KR101435109B1 - Led에 전원을 공급하는 전원공급장치 및 그 장치를 이용한 led 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, LED에 전원을 공급하는 전원공급장치는, AC 신호를 리플을 갖는 맥류 신호로 정류하는 정류부; 상기 맥류 신호를 승압하여 리플을 갖는 제1 LED 신호를 상기 LED의 일단에 출력하는 제1 회로부; 상기 제1 LED 신호를 강압하여, 리플을 갖는 제2 LED 신호를 상기의 LED의 타단에 출력하는 제2 회로부; 및 리플에 따라서 변화하는 상기 제1 LED 신호의 전압과 리플에 따라서 변화하는 상기 제2 LED 신호의 전압의 차이는 리플이 제거된 DC 전압으로서, 상기 DC 전압의 크기는 상기 LED의 구동전압의 크기와 일치하도록, 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

LED에 전원을 공급하는 전원공급장치 및 그 장치를 이용한 LED 구동방법{Method and Apparatus of supplying power to light emitting diode}
본 발명은 LED에 전원을 공급하는 전원공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부로부터 입력된 AC 전원을 이용하여 LED를 구동하는 전원공급장치에 관한 발명이다.
종래의 LED 구동회로는 정전류 및 정전압 구동을 하는 SMPS를 채택한 전력 회로를 구성함으로써, LED의 소비전력을 최소화하면서 발광다이오드의 발광 능력을 일정하게 유지시키게 된다.
이 경우, SMPS를 채택한 정전류 및 정전압 구동을 하는 종래의 LED 구동회로는 필수적으로 전해캐패시터를 이용하게 되는데, 전해캐패시터를 이용한 LED 구동회로는 수명의 문제가 널리 알려져 있고, 역률이 낮고, 전해캐패시터의 수명이 LED의 수명보다 현저히 짧아 LED 조명의 수명을 같이 떨어뜨리는 문제점이 있다.
이를 위하여 최근에 개발되고 있는 LED 구동 회로는 SMPS를 채택하지 않음으로 인해서 전해캐패시터를 사용하지 않고 LED 구동회로를 구성시키는 형태로 변경되는 추세에 있다.
하지만, SMPS를 채택하지 않은 LED 구동 회로는 SMPS만큼 넓은 범위의 입력전압에 대응하기 힘들고, 높은 입력전압에서 구동장치의 전력손실이 커지는 단점이 있다.
보다 상세하게 설명하면, SMPS를 채택하지 않은 LED 구동 회로는 교류전압을 정류회로만으로 전파 정류하여 LED를 직접 구동하기 때문에 전원전압의 크기가 주기적으로 크게 변하게 된다. 이 때, 정류회로에 걸리는 전압에서 LED의 순방향 부하전압을 뺀 값의 전압량과 LED의 구동 전류를 곱한 만큼의 전력이 구동회로에서 열로 손실된다. 즉, 정류회로에서 정류한 전원전압은 LED의 순방향 부하전압보다 높을 경우 전력손실이 커지게 되고, 정류회로에서 정류한 전원전압이 LED의 순방향 부하전압보다 낮을 경우 발광다이오드가 점등되지 않는 경우가 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 전해 커패시터를 사용하지 않고, 리플을 갖는 정류신호로 LED를 구동하더라도, LED의 전원전압의 크기를 항상 일정하게 출력할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예들로부터 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED에 전원을 공급하는 전원공급장치는, AC 신호를 리플을 갖는 맥류 신호로 정류하는 정류부; 상기 맥류 신호를 승압하여 리플을 갖는 제1 LED 신호를 상기 LED의 일단에 출력하는 제1 회로부; 상기 제1 LED 신호를 강압하여, 리플을 갖는 제2 LED 신호를 상기의 LED의 타단에 출력하는 제2 회로부; 및 리플에 따라서 변화하는 상기 제1 LED 신호의 전압과 리플에 따라서 변화하는 상기 제2 LED 신호의 전압의 차이는 리플이 제거된 DC 전압으로서, 상기 DC 전압의 크기는 상기 LED의 구동전압의 크기와 일치하도록, 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부를 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 리플에 따라서 변화하는 상기 제1 LED 신호의 전압의 최소값이 상기 LED의 구동전압의 적어도 2배 이상이되도록 상기 제1 회로부의 승압을 제어할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 제1 LED 신호의 전압 : (상기 제1 LED 신호의 전압-상기 LED의 구동전압)의 비율이 적어도 2:1이 되도록, 상기 제1 회로부의 승압을 제어할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 제2 회로부의 강압을 위한 전압의 헤드룸을 고려하여, 상기 제1 회로부의 승압을 제어할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 제1 LED 신호의 전압을 센싱한 결과에 기초하여 상기 제1 회로부를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하되, 상기 제1 LED 신호의 전압이 증가하면 상기 PWM 듀티를 감소시키고, 상기 제1 LED 신호의 전압이 감소하면 상기 PWM 듀티를 증가시킬 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 제1 LED 신호의 리플과 상기 제2 LED 신호의 리플은 서로 주기와 위상이 서로 일치할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 제1 회로부는, 제1 인덕터; 일단이 상기 제1 인덕터의 일단과 연결된 제1 다이오드; 일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고, 타단은 상기 제1 다이오드의 타단에 연결된 제2 다이오드; 및 상기 제1 인덕터의 타단을 그라운드와 단락 또는 개방시키는 제1 스위치를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 제2 회로부는, 제3 다이오드; 일단이 상기 제3 다이오드의 일단에 연결된 제2 인덕터; 일단이 상기 제2 다이오드의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제2 인덕터의 타단에 연결된 제1 캐패시터; 및 상기 제3 다이오드의 일단을 전류센싱을 위한 션트저항과 단락 또는 개방시키는 제2 스위치를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 정류부는, 상기 AC 신호로부터의 서지전압을 차단하는 바리스터; 상기 AC 신호의 노이즈를 제거하는 노이즈 필터; 및 상기 AC 신호의 전파정류를 위한 다이오드 브리지를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 AC 신호를 이용하여 상기 제어부에 전원을 공급하는 보조전원부를 더 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 제1 회로부의 출력 양단 및 상기 제2 회로부의 입력 양단과 병렬로 연결되어, 상기 제1 LED 신호의 전압을 평활하는 적어도 하나의 커패시터를 더 포함하고, 상기 커패시터는 전해 커패시터가 아닌 것 일 수 있다.
보다 바람직하게는, 전원공급장치를 이용한 LED 구동 방법에 있어서, AC 신호를 리플을 갖는 맥류 신호로 정류하는 단계; 상기 맥류 신호를 승압하여 리플을 갖는 제1 LED 신호를 상기 LED의 일단에 출력하는 단계; 및 상기 제1 LED 신호를 강압하여, 리플을 갖는 제2 LED 신호를 상기의 LED의 타단에 출력하는 단계를 포함하고, 리플에 따라서 변화하는 상기 제1 LED 신호의 전압과 리플에 따라서 변화하는 상기 제2 LED 신호의 전압의 차이는 리플이 제거된 DC 전압으로서, 상기 DC 전압의 크기는 상기 LED의 구동전압의 크기와 일치한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 리플을 갖는 정류신호를 통해 LED를 구동하더라도, LED의 전원전압의 크기를 항상 일정하게 출력할 수 있으므로, 보다 안정적으로 LED를 구동하고, LED의 전원전압이 리플에 의해 변화함에 따른 플리커 현상을 제거할 수 있으며, 전원공급장치에서 전해커패시터를 사용하지 않기 때문에 전해커패시터의 소손에 따른 전원공급장치의 오작동을 방지하고, 전원공급장치의 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예들로부터 다른 효과들이 유추될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원공급장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전원공급장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 신호 및 정류신호들을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 신호들을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류회로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝업 회로를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝다운 회로를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝업 제어회로를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝다운 제어회로를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보조전원회로를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동방법의 흐름을 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원공급장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 전원공급장치(100)는 AC 전원(105), 정류부(110), 스텝업 회로부(115), 스텝업 제어부(130), 스텝다운 회로부(120), 스텝다운 제어부(135), 보조 전원부(140) 및 LED(125)를 포함한다. 다만, 상술된 구성요소들이 모두 필수 구성요소인 것은 아니며, 실시예에 따라서 일부 구성요소들이 생략될 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따라서는, 전원공급장치(100)에서 AC 전원(105) 및 LED(125)는 생략될 수 있다. 또한, 도시된 구성요소들 이외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있다.
AC 전원(105)는 전원공급장치(100)에 AC 신호를 공급한다. AC 전원(105)은 외부로부터 220V/110V 60Hz의 상용 전력을 입력받는 인터페이스로 구현될 수 있다.
정류부(110)는 AC 전원(105)로부터 입력받은 AC 신호를 정류하여, 리플이 있는 맥류신호인 제1 정류신호를 생성한다. 정류부(110)는 AC 신호를 정류하기 위하여, 다이오드 브리지를 포함할 수 있다. 제1 정류신호는, 반파정류 신호일 수도 있으나, 이하에서는 전파정류 신호임을 가정한다. 제1 정류신호는 AC 신호의 피크값 이하이고, AC 신호의 주기의 절반의 주기를 갖을 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 3(a)는 정류부(110)가 AC 전원(105)로부터 입력받은 AC 신호를 도시한다. 도 3(a)에 도시된 AC 신호는 설명의 편의를 위함이고, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. AC 신호는 일정한 주기를 갖는 사인 파형으로서, AC 신호의 피크 전압은 V1이다.
정류부(110)는 AC 신호를 정류하여, 도 3(b)에 도시된 제1 정류신호를 생성한다. 제1 정류신호는 도시된 바와 같이, AC 신호의 주기에 절반의 주기를 갖는다. 제1 정류신호의 피크 전압은 V1'으로서 V1'은 V1이하의 값일 수 있다.
도 1로 돌아가서 설명을 계속한다. 정류부(110)는 AC 신호의 급격한 전압변화로부터 전원공급장치(100)의 소손을 방지하기 위하여, 바리스터를 포함할 수 있다, 또한, 정류부(110)는 AC 신호의 노이즈를 필터링하거나, 전원공급장치(100)의 내부로부터 AC 전원(105)로 흐를 수 있는 노이즈를 필터링하기 위한 노이즈 필터를 포함할 수 있다. 바리스터 및 노이즈 필터의 회로에 대해서는 후술하는 설명을 참조한다.
스텝업 회로부(115)는 정류부(110)로부터 제1 정류신호를 입력받는다. 스텝업 회로부(1150)는 제1 정류신호를 승압하여, 리플이 있는 제1 LED 신호를 생성한다. 제1 LED 신호는 LED(125)의 일단에 인가될 수 있다. 예를 들어, 제1 LED 신호는 LED(125)의 (+) 단자에 인가될 수 있다.
한편, LED(125)의 (+) 단자에 제1 LED 신호가 입력되고, (-) 단자에 접지전압이 입력된다면, LED(125)는 안정적으로 구동될 수 없다. 그 이유는, 제1 LED 신호의 전압이 시간에 따라서 변화하기 때문이다. 다시 말해, 제1 LED 신호에는 리플이 존재하기 때문에, 일정 시간동안에는 제1 LED 신호가 LED(125)의 구동전압 이하의 전압레벨 이하일 수 있다. 이 경우, LED(125)가 off 되는 문제점이 있다. 이와 달리, 제1 LED 신호의 전압이 항상 LED(125)의 구동전압 이상인 경우, LED(125)는 언제나 on 상태를 유지할 수 있다. 그러나, 리플에 의해서 제1 LED 신호의 전압의 크기가 계속 변화하기 때문에, LED(125)에는 리플에 의한 플리커 현상이 발생될 수 있으며, LED(125)의 수명을 단축시킬 수 있다는 단점이 있다. 결국, 제1 LED 신호와 접지전압만으로는 LED(125)를 안정적으로 구동하기 어렵다. 종래의 기술에 따른다면, 제1 LED 신호에서 리플을 제거하고, DC 신호를 생성하기 위하여 전해커패시터를 사용하였다. 그러나, 전해커패시터는 내부의 전해액에 의해서 소손이 되는 경우가 빈번하여, 전원공급장치(100)의 수명을 단축시킬 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 전해커패시터를 사용하더라도 제1 LED 신호에서 잔류의 리플로 인하여 LED(125)에 플리커가 발생될 수 있는 단점이 있어왔다.
본원발명의 일 실시예에 따르면, 전해커패시터를 사용하지 않으므로, 소자의 소손이나 전원공급장치(100)의 수명이 단축되는 문제점이 해결될 수 있다. 아울러, 리플이 있는 제1 LED 신호를 LED(125)의 (+) 단자에 그대로 인가하여도, LED(125)는 플리커 없이 안정적으로 구동될 수 있다.
스텝업 회로부(115)는 스텝업 제어부(130)의 제어에 따라서, 제1 정류신호를 승압하여 제1 LED 신호를 생성한다. 스텝업 제어부(130)는 제1 LED 신호의 전압을 센싱한 결과를 피드백받는다. 스텝업 제어부(130)는 피드백에 기초하여, 스텝업 회로부(115)를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어할 수 있다. 예를 들어, 스텝업 제어부(130)는 피드백받은 제1 LED 신호의 전압이 시간에 따라서 증가하는 경우, PWM 듀티를 감소시킨다. 스텝업 제어부(130)는 피드백받은 제1 LED 신호의 전압이 시간에 따라서 감소하는 경우, PWM 듀티를 증가시킨다.
한편, 스텝업 제어부(130)는 LED(125)의 구동전압의 크기를 참조하여, 스텝업 회로부(115)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스텝업 제어부(130)는 리플에 의해 변화되는 제1 LED 신호의 전압의 크기가 언제나 LED(125)의 구동전압의 2배 이상이 되도록, 스텝업 회로부(115)를 PWM 제어할 수 있다. 다시 말해, 스텝업 제어부(130)는 제1 LED 신호의 전압의 최소값이 LED(125)의 구동전압의 적어도 2배 이상이되도록, 스텝업 회로부(115)를 제어한다.
스텝업 제어부(130)는 제1 LED 신호의 전압 : (제1 LED 신호의 전압-상기 LED의 구동전압)의 비율이 적어도 2:1이 되도록, 상기 제1 회로부의 승압을 제어하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 스텝다운 회로부(120)에서의 강압을 위하여 전압의 헤드룸이 고려되어야하고, 스텝다운 회로부(120)가 원활히 동작하기 위해서는 적어도 2:1의 강압비가 필요하기 때문이다. 따라서, 스텝업 제어부(130)는 스텝다운 회로부(120)의 작동을 고려하여, 스텝업 회로부(115)를 제어한다.
도 4 (a)를 참조하면, 제1 정류신호 및 제1 LED 신호가 도시되어 있다. 제1 정류신호를 승압하여, LED(125)의 (+) 단자로 인가되는 제1 LED 신호가 생성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 정류신호와 제1 LED 신호는 서로 리플의 주기와 위상이 동일할 수 있다. 또한, 제 제1 정류신호와 제1 LED 신호의 리플의 크기도 서로 동일할 수 있다. 이와 달리, 스텝업 회로부(115)는 제1 LED 신호의 출력단에 적어도 하나의 커패시터를 두어, 제1 LED 신호를 평활화 할 수 있다. 이 경우, 제 1 LED 신호에서 리플은 제1 정류신호에 비하여 완화될 수 있다. 어느 경우에도, 제1 LED 신호의 전압의 최소값 Vmin 은 LED(125)의 구동전압 Vf의 2배 이상이다.
한편, LED(125)의 구동전압 Vf은 LED(125)의 사양과 구현형태에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 동일한 사양의 복수개의 LED 소자들이 직렬로 연결된 경우, LED 소자 하나의 구동전압에 LED 소자들의 숫자를 곱한 값이 Vf가 되며, 구동전류는 LED 소자 하나의 정격전류값에서 변화가 없게 된다. 이와 달리, 복수개의 LED 소자들이 병렬로 연결되면 구동전압 Vf는 LED 소자 하나의 구동전압에서 변화가 없으며, 전체 LED의 구동전류는 LED 소자 하나의 정격전류에 병렬 연결된 LED의 숫자를 곱한 값이 된다.
스텝다운 회로부(120)는 제1 LED 신호를 강압하여, 리플이 있는 제2 LED 신호를 생성한다. 제2 LED 신호는 LED(125)의 다른 하나의 단자에 인가된다. 예를 들어, LED(125)의 (+)단자에는 제1 LED 신호가 입력되고, (-) 단자에는 제2 LED 신호가 입력된다.
스텝다운 제어부(135)는 스텝다운 회로부(120)가 제2 LED 신호를 생성하도록 제어한다. 스텝다운 제어부(135)는 제2 LED 신호의 전류 및/또는 전압을 센싱한 결과를 피드백받아서, 제1 LED 신호의 강압비를 결정한다. 스텝다운 제어부(135)는 결정된 강압비에 따라서 제1 LED 신호를 강압하여 제2 LED 신호를 생성하도록 스텝다운 회로부(120)를 PWM 제어한다. 예를 들어, 스텝다운 제어부(135)는 피드백받은 제2 LED 신호의 전압이 시간에 따라서 증가하는 경우, PWM 듀티를 감소시킨다. 스텝다운 제어부(135)는 피드백받은 제2 LED 신호의 전압이 시간에 따라서 감소하는 경우, PWM 듀티를 증가시킨다.
스텝다운 제어부(135)는 제2 LED 신호의 리플의 주기와 위상이 제1 LED 신호의 리플의 주기와 위상이 서로 동일하도록, 스텝다운 회로부(120)를 제어할 수 있다. 스텝다운 제어부(135)는 제2 LED 신호의 리플의 크기가 제1 LED 신호의 리플의 크기와 서로 일치하도록, 스텝다운 회로부(120)를 제어할 수 있다. 따라서, 리플에 따라서 변화하는 제1 LED 신호의 전압과 리플에 따라서 변화하는 제2 LED 신호의 전압의 차이는, 리플리 제거된 DC 전압일 수 있다.
스텝다운 제어부(135)는 제1 LED 신호의 전압과 제2 LED 신호의 전압의 차이가 항상 LED(125)의 구동전압의 크기와 일치하도록, 스텝다운 회로부(120)의 강압비를 결정하고, PWM 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 4(b)는, LED(125)의 (+)단자에는 제1 LED 신호가, (-)단자에는 제2 LED 신호가 인가된 경우를 도시한다. 이 때, 제1 LED 신호의 전압 - 제2 LED 신호의 전압은 언제나 LED(125)의 구동전압 Vf와 일치한다. 제1 LED 신호와 제2 LED 신호에서 리플이 존재하는 경우에도, LED(125)는 리플없는 DC 전압을 안정적으로 입력받을 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 실시예에 따르면, 스텝업 제어부(130)와 스텝다운 제어부(135)는 별도로 도시되었지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 스텝업 제어부(130)와 스텝다운 제어부(135)는 하나의 컨트롤러로 구현될 수도 있다.
보조 전원부(140)는, AC 전원(105)로부터 AC 전원을 입력받아서, 스텝업 제어부(130) 및/또는 스텝다운 제어부(135)에 구동전원을 제공한다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 스텝다운 회로부(130) 대신에 제2 스텝업 회로부(미도시)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 제2 스텝업 회로부는 스텝업 회로부(115)로부터 출력된 제1 LED 신호를, LED(125)의 구동전압 Vf 만큼 승압하여, 제3 LED 신호를 출력한다. 이 때, 제1 LED 신호는 LED(125)의 (-) 단자에 인가되고, 제3 LED 신호는 LED의 (+) 단자에 인가될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전원공급장치를 도시한 도면이다. 별도의 언급이 없더라도, 도 2에 도시된 전원공급장치(200)를 이해하기 위하여, 도 1에 도시된 전원공급장치(100)에 대한 설명이 참조될 수 있으며, 전술하는 내용과 중복하는 설명은 생략하기로 한다.
AC 전원(205)는 AC 신호를 외부로부터 입력받아서, 다이오드 브리지(210)으로 출력한다. 다이오드 브리지(210)는 입력된 AC 신호를 정류하여 정류신호를 생성한다. 다이오드 브리지(210)의 일 출력단은 저항 R1 및 스텝업 제어부(230)에 연결된다. 스텝업 제어부(230)은 다이오드 브리지(210)의 일 출력단과 연결된 노드로부터 전류 JSEN_UP을 센싱한다. 스텝업 제어부(230)는 센싱된 전류 JSEN_UP을 피드백받아서, 스텝업 회로(215)를 PWM 제어한다.
다이오드 브리지(210)의 다른 출력단은 정류신호를 스텝업 회로(215)에 출력한다. 스텝업 회로(215)는 정류신호를 승압하여 제1 LED 신호를 생성한다. 스텝업 회로(215)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2) 및 제1 인덕터(L1)를 포함한다. 제2 다이오드(D2) 및 제1 인덕터(L1)가 연결되는 노드에는 제1 스위치(SW1)이 연결된다. 제1 스위치(SW1)의 타단에는 접지전압이 인가된다. 제1 스위치(SW1)은 스텝업 제어부(230)에 의해서 on/off된다. 제1 스위치(SW1)의 on/off 비율에 따라서 스텝업 회로(215)의 승압비가 결정된다. 제1 스위치(SW1)는 스텝업 제어부(230)에 의해서 PWM 제어된다. 스텝업 제어부(230)는 스텝업 회로(215)의 출력단으로부터 제1 LED 신호의 전압 VSEN과 센싱된 전류 JSEN_UP에 기초하여 제1 스위치(SW1)에 on/off 신호 G_UP을 출력한다. 스텝업 제어부(230)는 전압 VSEN이 증가하면 G_UP의 on 시간을 감소시키고, 전압 VSEN이 감소하면 G_UP의 off 시간을 감소시키는 방식으로, 제1 스위치(SW1)을 제어한다.
스텝업 회로(215)는 정류신호를 승압하여 제1 LED 신호를 생성하되, 제1 LED 신호의 전압의 최소값이 LED(250)의 구동전압의 적어도 2배 이상이 되도록 제1 LED 신호를 생성한다. 제1 LED 신호의 전압의 최소값이 중요한 이유는, 제1 LED 신호는 스텝다운 회로(220)에 입력되고 강압되는데, 스텝다운 회로(220)에 지나치게 작은 값의 전압이 입력되는 경우에는 스텝다운 회로(220)가 정상적으로 동작하지 않기 때문이다. 예컨대, 작은 값의 전압이 스텝다운 회로(220)에 입력된다면, 제2 스위치(SW2)의 스위칭이 제대로 이루어 지지 않고, on 또는 off 상태가 계속 유지될 수 있기 때문이다. 따라서, 스텝업 제어부(230)의 제어에 따라서 스텝업 회로(215)는 제1 LED 신호의 전압의 최소값이 적어도 LED(250)의 구동전압의 2배 이상이 되고, 스텝다운 제어부(240)의 제어에 따라서 스텝다운 회로(220)의 강압비는 적어도 2:1이 되는 것이 바람직하다.
스텝업 회로(215)의 출력단에는 제1 커패시터(C1)이 연결된다. 제1 커패시터(C1)의 타단에 접지전압이 인가된다. 제1 커패시터(C1)은 하나의 커패시터로 도시되었으나, 실시예에 따라서는 다수의 커패시터들이 병렬로 연결될 수 있다. 제1 커패시터(C1)은 다양한 방식으로 구현가능하지만, 전해 커패시터가 아니라 마일러 커패시터일 수 있다. 마일러 커패시터는 일반적으로 전해 커패시터에 비하여 정전용량이 작고 정밀도가 다소 낮지만, 전해 커패시터에 비하여 가격이 저렴하고 소자 소손의 위험성이 작다는 장점이 있다. 마일러 커패시터는 얇은 폴리에스테르 필름을 유전체로 이용하므로, 필름 커패시커라고도 한다. 종래 기술에 따르면, LED(250)에 입력전압에서 리플을 제거하기 위하여 상대적으로 대용량의 전해 커패시터가 사용되었다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, LED(250)에 리플이 있는 전압이 인가되기 때문에, 전해 커패시터가 생략 가능하고, 마일러 커패시터로 전해 커패시터를 대체할 수 있다.
제1 커패시터(C1)는 스텝업 회로(215)로부터의 제1 LED 신호에서 AC 성분의 일부를 제거하고, 보다 DC에 가깝도록 평활화한다. 제1 커패시터(C1)에 의해서 모든 AC 성분이 제거되는 것은 아니기 때문에, 제1 커패시터(C1)를 거친뒤에도 제1 LED 신호에는 여전히 리플이 잔류한다. 제1 커패시터(C1)를 거친 제1 LED 신호는 LED(250)의 (+)단자에 인가된다.
한편, 제1 커패시터(C1)를 거친 제1 LED 신호는 스텝다운 회로(220)에도 인가된다. 스텝다운 회로(220)는 스텝다운 제어부(240)의 제어에 따라서, 제1 LED 신호를 강압하여 리플이 있는 제2 LED 신호를 생성한다. 스텝다운 회로(220)는 제3 다이오드(D3), 제2 인덕터(L2) 및 제2 커패시터(C2)를 포함한다. 제3 다이오드(D3) 및 제2 인덕터(L2)가 연결된 노드에는 제2 스위치(SW2)가 연결된다. 제2 스위치(SW2)는 션트저항(R2)와 연결된다.
스텝다운 제어부(240)는 션트저항(R2)의 전압을 센싱하고, 센싱된 전압과 션트저항(R2)의 크기를 이용하여 전류를 측정할 수 있다. 즉, 스텝다운 제어부(240)는 션트저항(R2)를 통해서 전류를 피드백 받는다. 스텝다운 제어부(240)는 제2 스위치(SW2)를 on/off 하는 PWM 제어 신호 G_DN을 인가하여, 스텝다운 회로(220)를 제어한다. 스텝다운 회로(220)는 스텝다운 제어부(240)의 제어에 따라서, 제1 LED 신호를 LED(250)의 구동전압의 크기만큼 강압하여, 제2 LED 신호를 출력한다. 출력된 제2 LED 신호의 리플의 파형은 제1 LED 신호의 리플의 파형과 일치할 수 있다. 다시 말해서, 제1 LED 신호와 제2 LED 신호 각각의 리플들의 위상과 주기가 서로 일치할 수 있다. 리플들의 크기도 서로 일치할 수 있다. 스텝다운 제어부(240)를 통해서 출력된 제2 LED 신호는 LED(250)의 (-)단자에 입력된다.
이를 통해서, LED(250)에는 리플없는 DC 전압이 공급될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, LED(250)의 플리커는 2% 미만일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류회로를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 정류회로는 퓨즈, 저항, 바리스터(501), 노이즈 필터들(502), 커패시터(503) 및 다이오드 브리지(504)를 포함한다. 도 5에 도시된 정류회로는, 도 1의 정류부(110)에 대응한다.
퓨즈는 AC 입력 전압의 크기와 전원공급장치(100)의 규격에 따라서 달라질 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 퓨즈는 250V 1A의 규격인 것으로 가정한다.
저항은 입력이 off 되었을때 노이즈 필터에 저장된 전압을 방전하는 역할을 수행하는데, 1개의 저항으로 구성될 수 있지만, 복수개의 저항들을 직렬로 연결하여 구현될 수도 있다. 예를 들면, 270 K의 저항 4개가 직렬로 연결될 수 있다.
바리스터(501)는 서지전압으로부터 전원공급장치(100)를 보호한다. 예를 들어, AC 신호의 전압의 크기가 급작스럽게 변하는 경우, 전원공급장치(100)을 보호하기 위하여 AC 신호를 차단하는 역할을 수행한다.
노이즈 필터들(502) 각각 인덕터와 저항이 병렬로 연결되어 구성 될 수 있다. 노이즈 필터들(502) 및 커패시터(503)은 은 외부로부터 AC 신호에 유입되는 노이즈들을 제거할 뿐만 아니라, 전원공급장치(100)의 내부에서 스위칭으로 인해서 발생되는 노이즈들을 제거하는 역할을 수행한다.
다이오드 브리지(504)는 AC 신호를 전파정류하여 노드 A 및/또는 노드 B로 출력한다. 노드 B는 저항을 통해서 노드 JU에 연결된다. 노드 JU는 전류를 센싱하기 위한 노드이다. 노드 A에는 서미스터(미도시)가 연결될 수 있다. 서미스터는 후술하는 바와 같이 초기 전류를 제한하기 위함이다. 노드 A에 콘덴서가 연결되는 경우, 초기에 콘덴서에 순간적으로 전류가 과전류가 흐르는 것을 방지한다. 서미스터의 레지스턴스는 온도가 올라감에 따라서 감소한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝업 회로를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 스텝업 회로는, 도 1의 스텝업 회로부(115)에 대응한다. 스텝업 회로의 노드 A,B는 각각 도 5에 도시된 노드 A,B에 연결될 수 있다.
도 6을 참조하면, 스텝업 회로는 커패시터(604), 스위치(603), 승압회로(602) 및 커패시터(601)를 포함한다.
커패시터(604)는 노드 A, B를 통해서 입력된 전파 정류신호를 평활화한다.
노드 VCC는 스텝업 회로를 제어하는 스텝업 제어기에 전원을 공급하기 위한 노드일 수 있다.
승압회로(602)는 다수의 다이오드들 및 인덕터를 포함한다. 승압회로(602)는 스위치(603)의 on/off 비율에 따라서, 정류신호를 승압하여 제1 LED 신호를 생성한다. 제1 LED 신호는 노드 C를통해서 출력된다.
스위치(603)은 FET 소자로 구현될 수 있다. FET 소자의 게이트에는 다이오드와 저항이 병렬로 연결될 수 있다. 게이트에 역방향으로 연결된 다이오드는, 게이트 전압 GU가 off 인 경우, 게이트 단의 내부 캐패시턴스에 의해 잔류하는 전류룰 외부로 방전시킨다. 게이트에 연결된 저항은 게이트 전압 GU가 on 되는 초기에 급격한 전압의 변화를 다소 완충하는 역할을 수행한다. FET 소자의 게이트에 임계치 이상의 전압이 인가되는 경우, FET은 인덕터의 일단을 그라운드와 쇼트시킨다.
커패시터(601)는 승압회로(602)는 제1 LED 신호에 포함된 리플을 평활화한다. 커패시터(601)은 마일러 커패시터일 수 있다. 커패시터(601)는 소용량의 마일러 커패시터들을 여러개 병렬로 연결하여 구현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝다운 회로를 도시한 도면이다. 도 7의 스텝다운 회로는, 도 1의 스텝다운 회로부(120)에 대응한다. 노드 C에는 도 6의 스텝업 회로로부터의 제1 LED 신호가 인가될 수 있다.
도 7을 참조하면, 스텝다운 회로는 강압회로(702), 스위치(703) 및 션트저항(701)을 포함한다.
스위치(703)은 도 6에 도시된 스위치(603)과 유사하게 동작한다. 단, 스위치(603)과 스위치(703)은 서로 다른 신호에 의해서 제어된다. 스위치(703)은 노드 GD를 통해서 제어신호를 입력받는다. 스위치(703)의 on/off 비율에 따라서, 강압회로(702)의 강압비가 결정된다.
강압회로(702)는 노드 C에 입력된 제1 LED 신호를 LED의 구동전압 만큼 강압하여, 제2 LED 신호를 생성한다. 강압회로(702)에서 출력된 제2 LED 신호는 LED (-)단자에 인가된다. 강압회로(702)는 다이오드, 인턱터 및 커패시터를 포함할 수 있다. 강압회로(702)의 인덕터는 다수의 인덕턴스 소자들을 직렬로 연결하여 구성될 수 있다. 강압회로(702)의 커패시터는 다수의 커패시터들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 구성될 수 있다.
션트저항(701)은 노드 JD 및 그라운드 사이에 연결된다. 노드 JD는 스텝다운 제어기에서 전압을 센싱하기 위한 노드이다. 션트저항(701)은 다수의 저항들, 예컨대 3개의 저항을 병렬로 연결하여 구성될 수 있다. 스텝다운 제어기는 노드 JD에서 전압을 센싱하고, 센싱된 전압 및 션트저항(701)을 이용하여, 노드 JD에 흐르는 전류를 계산할 수 있다. 스텝다운 제어기는 계산된 전류값을 이용하여 스위치(703)을 on/off 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝업 제어회로를 도시한 도면이다. 스텝업 제어회로는 도 1의 스텝업 제어부(130)에 대응한다.
스텝업 제어회로는, 제1 집적회로(IC1)을 포함하고 있다. 제1 집적회로는, 노드 C를 통해서, 제1 LED 신호의 전압을 센싱한다. 제1 LED 신호의 전압은 저항에 의해 강압된 다음에 제1 집적회로(IC1)에 피드백될 수 있다.
제1 집적회로(IC1)은 노드 VCC를 통해서 제1 집적회로(IC1)의 구동에 필요한 전원을 입력받는다. 제1 집적회로(IC1)는 노드 GU를 통해서, 스텝업 회로의 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력한다. 제1 집적회로(IC1)은 노드 JV로부터 스텝업 회로의 전류를 센싱한다. 제1 집적회로(IC1)은 노드 A를 통해서 다이오드 브리지로부터 출력된 전파 정류신호의 전압을 센싱한다. 제1 집적회로(IC1)는 노드 C를 통해서 전압을 센싱하고, 전압이 높으면 PWM 듀티를 줄이고, 전압이 낮으면 PWM 듀티를 증가시킴으로서, 스텝업 회로가 일정한 주기의 리플을 갖는 제1 LED 신호를 출력하록 제어한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝다운 제어회로를 도시한 도면이다. 도 9의 스텝다운 제어회로는 도 1의 스텝다운 제어부(135)에 대응한다.
스텝다운 제어회로는, 제2 집적회로(IC2)를 포함하고 있다. 제2 집적회로는 노드 JD를 통해서, 스텝다운 회로의 전압 및/또는 전류를 센싱한다. 노드 JD를 통해서 센싱된 스텝다운 회로의 전압 및/또는 전류는 저항을 거쳐서 제2 집적회로(IC2)에 피드백될 수 있다.
제2 집적회로는 노드 VCC2를 통해서, 제2 집적회로(IC2)의 구동에 필요한 전원을 입력받는다. 제2 집적회로(IC2)는 노드 GD를 통해서, 스텝다운 회로의 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력한다. 제2 집적회로(IC2)는 노드 JD를 통해서 션트저항 양단 전압을 센싱하고, 센싱된 전압이 높으면 PWM 듀티를 줄이고, 센싱전압이 낮으면 PWM 듀티를 증가시킨다. 이를 통해, 제2 집적회로(IC2)는 일정한 주기의 리플을 갖는 제1 LED 신호와 같은 주기로 일정한 전위차의 제2 LED 신호를 생성하도록 스텝다운 회로를 제어한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보조전원회로를 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 보조전원회로는, 도 1의 보조전원부(140)에 대응한다. 보조전원회로는 스텝업 제어회로 및 스텝업 제어회로의 구동에 필요한 전원을 공급한다. 보조전원회로는 AC 전원에 연결될 수 있다. 보조전원회로는 노드 VCC를 통해서 스텝업 제어회로에 전원을 공급하고, 노드 VCC2를 통해서 스텝다운 제어회로에 전원을 공급한다. 공급되는 전원은 15V 일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 LED 구동방법은 전술한 전원공급장치(100)에 의해서 수행될 수 있다. 전술한 설명들과 중복되는 내용은 설명을 생략한다.
전원공급장치(100)는 AC 신호를 정류하여 리플을 갖는 제1 정류신호를 생성한다(S105). 여기서, 제1 정류신호는 맥류신호 일 수 있다.
전원공급장치(100)는 제1 정류신호를 승압하여 제1 LED 신호를 생성하고, 제1 LED 신호를 LED의 일단에 인가한다(S110). 이 때, 전원공급장치(100)는 제1 LED 신호의 최소전압의 크기가 LED의 구동전압의 적어도 2배 이상이 되도록 승압한다. 전원공급장치(100) 제1 LED 신호의 리플을 일부 평활화하여, LED의 일단에 인가할 수 있다.
전원공급장치(100)는 제1 LED 신호를 강압하여 리플을 갖는 제2 LED 신호를 생성하고, 제2 LED 신호를 LED의 타단에 출력한다(S115). 여기서, 제1 LED 신호의 리플은 일부 평활화된 상태일 수 있다. 이 때, 리플에 따라서 변화하는 제1 LED 신호의 전압과 리플에 따라서 변화하는 제2 LED 신호의 전압의 차이는 리플이 제거된 DC 전압이다. 여기서, DC 전압의 크기는, 제1 LED 신호와 제2 LED 신호의 리플에 관계없이, LED의 구동전압의 크기와 일치한다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (12)

  1. LED에 전원을 공급하는 전원공급장치에 있어서,
    AC 신호를 리플을 갖는 맥류 신호로 정류하는 정류부;
    상기 맥류 신호를 승압하여 리플을 갖는 제1 LED 맥류 신호를 DC 신호로 정류하지 않고 상기 LED의 일단에 출력하는 제1 회로부;
    상기 제1 LED 맥류 신호를 강압하여, 리플을 갖는 제2 LED 맥류 신호를 DC 신호로 정류하지 않고 상기의 LED의 타단에 출력하는 제2 회로부; 및
    리플에 따라서 변화하는 상기 제1 LED 맥류 신호의 전압과 리플에 따라서 변화하는 상기 제2 LED 맥류 신호의 전압의 차이는 리플이 제거된 DC 전압으로서, 상기 DC 전압의 크기는 상기 LED의 구동전압의 크기와 일치하도록, 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부를 제어하는 제어부를 포함하는, 전원공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    리플에 따라서 변화하는 상기 제1 LED 맥류 신호의 전압의 최소값이 상기 LED의 구동전압의 적어도 2배 이상이 되도록 상기 제1 회로부의 승압을 제어하는. 전원공급장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 LED 맥류 신호의 전압 : (상기 제1 LED 맥류 신호의 전압-상기 LED의 구동전압)의 비율이 적어도 2:1이 되도록, 상기 제1 회로부의 승압을 제어하는, 전원공급장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제2 회로부의 강압을 위한 전압의 헤드룸을 고려하여, 상기 제1 회로부의 승압을 제어하는, 전원공급장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 LED 맥류 신호의 전압을 센싱한 결과에 기초하여 상기 제1 회로부를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하되, 상기 제1 LED 맥류 신호의 전압이 증가하면 상기 PWM 듀티를 감소시키고, 상기 제1 LED 맥류 신호의 전압이 감소하면 상기 PWM 듀티를 증가시키는, 전원공급장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 LED 맥류 신호의 리플과 상기 제2 LED 맥류 신호의 리플은 서로 주기와 위상이 서로 일치하는, 전원공급장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 회로부는,
    제1 인덕터;
    일단이 상기 제1 인덕터의 일단과 연결된 제1 다이오드;
    일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고, 타단은 상기 제1 다이오드의 타단에 연결된 제2 다이오드; 및
    상기 제1 인덕터의 타단을 그라운드와 단락 또는 개방시키는 제1 스위치를 포함하는, 전원공급장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 회로부는,
    제3 다이오드;
    일단이 상기 제3 다이오드의 일단에 연결된 제2 인덕터;
    일단이 상기 제2 다이오드의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제2 인덕터의 타단에 연결된 제1 캐패시터; 및
    상기 제3 다이오드의 일단을 전류센싱을 위한 션트저항과 단락 또는 개방시키는 제2 스위치를 포함하는, 전원공급장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 정류부는,
    상기 AC 신호로부터의 서지전압을 차단하는 바리스터;
    상기 AC 신호의 노이즈를 제거하는 노이즈 필터; 및
    상기 AC 신호의 전파정류를 위한 다이오드 브리지를 포함하는, 전원공급장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 AC 신호를 이용하여 상기 제어부에 전원을 공급하는 보조전원부를 더 포함하는, 전원공급장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 회로부의 출력 양단 및 상기 제2 회로부의 입력 양단과 병렬로 연결되어, 상기 제1 LED 맥류 신호의 전압을 평활하는 적어도 하나의 커패시터를 더 포함하고, 상기 커패시터는 전해 커패시터가 아닌, 전원공급장치.
  12. 전원공급장치를 이용한 LED 구동 방법에 있어서,
    AC 신호를 리플을 갖는 맥류 신호로 정류하는 단계;
    상기 맥류 신호를 승압하여 리플을 갖는 제1 LED 맥류 신호를 DC 신호로 정류하지 않고 상기 LED의 일단에 출력하는 단계; 및
    상기 제1 LED 맥류 신호를 강압하여, 리플을 갖는 제2 LED 맥류 신호를 DC 신호로 정류하지 않고 상기의 LED의 타단에 출력하는 단계를 포함하고,
    리플에 따라서 변화하는 상기 제1 LED 맥류 신호의 전압과 리플에 따라서 변화하는 상기 제2 LED 맥류 신호의 전압의 차이는 리플이 제거된 DC 전압으로서, 상기 DC 전압의 크기는 상기 LED의 구동전압의 크기와 일치하는, 방법.
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