KR101297954B1 - 능동 전류 조절기를 포함하는 ｌｅｄ 조명 구동 장치 - Google Patents

능동 전류 조절기를 포함하는 ｌｅｄ 조명 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LED 조명 구동장치에 관한 것으로서, 본 발명은 각 열마다 복수개의 LED(Light Emitting Diode)가 직렬로 연결되어 있으며, 적어도 둘 이상의 열이 병렬구조로 연결되어 있는 LED부, 상기 LED부를 구동시킬 수 있는 크기로 입력 DC 전압을 변압하기 위한 컨버터부, 상기 LED부의 각 열에 흐르는 전류를 측정하기 위한 능동 전류 조절기, 상기 능동 전류 조절기에 걸리는 전압을 이용하여 상기 컨버터부에서 출력되는 출력전압을 제어하는 피드백 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면 LED 열간의 전류오차를 최소화하여 균일한 전류를 흐르게 함으로써, LED의 발열을 균일하게 분포시키고 빛의 밝기 또한 균일하게 분포되어 LED 조명의 신뢰성 및 질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

능동 전류 조절기를 포함하는 ＬＥＤ 조명 구동 장치 {Apparatus for operating LED including active current regulator}
본 발명은 LED 조명 구동장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구체적으로는 LED 전압 및 전류의 특성 차이에 의한 LED 열 간의 전류 오차를 보상할 수 있도록 한 LED 조명 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로 LED 소자 한 개는 용량이 작아 많은 빛을 내기 위해서는 LED를 직병렬로 연결하여 사용하게 된다. 이에, LED를 직병렬 혹은 병렬로 사용시 LED 간의 전압 및 전류의 특성 오차로 인하여 LED 열마다 전류오차가 발생하게 된다. 각 열간의 전류 오차는 LED 열간의 발열 분포를 비균일하게 하여 전체 LED 등기구의 신뢰성을 떨어뜨리게 되며, LED 등기구의 빛의 밝기를 균일하게 하지 못하게 된다.
이에, 종래에는 전류 오차를 보상하기 위해 다음과 같은 기술을 제안하였다.
도 1 내지 도 3은 종래의 전류 오차를 보상하기 위한 LED 조명 구동회로를 보인 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래의 LED 조명 구동회로는 전류 오차를 보상하기 위해서 도 1, 2와 같이 입력을 DC 전압으로 준 후 각 열에 선형 레귤레이터 혹은 스위칭 레귤레이터를 사용하거나, 도 3과 같이 전류거울을 이용하는 방식을 사용한다.
그러나, 각 열에 선형 레귤레이터를 사용하는 도 1과 같은 방식은 LED 열간의 전압차이만큼 레귤레이터의 양단에 전압이 걸리게 되어 효율이 매우 나빠지게 되며, 전류 센싱을 위한 저항의 오차를 보정하지 못한다.
각 열마다 스위칭 레귤레이터를 사용한 도 2와 같은 경우, 스위칭 레귤레이터를 구성하기 위한 구성이 복잡하고 센싱 저항의 오차에 의한 전류의 오차가 발생하며 이는 특히 LED에 작은 전류가 흐를시에 매우 크게 나타나게 된다.
전류거울을 이용해 LED열의 전류를 맞추는 도 3과 같은 경우, LED열 간의 미러링 오차가 발생하게 되며, 각 LED열의 트랜지스터가 포화영역에서 동작하므로 센싱 저항이 있는 경우보다는 적지만 이것 역시 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, LED 열간 전류오차를 보상하여 전체 LED 조명의 신뢰성 및 질을 향상시킬 수 있도록 LED 조명 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 LED의 직병렬 연결에서 열간 전류오차를 줄일 수 있도록 한 LED 조명 구동회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 각 열마다 복수개의 LED(Light Emitting Diode)가 직렬로 연결되어 있으며, 적어도 둘 이상의 열이 병렬구조로 연결되어 있는 LED부, 상기 LED부를 구동시킬 수 있는 크기로 입력 DC 전압을 변압하기 위한 컨버터부, 상기 LED부의 각 열에 흐르는 전류를 측정하기 위한 능동 전류 조절기, 상기 능동 전류 조절기에 걸리는 전압을 이용하여 상기 컨버터부에서 출력되는 출력전압을 제어하는 피드백 제어부를 포함한다.
상기 컨버터부는, 일측이 입력 DC 전압에 연결되는 인덕터와, 애노드가 상기 인덕터의 타측에 연결되고, 캐소드가 상기 LED부에 연결되어 있는 다이오드를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 피드백 제어부는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)를 포함하고, 상기 MOSFET의 드레인(Drain) 단자가 상기 인덕터와 상기 다이오드 사이에 연결되고, 소스(Source) 단자가 접지에 연결되고, 게이트(Gate) 단자에 상기 컨버터부의 출력전압을 결정하는 PWM 신호가 입력된다.
상기 피드백 제어부는, 상기 MOSFET의 드레인 단자에 흐르는 전류와, 상기 능동 전류 조절기에 걸리는 전압을 이용하여 상기 MOSFET의 시비율(duty ratio)을 결정하고, 결정된 시비율에 의해 상기 컨버터부에서 출력되는 전압의 크기가 결정될 수 있다.
상기 피드백 제어부는 상기 능동 전류 조절기에 걸리는 전압의 크기가 최소가 되도록 상기 시비율을 결정할 수 있다.
본 발명에 의하면 LED 열간의 전류오차를 최소화하여 균일한 전류를 흐르게 함으로써, LED의 발열을 균일하게 분포시키고 빛의 밝기 또한 균일하게 분포되어 LED 조명의 신뢰성 및 질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 전류 오차를 보상하기 위한 LED 조명 구동회로를 보인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 구동장치를 보여주는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 전류 조절기를 보여주는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 회로도에서 스위치의 클럭 신호 및 각 노드의 전압 파형을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 구동장치를 보여주는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 LED 조명 구동장치는 컨버터부(110), 피드백 제어부(120), 능동 전류 조절기(130), LED부(140)를 포함하여 이루어진다.
LED부(140)는 각 열마다 복수개의 LED(Light Emitting Diode)가 직렬로 연결되어 있으며, 적어도 둘 이상의 열이 병렬구조로 연결되어 있다. 도 4의 실시예에서 LED부(140)는 LED1과 LED2의 2개의 LED 열로 구성된 실시예이다.
컨버터부(110)는 LED부(140)를 구동시킬 수 있는 크기로 입력 DC 전압을 변압하는 역할을 한다.
능동 전류 조절기(130)는 LED부(140)의 각 열에 흐르는 전류를 측정하는 역할을 한다. 도 4에서 능동 전류 조절기(130)는 LED1과 LED2의 각 열에 흐르는 전류를 측정하게 된다.
피드백 제어부(120)는 능동 전류 조절기(140)에 걸리는 전압을 이용하여 컨버터부(110)에서 출력되는 출력전압을 제어하는 역할을 한다.
본 발명에서 컨버터부(110)는, 일측이 입력 DC 전압(Vdc)에 연결되는 인덕터와, 애노드가 인덕터의 타측에 연결되고, 캐소드가 LED부(140)에 연결되어 있는 다이오드를 포함하여 이루어진다.
도 4에서 피드백 제어부(120)는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)를 포함한다.
이때, MOSFET은 드레인(Drain) 단자가 인덕터와 다이오드 사이에 연결되고, 소스(Source) 단자가 접지에 연결되고, 게이트(Gate) 단자에 컨버터부(110)의 출력전압을 결정하는 PWM 신호가 입력된다.
본 발명에서 피드백 제어부(120)는, MOSFET의 드레인 단자에 흐르는 전류와, 능동 전류 조절기(130)에 걸리는 전압을 이용하여 MOSFET의 시비율(duty ratio)을 결정하고, 결정된 시비율에 의해 컨버터부(110)에서 출력되는 전압의 크기가 결정되도록 한다. 본 발명에서 피드백 제어부(120)는 능동 전류 조절기(130)에 걸리는 전압의 크기가 최소가 되도록 시비율을 결정하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 전류 조절기를 보여주는 회로도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 회로도에서 스위치의 클럭 신호 및 각 노드의 전압 파형을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 능동 전류 조절기(130) 회로에서 LED1과 LED2의 각 열에 흐르는 전류가 각각 입력 신호가 되어 입력된다. 즉, 도 5에서 능동 전류 조절기(130)는 2개의 입력신호(LED1, LED2)가 입력되는 실시예이다. Va 전압은 LED1의 입력단에 연결된 트랜지스터의 게이트 전압이고, Vb 전압은 LED2의 입력단에 연결된 트랜지스터의 게이트 전압이다.
도 5에서 S1 스위치가 클럭신호에 의해 닫히면, LED1의 입력단에 연결된 트랜지스터의 드레인 단자 전압이 OP 앰프의 비반전단자에 입력되고, SB1 스위치가 클럭신호에 의해 닫히면, LED2의 입력단에 연결된 트랜지스터의 드레인 단자 전압이 OP 앰프의 비반전단자에 입력된다. OP 앰프의 반전단자에 걸리는 전압은 Vc 전압이다.
도 5에서 M1 트랜지스터는 센싱 트랜지스터로서, 각 LED열의 입력단에 연결된 트랜지스터의 게이트 및 드레인 전압을 동일하게 하는 방식으로 각 LED열의 전류를 센싱한다.
본 발명에서 M1 트랜지스터의 용량은 각 LED열의 입력단에 연결된 트랜지스터의 용량에 비해 매우 작은 크기이기 때문에, M1 트랜지스터에서 센싱된 전류는 작은 값으로 변환되고, 변환된 전류(Isense)가 M1 트랜지스터를 흐르게 된다.
능동 전류 조절기(130)에서는 변환된 전류(Isense)와 기준전류(IREF)를 비교하는 과정을 통해 Vd 전압으로 변환되고, Vd 전압에 전압이득이 더해져 Ve 전압으로 변환된다.
Ve 전압은 M1 트랜지스터의 게이트에 입력되며, 이에 따라 각 LED열의 입력단에 연결된 트랜지스터와 M1 트랜지스터의 게이트 전압이 변경된다.
도 6에서 보는 바와 같이, 클럭신호의 발생에 따라 LED1과 LED2의 드레인 전압이 번갈아가면서 M1 트랜지스터에 전달되기 때문에, 센싱 오차는 발생하지 않으며 회로가 간단해진다. 또한, 각 LED 열의 트랜지스터는 선형구간에서 동작하므로 드레인-소스간 전압인 VDS 전압 강하에 의한 손실도 최소화된다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 컨버터부 120 피드백 제어부
130 능동 전류 조절기 140 LED부

Claims (5)

  1. 각 열마다 복수개의 LED(Light Emitting Diode)가 직렬로 연결되어 있으며, 적어도 둘 이상의 열이 병렬구조로 연결되어 있는 LED부;
    상기 LED부를 구동시킬 수 있는 크기로 입력 DC 전압을 변압하기 위한 컨버터부;
    상기 LED부의 각 열에 흐르는 전류를 측정하기 위한 능동 전류 조절기;
    상기 능동 전류 조절기에 걸리는 전압을 이용하여 상기 컨버터부에서 출력되는 출력전압을 제어하는 피드백 제어부를 포함하되,
    상기 컨버터부는 일측이 입력 DC 전압에 연결되는 인덕터와, 애노드가 상기 인덕터의 타측에 연결되고, 캐소드가 상기 LED부에 연결되어 있는 다이오드를 포함하여 이루어지고,
    상기 피드백 제어부는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)를 포함하고, 상기 MOSFET의 드레인(Drain) 단자가 상기 인덕터와 상기 다이오드 사이에 연결되고, 소스(Source) 단자가 접지에 연결되고, 게이트(Gate) 단자에 상기 컨버터부의 출력전압을 결정하는 PWM 신호가 입력되고,
    상기 피드백 제어부는 상기 MOSFET의 드레인 단자에 흐르는 전류와, 상기 능동 전류 조절기에 걸리는 전압을 이용하여 상기 MOSFET의 시비율(duty ratio)을 결정하고, 결정된 시비율에 의해 상기 컨버터부에서 출력되는 전압의 크기가 결정되도록 제어하되, 상기 능동 전류 조절기에 걸리는 전압의 크기가 최소가 되도록 상기 시비율을 결정하며,
    상기 능동 전류 조절기는 드레인이 각 LED 열의 입력단에 연결되고, 소스가 접지에 연결되는 트랜지스터들과, 상기 트랜지스터들의 드레인 단자 전압이 비반전단자에 입력되는 OP 앰프와, 드레인이 상기 OP 앰프의 출력단에 연결되고, 소스가 접지에 연결되며, 각 LED 열의 입력단에 연결된 트랜지스터의 게이트 및 드레인 전압을 동일하게 하는 방식으로 각 LED 열의 전류를 센싱하기 위한 센싱 트랜지스터를 포함하여 이루어지며,
    상기 OP 앰프의 반전 단자에 상기 센싱 트랜지스터의 드레인 단자 전압이 입력되고, 상기 센싱 트랜지스터에 흐르는 전류와 기준전류를 비교하는 방식을 통해 Vd 전압이 생성되고, 상기 Vd 전압에 미리 정해진 전압이득이 더해져서 Ve 전압으로 변환되고, 상기 Ve 전압이 상기 트랜지스터들과 상기 센싱 트랜지스터의 게이트에 입력되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 구동 장치.
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