 위하여 LC필터를 이용한다.
도 7은 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 Sepic 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)는 일반적인 sepic 컨버터를 도시하며, (b) 및 (c)는 각각의 동작 상태에 따른 등가 회로를 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, Sepic 컨버터는 제어 회로(Q), 제1 및 제2 인덕터(L1, L2), 다이오드(D), 및 커패시터(C)를 포함한다. 출력 전압(Vo)이 출력단에 걸린다.
도 7(b)를 참조하면, 제어 회로(Q)가 턴온되는 동안의 등가 회로가 나타난다. 제어 회로(Q)가 턴온되면, 입력 에너지가 제1 인덕터(L1)에 축적되고, 커패시터(C)가 방전되어 제2 인덕터(L2)에 에너지가 축적된다. 제어 회로(Q)가 턴온되면, 제1 인덕터(L1) 양단에 (+)전압이 유기되므로 흐르는 전류가 증가된다. 커패시터(C)에 흐르는 전류는 전 상태에선 제1 인덕터(L1)에 흐르는 감소 전류(충전 전류)와 같으므로 현 상태에선 증가방전전류가 흘러야하고, 이것은 제2 인덕터(L2)에 흐르는 전류와 같다. 그러면, 이러한 증가추세의 전류가 제2 인덕터(L2) 양단에 (+)전압을 유기시켜 에너지를 축적한다. 즉, 도 7(b)의 과정에서는, 입력에너지는 제1 인덕터(L1)에 축적되고, 커패시터(C)의 방출에너지는 제2 인덕터(L2)에 저장된다.
제어 회로(Q)가 턴오프되는 경우의 등가 회로가 도 7(c)에 도시된다.
제어 회로(Q)가 턴오프되면, 제1 인덕터(L1)의 에너지가 커패시터(C)를 충전시키고, 이것은 제2 인덕터(L2)의 에너지와 함께 다이오드(D)를 통해 출력으로 전달된다. 이때, 제1 인덕터(L1)에 흐르던 증가 전류는 감소하며 커패시터(C)를 충전시키고, 제2 인덕터(L2)에 감소전류와 함께 다이오드(D)를 턴온하여 축적된 에너지를 출력으로 전달한다.
제1 인덕터(L1)의 전류가 감소하면 제1 인덕터(L1)에는 (-)전압이 유기되고, 커패시터(C)는 충전상태이므로 커패시터(C)의 전압은 상승하며, 제2 인덕터(L2)의 전류는 양단의 유기전압이 (-)VO 이므로 감소하게 된다.
도 8은 도 2에 도시된 플리커 방지 DC/DC 컨버터(250)로 이용될 수 있는 Cuk 컨버터를 예시하고 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, Cuk 컨버터는 제어 회로(Q), 제1 및 제2 인덕터(L1, L2), 다이오드(D), 및 커패시터(C)를 포함한다. 출력 전압(Vo)이 출력단에 걸린다.
제어 회로(Q)가 켜지면, 입력 에너지가 제1 인덕터(L1)에 축적되고, 커패시터(C)가 방전되면서 제2 인덕터(L2)에 에너지가 축적된다. 즉, 제어 회로(Q)가 턴온되면 제1 인덕터(L1)의 양단에 (+)전압이 유기되므로 흐르는 전류가 증가된다. 그러면, 커패시터(C)에 흐르는 전류는 전 상태에선 제1 인덕터(L1)에 흐르는 감소전류(충전전류)와 같으므로 현 상태에선 증가방전전류가 흘러야하고 이것은 제2 인덕터(L2)에 흐르는 전류와 같다. 따라서, 이러한 증가추세의 전류가 제2 인덕터(L2) 양단에 (+)전압을 유기시켜 에너지를 축적한다.
Cuk의 컨버터의 구성 및 동작은 Sepic 컨버터의 그것과 유사하므로, 명세서의 간략화를 위하여 반복 설명이 생략된다.
도 9는 본 발명에 의한 LED 형광등에 내장되는 전원 공급 장치가 실장되는 실시예를 도시한다.
도 9에서, LED 형광등은 전원 공급 장치(910), 히트 싱크(920), 및 LED 어레이(930)를 포함한다.
도 9의 (a)에서, 플리커 제거 회로부는 베이스 캡 내부에 실장되고, "L"자 형태의 PCB(Printed Circuit Board)는 히트 싱크(920)에 직접 실장된다. 따라서, 플리커 제거 회로부로부터 발생되는 열이 PCB에 직접 영향을 주지 않는다.
도 9의 (b)에서, 플리커 제거 회로부는 베이스 캡 내부에 실장되고, "L"자 형태의 PCB는 LED 어레이(930)가 구현된 PCB 상에 거치된다. 따라서, 플리커 제거 회로부로부터 발생되는 열이 LED 어레이(930)에 직접 영향을 주지 않는다.
또한, 도 9의 (c)에서는, 전원 공급 장치(910)의 플리커 제거 회로부가 베이스 캡 내부에 포함되고, 나머지 회로 소자들은 LED 어레이(930)가 구현된 PCB 상에 직접 실장된다. 따라서, 플리커 제거 회로부로부터 발생되는 열 및 나머지 회로 소자들로부터 발생되는 열이 상호 직접 영향을 주지 않는다.
그리고, 도 9의 (d)에서, 전원 공급 장치(910)의 플리커 제거 회로부는 베이스 캡 내부에 실장되지 않고, LED 어레이(930)가 구현된 PCB 상에 직접 실장된다.
도 9에 도시된 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것이 아님에 유의하여야 한다.
위와 같이 플리커 제어 회로부가 다양한 방식으로 실장되는 이유는, 전원 공급 장치(910) 및 LED 어레이(930)의 PCB에서 발생되는 열을 효과적으로 분산하기 위한 것임은 전술된 바와 같다.
도 10a 및 10b는 본 발명에 의한 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등의 동작 결과를 나타내는 도면들이다.
도 10a에서, 형광등의 상하로 물결 무니 같은 것이 촬영되는데, 이것이 플리커이다. 반면에, 도 10b에서는 이러한 플리커가 보이지 않는 것을 알 수 있다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 의한 전압 공급 장치는 다양한 DC/DC 컨버터를 이용하여 LED 어레이의 구동 전압의 전압 와동를 감소시키므로 플라이백 컨버터가 제거된다.
또한, 본 발명의 일면에 의한 전압 공급 장치는 형광등의 내부에 내장될 수 있으며, 이 때 SMPS 및 DC/DC 컨버터가 열적으로 분리되도록 구현될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 LED 형광등에 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. LED 형광등에 있어서,
    형광등 거치대에 삽입되는 베이스 캡(base cap)을 양 말단부에 포함하는 램프 커버;
    상기 램프 커버 내에 삽입되며, 구동 전압이 인가되면 발광하는 LED 어레이;
    상기 LED 어레이로부터 발생하는 열을 방출하기 위한 히트 싱크;
    외부에서 전달된 AC 입력 전압을 DC 중간 전압으로 변환하는 AC/DC 컨버터; 및
    상기 DC 중간 전압을 인가받아, 상기 DC 중간 전압을 상기 LED 어레이를 구동하기 위한 전압 레벨을 가지며 상기 DC 중간 전압보다 감소된 전압 와동(voltage fluctuation)을 가지는 DC 출력 전압으로 변환하되, 소정의 듀티비로 스위칭되는 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자가 스위칭되는 동안 충방전을 반복하여 상기 스위칭 소자의 스위칭 주기 내에 상기 DC 출력 전압의 최대 및 최소값 간의 차이인 상기 전압 와동을 감소시키기 위한 커패시터를 포함하는 DC/DC 컨버터를 포함하며,
    상기 AC/DC 컨버터 및 상기 DC/DC 컨버터는 각각 상이한 위치에 실장되어 상호 열적으로 분리되고,
    상기 스위칭 소자 및 상기 커패시터는 각각 상이한 위치에 실장되어 상호 열적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자 및 상기 커패시터는 상기 베이스 캡 및 상기 히트 싱크 상에 각각 실장되는 것을 특징으로 하는 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등.
  5. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는,
    상기 AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 상기 스위칭 소자 및 다이오드; 및
    상기 다이오드의 양단 간에 직렬 연결되는 인덕터 및 상기 커패시터를 포함하는 벅 컨버터(Buck converter)이며,
    상기 다이오드는 상기 스위칭 소자가 턴온될때 턴오프되고, 상기 스위칭 소자가 턴오프될때 턴온되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등.
  6. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는,
    상기 AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 인덕터 및 스위칭 소자; 및
    상기 스위칭 소자의 양단 사이에 직렬 연결되는 다이오드 및 상기 커패시터를 포함하는 부스트 컨버터(Boost converter)이며,
    상기 다이오드는 상기 스위칭 소자가 턴온될때 턴오프되고, 상기 스위칭 소자가 턴오프될때 턴온되도록 구성되고,
    상기 인덕터는 상기 스위칭 소자가 턴온될때 충전되고, 상기 스위칭 소자가 턴오프될때 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등.
  7. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는,
    상기 AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 스위칭 소자 및 인덕터; 및
    상기 인덕터의 양단 사이에 직렬 연결되는 다이오드 및 상기 커패시터를 포함하는 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost converter)이며,
    상기 다이오드는 상기 스위칭 소자가 턴온될때 턴오프되고, 상기 스위칭 소자가 턴오프될때 턴온되도록 구성되고,
    상기 인덕터는 상기 스위칭 소자가 턴온될때 충전되고, 상기 스위칭 소자가 턴오프될때 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등.
  8. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는,
    상기 AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 제1 인덕터 및 스위칭 소자;
    상기 스위칭 소자의 양단 사이에 순차적으로 직렬 연결되는 상기 커패시터 및 제2 인덕터; 및
    상기 커패시터 및 상기 제2 인덕터의 접점과 출력단 사이에 연결되는 다이오드를 포함하는 세픽 컨버터(Sepic converter)이며,
    상기 스위칭 소자 및 상기 다이오드는 상보적으로 턴온되도록 구성되고,
    상기 스위칭 소자가 턴온되면, 상기 제1 인덕터가 충전되고, 상기 커패시터가 방전되어 상기 제2 인덕터를 충전시키도록 구성되며,
    상기 스위칭 소자가 턴오프되면, 상기 제1 인덕터가 방전되어 상기 커패시터를 충전시키고, 상기 제2 인덕터는 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등.
  9. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터는,
    상기 AC/DC 컨버터의 양극 단자에서 음극 단자로 순차적으로 직렬 연결되는 제1 인덕터 및 스위칭 소자;
    상기 스위칭 소자의 양단 사이에 순차적으로 직렬 연결되는 상기 커패시터 및 다이오드; 및
    상기 커패시터 및 상기 다이오드의 접점과 출력단 사이에 연결되는 제2 인덕터를 포함하는 쿡 컨버터(Cuk converter)이며,
    상기 스위칭 소자 및 상기 다이오드는 상보적으로 턴온되도록 구성되고,
    상기 스위칭 소자가 턴온되면, 상기 제1 인덕터가 충전되고, 상기 커패시터가 방전되어 상기 제2 인덕터를 충전시키도록 구성되며,
    상기 스위칭 소자가 턴오프되면, 상기 제1 인덕터가 방전되어 상기 커패시터를 충전시키고, 상기 제2 인덕터는 방전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터 및 상기 DC/DC 컨버터는 상기 베이스 캡 및 상기 히트 싱크 상에 각각 실장되는 것을 특징으로 하는 플리커 방지 기능을 가지는 LED 형광등.
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