KR101540219B1

KR101540219B1 - 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로

Info

Publication number: KR101540219B1
Application number: KR1020150030681A
Authority: KR
Inventors: 유승진
Original assignee: (주)화신이앤비
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2015-07-29

Abstract

본 발명은 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로에 관한 것으로서, 입력 교류 전원을 직류 전압으로 변환 출력하는 정전압 회로부, 상기 직류 전압을 고속 교번 스위칭 동작을 통해 구형파의 교류 전압으로 변환 출력하는 인버터부 및 상기 구형파의 교류 전압을 적어도 하나 이상의 엘이디 램프를 구동시키기 위한 구동용 직류 전압으로 변환 출력하는 변압부를 포함하는 엘이디 컨버터 회로에 있어서, 상기 엘이디 램프와 양(positive) 결선 및 음(negative) 결선하여 연결되는 결선부; 상기 결선부가 오픈(Open) 상태 또는 상기 구동용 직류 전압이 제1 임계값 이상인 경우에, 상기 인버터부로 공급되는 기준 전압을 제1 기준 전압으로 다운시켜 상기 변압부의 1차측 권선에 평상시 전류보다 낮은 제1 전류가 흐르도록 하여 상기 엘이디 램프를 포함한 회로 전체를 보호하는 과전압 검출부; 상기 엘이디 램프가 점등된 후에 전류 센싱 저항을 통해 동작 전압을 감지하고, 상기 감지한 동작 전압이 제2 임계값 이상인 경우에 상기 인버터부의 스위칭 주파수를 조절하여 일정한 전류를 유지하도록 하는 피드백 제어부; 및 상기 변압부의 2차측 권선에 역결선 검출용 권선을 추가하고, 상기 역결선 검출용 권선에 제3 임계값 이상의 전압이 인가되면 역결선 상태를 검출하며, 상기 인버터부의 동작을 정시시키는 역결선 검출부를 포함한다. 따라서, 본 발명은 LED 램프의 구동에 적합한 직류 전압 및 직류 전류를 유지할 수 있고, LED 조명 산업 분야에 적합한 안정적인 하프 브리지의 인터버 구동 IC를 적용하여 LED 컨버터의 효율을 극대화시킬 수 있으며, LED 컨터버 회로의 출력단의 과전압 또는 과전류에 대한 보호 기능을 수행할 수 있으며, LED 램프와 LED 컨버터 회로의 역결선시 가로등, 보안등, 고천장등 등의 LED 램프와 LED 컨버터 회로가 소손되는 것을 방지하여 신뢰성이 매우 향상될 수 있다.

Description

역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로{REVERSE CONNECTION PROTECTING LED CONVERTER CIRCUIT}

본 발명은 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED 램프의 점등에 따른 출력 전류의 제어 기능을 수행하고, LED 램프와의 연결선시 LED 램프뿐만 아니라 LED 컨버터 회로를 보호할 수 있는 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로에 관한 것이다.

LED(Light Emitting Diode)는 빛을 발산하는 반도체 소자인 발광 다이오드를 말하는 것으로, 적색, 녹색, 청색, 황색 등의 다양한 색상의 광을 발산하여 각종 전자 제품류, 계기판 등의 전자 표시판으로 활용되고 있다. 다수의 LED를 바둑판식으로 배열한 후에 전부 또는 일부의 LED를 점등하는 방식으로 LED 전광판(LED Display Unit)이 구현될 수 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 전자식 LED 컨버터 회로를 설명하는 도면이다.

도 1을 참고하면, 노이즈 제거부(101), 정류부(102), 역률 개선부(103), 2차 출력부(104), 결선부(105), 과전압 검출부(106) 및 피드백 제어부(107)를 포함한다.

노이즈 제거부(101)는 입력 교류전원에 포함된 노이즈를 제거하고, 정류부(102)는 노이즈 제거된 전원을 전파 정류한다.

역률 개선부(103)는 정류부(102)에 의해 정류된 전압을 공급받고 역률 집적소자(U1)로 출력 전압을 온/오프 스위칭하며, 온/오프 스위칭 비율을 바꾸어서 평균화 하는 플라이백(Flyback)방식을 사용한다.

2차 출력부(104)는 역률 개선부(103)의 스위칭 전압을 트랜스포머(T1)의 1차 권선으로 인가하여 LED 램프의 칩 배열에 적합한 전압을 트랜스포머(T1)의 1차 및 2차권선비에 의해 유기시켜 직류전압으로 정류후 평활한다.

결선부(105)는 LED램프와 연결되며, 과전압 검출부(106)는 결선부(105)가 오픈 상태이거나 불특정 상황에서 DC전압이 상승할 경우에 LED 램프를 보호한다.

피드백 제어부(107)는 LED램프의 점등후 전류 센싱 저항(R22)의 전압이 높아지면 연산증폭기(U2)를 통해 포토커플러(PC1)를 동작시켜 역률 개선부(103)의 동작을 조절하고, 트랜스포머(T1)의 1차권선 전압을 조절하여 LED램프에 일정한 전압과 전류를 유지하도록 한다.

이하, 종래 기술의 일 실시예에 따른 전자식 LED 컨버터 회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

60Hz의 입력 류전원(AC)이 입력되면, 노이즈제거부(101)가 입력 교류전원의 노이즈 성분을 제거하고, 정류부(102)는 브리지 다이오드(BD)를 통해 전파 정류한다. 이때, 전파 정류된 전압의 주파수는 120Hz이다. 이렇게 전파 정류된 전압은 다시 역률개선부(103)에 의해 약 150kHz대의 스위칭 주파수를 갖는 구형파가 된다.

역률 개선부(103)에서 출력되는 구형파 전압은 2차 출력부(104)의 트랜스포머(T1) 2차 권선비에 따라 LED 램프의 칩 배열에 적합한 낮은 전압이 유기되고, 다이오드(D7)를 통해 정류된 후 전해콘덴서(C12, C20)로 평활된 직류전압이 되며, 이 평활된 직류 전압은 노이즈 필터(LF3)를 통해 노이즈가 제거되어 결선부(105)와 연결된 LED램프를 구동시키게 된다.

만일, 결선부(105)와 LED 램프간에 결선이 안된 상태에서 LED 컨버터 회로에 입력 교류전원이 투입되면 역률 개선부(103)의 FET(Q1)의 스위칭 전압이 상승되고, 트랜스포머(T1)의 1차 권선을 통해 유기된 2차 권선 전압도 상승하게 되고, 결국 과전압 검출부(106)의 제너다이오드(ZD2) 전압을 초과하게 된다. 제너다이오드(ZD2) 전압을 초과한 경우에 역도통된 전압에 의해 포토커플러(PC1)가 동작하여 역률 개선부(103)의 PF IC(U1)의 전원(Vcc)을 동작 전압 이하로 떨어뜨려 FET(Q1)의 스위칭 동작을 정지시킨 후 리스타트하여 동일한 동작을 반복하면서 LED 컨버터 회로를 보호한다.

또한, LED 램프는 구동 후에 시간이 흐를수록 LED 칩 자체의 발열과 그로 인한 전압 강하 현상으로 순방향 전류가 점차 증가하면서 소손될 위험성이 있다. 이러한 LED 램프 자체의 발열 현상은 LED 램프의 방열설계 만으로는 해결할 수 없으며, 방열구조의 커짐으로 인해 가격이 상승되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 전류 피드백 회로, 즉 피드백 제어부(107)를 통상적으로 사용하여 2차 출력부(104)의 전류 센싱 저항(R22)을 지나는 전류가 커짐에 따라 전압이 올라가고, 이 전압을 연산 증폭기의 3번 핀에 연결하여 2번 핀의 레퍼런스 전압보다 높게 올라가면 1번 핀으로부터 다이오드(D8)를 통해 포토커플러(PC1)를 동작시켜서 역률 개선부(103)의 PF IC(U1)의 1번 핀 레퍼런스전압(2.5V)에 아주 짧은 시간 동안 동작 전압 이하로 내렸다가 3번 핀 전압이 2번 핀 전압 이하로 내려오면 포토커플러(PC1)의 동작신호를 차단하는 동작을 짧은 시간 반복적으로 동작하여 PF IC(U1)의 7번 핀에서 나오는 FET(Q1)의 게이트 전압을 주파수 및 펄스폭을 조절하여 LED 칩의 순방향 전류가 자체 발열과 함께 증가하는 특성을 일정하게 유지시켜준다.

그런데, 종래의 LED 컨버터는 직류전압으로 구동되는 LED램프의 특성에 따라 플러스(+)와 마이너스(-)의 극성을 갖는 직류전압에 의해 동작되는데, 만일 LED램프와의 결선이 잘못되어 LED 컨버터의 (+)선을 LED램프의 (-)선에 연결하고, LED 컨버터 회로의 (-)선을 LED램프의 (+)선에 연결한 후 전원을 투입하면 LED컨버터와 LED 램프간 역결선으로 인해 LED램프에 역전압이 걸리면서 역전류가 흘러 LED 칩 내부의 제너다이오드가 과열되며 소손되는 문제점이 있다.

도 2는 도 1의 구성요소인 트랜스포머(T1) 1차측과 2차측의 전압 스위칭 파형을 설명하는 도면이다.

1차측에 평활콘덴서가 없어 정류부(102)에서 정류된 120Hz 전파 정류 파형을 1스테이지 플라이백(Stage Flyback) 회로로 스위칭하여 트랜스포머(T1) 2차측으로 유기되는데, 도 2에 도시된 바와 같이 포락이 심해서 2차출력부(104)의 평활용 전해콘덴서에 많은 스트레스로 콘덴서 용량이 대용량이 되야 하며, 1Stage 플라이백(Flyback) 회로의 특성상 스위칭 FET(Q1)의 전압을 650V ~ 800V 정도로 높게 사용해야 하고, 트랜스포머(T1)에 높은 전압이 인가되기 때문에 절연문제로 현장에서 불량이 자주 발생하는 문제점이 있다.

선행기술자료로서, 한국특허공개 제10-2014-0004837호를 보면 결선오류방지된 엘이디 조명용 전원장치에 관한 기술내용이 공개되어 있다.

종래의 결선오류방지된 엘이디 조명용 전원 장치는, 수납케이스 본체의 양측 중간에서 인출되는 입력측 케이블 또는 출력측 케이블 상에 입출력측이 전체에 걸쳐 표기된 입력측 또는 출력측 표식부가 설치되어, LED조명용 전원장치의 설치자들이 입출력케이블의 길이가 절단된다고 하여도 표식부가 사라지지 않게 되어 항상 정확한 배선이 가능하게 되어 배선의 착오가 없이 정확하게 배선이 되는 것이 가능하다.

종래의 결선오류방지된 엘이디 조명용 전원 장치는 LED 조명용 전원 장치의 일출력 케이블에 표식부를 설치하여 설치자들이 입력측 케이블과 출력측 케이블을 정확히 배선되도록 하는 것으로서, LED 조명이 LED 조명용 전원 장치와 결선된 상태에서 오결선 여부를 검출할 수 없다는 문제점이 있다.

최근 LED 칩의 급격한 발전으로 인해 LED 칩을 이용한 다양한 조명제품들이 개발되고 있다. 이러한 LED칩을 이용한 LED 램프를 고효율 및 장수명으로 구동시키기 위해 LED 컨버터가 사용되는데, LED 컨버터는 정전압(CV) 및 정전류(CC) 구동을 하므로써 LED 램프에 공급되는 전력을 일정한 전압 및 일정한 전류값으로 설정하여 LED 램프를 구동시킨다.

그런데, 종래의 LED 컨버터는 직류전압으로 구동되는 LED램프의 특성에 따라 (+)와 (-)의 극성을 갖는 직류전압으로, LED컨버터의 (+)선을 LED램프의 (-)선에 연결하고, LED컨버터의 (-)선을 LED램프의 (+)선에 연결하는 역결선 현상이 발생할 수 있다. LED 램프와 LED 컨버터가 역결선된 상태에서 전원을 투입하면, LED램프에 역전압이 걸리면서 역전류가 흘러 LED 칩 내부의 제너다이오드가 과열되어 소손된다.

종래의 LED컨버터는 과전류 및 과전압에 대한 보호회로가 대부분 적용되어 있으나, LED컨버터와 LED램프간의 역결선에 대한 보호회로는 적용되지 않고 있는 실정이다.

실제 LED조명을 사용하는 현장, 특히 가로등과 같이 LED등기구와 컨버터간의 거리가 멀거나 등기구에 컨버터를 현장에서 직접 장착하는 경우에 작업자의 실수로 역결선하는 사례가 자주 발생한다. 이때, 고가의 LED램프가 소손되면 LED 컨버터의 불량이 발생될 수 밖에 없는 문제점이 있다.

한국특허공개 제10-2014-0004837호 " 결선오류방지된 엘이디 조명용 전원장치 "

본 발명은 LED 램프의 구동에 적합한 직류 전압 및 직류 전류를 유지하고, LED램프와 LED 컨버터 회로의 역결선 상태를 검출하여 인버터부의 구동을 정지시키거나 리스타트되도록 하여 LED 램프 및 LED 컨버터 회로의 소손을 방지하기 위한 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로를 제공한다.

실시예들 중에서, 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로는, 입력 교류 전원을 직류 전압으로 변환 출력하는 정전압 회로부, 상기 직류 전압을 고속 교번 스위칭 동작을 통해 구형파의 교류 전압으로 변환 출력하는 인버터부 및 상기 구형파의 교류 전압을 적어도 하나 이상의 엘이디 램프를 구동시키기 위한 구동용 직류 전압으로 변환 출력하는 변압부를 포함하는 엘이디 컨버터 회로에 있어서, 상기 엘이디 램프와 양(positive) 결선 및 음(negative) 결선하여 연결되는 결선부; 상기 결선부가 오픈(Open) 상태 또는 상기 구동용 직류 전압이 제1 임계값 이상인 경우에, 상기 인버터부로 공급되는 기준 전압을 제1 기준 전압으로 다운시켜 상기 변압부의 1차측 권선에 평상시 전류보다 낮은 제1 전류가 흐르도록 하여 상기 엘이디 램프를 포함한 회로 전체를 보호하는 과전압 검출부; 상기 엘이디 램프가 점등된 후에 전류 센싱 저항을 통해 동작 전압을 감지하고, 상기 감지한 동작 전압이 제2 임계값 이상인 경우에 상기 인버터부의 스위칭 주파수를 조절하여 일정한 전류를 유지하도록 하는 피드백 제어부; 및 상기 변압부의 2차측 권선에 역결선 검출용 권선을 추가하고, 상기 역결선 검출용 권선에 제3 임계값 이상의 전압이 인가되면 역결선 상태를 검출하며, 상기 인버터부의 동작을 정시시키는 역결선 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 과전압 검출부는, 상기 엘이디 램프의 구동 전압에 맞도록 제너 다이오드(ZD2)를 설정하고, 상기 제너 다이오드(ZD2)에 역전압이 감지되면 무부하 상태임을 감지하며, 상기 역전압에 의해 포토커플러(PC)가 동작되어 상기 인버터부의 기준 전압을 제1 기준 전압으로 다운시켜 상기 인버터부의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 한다.

상기 정전압 회로부는, 입력 교류 전원에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부; 상기 노이즈 제거한 입력 교류 전원을 전파 정류하여 직류 전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부를 통해 공급되는 직류 전압을 정전압으로 유지시키는 역률 개선부; 및 상기 역률 개선부에서 출력되는 정전압을 평활화하는 평활부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 인버터부는 하프 브리지의 인버터 구동 IC(High-Voltage resonant controller)를 포함하여 고전력용 엘이디 램프에 적용하는 것을 특징으로 한다.

상기 피드백 제어부는, 상기 전류 센싱 저항을 통해 감지한 동작 전압이 연산 증폭기의 제1 단자로 입력되고, 상기 연산 증폭기의 제2 단자로 구동용 직류 전압이 입력되며, 상기 제1 단자의 입력 전압이 상기 제2 단자의 입력 전압 이상일 경우에 상기 연산 증폭기의 제3 단자로 출력되는 전압이 증폭되어 다이오드(D12)를 통해 포토커플러(PC)를 동작시켜 상기 인버터부의 스위칭 주파수를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 역결선 검출부는 상기 역결선 검출용 권선에 제3 임계값 이상의 전압이 인가되면, 다이오드(D8)를 통해 정류된 전압이 제너다이오드(D7)을 초과하여 인버터부에 공급되어 상기 인버터부의 정상 동작 기준치를 초과하면 인버터부의 동작이 정지되는 것을 특징으로 한다.

상기 역결선 검출부는 엘이디 컨버터 회로의 출력선이 단락된 경우에 상기 역결선 검출용 권선에 제3 임계값 이상의 전압이 인가되면, 다이오드(D8)를 통해 정류된 전압이 제너다이오드(D7)을 초과하여 인버터부에 공급되어 상기 인버터부의 정상 동작 기준치를 초과하면 인버터부의 동작이 정지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로는 LED 램프의 구동에 적합한 직류 전압 및 직류 전류를 유지할 수 있고, LED 조명 산업 분야에 적합한 안정적인 하프 브리지의 인터버 구동 IC를 적용하여 LED 컨버터의 효율을 극대화시킬 수 있으며, LED 컨터버 회로의 출력단의 과전압 또는 과전류에 대한 보호 기능을 수행할 수 있으며, LED 램프와 LED 컨버터 회로의 역결선시 가로등, 보안등, 고천장등 등의 LED 램프와 LED 컨버터 회로가 소손되는 것을 방지하여 신뢰성이 매우 향상될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 전자식 LED 컨버터 회로를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 구성요소인 트랜스포머(T1)의 1차측과 2차측의 전압 스위칭 파형을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로를 설명하는 회로도이다.
도 5는 도3의 변압부(T2)의 1차측과 2차측의 전압 스위칭 파형을 설명하는 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로와 엘이디 램프의 결선 상태를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6의 결선 상태에 따른 LED 칩의 내부 상태를 설명하는 회로도이다.
도 8은 도 3 및 도 4의 과전압 검출부와 피드백제어부의 구성을 설명하는 회로도이다.
도 9는 도 3 및 도 4의 역결선 검출부의 구성을 설명하는 회로도이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로의 구성을 설명하는 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로를 설명하는 회로도이며, 도 5는 도3의 변압부(T2)의 1차측과 2차측의 전압 스위칭 파형을 설명하는 파형도이다.

도 3을 참고하면, 노이즈제거부(201), 정류부(202), 역률 개선부(203), 평활부(204), 인버터부(205), 2차 출력부(206), 결선부(207), 과전압 검출부(208), 피드백 제어부(209) 및 역결선 검출부(210)를 포함한다.

노이즈 제거부(201)는 EMI 필터로서 입력 교류 전원에 포함된 노이즈를 제거하고, 정류부(202)는 AC/DC 컨버터로서 노이즈 제거부(201)에서 노이즈 제거한 입력 교류 전원을 전파 정류하여 직류 전압으로 변환한다.

역률 개선부(203)는 정류부(202)를 통해 공급되는 직류 전압을 능동형 역률 집적소자(U1) 및 스위칭 소자(Q1)을 이용하여 온/오프 동작함으로써 온 동작의 경우에 변압부(T2)에 에너지를 축적하고, 오프 동작의 경우에 축적된 에너지를 방전하며, 온/오프 비율을 변경하여 UDRBS화하는 방식으로 일정한 정전압으로 유지시킨다.

평활부(204)는 역률 개선부(203)에서 출력되는 정전압을 평활화한다.

인버터부(205)(205)는 하프브리지 인버터 구동 IC(High-Voltage resonant controller)(U3)의 스위칭 주파수에 따라 직류 전압을 고속으로 교번 스위칭하여 구형파의 교류 전압으로 변환한다.

2차 출력부(206)는 인버터부(205)에서 변환하여 출력되는 구형파의 교류 전압을 변압부(T2)의 1차측 권선 및 콘덴서(C21)를 통해 LC 공진회로를 구성하고, 변압부(T2)의 2차측 권선으로 유기된 구형파 교류 전압을 다이오드(D9, D10)을 통해 정류하며, 전해 콘덴서(C24)로 평활되어 직류 전압을 출력한다.

결선부(207)는 엘이디 램프(100)의 양극선과 양(positive) 결선되고, 음극선과 음(negative) 결선하여 연결한다.

과전압 검출부(208)는 결선부(207)가 오픈(Open) 상태 또는 구동용 직류 전압이 제1 임계값 이상인 경우에, 인버터부(205)로 공급되는 기준 전압(5V)을 제1 기준 전압(예를 들어, 3V)으로 다운시켜 변압부(T2)의 1차측 권선에 평상시 전류보다 낮은 제1 전류가 흐르도록 하여 엘이디 램프(100) 및 엘이디 컨버터 회로(200)를 보호한다.

피드백 제어부(209)는 엘이디 램프(100)가 점등된 후에 전류 센싱 저항(R25)을 통해 동작 전압을 감지하고, 감지한 동작 전압이 제2 임계값 이상인 경우에 인버터부(205)의 스위칭 주파수를 조절하여 일정한 전류를 유지하도록 한다.

역결선 검출부(210)는 변압부(T2)의 2차측 권선에 역결선 검출용 권선을 추가하고, 역결선 검출용 권선에 제3 임계값 이상의 전압이 인가되면 역결선 상태를 검출하며, LED 컨버터 회로(200) 및 LED 램프의 소손을 방지하기 위해 인버터부(205)의 동작을 정지시킨다.

도 5에 도시된 바와 같이, 평활부(204)에서 출력되는 직류전압은 포락 파형이 거의 없는 직류(DC) 정전압을 하프브리지의 인버터 구동IC(U3)의 신호를 받아 고속으로 교번 스위칭하여 구형파의 교류전압으로 변환한 후 변압부(T2) 1차측 권선과 공진콘덴서(C21)를 통해 1차측 전압을 공진하면 2차 출력부(206)의 2차측 권선비에 따라 포락 파형이 거의 없는 낮은 구형파 교류 전압이 유기된다.

포락 파형이 거의 없는 낮은 구형파 교류전압(120kHz)을 쇼트키 다이오드(Schottky rectifier)(D9,D10)로 정류하여 평활하는데, 이때 적은 용량의 평활용 전해콘덴서(C24)로도 스트레스 및 발열이 적어 수명 또한 길게 유지 가능하다.

2차 출력부(206)의 전해콘덴서(C24)에서 평활된 직류전압은 노이즈필터(LF4)를 통해 노이즈를 제거하고, 결선부(207)와 연결된 LED램프를 구동시킨다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로와 엘이디 램프의 결선 상태를 설명하는 도면이고, 도 7은 도 6의 결선 상태에 따른 LED 칩의 내부 상태를 설명하는 회로도이다.

도 6 및 도 7을 참고하면, LED 컨버터 회로(200)와 LED램프(100)의 양극(+)선과 음극(-)선이 정상적으로 연결된 경우에 정상 결선 상태이고(a), LED 컨버터 회로(200)와 LED램프(100)의 양극(+)선과 음극(-)선이 서로 반대로 연결된 경우에 역결선 상태(b)이다.

도 7에 도시된 바와 같이, LED 컨버터 회로의 양(+) 전압이 LED 램프(100)의 음극(-) 선으로 입력되면 LED칩에 역전압이 걸린다. 마이너스(-) 단자에서 제너다이오드를 통해 플러스(+)단자로 역전류가 흐르게 되어 LED 램프(100)의 부하전압은 떨어지고 큰 역전류에 의해 LED칩이 소손된다. 또한, LED 컨버터 회로(200)의 변압부(T2)의 2차측 권선도 과열로 인해 코일 절연이 파괴될 가능성이 높다.

기존에는 역결선에 따른 불량을 방지하기 위해 엘이디 컨버터 회로(200)의 출력선이나 LED램프의 입력선에 다이오드를 연결하여 역결선시 역전류가 흐르지 않도록 했으나 소비전력이 적은 경우에만 적용할 수 있으며, 100와트급 이상의 소비 전력에서는 많은 전류가 흘러 다이오드를 적용하기가 사실상 어렵다.

도 8은 도 3 및 도 4의 과전압 검출부와 피드백 제어부의 구성을 설명하는 회로도이다.

도 8을 참고하면, LED 램프(100), 즉 부하가 없거나 연결이 제대로 안된 상태에서 엘이디 컨버터 회로(200)에 입력 교류 전원이 투입될 경우에, 2차 출력부(206)와 LED램프(100)가 연결되는 결선부(207)에는 변압부(T2)의 특성에 의해 무부하 회로 전압(Open circuit voltage)이 높게 올라가고, 변압부(T2)의 1차측 권선과 공진콘덴서(C21)간의 공진 주파수가 틀어지면서 스위칭소자(Q2, Q3)에 스위칭손실이 발생하여 과열 소손될 수 있다.

이를 방지하기 위해, 과전압 검출부(208)는 인버터부(205)의 인버터 구동 IC(U3)의 주파수 발생 단자인 4번핀의 기준 전압(5V)을 2V 정도 다운시켜 제1 기준 전압(3V)을 다운시켜 인버터부(205)를 보호하는 동작을 수행한다.

이러한 과전압검출부(208)는 무부하 상태시 출력 전압이 올라가면 제너 다이오드(ZD2)에 역전압이 걸리고, 이 역전압이 제너 다이오드를 넘어가면 포토커플러(PC)가 동작하여 인버터 구동 IC(U3)의 기준 전압을 제1 기준 전압으로 떨어뜨려 인버터 구동IC(U3)가 동작을 정지하도록 한 후 다시 리스타트(Re-start)하는 동작을 반복하여 스위칭소자(Q2, Q3)의 과열 및 소손을 방지한다.

LED 칩의 고유한 특성 중 하나는 LED칩의 온도에 따라 동작 전압(Vf)이 변하고, LED 칩의 전압 변동 특성은 온도가 높을수록 동작전압(Vf)은 낮아지고, LED칩에 흐르는 순방향 전류(If)는 증가하게 된다. 이때, LED칩의 허용전류치를 정격전류라 하며, 정격전류 값을 초과하면 과열로 인해 LED 칩이 소손된다.

이러한 LED 칩의 전압 변동 특성을 방열 설계 만으로는 해결할 수 없으며, 방열구조가 커짐에 따라 가격이 상승될 우려가 있다. 따라서, LED 칩이 배열되는 PCB(기판)에 정격전류를 유지하는 회로를 설치하거나, LED 램프에 전원을 공급하는 LED 컨버터 회로(200)에 일정한 전류를 공급하는 기능을 추가하여 안정적으로 동작시킬 수 있다.

이를 구현하기 위해 , 피드백 제어부(209)는 LED 컨버터 회로(200)의 출력전류를 일정하게 유지시키기 위해 전류 센싱 저항(R25)을 지나는 전류로 인해 전압(Vf)= 전류(If) × 저항(R)의 관계에 따라 전류 센싱 저항(R25)에 전압이 걸린다.

LED 램프의 점등 후 LED 칩의 온도가 서서히 올라가는 만큼 LED칩에 흐르는 순방향 전류(If)가 증가하게 되면 전류 센싱 저항(R25)에 걸리는 전압이 올라가게 되고, 연결 회로에 따라 연산증폭기(U2)의 제1 단자인 3번핀 전압이 제2 단자인 2번핀 전압보다 높아지짐에 따라 제3 단자인 1번핀 전압이 증폭되어 다이오드(D12)를 통해 포토커플러(PC)를 동작시키게 된다.

피드백 제어부(209)는 포토커플러가 동작되면서 인버터 구동 IC(U3)의 4번핀의 기준 전압이 밀리볼트(mV) 단위로 2V 범위 내에서 상승 또는 하강시킴으로써 인버터부(205)의 스위칭 주파수를 정밀하게 제어 가능하다. 따라서, 피드백 제어부(209)는 LED칩의 온도상승에 따른 순방향 드전류(If)가 증가하는 특성을 일정하게 유지시킬 수 있다.

피드백 제어부(209)는 기존의 피드백 제어부와 다르게 션트레귤레이터(Shunt Regulator)(U2)를 사용하지 않고도 전류 피드백 기능을 구현할 수 있는데, 이는 역률 개선부(203)와 평활부(204)를 통해 정밀한 정전압 회로를 구현하고, 인버터부(205)의 하프브리지의 구동IC(U3)를 적용하여 기준 전압을 2V 범위에서 스위칭 주파수를 정밀하게 제어 가능하기 때문이다.

도 9은 도 3 및 도 4의 역결선 검출부의 구성을 설명하는 회로도이다.

LED 램프의 출력선은 직류이므로 양극선과 음극선이 구분되어 2차 출력부(206)의 양극선과 음극선이 정상적으로 결선되어야 한다. 그런데, 엘이디 컨버터 회로(200)와 LED 램프(100)가 역결선된 경우에, 제너다이오드에 부하가 걸려 높은 발열로 소손되고, 변압부(T2)의 코일 권선이 발열로 소손될 수 있다.

도 9를 참고하면, 역결선 검출부(210)는 변압부(T2)에 역결선 검출용 권선을 추가하여 역결선시 높은 전압이 인가되고, 다이오드(D8)을 통해 정류된 전압이 제너다이오드(D7)을 넘어가면 인버터 구동 IC(U3)의 6번핀에 전압이 걸리고, 인버터 구동 IC(U3)의 정상 동작 기준치를 초과하면 인버터 구동 IC(U3)는 동작을 정지한다.

즉, 역결선 검출부(210)는 엘이디 컨버터 회로(200)와 LED 램프(100)가 역결선시 출력전압이 떨어지면서 큰 역전류가 흐르게 되어 인버터부(205)의 스위칭 주파수가 정상 동작 기준치를 초과하면서 아주 짧은 시간(수msec) 이내에 변압부(T2)의 Ta 권선에 정상 결선시 보다 높은 피크성 교류전압이 유기되고, 저항(R2)을 통해 다이오드(D8)을 지나면서 직류전압으로 정류되며, 병렬회로인 콘덴서(C20)와 저항(R24)을 지나면서 피크성 노이즈가 제거되고, 제너다이오드(D7)의 설정된 전압을 초과하면 콘덴서(C19)와 저항(R23)으로 패턴 노이즈를 제거한 후 인버터 구동 IC(U3)의 6번(OCP, overcurrent protection) 핀에 제3 임계값인 1.5V이상 전압이 걸리면 인버터 구동 IC(U3)가 셧다운(shutdown)되어 LED 컨버터 회로(200)의 동작이 멈추게 되면서 LED 컨버터 회로(200)와 LED램프(100)를 보호할 수 있게 된다.

또한, 역결선 검출부(210)는 LED 컨버터 회로(200)의 출력선이 단락된 경우에도 같은 동작을 하여 LED 컨버터 회로(200)를 안전하게 보호하는 기능을 수행한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : LED 램프 200 : LED 컨버터 회로
201 : 노이즈제거부 202 : 정류부
203 : 역률 개선부 204 : 평활부
205 : 인버터부 206 : 2차 출력부
207 : 결선부 208 : 과전압 검출부
209 : 피드백 제어부 210 : 역결선 검출부

Claims

입력 교류 전원을 직류 전압으로 변환 출력하는 정전압 회로부, 상기 직류 전압을 고속 교번 스위칭 동작을 통해 구형파의 교류 전압으로 변환 출력하는 인버터부 및 상기 구형파의 교류 전압을 적어도 하나 이상의 엘이디 램프를 구동시키기 위한 구동용 직류 전압으로 변환 출력하는 변압부를 포함하는 엘이디 컨버터 회로에 있어서,
상기 엘이디 램프와 양(positive) 결선 및 음(negative) 결선하여 연결되는 결선부;
상기 결선부가 오픈(Open) 상태 또는 상기 구동용 직류 전압이 제1 임계값 이상인 경우에, 상기 인버터부로 공급되는 기준 전압을 제1 기준 전압으로 다운시켜 상기 변압부의 1차측 권선에 평상시 전류보다 낮은 제1 전류가 흐르도록 하여 상기 엘이디 램프를 포함한 회로 전체를 보호하는 과전압 검출부;
상기 엘이디 램프가 점등된 후에 전류 센싱 저항을 통해 동작 전압을 감지하고, 상기 감지한 동작 전압이 제2 임계값 이상인 경우에 상기 인버터부의 스위칭 주파수를 조절하여 일정한 전류를 유지하도록 하는 피드백 제어부; 및
상기 변압부의 2차측 권선에 역결선 검출용 권선을 추가하고, 상기 역결선 검출용 권선에 제3 임계값 이상의 전압이 인가되면, 다이오드(D8)를 통해 정류된 전압이 제너다이오드(D7)을 초과하여 인버터부에 공급되어 상기 인버터부의 정상 동작 기준치를 초과하면 인버터부의 동작을 정지시키는 역결선 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로.
제1항에 있어서,
상기 과전압 검출부는,
상기 엘이디 램프의 구동 전압에 맞도록 제너 다이오드(ZD2)를 설정하고, 상기 제너 다이오드(ZD2)에 역전압이 감지되면 무부하 상태임을 감지하며, 상기 역전압에 의해 포토커플러(PC)가 동작되어 상기 인버터부의 기준 전압을 제1 기준 전압으로 다운시켜 상기 인버터부의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로.
제1항에 있어서,
상기 정전압 회로부는,
입력 교류 전원에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부;
상기 노이즈 제거한 입력 교류 전원을 전파 정류하여 직류 전압으로 변환하는 정류부;
상기 정류부를 통해 공급되는 직류 전압을 정전압으로 유지시키는 역률 개선부; 및
상기 역률 개선부에서 출력되는 정전압을 평활화하는 평활부를 포함하는 것을 특징으로 하는 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로.
제1항에 있어서,
상기 인버터부는 하프 브리지의 인버터 구동 IC(High-Voltage resonant controller)를 포함하여 고전력용 엘이디 램프에 적용하는 것을 특징으로 하는 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로.
제1항에 있어서,
상기 피드백 제어부는,
상기 전류 센싱 저항을 통해 감지한 동작 전압이 연산 증폭기의 제1 단자로 입력되고, 상기 연산 증폭기의 제2 단자로 구동용 직류 전압이 입력되며, 상기 제1 단자의 입력 전압이 상기 제2 단자의 입력 전압 이상일 경우에 상기 연산 증폭기의 제3 단자로 출력되는 전압이 증폭되어 다이오드(D12)를 통해 포토커플러(PC)를 동작시켜 상기 인버터부의 스위칭 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로.
삭제
제1항에 있어서,
상기 역결선 검출부는 엘이디 컨버터 회로의 출력선이 단락된 경우에 상기 역결선 검출용 권선에 제3 임계값 이상의 전압이 인가되면, 다이오드(D8)를 통해 정류된 전압이 제너다이오드(D7)을 초과하여 인버터부에 공급되어 상기 인버터부의 정상 동작 기준치를 초과하면 인버터부의 동작이 정지되는 것을 특징으로 하는 역결선 보호용 엘이디 컨버터 회로.