KR101360656B1 - Ｌｅｄ 구동 회로 - Google Patents

Abstract

발명의 실시예에 따른 LED 구동 회로는 교류를 입력받아 조절된 전원을 공급하는 안정기; 상기 안정기를통해 조절된 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부의 출력전압을 수신하고, 입력단에 전압 평활 수단이 형성된 PFC; 상기 PFC의 출력전압을 수신하는 드라이버; 및, 상기 드라이버와 연결되는 LED;를 포함한다.

Description

ＬＥＤ 구동 회로{LED driving circuit}

본 발명은 고효율 LED 조명등의 구동회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조도가 높으면서도 발열량이 적고 전력소모가 적은 LED를 광원으로 사용하고, 비정상적인 AC 전원입력에 상관없이 안정적인 전원을 공급하기 위한 전원 회로에 관한 것이다.

스위칭 모드 파워 서플라이를 이용한 LED(발광 다이오드) 조명의 경우 변압기, 인덕터, 캐패시터를 비롯한 여러 전자전기부품을 이용하여 회로가 구성되며 할로겐 등이나 백열등과 같은 기존 조명들에 비해 낮은 전류를 이용하면서 고효율의 전류제어를 하게 된다.

일반적으로 안정기(Ballast)는 상용전원을 입력으로 이용한다. 안정기의 출력은 직류 약 12V 또는 교류 약 12V의 값을 갖으며, 구성되는 회로에 따라서 그 출력값 또한 다양한 파형의 모양과 값을 갖는다.

이를 이용하기 위해서 종래의 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS)방식의 LED 드라이버(Driver)는 입력단에 정류기(Rectifier)를 이용한다. 하지만 일반적인 안정기의 경우 그 출력전압의 레벨이 불규칙하고 그에 따른 피크(Peak)성 전류성분도 포함하고 있다. 따라서 종래방식은 스텝업(Step Up) PFC 방식으로 일정 직류전압원을 확보한 뒤 스텝다운(Step Down)하는 드라이버를 이용하는 방식이 주로 사용되었다. 하지만 종래의 방식으로 회로를 구성할 경우 드라이버의 입력전압이 안정기의 영향을 받아서 너무 낮은 범위의 입력전압이 인가되는 현상이 발생되며, 드라이버의 입력전압의 하락이 심할 경우, 드라이버의 출력전압 또한 가변하게 되며, 이에 따라 스텝다운 방식의 드라이버에서 플리커 및 오동작을 초래한다.

본 발명은 안정기(Ballast)의 출력전압을 안정화하여 드라이버에 플리커나 소음등의 오동작이 발생하는 것을 개선하고, 안정기와 드라이버의 호환성을 개선하여 안정적인 전원을 공급하기 위한 전원 회로에 관한 것이다.

발명의 실시예에 따른 LED 구동 회로는 교류를 입력받아 조절된 전원을 공급하는 안정기; 상기 안정기를통해 조절된 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부의 출력전압을 수신하고, 입력단에 전압 평활 수단이 형성된 PFC; 상기 PFC의 출력전압을 수신하는 드라이버; 및, 상기 드라이버와 연결되는 LED;를 포함한다.

본 발명에 따른 전원 회로는 입력전원의 변동에 상관없이 항상 안정적인 전원전압 출력이 가능하므로 연결 구성의 손상 및 특성 저하를 방지하여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전원 회로의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 PFC 회로의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PFC 회로의 구성을 나타낸 회로도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1는 본 발명에 따른 전원 회로의 구성을 나타낸 블럭도이다. 도 2은 본 발명에 따른 PFC 회로의 구성을 나타낸 회로도이다. 이는 하나 혹은 다수의 LED를 가지는 교통신호등이나 가로등 및 램프 등과 같은 조명기기에 램프에 정전압 및 정전류 제어기능을 수행할 수 있도록 한 것이다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 입력전원부(100)는 110V 또는 220V와 같은 상용전원 중 하나의 일정전압을 가지는 상용전원만이 입력되는 입력단을 구비하고, 이 입력전원은 안정기인 발라스터(200)에 인가되어 안정적인 전원이 발생되도록 하고, 이 전압 및 전류는 정류기(300)를 통해 역률보상회로(PFC)(400)에 인가되는바, 역률보상회로(400)는 발라스터(200)의 출력전압의 전압 및 전류의 위상과 동일한 형태로 동작하여 역률을 보상해줌으로써 안정적인 전원이 공급되도록 한다. 이렇게 역률보상이 이루어진 전원은 드라이버(500)에 공급되어 LED(600)를 구동하게 된다.

상기 역률보상회로(400)는 도 3에 도시된 바와 같이, 벅 컨버터(스텝 다운)가 사용될 수 있다. 벅 방식은 스텝다운(Step-Down) 기술이 적용되므로 입력전압이 출력전압 이상일 경우 기설정된 출력전압을 안정적으로 생성하는 특성을 갖는다.

일반적으로 펄스에서 온 타임(on time), 즉 하이(high)구간의 폭이 한 주기 시간동안 얼마나 되는지에 따라 시비율(duty rate)이 결정된다. 전류가 단속적으로 인가되더라도 실제적으로 소자에 인가되는 전류값은 시비율만큼 평균적으로 인가되는데, 예를 들어, 본래 최대 100의 출력이 가능한 경우, 시비율이 5%라면 5만큼의 출력이 지속적으로 인가되고 있다는 뜻이고, 시비율이 50%라면 50의 출력이 지속적으로 인가되고 있다는 뜻이다. 그러므로, 입력전원으로 최대 전압이 12V이면서 이 전원을 PWM(Pulse Width Modulation) 형식으로 인가하면 출력은 시비율에 따라 입력보다 작은 전압이 출력된다.

상기 역률보상회로(400)의 동작원리를 살펴보면 다음과 같다. 우선 안정기(200)와 정류기(300)를 통과한 전원 전압이 스위치(410)에 인가된다. 상기 스위치(410)는 빠른 스위칭에 적합한 N-MOSFET(MOS field-effect transistor)이 사용될 수 있으며, 상기 전원 전압이 N-MOSFET의 드레인(Drain)으로 인가된다. 상기 스위치(410)는 N-MOSFET에 한정하지는 않는다.

상기 스위치의 게이트에 걸린 PWM 파형이 High 구간이라면 MOSFET은 On-state가 되어 드레인(Drain)에서 소스(Source)로 전류가 흘러들어가므로, 스위치(410)는 온(on)으로 동작한다.

소스(Source)를 통해 인가된 전원은 짧은 시간동안 게이트에 걸린 High 신호로 들어온 전원신호이기 때문에 실제로 고주파 신호가 되는데, 이러한 고주파성 신호를 인덕터(420)와 커패시터(450)로 구성된 LPF(Low Pass Filter)를 통하게 하여 고주파 성분을 제거하고 LED(600)에 걸려 출력전압이 출력된다.

에너지를 저장할 수 있는 인덕터(420)와 커패시터(450)가 스위치(410)의 On-Time동안 완충상태가 되면 MOSFET의 게이트에 로우(Low)신호를 주어 입력전원을 차단시켜 Off-State가 되게 한다. 스위치(410)가 턴 오프되면 인덕터(420)에 저장되었던 에너지가 방전을 시작하고, 순간적이지만 마치 입력전원처럼 작용하여 계속적으로 부하에 전원을 공급한다.

이때 MOSFET을 제외하고 폐루프(Close-Loop)를 생성하기 위해서 다이오드(440)가 포함된다. 이렇게 인덕터(420)의 에너지가 모두 방출되어 전압이 어느정도 감소되면 피드백(FeedBack)을 통해 감소된 전압을 감지하고 다시 게이트를 High상태로 만들어 On-State가 되고 전원을 공급해주게 되는데, 본 발명에서는 상기 스위치(410)를 사이에 두고 상기 다이오드(440)와 병렬연결되도록 평활 커패시터(430)를 더 포함함으로써, 안정기(200)의 출력전압이 직류 혹은 교류 12V에서 최소한 6~7V까지 낮아지는 범위에 진입한 경우에도 스텝다운 방식으로 역률제어(PFC)를 하기 때문에 역률개선회로의 출력전압은 일정하게 유지할 수 있다.

즉, 상기 정류기(300)의 출력전압이 정상범위 이하인 경우에도 평활 커패시터(430)에 의해 PFC(400)에 입력되는 전압은 일정하게 유지할 수 있다.

이에 따라 SMPS 드라이버를 제어함에 있어서 플리커가 발생하는 것을 방지하고 역률을 개선할 수 있다.

상기 드라이버(500)는 정전압제어부(미도시)와 정전류제어부(미도시)의 출력을 피드백 받아 드라이버(500)의 출력이 램프나 가로등, 교통 신호등 등과 같은 각종 조명기기를 구성하는 LED(600)를 구동시키기 위해 임의로 설정한 레벨을 유지할 수 있도록 LED(600)의 출력을 조절한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PFC 회로의 구성을 나타낸 회로도이다.

도 3의 역률개선회로(400)는 벅-부스트(buck- boost) 컨버터가 사용된다. 즉, 승압과 강압이 일어나는 것으로, 승압이 일어나는 경우에도 실제 입력전원부(100)를 통해 공급되는 에너지는 동일하므로 강압, 승압에 의해 출력되는 에너지는 이상적으로 동일한 경우로 상정한다. 자세하게, P는 V와 I의 곱으로 결정되는데, 전압을 낮추면 전류는 높아지고, 전압이 높아지면 전류는 낮아지는 것으로, PFC가 부스트로 동작하는 경우 LED(600)에 공급되는 전류값은 감소하는 것을 의미한다.

시비율(duty ratio)에 따라 승압 및 강압이 선택적으로 일어나는 것으로, 시비율이 0.5 이상이면 승압되고, 0.5 이하이면 강압된다.

동작원리는 스위치(410)가 온 상태에서 인덕터(470)가 충전되고, 스위치(410)가 오프되면 다이오드(460)의 방향에 따라 인덕터(470)가 방전되면서 역방향 전류가 커패시터(450) 및 LED(600)에 흐르게 된다. 상기 다이오드(460)에 의해 전원의 극성이 음(Negative)로 바뀌게 된다. 상기와 같이 승압 또는 강압되는 경우에도 평활 카패시터(430)에 의해 PFC(400)에 입력되는 전압은 정상범위내에서 동작하게 되므로 신뢰성이 향상될 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 교류를 입력받아 조절된 전원을 공급하는 안정기;
   상기 안정기를 통해 조절된 전원을 정류하는 정류부;
   상기 정류부의 출력전압을 수신하고, 입력단에 전압 평활 수단이 형성된 PFC;
   상기 PFC의 출력전압을 수신하는 드라이버; 및,
   상기 드라이버와 연결되는 LED;를 포함하고,
   상기 PFC는,
   인덕터와 커패시터로 구성된 로우 패스 필터, 상기 로우 패스 필터와 연결되고 상기 로우 패스 필터와 폐루프를 구성하는 다이오드, 상기 안정기 및 상기 정류부를 통과한 전원을 인가받고 일단이 상기 정류부에 연결되고 타단이 상기 로우 패스 필터에 연결된 스위치, 그리고 상기 스위치를 사이에 두고 상기 다이오드와 병렬 연결되어 상기 전압을 평활하는 평활 커패시터를 포함하는 LED 구동 회로.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 드라이버는 SMPS 드라이버인 LED 구동 회로.
5. 삭제
6. 삭제

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