KR101574942B1 - 에너지 재활용 고역률 led 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 교류 입력 전원을 정류하여 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부로부터 공급된 전원에 의해 점등하는 적어도 하나의 LED(Light emitting diode) 램프; 상기 LED와 연결되는 충전용 콘덴서; 상기 충전용 콘덴서와 직렬 연결되는 충전 전류 제어부; 및 상기 LED와 직렬 연결되며, 상기 충전용 콘덴서 및 상기 충전 전류 제어부와 병렬 연결되는 메인 전류 제어부;를 포함하며, 상기 충전 전류 제어부는, 상기 LED에 인가된 전압이 LED 구동 임계 전압을 초과할 경우, 상기 공급된 전원의 적어도 일부를 상기 충전용 콘덴서에 충전시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, LED 종단의 손실 에너지를 재활용함으로써 역률(PF)과 효율을 개선할 수 있으며, EMI와 플릭커링(Flickering)을 최소화한 간결한 구동 구조를 제공할 수 있는 이점이 있다.

Description

에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING LEDS HAVING A HIGH POWER FACTOR BY REUSE OF ENERGY}
본 발명은 LED(Light emitting diode) 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 LED로 공급되는 에너지를 재사용하여 고역률의 LED 제어를 할 수 있는 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 LED(예컨대, LED 램프 등)를 구동하기 위해서는 LED 드라이버(Driver) 또는 LED 파워 서플라이(Power Supply)가 필요하다. 전통적인 AC-DC 파워 서플라이와 DC-DC 컨버터는 출력에 정전압(Constant-voltage)을 공급하는 형태이다. 그러나, LED는 정전류(Constant-current)로 구동할 때 가장 효율적이고 안정되게 동작한다. 따라서, LED를 구동하기 위해서는 고주파 스위칭 기술인 SMPS(Switching Mode Power Supply) 방식을 적용해 정전류(Constant Current) 제어를 한다.
이와 같이 LED는 전류구동 방식이므로 SMPS를 이용한 정전류 구동 방식은 매우 적절한 구동 방식으로 평가받고 있으나 여러 가지 단점을 가지고 있다. 예컨대, 상기 SMPS를 이용한 정전류 구동 방식은 복잡한 회로구조와 인덕터(Inductor), 'Al-Cap' 등과 같은 수동 소자에 의해 크기가 커져 장치에 내장하는 데에 어려움이 있다.
또한, 상기 SMPS를 이용한 구동 방식은 고주파 스위칭으로 인해 유해성 논란이 있는 전자파가 발생하고, 고가의 LED 램프 가격 구조상 LED 드라이버의 가격 구조 개선이 지속적으로 요구되고 있다.
도 1은 종래의 AC 직결 구동 2선식 LED 제어 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 AC 직결 구동 2선식 LED 제어 방식은, LED의 판매 촉진을 위해 약 25%에 달하는 LED 드라이버의 단가를 혁신적으로 개선하고자 접근한 간결한 제어 방식이다. 따라서, 가격적으로는 상당한 매력이 있으나 효율이 너무 낮아 에너지 절감 효과가 적다는 단점이 있다.
또한, 입력 전압 변동에 대한 LED 램프의 밝기(광속) 저하 문제와 높은 입력전압 범위에서는 급격히 효율이 저하되는 문제가 있으며, 역률(PF)과 THDi를 만족하지 못하고 신뢰성적으로도 매우 취약한 문제가 있다.
한편, 효율과 역률(PF)이 개선된 종래의 다른 AC 직결 구동 방식으로서 멀티-탭 제어 방식이 제안되었다. 상기 멀티-탭 제어 방식은, 도 1과 같은 AC 직결 구동 2선식 제어 방식에서 문제가 된 역률(PF)과 구동효율을 개선하기 위해 제안된 방식으로, LED 발광을 위한 제어 탭을 최대화시킴으로써 역률(PF)과 구동효율을 극대화시킬 수 있다. 그러나, 멀티 탭 제어방식의 회로 연결선이 많아 복잡해 질 수 있고 각각의 제어 그룹 간 구동전류가 달라 가장 전류가 많이 흐르는 1 그룹 LED의 방열 설계 신뢰성에 문제가 있다.
또한 이러한 그룹 간 구동전류 차이에 의해, 각 그룹마다 LED의 밝기가 다를 수 있어 특히 직관형 LED 램프에 적용 시 설계상의 어려움이 많이 있고 광 품질이 떨어질 수 있다. 이에 따라, 고열의 LED 광원(SMD 부품)을 실장 하는 구조상 합리적인 방열설계를 위해서는 복잡한 회로 선을 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서 대부분의 AC 직결 구동 제어기(IC)는 3단 ~ 6단 S/W 제어방식 수준에서 제조, 판매되고 있다. 이는 원래의 목적인 효율 극대화가 어렵고, 구조상으로도 온-보드 실장 형으로 중, 대용량 구동(Driving)이 어려워 소 용량(약 15W 이하)으로 적용을 제한하고 있는 실정이다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 LED에 클램핑(Clamping)된 모든 에너지(예컨대, LED VF 전압보다 높은 전압)는 구동 손실로 작용하기 때문에 입력 전압 변동(사용 권장 전압)을 ±5%로 하고 있는데 안정적으로는 ±10%을 만족해야 한다. 즉, 입력전압 변동에 대한 입력전력과 광속출력 편차에 대한 문제점이 아직 존재하고 있다. 그리고, 제어 탭이 많으면 EMI(Electromagnetic interference) 수치가 상승되어 별도의 EMI-필터를 요구하게 되므로 합리적인 설계가 어렵고 AC 직결 구동 구조상 조명기기의 광학적 깜박임(Flickering)은 현재 지적되고 있는 가장 큰 문제로 설계구조상 개선이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로, 본 발명에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치 및 방법은 LED 부하의 중간 탭(Tap)을 없애고 2 핀으로 LED 부하를 제어할 수 있도록 하며, LED 종단의 손실 에너지와 LED 임계전압 이하의 에너지를 재활용함으로써 역률(PF)과 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치 및 방법은, EMI와 플릭커링(Flickering)을 최소화한 간결한 구동 구조를 가진 고 신뢰성, 친환경 LED 램프를 제공할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치는, 교류 입력 전원을 정류하여 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부로부터 공급된 전원에 의해 점등하는 적어도 하나의 LED(Light emitting diode); 상기 LED와 연결되는 충전용 콘덴서; 상기 충전용 콘덴서와 직렬 연결되는 충전 전류 제어부; 및 상기 LED와 직렬 연결되며, 상기 충전용 콘덴서 및 상기 충전 전류 제어부와 병렬 연결되는 메인 전류 제어부;를 포함하며, 상기 충전 전류 제어부는, 상기 LED에 인가된 전압이 LED 구동 임계 전압을 초과할 경우, 상기 공급된 전원의 적어도 일부를 상기 충전용 콘덴서에 충전시키도록 제어한다.
바람직하게는, 상기 전원 공급부는, 상기 교류 입력 전원을 전파 정류하는 브리지 다이오드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 충전 전류 제어부는, 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭 소자는, 트랜지스터, FET, MOSFET, OP-AMP 및 스위치(switch) 중에서 선택된 어느 하나 이상이다.
바람직하게는, 상기 메인 전류 제어부는, 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭 소자는, 트랜지스터, FET, MOSFET, OP-AMP 및 스위치(switch) 중에서 선택된 어느 하나 이상이다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 LED와 병렬 연결되며, 상기 LED에 인가된 전압이 하강하여 LED 구동 임계 전압 미만일 경우, 상기 전원 공급부의 전류가 상기 충전용 콘덴서로 공급되도록 제어하여 상기 충전용 콘덴서의 2차 충전을 제어하는 2차 충전 전류 제어부;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 2차 충전 전류 제어부는, 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭 소자는, 트랜지스터, FET, MOSFET, OP-AMP 및 스위치(switch) 중에서 선택된 어느 하나 이상이다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 LED와 병렬 연결되어 상기 LED의 플릭커링을 방지하는 제2 콘덴서;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 전원 공급부와 상기 LED 사이에 직렬 연결되어 전원 공급부로부터 입력된 교류 입력 전원을 분배하는 제1 저항;을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 제1 저항과 병렬 연결되어 전원 공급부로부터 입력된 교류 입력 전원을 분배하는 제2 저항; 상기 제2 저항과 직렬 연결되는 제3 저항; 상기 제2 저항의 하단에 인가된 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 충전 전류 제어부로 제어 신호를 제공하는 제1 OP-AMP; 및 상기 제2 저항의 하단에 인가된 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 메인 전류 제어부로 제어 신호를 제공하는 제2 OP-AMP;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 제3 저항과 병렬 연결되어 상기 제3 저항에 인가되는 전압의 리플을 제거하는 제3 콘덴서;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는, 상기 LED와 병렬 연결되고 상기 충전용 콘덴서와 연결되는 방전 전압 제어부;를 더 포함하며, 상기 방전 전압 제어부는, 상기 2차 충전 전류 제어부에 의해 충전용 콘덴서가 2차 충전되고, 상기 LED에 인가된 전압이 재상승하여 미리 설정된 전압값(V3)을 초과하면, 상기 충전용 콘덴서에 충전된 전력과 상기 전원 공급부로부터 공급된 전원이 합쳐져서 상기 LED를 점등시키도록 제어한다.
바람직하게는, 상기 미리 설정된 전압값(V3)은, 상기 LED 구동 임계 전압과 상기 충전용 콘덴서에 2차 충전된 전압 간의 차인 것을 특징으로 한다
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 방법은, 교류 입력 전원에 의해 적어도 하나의 LED를 구동하는, 에너지 재활용 고역률 LED 제어 방법에 있어서, 상기 교류 입력 전원을 정류시켜 상기 LED로 제공하는 단계; 상기 정류된 교류 입력 전원의 제1 사이클 구간에서 상기 LED에 인가된 전압이 LED 구동 임계 전압을 초과하는지 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 LED에 인가된 전압이 LED 구동 임계 전압을 초과할 경우, 상기 LED에 공급된 전원의 적어도 일부를 상기 LED와 연결된 충전용 콘덴서에 1차 충전시키는 제1 동작 모드로 동작하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 교류 입력 전원을 정류시키는 방법은, 브리지 다이오드에 의해 상기 교류 입력 전원을 전파 정류하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 동작 모드 이후에, 상기 정류된 교류 입력 전원의 제1 사이클 구간에서 상기 LED에 인가된 전압의 위상이 90°를 경과하여 전압이 하락할 경우, 상기 충전용 콘덴서의 1차 충전을 종료하는 제2 동작 모드로 동작하는 단계;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 동작 모드 이후에, 상기 LED에 인가된 전압이 하락하여 LED 구동 임계 전압 미만이 될 경우, 상기 정류된 교류 입력 전원의 전류를 상기 충전용 콘덴서에 2차 충전시키는 제3 동작 모드로 동작하는 단계;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제3 동작 모드 이후에, 상기 정류된 교류 입력 전원의 제2 사이클 구간에서 상기 LED에 인가된 전압이 재상승하여 미리 설정된 전압값(V3)을 초과하면, 상기 충전용 콘덴서에 충전된 전력과 상기 정류된 교류 입력 전원이 합쳐져서 상기 LED를 점등시키는 제4 동작 모드로 동작하는 단계;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 미리 설정된 전압값(V3)은, 상기 LED 구동 임계 전압과 상기 충전용 콘덴서에 2차 충전된 전압 간의 차인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, AC 직결 구동 방식에서 LED 부하의 2선 제어가 가능함에 따라 분리형 설계가 매우 용이해지고 드라이버 적용의 범위를 제한 없이 중ㆍ대용량까지 적용할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, LED 종단의 클램핑 전압을 재활용함으로써 역률 저하 문제를 해결(0.9 이상으로 임의 설정 가능)하고, 효율을 향상(약 85% 향상)시키며, 입력 전력 편차를 안정화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, EMI(방사 전자파) 프리와 옵션 선택에 따라 플릭커 퍼센트를 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제어 방식에 따라 LED간 전류와 광속편차 문제를 제로화할 수 있으며, LED를 최적화 적용할 수 있음에 따라 비용 개선 효과를 가져올 수 있다. 아울러, LED 램프의 설계적 신뢰성 또한 안정화시킬 수 있다.
도 1은 종래의 AC 직결 구동 2선식 LED 제어 회로도이다.
도 2는 종래의 AC 직결 구동 2선식 LED 제어 회로에서의 손실 파형을 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 회로의 동작 타이밍도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 회로의 각 동작 모드들에서의 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 절차를 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 실시 예들은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 발명의 실시 예들을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예들의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 발명의 실시 예들에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 실시 예들을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시 예들에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 실시 예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시 예들에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 LED 조명 구동 방식 중 하나인 AC 직결 구동 방식에서, 조명용 발광 LED의 IF 전류, 입력 전력 및 역률(Power Factor) 제어 회로를 제안한다.
본 발명에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치 및 방법은, LED 구동 임계 전압(VF) 보다 높은 종단의 손실에너지 및 LED VF 보다 낮은 비 활용에너지를 재활용함으로써 입력역률(PF)과 전력을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치 및 방법은, 임의(강제적) 충전 에너지를 AC 라인 LED 사이의 직렬선상 어디든지 삽입하고, 전류 피드백 저항 상단에 AC 입력 분배 전압을 삽입함으로써 입력 전압 변동에 대한 입력 전력을 능동적으로 제어할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에서는 LED 구동 회로 상에 콘덴서를 배치하여 LED 종단의 손실에너지를 콘덴서에 축적함으로써 이를 재활용할 수 있도록 한다. 또한, LED 구동 임계 전압 이하에서는 LED가 동작하지 않으므로 임계전압 이하에서 손실되는 에너지를 상기 콘덴서에 2차로 축적함으로써 이를 재활용할 수 있도록 한다. 이와 같이 함으로써, 에너지 재사용이 가능함과 동시에 유해 플리커가 거의 발생하지 않으며, 방사 전자파가 발생하지 않는다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치를 구현한 회로도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 장치는 입력 전원(101) 및 브리지 다이오드(102)를 포함하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부로부터 공급된 전원에 의해 점등되는 LED(106), 상기 LED(106)를 통해 흐르는 전류를 정전류 제어하는 메인 전류 제어부(116), 후술하는 1차 충전 및 2차 충전에 의한 충전 전류를 제어하여 제2 콘덴서(C2)(113)를 충전시키는 충전 전류 제어부(114), 상기 제2 콘덴서(113)의 2차 충전을 제어하는 2차 충전 전류 제어부(110), 상기 회로로 입력되는 메인 전류를 감지하여 각 동작 모드 변경을 위해 각 MOSFET을 제어하는 메인 전류 감지기(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 먼저 입력 전원(Vin)(101)으로는 상용 교류 220V 전원이 공급될 수 있으며, 본 발명의 적용이 상기 전압 크기로 한정되지는 않는다.
상기 입력 전원(101)은 브리지 다이오드(102)를 통해 전파 정류된 후, 제1 저항(R1)(103) 및 제1 다이오드(D1)(104)를 거쳐 적어도 하나의 LED(106)(또는 HV-LED)로 공급된다. 상기 LED(106)는 공급되는 전력의 전압(VIN)이 미리 설정된 LED 구동 임계 전압(LED VF) 이상일 경우 점등될 수 있다. 한편, 상기 입력 전원(101)으로부터 정류된 전원의 전압의 크기는 도 4에서 BD+로 도시된 바와 같이 위상에 따라 달라지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 상기 LED(106)로 공급되는 전원의 전압이 LED 구동 임계 전압(LED VF)을 초과하는 구간에서는 제2 콘덴서(113)에 에너지를 충전하였다가, 이를 LED 구동 전압(LED VF) 미만인 구간에서 방전시킴으로써 에너지를 재사용함과 동시에 역률을 높일 수 있다.
이하에서는 상기 도 3에 도시된 회로의 구체적인 동작을 도 4 및 도 5를 함께 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 회로의 동작 타이밍도이며, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 회로의 각 동작 모드들에서의 전압 및 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
입력 전원(101)이 브리지 다이오드(102)를 통해 전파 정류되고, 전파 정류된 입력 전압(VIN)이 서서히 상승한다. 입력 전압이 LED 구동 임계 전압(VF)에 도달하기 전까지는 LED(106)에 전류가 흐르지 않아 점등이 되지 않는다. 따라서, 제1 MOSFET(115), 제2 MOSFET(117), 제3 MOSFET(108) 및 제4 MOSFET(111)은 전류가 흐르지 않는 오프 상태가 될 수 있다.
상기 입력 전압(VIN)이 계속 상승하여 LED 구동 임계 전압(VF)에 도달하면, 제1 다이오드(D1)(104), LED(106), 제3 다이오드(D3)(112), 제2 콘덴서(C2)(113), 제1 MOSFET(Q1)(115)을 통해 전류가 흐르게 되어 상기 제2 콘덴서(C2)(113)에 1차 충전 전류(Irtc)가 흐르게 된다. 이에 따라, 상기 LED(106)가 점등됨과 동시에 상기 제2 콘덴서(113)에 1차 전압 충전(V1C2=VIN-VLED)이 진행된다. 본 발명에서는 편의상 이를 제1 동작 모드라 지칭하며, 상기 제1 동작 모드에서의 전류 흐름을 개략적으로 표시하면 도 5a와 같이 나타낼 수 있다.
이때, 메인 전류 감지기(130)에서는 제1 동작 모드에서의 LED 점등 및 충전 절차가 정상적으로 진행될 수 있도록 메인 전류(R1, MCS-)를 감지하여 제3 MOSFET(Q3)(108)을 오프시킬 수 있다. 이에 따라, 도 4에도 도시된 바와 같이 Irtdc는 0이 된다. 또한, 상기 메인 전류 감지기(130)는 상기 입력 전압(VIN)이 상승하여 LED 구동 임계 전압(VF)에 도달하는 지를 감지하고, 제1 MOSFET(115) 및 제2 MOSFET(117)을 트리거링(triggering)하여 온 시킴으로써 제1 동작 모드가 진행될 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 제2 콘덴서(C2)(113)는 입력 전압(VIN)이 최대 전압으로 갈수록 콘덴서의 특성상 상기 제2 콘덴서(C2)(113)에 흐르는 충전 전류(Irtc)가 서서히 감소된다. 이에 따라, 상기 충전 전류의 감소와 동시에 제1 다이오드(D1)(104), LED(106), 제2 MOSFET(Q2)(117)으로 흐르는 메인 전류(Im)가 서서히 상승한다. 상기 제1 동작 모드에서 충전이 계속 진행되어 제2 콘덴서(C2)(113)가 1차 충전 완료되면 충전 전류(Irtc)는 흐르지 않고, 메인 전류(Im)만 흐르게 된다. 이때, 상기 회로는 제1 동작 모드(1차 충전 진행 및 점등)에서 제2 동작 모드(1차 충전 완료 및 점등)로 전환된다. 이와 같은, 동작 모드의 전환은 도 4에 도시된 바와 같이 입력 전압의 위상이 90°일 경우 발생할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 동작 모드에서는 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 다이오드(D1)(104), LED(106), 제2 MOSFET(Q2)(117)을 통해 메인 전류(Im)가 흐르게 되어 상기 LED(106)가 점등된다. 그러나, 상기 제2 콘덴서(113)에 1차 충전이 완료되었으므로 충전 전류(Irtc)가 흐르지 않게 된다. 이때, 상기 제1 MOSFET(Q1)(115) 및 제2 MOSFET(Q2)(117)는 온 상태를 유지하며, 상기 제3 MOSFET(Q3)(108) 및 제4 MOSFET(Q4)(111)은 오프 상태를 유지할 수 있다.
한편, 상기 제2 동작 모드에서 LED(106)에 인가되는 전압의 위상이 90° 이후 상기 전압은 서서히 하락하며, 상기 전압이 다시 LED 구동 임계 전압(LED VF)에 도달하면, 메인전류(Im)는 서서히 감소하게 되어, 제3 동작 모드로 전환된다.
상기 제3 동작 모드에서는 본 발명의 실시 예에 따라 제2 콘덴서(C2)(113)에 2차 충전이 진행될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 제3 동작 모드에서는 제4 MOSFET(Q4)(111)을 온 시킴으로써 2차 충전 전류(Iftc)가 제2 콘덴서(C2)(113)로 제공되도록 할 수 있다. 제2 콘덴서(C2)(113)는 상기 제4 MOSFET(Q4)(111)을 통해 흐르는 2차 충전 전류(Iftc)를 제공받아 2차 충전될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 콘덴서(C2)(113)는 충전 전압이 1차 충전 전압(V1C2)에서 2차 충전 전압(V2C2)으로 상승될 수 있다.
한편, 상기 제4 MOSFET(Q4)(111)이 온(ON) 상태로 전환되도록 트리거링하는 방법은 본 발명의 실시 예에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 예컨대, 메인 전류 감지기(130)에서 입력 전압을 감지하고, 상기 입력 전압(VIN)이 폴링되어 LED 구동 임계 전압(LED VF) 아래로 낮아질 경우, 상기 제4 MOSFET(Q4)(111)을 트리거링하여 온시킬 수 있다. 또한, 다른 실시 예에 따라 상기 메인 전류 감지기(130)에서 감지하지 않고, 타이머를 동작시켜, 미리 설정된 시간이 경과할 경우, 상기 제4 MOSFET(Q4)(111)을 온 상태로 트리거링하도록 구현할 수도 있다.
따라서, 도 5c에 도시된 바와 같이 상기 제4 MOSFET(Q4)(111)이 온 상태가 되어, 제4 MOSFET(Q4)(111)을 통해 2차 충전 전류(Iftc)가 흐르면, 상기 2차 충전 전류(Iftc)가 제2 콘덴서(C2)(113)로 공급되어 2차 충전이 진행될 수 있다. 상기 2차 충전은 증가되고 있는 제2 콘덴서(C2)(113)의 충전 전압(V2C2)과 폴링(falling)되는 입력 전압(VIN)이 동일한 전압(V1)이 될 때까지 진행될 수 있다. 이에 따라, 상기 충전 전압과 입력 전압이 같아지는 시점에 지연 동작 중인 제1 MOSFET(Q1)(115)을 오프시킬 수 있다. 또한, 다른 방법으로서 상기 제4 MOSFET(Q4)(111)이 온 상태가 된 이후, 일정 시간 이후에 오프되도록 구현할 수도 있다.
이와 같이, 제4 MOSFET(Q4)(111) 또는 제1 MOSFET(Q1)(115)이 오프 상태가 되면, 제2 콘덴서(C2)(113)로의 전력 공급이 중단되어, 2차 충전이 종료된다. 이에 따라, 제3 동작 모드가 종료될 수 있다.
한편, 상기 제3 동작 모드가 종료되면, 메인 전류 감지기(130)에서는 이를 감지하고(예컨대, 미리 설정된 지연 동작 시간 후) 제1 MOSFET(Q1)(115)을 컷 오프시킨다. 그런 다음, AC 전압 검출기(109)에서는 상기 제1 MOSFET(Q1)(115)이 오프된 상태에서 제3 MOSFET(Q3)(108)을 온 상태가 되도록 트리거링한다. 상기 제3 MOSFET(Q3)(108)을 온 상태로 트리거링하는 시점은 입력 전압(VIN)이 0V가 되는 시점일 수도 있으며, 0V가 되기 직전 시점(예컨대, 50V 지점)이 될 수도 있다.
만약, 상기 제3 MOSFET(Q3)(108)이 온 상태가 되는 시점이 상기 제1 MOSFET(Q1)(115)이 오프가 되는 시점보다 빠를 경우에는 상기 MOSFET들을 통과하는 회로가 쇼트(short) 상태가 되어 문제가 발생할 수도 있다.
따라서, 상기 제3 MOSFET(Q3)(108)을 온 상태로 트리거링하기 전에 상기 제1 MOSFET(Q1)(115)을 오프시키는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 제3 MOSFET(Q3)(108)와 Irtdc를 포함하여 방전 전압 제어부로 칭하기로 한다.
상기와 같이 입력 전압이 계속 하강하여 0V가 된 후, 다시 2차 사이클(cycle)이 시작되어, 입력 전압이 상승하게 되면, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 입력 전압(VIN)이 LED 구동 임계 전압(VF)에 도달하기 전에 상기 제2 콘덴서(C2)(113)에 충전된 전압을 방전시킴으로써, 상기 입력 전압(VIN)이 LED 구동 임계 전압(VF)에 도달하기 전이라도 LED를 점등시킬 수 있다.
한편, 상기 LED를 점등시키게 되는 지점은 제2 사이클이 시작되어 다시 상승된 입력 전압(VIN)과 상기 제2 콘덴서(C2)(113)에 충전된 충전 전압의 합이 상기 LED 구동 임계 전압(VF)이 되는 시점(V3)일 수 있다.
따라서, 하기 <수학식 1>과 같은 관계가 성립할 수 있다.
Figure 112013119993213-pat00001
이러한 동작 상태를 본 발명에서는 제4 동작 모드라 지칭한다.
따라서, 상기 제4 동작 모드에서는 도 5d에 도시된 바와 같이 제3 MOSFET(Q3)(108)을 통과하는 AC 상승 전압과 제2 콘덴서(C2)(113)의 충전 전압이 합쳐지고, 합쳐진 전압의 전류가 제2 다이오드(D2)(105)를 거쳐 LED(106)로 공급됨으로써 입력 전압 (VIN)이 상기 LED 구동 임계 전압(VF)에 도달하기 전이라도 LED(106)를 점등시킬 수 있다.
한편, 상기 제2 다이오드(D2)(105)를 통해 흐르는 전류는 충전 전류와 합쳐진 전류이므로 입력 전류가 제1 저항(R1)(103) 및 제1 다이오드(D1)를 통해 흐르지는 않게 된다.
또한, 도 3에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따라 입력 전압이 제2 저항(R2)(118) 및 제3 저항(R3)(121)으로 분배됨으로써 입력 전압의 전력 제어가 가능해질 수 있다. 이에 따라, AC 입력 전압 변동에 대한 입력 전력 편차를 개선할 수 있다. 이때, 상기 제3 저항(R3)(121)과 병렬 연결된 제3 콘덴서(C3)(122)는 상기 제3 저항(R3)(121)에 인가되는 전압의 리플(ripple)을 제거하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 제2 저항(R2)(118) 및 제3 저항(R3)(121)으로 분배된 입력 전압은 각각 제1 OP-AMP(U1A)(119) 및 제2 OP-AMP(U1B)(120)의 기준 전압으로 사용될 수 있다. 따라서, 메인 전류 감지기(130)에서는 입력 전압을 감지하여 상기 각 OP-AMP(119, 120)들로 입력시킴으로써 입력 전압에 따라 제1 MOSFET(Q1)(120) 및 제2 MOSFET(Q2)(117)이 온/오프 되도록 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 제1 MOSFET(Q1)(120) 및 제2 MOSFET(Q2)(117)의 하단에는 각각 제5 저항(R5)(123) 및 제4 저항(R4)(124)을 더 구비할 수 있다. 상기 제5 저항(R5)(123) 및 제4 저항(R4)(124)은 션트 레지스터(shunt registor)로서의 기능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 LED(106)와 병렬 연결된 제1 콘덴서(C1)(107)는 상기 LED(106)가 입력 전압의 사이클에 따라 점등 및 소등됨으로 인해 발생하는 플릭커링(flickering) 현상을 최소화시키는 기능을 제공할 수 있다.
이상으로 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 장치의 예로서 에너지 재활용 고역률 LED 제어 회로를 설명하였다. 상기 도 3의 회로는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예를 나타낸 것이며, 본 발명의 개념을 적용하여 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 상기 도 3에서 각 MOSFET들은 다양한 다른 유형의 소자들(예컨대, 스위칭 소자(switching element))로 대체될 수 있다. 예컨대, 트랜지스터, FET, OP-AMP, 스위치(switch) 등과 같이 동일 또는 유사한 기능(예컨대, 스위칭 기능 또는 정전류 제어 기능 등)을 제공할 수 있는 어떠한 소자들로도 대체될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 회로도이다. 도 6을 참조하면, 상기 도 3의 회로는 본 발명의 실시 예에 따라 도시된 바와 같이 다양하게 변형될 수 있다. 상기 도 6에 도시된 변형된 실시 예에 동작은 상기 도 3의 각 동작 모드들에 따른 동작들과 유사하게 동작하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이하에서는, 상기 도 6의 실시 예로 구현할 때, 각 동작 모드에서의 전류 흐름에 대해 간략히 설명하기로 한다.
먼저, 제1 동작 모드에서는 브리지 다이오드(202)를 통해 전파 정류된 입력 전압(201)에 의한 전류가 제1 다이오드(204), 제2 콘덴서(205), 제2 다이오드(206), LED(208) 및 제2 MOSFET(211)을 통해 흐르게 된다. 이에 따라, 도 3의 설명에서 상술한 바와 같이 상기 입력 전압(201)이 상승하여 LED(208)의 구동 가능한 임계 전압에 도달할 경우 상기 LED(208)를 점등시킨다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 제2 콘덴서(205)의 충전도 동시에 진행될 수 있다. 이때, 제4 MOSFET(210)은 오프 상태를 유지할 수 있다.
다음으로, 제2 동작 모드가 되면 제어기(220)가 제1 스위치(SW1)(203)를 온시킴으로써 입력 전류가 제1 스위치(203)를 통해 제2 다이오드(206)로 직접 전달된다. 따라서, 브리지 다이오드(202)를 통해 전파 정류된 입력 전압(201)에 의한 전류는 제1 스위치(203), 제2 다이오드(206), LED(208) 및 제2 MOSFET(211)을 통해 흐르게 된다. 이에 따라, 상기 제2 콘덴서(205)의 1차 충전은 중단된다.
다음으로, 제3 동작 모드가 되면 다시 상기 제1 스위치(203)는 오프 상태가 되고, 제4 MOSFET(210)이 온 상태가 됨으로써 제2 콘덴서(205)의 2차 충전이 진행될 수 있다. 따라서, 브리지 다이오드(202)를 통해 전파 정류된 입력 전압(201)에 의한 전류는 제1 다이오드(204), 제2 콘덴서(205), 제4 MOSFET(210), 제2 MOSFET(211)을 통해 흐르게 된다. 이에 따라, 상기 제2 콘덴서(205)는 2차 충전이 진행될 수 있다.
다음으로, 제4 동작 모드가 되면, 도 3에서 상술한 바와 같이 현재 입력되는 입력 전압에 의한 전류와 제2 콘덴서(205)에 충전된 전압에 의한 방전 전류가 합쳐져 LED(208)를 점등시킬 수 있다. 이때, 상기 제어기(220)는 제1 스위치(203), 제2 스위치(207) 및 제2 MOSFEET(211)을 온 시키고, 제4 MOSFET(210)을 오프시킬 수 있다. 따라서, 브리지 다이오드(202)를 통해 전파 정류된 입력 전압(201)에 의한 전류는 제1 스위치(203), 제2 콘덴서(205), 제2 스위치(207), LED(209) 및 제2 MOSFET(211)을 통해 흐르게 된다. 이에 따라, 상기 제2 콘덴서(205)에 충전된 전류는 방전되고, 상기 입력 전류와 상기 방전 전류가 합쳐져 상기 LED(208)로 공급됨으로써 상기 LED(208)가 점등될 수 있다.
한편, 상기 도 6에 도시된 회로에서 적어도 일부 소자는 생략되거나 다른 소자들로 대체될 수 있다. 예컨대, 상기 제4 MOSFET(210)은 생략되거나 스위치로 대체될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 재활용 고역률 LED 제어 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, VIN이 입력되기 시작(S701)하여 1 사이클 구간에서 점차 증가하면, VIN이 VF(LED 구동 임계 전압)에 도달하는지 여부를 판단(S702)한다. 상기 VIN이 VF에 도달하면, 제1 동작 모드로서 입력된 VIN에 의해 LED가 점등(S703)될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 VIN에서 VF를 초과하는 전력에 대해서는 상기 LED와 연결되는 충전용 콘덴서에 1차 충전(S704)이 이루어질 수 있다.
이와 같이 VIN이 계속 상승하다가 위상이 90°를 초과(S705)하면, 제2 동작 모드로 전환되어, 상기 콘덴서의 1차 충전이 중단(S706)된다.
그런 다음, 상기 VIN이 계속 감소하여 VF 이하로 다시 내려가면(S707), LED로의 전력 공급은 중단되고, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 콘덴서로의 2차 충전이 개시(S708)될 수 있다.
상기 2차 충전이 개시되고 미리 설정된 일정 시간이 경과하거나, 충전 전압(V2C2)이 현재 입력되고 있는 입력 전압(V1)에 도달(S709)하면, 2차 충전이 중단(S710)될 수 있다.
그런 다음, 상기 입력 전압의 1 사이클이 종료되고, 2 사이클이 시작되어, 다시 입력 전압이 상승하면, 상기 입력 전압(VIN)을 측정하고, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 입력 전압 VIN이 VF에 도달하기 전에 상기 충전된 전력을 이용하여 LED를 점등시킬 수 있다. 예컨대, 입력 전압 VIN이 미리 설정된 V3에 도달(S711)하면, VF에 도달하기 전이라도 콘덴서의 충전 전력과 합쳐서 LED를 점등(S712)시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술분야에 있어 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수 있다.
101 : 입력 전압(Vin) 102 : 브리지 다이오드(BD1)
103 : 제1 저항(R1) 104 : 제1 다이오드(D1)
105 : 제2 다이오드(D2) 106 : LED
107 : 제1 콘덴서(C1) 108 : 제3 MOSFET(Q3)
109 : AC 전압 검출기 110 : 2차 충전 전류 제어부
111 : 제4 MOSFET(Q4) 112 : 제3 다이오드(D3)
113 : 제2 콘덴서(C2) 114 : 충전 전류 제어부
115 : 제1 MOSFET(Q1) 116 : 메인 전류 제어부
117 : 제2 MOSFET(Q2) 118 : 제2 저항(R2)
119 : 제1 OP-AMP(U1A) 120 : 제2 OP-AMP(U1B)
121 : 제3 저항(R3) 122 : 제3 콘덴서(C3)
123 : 제5 저항(R5) 124 : 제4 저항(R4)
130 : 메인 전류 감지기

Claims (10)

  1. 교류 입력 전원을 정류하여 공급하는 전원 공급부;
    상기 전원 공급부로부터 공급된 전원에 의해 점등하는 적어도 하나의 LED(Light emitting diode);
    상기 LED와 연결되는 충전용 콘덴서;
    상기 충전용 콘덴서와 직렬 연결되는 충전 전류 제어부;
    상기 충전용 콘덴서 및 상기 충전 전류 제어부와 병렬 연결되고, 상기 LED와 직렬 연결되어서 상기 LED를 통해 흐르는 전류를 정전류 제어하는 메인 전류 제어부;를 포함하며,
    상기 충전 전류 제어부는, 상기 LED에 인가된 전압이 LED 구동 임계 전압을 초과할 경우, 상기 공급된 전원의 적어도 일부를 상기 충전용 콘덴서에 충전시키도록 제어하며,
    상기 LED와 병렬 연결되며, 상기 LED에 인가된 전압이 하강하여 LED 구동 임계 전압 미만일 경우, 상기 전원 공급부의 전류가 상기 충전용 콘덴서로 공급되도록 제어하여 상기 충전용 콘덴서의 2차 충전을 제어하는 2차 충전 전류 제어부;
    상기 LED와 병렬 연결되고 상기 충전용 콘덴서와 연결되는 방전 전압 제어부;를 더 포함하며,
    상기 방전 전압 제어부는, 상기 2차 충전 전류 제어부에 의해 충전용 콘덴서가 2차 충전되고, 상기 LED에 인가된 전압이 재상승하여 미리 설정된 전압값(V3)을 초과하면, 상기 충전용 콘덴서에 충전된 전력과 상기 전원 공급부로부터 공급된 전원이 합쳐져서 상기 LED를 점등시키도록 제어하는, 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미리 설정된 전압값(V3)은, 상기 LED 구동 임계 전압과 상기 충전용 콘덴서에 2차 충전된 전압 간의 차인 것을 특징으로 하는 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 장치는,
    상기 전원 공급부와 상기 LED 사이에 직렬 연결되어 전원 공급부로부터 입력된 교류 입력 전원을 분배하는 제1 저항;을 더 포함하는, 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 장치는,
    상기 제1 저항과 병렬 연결되어 전원 공급부로부터 입력된 교류 입력 전원을 분배하는 제2 저항; 상기 제2 저항과 직렬 연결되는 제3 저항; 상기 제2 저항의 하단에 인가된 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 충전 전류 제어부로 제어 신호를 제공하는 제1 OP-AMP; 및 상기 제2 저항의 하단에 인가된 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 메인 전류 제어부로 제어 신호를 제공하는 제2 OP-AMP;를 더 포함하는, 에너지 재활용 고역률 LED 제어 장치.
  5. 삭제
  6. 교류 입력 전원에 의해 적어도 하나의 LED를 구동하는, 에너지 재활용 고역률 LED 제어 방법에 있어서,
    상기 교류 입력 전원을 정류시켜 상기 LED로 제공하는 단계;
    상기 정류된 교류 입력 전원의 제1 사이클 구간에서 상기 LED에 인가된 전압이 LED 구동 임계 전압을 초과하는지 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 상기 LED에 인가된 전압이 LED 구동 임계 전압을 초과할 경우, 상기 LED에 공급된 전원의 적어도 일부를 상기 LED와 연결된 충전용 콘덴서에 1차 충전시키는 제1 동작 모드로 동작하는 단계;
    상기 제1 동작 모드 이후에, 상기 정류된 교류 입력 전원의 제1 사이클 구간에서 상기 LED에 인가된 전압의 위상이 90°를 경과하여 전압이 하락할 경우, 상기 충전용 콘덴서의 1차 충전을 종료하는 제2 동작 모드로 동작하는 단계;
    상기 제2 동작 모드 이후에, 상기 LED에 인가된 전압이 하락하여 LED 구동 임계 전압 미만이 될 경우, 상기 정류된 교류 입력 전원의 전류를 상기 충전용 콘덴서에 2차 충전시키는 제3 동작 모드로 동작하는 단계;
    상기 제3 동작 모드 이후에, 상기 정류된 교류 입력 전원의 제2 사이클 구간에서 상기 LED에 인가된 전압이 재상승하여 미리 설정된 조건을 만족하면, 상기 충전용 콘덴서에 충전된 전력과 상기 정류된 교류 입력 전원이 합쳐져서 상기 LED를 점등시키는 제4 동작 모드로 동작하는 단계;를 포함하는, 에너지 재활용 고역률 LED 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 미리 설정된 전압값(V3)은, 상기 LED 구동 임계 전압과 상기 충전용 콘덴서에 2차 충전된 전압 간의 차인 것을 특징으로 하는 에너지 재활용 고역률 LED 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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