KR101658052B1

KR101658052B1 - 캐스코드 구조의 발광 다이오드 구동부

Info

Publication number: KR101658052B1
Application number: KR1020137016991A
Authority: KR
Inventors: 재홍 정
Original assignee: 재홍 정
Priority date: 2010-12-11
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2016-09-22
Also published as: WO2012078181A3; WO2012078181A2; US20120146514A1; KR20130117825A; US8890432B2; US20120146522A1; KR101658059B1; WO2012078183A2; WO2012078182A2; US20120146524A1; US8928251B2; KR20130135878A; KR20130117826A; US20120146523A1; WO2012078182A3; US9018856B2; US8598796B2; KR101658054B1; WO2012078183A3; US9144123B2

Abstract

본 발명은 발광다이오드 구동부(10)에 관한 것으로서, n개의 그룹으로 나누어지는 LED스트링, 전기적으로 서로 직렬로 연결되는 상기 n개의 그룹의 LED, 그룹m의 상향 끝단에 전기적으로 연결되는 그룹m-1의 하향 끝단, m은 n보다 작거나 같은 양의 수; 그룹1의 상향 끝단과 결합하여 입력 전압을 제공하는 전원; 및 일단의 해당 그룹의 하향 끝단 및 타단의 그라운드와 결합하고, 감지증폭기 및 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터를 가지는 캐스코드를 포함하는 복수의 전류조절회로를 포함한다.

Description

캐스코드 구조의 발광 다이오드 구동부 {LIGHT EMITTING DIODE DRIVER HAVING CASCODE STRUCTURE}

본 발명은 발광 다이오드 구동부에 관한 것으로, 특히 발광 다이오드의 스트링을 구동하는 회로에 관한 것이다.

저 에너지 소비 개념으로 인해, 발광 다이오드(LED) 램프는 널리 보급되고 있으며 에너지 부족 시대의 조명에 있어서 실용적인 것으로 간주되고 있다. 일반적으로, LED 램프는 LED의 스트링을 포함하여 필요한 광 출력을 제공한다. 상기 LED의 스트링은 병렬 또는 직렬로 배열될 수 있으며 또는 직렬과 병렬의 조합으로 배열될 수 있다. 배열 형태와 무관하게, 적절한 전압 및/또는 전류의 공급은 LED의 효율적 작동에 필수적이다.

주기적인 전원의 응용에 있어서, LED구동부는 시간변환전압을 적절한 전압 및/또는 전류 단계로 변환할 수 있어야 한다. 일반적으로, 상기 전압변환은 AC/DC 변환기로 알려진 회로에 의하여 수행된다. 이러한 변환기는 유도자, 변압기, 축전기 및/또는 기타 구성 요소들을 이용하는 데, 크기가 크고 수명이 짧아서 램프 디자인에 있어서 바람직하지 못한 형태 인자, 높은 제작비 및 시스템 신뢰도의 저하를 가져온다. 따라서, 신뢰성이 있으면서 소형 형태 인자를 가짐으로써 제작비를 낮출 수 있는LED 구동부가 필요하게 되었다.

실시예는 신뢰성 및 구동효율을 향상 시킬 수 있는 발광 다이오드 구동부를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시의 예에 의하면, 발광다이오드(LED)를 구동하는 방법은 전기적으로 서로 직렬로 연결되는 그룹들로 나뉘어지는 LED 스트링을 제공하는 단계; 상기 LED 스트링에 전기적으로 연결되는 전원을 제공하는 단계; 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터를 가지는 캐스코드(cascode) 구조를 포함하는 별도의 전류조절회로를 통하여 상기 각 그룹을 그라운드에 결합시키는 단계; 및 상기 전원으로부터의 입력전압을 증가시켜 하향 순서로 상기 그룹들을 온(on)시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 실시의 예에 의하면, 발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로는 n개의 그룹으로 나누어지는 LED스트링, 전기적으로 서로 직렬로 연결되는 상기 n개의 그룹의 LED, 그룹m의 상향 끝단에 전기적으로 연결되는 그룹m-1의 하향 끝단, m은 n보다 작거나 같은 양의 수; 그룹1의 상향 끝단과 결합하여 입력 전압을 제공하는 전원; 및 일단의 해당 그룹의 하향 끝단 및 타단의 그라운드와 결합하고, 감지증폭기 및 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터를 가지는 캐스코드를 포함하는 복수의 전류조절회로를 포함한다.

본 실시예에 따른 발광 다이오드 구동부는 전류 구동능력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시의 예에 따른 LED 구동부 회로의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따라 트랜지스터를 흐르는 전류를 제어하는 회로의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 과전압 감지기의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 10a 내지 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 입력전원 생성기의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시의 예에 따른 LED 구동부 회로(또는 간략히 구동부라 한다)(10)의 개략적인 다이어그램이 보여진다. 상술한 바와 같이, 상기 구동부(10)는 교류(AC) 전원과 같은 전원에 의하여 전원이 공급된다. 상기 AC 전원으로부터의 전류는 정류 회로에 의해 정류된다. 상기 정류 회로는 브리지 다이오드 정류기와 같이 상기 AC 전원으로부터의 교류 전력을 정류할 수 있는 적절한 정류회로일 수 있다. 상기 정류된 전압 Vrect은 LED의 스트링에 인가된다. 바람직하게는, 상기 AC 전원과 정류기는 직류(DC) 전원으로 대체될 수 있다.

여기에서 사용되는 LED는 전통적인 LED, 초광도 LED, 고광도 LED, 유기LED 등과 같은 많은 다른 종류의 LED들에 있어서 일반적인 용어이다. 본 발명에서의 상기 구동부는 모든 종류의 LED에 적용할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, LED의 스트링은 전기적으로 전원과 연결되고 4개의 그룹으로 나뉘어진다. 그러나, 상기 LED의 스트링은 어느 적당한 숫자의 그룹으로 나뉘어질 수 있음이 당업자에게 자명하다. 각 그룹의 LED들은 같거나 또는 다른 종류의, 이를 테면, 색상과 같은 조합으로 이루어질 수 있다. LED들은 직렬 또는 병렬로 연결되거나 또는 직렬과 병렬을 혼합하여 연결될 수 있다. 또한, 하나 이상의 저항들이 각 그룹에 포함될 수도 있다.

별도의 전류조절회로(또는 간략히 조절회로)는 집합적으로 전류의 흐름 i1을 조절하기 위한 구성 요소의 그룹으로서, LED 그룹 각각의 하향 끝단과 연결되고, 제1 트랜지스터(UHV1), 제2 트랜지스터(M1), 감지증폭기(SA1)를 포함한다. 이하에서는, 트랜지스터라는 용어는 N-채널 MOSFET, P-채널 MOSFET, NPN-양극성 트랜지스터, PNP-양극성 트랜지스터, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate Bipolar Transistor), 아날로그 스위치 또는 계전기를 의미한다.

상기 제1 및 제2 트랜지스터는 전기적으로 직렬연결되어, 캐스코드(cascode) 구조를 이룬다. 상기 제1 트랜지스터는 높은 전압으로부터 상기 제2 트랜지스터를 보호할 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 트랜지스터는 그 기능이 상기 제2 트랜지스터를 보호하는 것으로 한정하지 않을지라도 이하에서 보호 트랜지스터로 부른다. 상기 제2 트랜지스터의 주된 기능은 상기 전류i1을 조절하는 것을 포함하고, 그것으로써 상기 제2 트랜지스터는 이하에서 조절 트랜지스터로 부른다. 상기 보호 트랜지스터는, 예를 들면, 상기 조절 트랜지스터 M1이 저전압(LV)트랜지스터, 중전압(MV) 트랜지스터 또는 고전압(HV) 트랜지스터일 수 있으며 상기 보호 트랜지스터보다 낮은 파괴전압을 가지는 반면, 500V의 높은 파괴전압을 가지는 초고압 (UHV) 트랜지스터이다. N1 과 같은 노드는 상기 보호 트랜지스터의 소스가 상기 조절 트랜지스터의 드레인에 연결되는 지점이다.

상기 감지증폭기(SA1)는 연산증폭기일수 있으며, 전압V1과 기준전압 Vref을 비교하고 상기 조절 트랜지스터의 게이트에 입력되는 신호를 출력하여, 상기 캐스코드와 저항 R1, R2, R3, R4를 흐르는 전류 i1 의 피드백제어를 형성한다. 상기 보호 트랜지스터의 게이트 전압은 상시전압 Vcc2로 설정될 수 있다 (이하에서는, Vcc2는 상시전압을 의미한다). 상기 상시 게이트 전압 Vcc2를 생성하는 메커니즘은 당분야에서 잘 알려져 있으며, 그것으로써 상기 메커니즘에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 기술하지 않는다.

상기한 바와 같이, 각 전류조절회로는 전류 감지 저항기를 거쳐 일단의 해당 LED 그룹의 하향 끝단 및 타단의 그라운드와 전기적으로 연결되어 있다. 전압 V1, V2, V3, V4는 상기 조절 트랜지스터 M1, M2, M3, M4의 하향 끝단에서의 전위를 각각 나타낸다. 따라서, 예를 들면, 전압 V1은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.

V1 = i1*(R1 + R2 + R3 + R4) + i2*(R2 + R3 + R4) + i3*(R3 + R4) + i4*R4

구동부(10)는 정류된 전압Vrect의 준위가 변함에 따라 연속적으로 각 LED그룹을 온/오프할 수 있다. 전원의 전압이 0에서부터 증가하기 시작하면, 정류된 전압 Vrect는 전류가 LED를 흐르게 할 만큼 충분히 높지 않을 수 있다. 이 단계에서, 전압 V1, V2, V3, V4는 기준전압 Vref보다 낮고, 따라서, 감지증폭기 SA1, SA2, SA3, SA4 는 조절 트랜지스터 M1, M2, M3, M4를 각각 온(on)시킨다.

전원의 전압이 전원의 하향 부분에 즉시 위치하는 제1 LED그룹인 LED1 (또는 그룹1)을 온(on) 시키기에 충분하게 증가되면, UHV1, M1, SA1를 포함하는 제1 전류조절회로는 도통되고 상기 전류 i1은 그라운드로 흐른다. 상기 제1 전류조절회로는 정류된 전압 Vrect가 LED1에 전원을 공급하기에 충분한 준위에 도달하기 전, 도달하는 때 또는 도달한 후에 온(on) 될 수 있다는 점을 유의해야 한다. 이와 같은 유추법은 그룹 2~4에 해당하는 다른 조절회로들에도 적용된다. 정류된 전압 Vrect가 LED1에 전원을 공급하기에 충분히 높지만 LED2를 온(on)시키기에 부족한 경우, 감지증폭기 SA1은 전압준위 V1과 기준전압 Vref를 비교하여, 제어 신호를 조절 트랜지스터 M1에 보낸다. 보다 자세하게, 감지증폭기 SA1의 출력 신호는 조절 트랜지스터 M1의 게이트에 입력된다.

정류된 전압 Vrect이 증가함에 따라 LED1과 LED2에 전원을 공급하기에 충분한 준위에 도달한다. 그러면, 제2 조절회로(다시 말해서, UHV2, M2, SA2)는 도통되고, LED1과 LED2는 온(on)된다. 앞서 말한 바와 같이, 제2 전류조절회로는 정류된 전압 Vrect이 LED1과 LED2에 전원을 공급하기에 충분한 준위에 도달하기 전, 도달하는 때 또는 도달한 후에 온(on) 될 수 있다. 감지증폭기 SA2는 전압준위V2와 기준 전압 Vrect를 비교하여 제어 신호를 조절 트랜지스터 M2에 보낸다.

제2 전류조절회로가 온(on)인 경우, 전류 i1이 차단되면(또는 최소 준위로 설정되면) 구동부(10)의 전체 효율은 향상될 것이다. 이는 보다 많은 전류가 LED2를 흐르면 LED2가 더 많은 빛을 생산할 것이고, 전류i1의 차단(또는 감소)은 전류 i1이 LED2로 다시 향하게 하기 때문이다. 구동부(10)에 있어서, 전류i2가 흐르기 시작함에 따라, 전압V1은 보다 더 증가하고 어느 시점에서는 기준전압 Vref를 초과한다. 이 시점에서, 상기 SA1은 M1에 신호를 보내고 이로 인해 전류i1을 차단할 수 있다.

연이은 그룹들에 대해서 같은 유추법이 적용된다. 일반적으로 말해서, 하향 LED 그룹이 온(on)이 되고 상기 하향 그룹과 연결된 전류조절회로가 도통되는 경우, 상향 그룹과 연결된 전류조절회로는 오프(off) (또는 조절회로를 흐르는 전류가 최소 준위로 설정)될 수 있어 구동부(10)의 전체적인 효율을 향상한다.

일단 소스 전압(또는 정류된 전압 Vrect)이 자신의 피크에 도달하고 하강하기 시작하면, 상기 과정은 반대로 진행되어 제1 전류조절회로가 마지막으로 다시 온(on)된다. 상기 소스 전압이 하향 그룹을 온(on)으로 유지하기에 충분하지 않은 준위로 감소하면, 하향 그룹과 연결된 조절회로가 온(on) 상태일지라도 하향 그룹은 자연스럽게 오프(off) 된다는 점을 유의해야 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 각 조절회로는 직렬로 배열되어 캐스코드 구조를 형성하는 UHV1과 M1과 같은 두 개의 트랜지스터를 포함한다. 상기 캐스코드 구조는 전류 싱크(sink)로 구현되는데, 단일 트랜지스터 전류 싱크에 비해 다양한 장점을 가진다. 첫째, 전류구동능력을 향상시킨다. 전류 싱크에 대해 설계된 포화 영역에서 작동하는 경우, LV/MV/HV NMOS의 전류구동능력(Idrv)는 UHV NMOS보다 훨씬 우수하다. 예를 들면, 일반적인 UHV NMOS 의 전류구동능력(Idrv)이 10 ~ 20 ㎂/㎛인 반면, 일반적인 LV NMOS의 전류구동능력(Idrv)는 500 ㎂/㎛이다. 따라서, 동일한 양의 전류의 흐름을 조절하기 위하여, 칩상에서 UHV NMOS의 필요한 투사영역은 적어도 LV NMOS의 20배 이상이다. 또한, 일반적인 LV NMOS의 최소 채널 길이가 0.5 ㎛인 반면, 일반적인 UHV NMOS의 최소 채널 길이는 20 ㎛이다. 그러나, 일반적인 LV NMOS는 높은 전압으로부터의 보호를 제공하는 보호 메커니즘이 필요하다. 상기 캐스코드 구조에 있어서, 제2 트랜지스터, 바람직하게 LV/MV/HV NMOS는 전류조절기로 작용하는 반면, 제1 트랜지스터, 바람직하게 UHV NMOS는 보호 트랜지스터로 작용하여, 전류구동능력을 향상시킨다. 단일 UHV MNOS가 전류 싱크로 이용되고 선형 영역에서 작용되는 경우에서는 작용할 상기 보호 트랜지스터는 포화 영역에서는 작용하지 않는다. 이와 같이, 상기 전류구동능력 Idrv는 결정적 설계요소가 아니다. 오히려, 보호 트랜지스터의 저항Rdson이 캐스코드의 UHV NMOS를 설계하는 데 있어서 중요한 요소이다.

둘째, 캐스코드 구조의 직렬 구성에 의하여, 캐스코드 구조의 필요한 전압(전압 준수 또는 전압 여유라고도 알려진)은 단일 UHV NMOS 구성보다 높을 수 있다. 그러나, LED 구동부의 경우, 필요한 전압으로 인한 전력손실은 LED 구동 전압으로 인한 전력손실보다 훨씬 적다. 예를 들면, AC로 구동되는 LED구동부에 있어서, LED 구동 전압(LED의 양(陽)극에 걸리는 전압)은 100 Vmrs에서 250 Vrms의 범위에 이른다. 캐스코드 구조의 필요한 전압은 5V인 반면, 단일 UHV NMOS의 필요한 전압은 2V이라고 가정하자. 이 경우, 효율은 각각 98 ~ 99 % 과 95 ~ 98 %이다. 물론, Rdson 은 감소될 수 있어서 캐스코드 구조의 필요한 전압은 단일 UHV NMOS의 필요한 전압과 거의 동일할 수 있다. 주안점은 캐스코드 구조가 소비하는 추가적인 전력은 사소한 단점이라는 것이다. 만약 효율이 중요한 설계요소라고 하면, 두 개의 UHV NMOS트랜지스터를 이용하는 전류미러(mirror)구성은 트랜지스터의 칩상에서의 넓은 영역으로 인하여 실제로는 가능하지 않은 반면, 캐스코드 구조는 전류미러구성으로 설계될 수 있다.

셋째, 상기 UHV NMOS 와 LV/MV/HV NMOS는 개별적으로 제어되기 때문에, 전류 싱크를 온/오프시키는 것은 상기 캐스코드 구조에서 보다 더 수월하다. 단일 UHV NMOS전류 싱크에 있어서, 전류조절 및 온/오프 작용은 대형 커패시터의 특징을 가지고 있는 UHV NMOS의 게이트를 제어함으로써 이루어져야 한다. 이와 대조적으로, 캐스코드 구조에 있어서는, 전류조절은 LV/MV/HV NMOS을 제어함으로써 이루어질 수 있고 온/오프작용은 게이트에 적용되는 논리연산만을 필요로 하는 UHV NMOS를 제어함으로써 이루어질 수 있다.

넷째, 온/오프시키는 속도는 단일 UHV NMOS 구성보다 캐스코드 구조에서 보다 원활하게 제어된다. 단일 UHV NMOS 구성에 있어서, 전류는 게이트 전압의 제곱함수이므로 전류의 선형제어는 게이트 전압을 제어함으로써 수월하게 이루어질 수 없다. 이에 비해, 캐스코드 구조에서는, LV/MV/HV NMOS의 게이트가 제어되는 경우, 전류는 게이트 전압의 역함수인 저항장치로서 작용하므로, 전류 제어(slewing)는 보다 원활해진다.

다섯째, 캐스코드 구조는 보다 나은 잡음여유도를 제공한다. 전원장치로부터의 잡음은 LED를 통하여 전파될 수 있으며, 이어서 전류조절회로와 결합할 수 있다. 보다 구체적으로, 잡음은 전류조절회로의 피드백루프로 유입된다. 단일 UHV NMOS 구성에 있어서, 이 잡음은 이 루프에 직접 결합된다. 반면에, 캐스코드 구조에 있어서는, 잡음은 LV/MV/HV NMOS의 유효한 저항에 대한 UHV NMOS의 Rdson의 비율에 따라 희석된다.

여섯째, 캐스코드 구조에 의해서 생성된 잡음은 단일 UHV NMOS구성에서의 잡음보다 낮다. 캐스코드 구조에서는 전류제어가 주로 조절 트랜지스터에 의하여 이루어지는 반면, 단일 UHV NMOS구성에서는 전류제어가 UHV NMOS에 의하여 이루어진다. LV/MV/HV NMOS의 게이트 커패시턴스는 UHV NMOS의 게이트 커패시턴스보다 낮기 때문에, 캐스코드 구조에 의해서 생성된 잡음은 단일 UHV NMOS 구성에 의해서 생성된 잡음보다 낮다.

보호 트랜지스터 UHV1 ~ UHV4는 서로 동일하거나 상이할 수 있음을 유의해야 한다. 마찬가지로, 조절 트랜지스터 M1 ~ M4는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 보호 트랜지스터와 조절 트랜지스터에 대한 설명은 설계자의 목적을 충족시키도록 선택될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로(20)의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 구동부 회로(20)는 도 1에서의 구동부 회로(10)과 유사하고, 차이점은 감지기1, 감지기2, 감지기3이 노드 N2, N3, N4에서의 전압을 각각 감지하는데 사용되는 것이다. 예를 들면, 각 감지기는 연산증폭기, 인버터, (논리게이트) 또는 Schmitt 트리거가 될 수 있다. 각 감지기는 신호를 상향LED그룹과 연결된 감지증폭기로 신호를 보내서 전류조절회로를 흐르는 전류를 제어한다. 예를 들면, 정류된 전압 Vrect가 LED1과 LED2를 온(on)시키는 데 충분히 높다면, 감지기1은 노드 N2에서의 전압 준위를 모니터한다. 노드 N2에서의 전압이 더 증가하여 미리 설정한 전압 준위에 도달하면, 감지기1은 감지증폭기SA1으로 신호를 보낸다. 이어서, 감지증폭기 SA1은 조절 트랜지스터 M2의 게이트 전압을 조절하여 전류i1을 오프(off) 시킨다(또는 전류i1을 최소 준위로 설정한다). 일단 Vrect가 피크 준위에 도달하고 하강하면, 상기 과정이 반대로 진행된다.

이와 같은 유추법은 다른 감지기에도 적용된다. 예를 들면, 감지기2는 노드N3에서의 전압 준위를 모니터하고 감지증폭기SA2로 신호를 보내서 전류의 흐름i2를 제어한다. 감지증폭기SA2 역시 기준전압Vref와 전압 V2를 비교하여 조절 트랜지스터 M2의 게이트 전압을 제어함을 유의해야 한다. 이리하여, 감지증폭기SA2는 3 개의 입력 전압(노드N3에서의 전압준위, 조절 트랜지스터M2의 하향 끝단에서의 전압V2, 기준 전압Vref)을 받아 전류흐름i2를 제어한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로(30)의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 구동부 회로(30)는 구동부 회로(20)과 유사하며, 차이점은 감지기1~감지기3으로부터의 신호들이 상향 그룹의 감지증폭기의 기준 전압을 선택하는데 사용된다는 점이다. 예를 들면, 제1 기준 전압Vref1은 제2 기준 전압Vref2보다 낮다. 노드N3에서의 전압 준위가 미리 설정된 준위에 도달하는 경우, 감지기2는 스위치SW2에게 신호를 보내어 기준 전압은 Vref2에서 Vref1으로 스위칭된다. 그러면, 감지증폭기SA2의 출력 신호는 조절 트랜지스터 M2를 오프(off)시키도록 변경된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로(40)의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 구동부 회로(40)는 구동부 회로(10)과 유사하며, 차이점은 감지증폭기SA2의 출력 신호가 상향 감지증폭기SA1으로 입력된다는 점이다. 예를 들면, 전압V2가 미리 설정된 준위에 도달하는 경우, 감지증폭기SA2는 신호를 감지증폭기SA1으로 보내고, 이어서 감지증폭기SA1은 자신의 출력 전압준위를 감소시켜 조절 트랜지스터M1은 전류흐름i1을 오프(off)시킨다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로(50)의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 구동부 회로(50)는 구동부 회로(10)과 유사하며, 차이점은 감지증폭기SA1~SA3의 기준 전압은 Vref1과 Vref2사이에서 스위칭되고 상기 스위칭은 하향 감지증폭기의 출력 신호에 의해서 야기된다는 것이다. 예를 들면, 제1 기준 전압Vref1은 제2 기준 전압Vref2보다 낮다. 전압 V2가 미리 설정된 준위에 도달하는 경우, 감지증폭기SA2는 스위치SW1에 신호를 보내고 감지증폭기SA1의 비반전 전압이 Vref1으로 스위칭된다. 그러면, 비반전 입력으로서 Vref2(또는 Vref1)에 입력되는, 감지증폭기SA1의 출력 전압은 낮아져서 조절트랜지스터M1을 오프(off)시킨다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로(60)의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 구동부 회로(60)는 도2의 구동부 회로(20)과 유사하며, 차이점은 각 감지기의 출력 핀(pin)이 상향 전류조절회로의 제1 트랜지스터의 게이트와 연결된다는 것이다. 각 감지기는 상향 LED그룹과 연결되어 있는 제1(또는 보호) 트랜지스터의 게이트에 출력 신호를 보내어 전류조절회로를 흐르는 전류를 제어한다. 예를 들면, 정류된 전압Vrect가 LED1과 LED2를 온(on) 시키기에 충분히 높은 경우, 감지기1은 노드N2에서의 전압 준위를 모니터한다. 노드N2에서의 전압이 더 증가하여 미리 설정된 전압 준위에 도달함에 따라, 감지기1은 UHV1의 게이트로 출력 신호를 보낸다. 이어서, UHV1은 전류i1을 오프(off)시킨다(또는 전류i1을 최소 준위로 설정한다).

이와 같은 유추법은 다른 감지기에도 적용된다. 예를 들면, 감지기2는 노드N3에서의 전압 준위를 모니터하고 UHV2에 출력 신호를 전송하여 전류의 흐름i2를 제어한다. 마지막LED그룹인 LED4와 연결된 전류조절회로의 제1 트랜지스터인 UHV4는 상시 게이트전압Vcc2를 가짐을 유의해야 한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 LED 구동부 회로(70)의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 구동부 회로(70)은 도1의 구동부 회로(10)와 유사하며, 차이점은 감지증폭기의 출력 핀이 상향 전류조절회로의 제1 트랜지스터의 게이트에 연결되어 상향 전류조절회로를 흐르는 전류를 제어한다는 것이다. 예를 들면, 정류된 전압Vrect 가 LED1과 LED2를 온(on) 시키기에 충분히 높은 경우, 감지증폭기SA2는 UHV1의 게이트에 출력 신호를 전송한다. 이어서, UHV1은 전류i1을 오프(off) 시킨다(또는 전류i1을 최소 준위로 설정한다).

이와 같은 유추법은 다른 감지기에도 적용된다. 예를 들면, 감지기3은 UHV2에 출력 신호를 전송하여 전류의 흐름i2를 제어한다. 마지막LED그룹인 LED 4에 연결된 전류조절회로의 제1 트랜지스터인 UHV4는 상시 게이트전압Vcc2를 가짐을 유의해야 한다.

도 8a는 조절 트랜지스터M을 흐르는 전류i를 제어하기 위한 회로(80)의 개략적인 다이어그램을 보여준다. 회로(80)은 상기 구동부 회로들(10 ~ 70)에 포함된다. 도시된 바와 같이, 감지증폭기SA는 기준 전압Vref와 노드N에서의 전압 준위를 비교하여 조절 트랜지스터M의 게이트로 신호를 전송하여 전류i를 제어한다. 상기 회로(80)의 구성 요소들의 유형과 작동 메커니즘은 도1과 연계하여 상술한다. 예를 들면, 보호 트랜지스터가 UHV NMOS 인 반면, 조절 트랜지스터 M은 LV/MV/HV NMOS일 수 있다. 간결한 설명을 위해서 다른 구성 요소들의 설명은 반복하지 않는다.

도 8b는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따라 조절 트랜지스터M1을 흐르는 전류i를 제어하기 위한 회로(82)의 개략적인 다이어그램을 보여준다. 도시된 바와 같이, 또 다른 트랜지스터 M2는 조절 트랜지스터M1과 동일하고 조절 트랜지스터M1에 연결되어 전류미러구성을 형성한다. 보다 자세하게는, 두 트랜지스터M1과 M2의 게이트는 전기적으로 서로 연결되어 같은 게이트 전압을 갖는다. 제2 트랜지스터M2를 흐르는 전류Iref는 조절 트랜지스터M1을 흐르는 전류i를 조절하도록 제어된다. 상기 전류조절회로(82)는 도 8a의 전류조절회로(80)을 대신하여 사용될 수 있고, 이와 같이 전류조절회로(82)는 도 1 ~ 7의 구동부 회로들에 사용될 수 있다. 더욱이, 전류Iref는 하나의 준위에서 다른 준위로 변환하여 구동부 회로들(30과 50)에서의 Vref1에서 Vref2까지 기준 전압을 스위칭하는 효과를 가질 수 있다.

도 8c는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따라 조절 트랜지스터M을 흐르는 전류i를 제어하기 위한 회로(84)의 개략적인 다이어그램을 보여준다. 도시된 바와 같이, 다음의 식으로 정해지는 비반전 입력 전압Vref가 감지증폭기SA에 공급된다.

Vref = Iref*R

여기서, Iref와 R은 전류와 저항을 각각 나타낸다.

전류조절회로(84)는 도 8a의 전류조절회로(80)을 대신하여 사용될 수 있다. 이와 같이, 전류조절회로(84)는 도1~7의 구동부 회로들에 사용될 수 있다. 더욱이, 전류Iref는 하나의 준위에서 다른 준위로 변환하여 구동부 회로들(30과 50)에서의 Vref1에서 Vref2까지 기준 전압을 스위칭하는 효과를 가질 수 있다.

두 개의 기준 전압Vref1과 Vref2만이 구동부 회로들(30과 50)의 각 스위치에 대해 사용되는 것을 유의해야 한다. 그러나, 두 개 이상의 기준 전압이 각 스위치에 대해 사용될 수 있음이 당업자에게는 자명하다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 과전압 감지기(92)의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 과전압 감지기(92)는 마지막LED그룹의 하향 끝단에 연결되는 제너(Zener) 다이오드; 전압을 감지하는 감지기(94); 및 감지저항R을 포함할 수 있다. 노드Z1에서의 전압 준위는 LED스트링에 의하여 Vrect와 전압 강하의 전압 차이와 같다. Z1에서의 전압 준위가 미리 설정된 준위, 바람직하게는 제너 다이오드의 파괴전압을 초과하는 경우, 전류는 감지저항R을 흐른다. 그러면, 감지기(94)는 전압 준위를 감지하고 구동부 회로의 적절한 구성 요소에 신호를 전송하여 LED를 흐르는 전류를 제어 즉, LED를 흐르는 전류를 차단하거나 구동부 회로를 포함하는 칩에서의 과도한 전력소모를 방지한다. 예를 들면, 과전압 감지기(92)의 출력 신호가 도1의 SA4에 입력되어 전류i4 가 차단된다. 다른 예로는, 상기 출력 신호가 기준 전압Vref를 생성하는 구성 요소(도 1에는 도시되지 않음)로 전송되어 상기 구성 요소는 도 1에서의 Vref를 감소시킬 수 있다. 또 다른 예로는, 상기 출력 신호가 보호 트랜지스터들 UHVs의 게이트 전압Vcc2를 낮추는 데 이용된다. 상기 과전압 감지기(92)는 또한 도 1 ~ 7의 구동부 회로들에도 사용 될 수 있음을 유의해야 한다.

도 1~7에 도시된 바와 같이, 각 구동부는 AC 전원으로부터 공급되는 전류를 정류하는 정류기를 포함할 수 있다. 고전력 LED 가로등과 같은 특정 응용분야에 있어서, LED 는 높은 전력 소비를 요구할 수 있다. 이러한 분야에서 구동부는 안전을 목적으로 변압기에 의해 교류 전원과 격리될 수 있다.

도 10a 내지 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시의 예에 따른 입력전원 생성기(100 및 110)의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 변압기(104)는 AC입력소스와 정류기(102) 사이에 배치될 수 있다. 아니면, 도 10b에 도시된 바와 같이, 정류기(112)는 AC입력소스와 변압기(114) 사이에 배치될 수 있다. 두 경우에 있어서, 전류i는 동작 중에 하나 또는 그 이상의 LED그룹을 흐른다. 입력 전원 생성기(100 및 110)는 도 1 ~ 7의 구동부에 적용될 수 있다.

물론, 상기 설명한 사항은 본 발명의 모범적인 실시의 예와 관련되어 있으며 그 변경은 다음의 청구범위에 명시된 바와 같이 본 발명의 기술적 사상과 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

Claims

전기적으로 서로 직렬로 연결되는 그룹들로 나뉘어지는 LED 스트링을 제공하는 단계;
상기 LED 스트링에 전기적으로 연결되는 전원을 제공하는 단계;
제1트랜지스터 및 제2트랜지스터를 가지는 캐스코드(cascode) 구조를 포함하는 별도의 전류조절회로를 통하여 상기 각 그룹을 그라운드에 결합시키는 단계;
상향 그룹의 전류조절회로의 하향 끝단을 다음 하향 그룹의 전류조절회로의 하향 끝단과 저항을 사이에 두고 연결시키는 단계; 및
상기 전원으로부터의 입력전압을 증가시켜 하향 순서로 상기 그룹들을 온(on)시키는 단계를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 트랜지스터의 게이트에 게이트 전압을 인가하는 단계; 및
상기 제2 트랜지스터의 게이트 전압을 변경하여 상기 제2 트랜지스터를 흐르는 전류를 조절하는 단계를 더 포함하며,
상향 그룹의 다음 하향 그룹의 전류가 미리 설정한 준위에 도달할 때, 상기 상향 그룹의 상기 제2 트랜지스터를 흐르는 전류는 최소 준위로 감소되거나 오프(off)되는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제2 항에 있어서,
상기 제1 트랜지스터의 게이트에 게이트 전압을 인가하는 단계는 상시 준위에서 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 인가된 게이트 전압을 유지하는 단계를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제2 항에 있어서,
상기 별도의 전류조절회로는 감지증폭기를 포함하고, 상기 제2 트랜지스터를 흐르는 전류를 조절하는 단계는
기준 전압을 상기 감지증폭기로 입력하는 단계; 및
상기 감지증폭기로 하여금 출력 신호를 상기 제2 트랜지스터의 게이트로 전송하도록 하여 상기 제2 트랜지스터를 흐르는 전류를 조절하는 단계를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 4항에 있어서,
상기 감지증폭기로 하여금 출력 신호를 전송하도록 하는 단계에 앞서,
감지기로 하여금 하향 그룹의 제2 트랜지스터의 드레인 전압을 모니터하게 하는 단계; 및
상기 감지기로 하여금 출력 신호를 상기 하향 그룹의 다음 상향 그룹의 감지증폭기로 전송하도록 하는 단계를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 4항에 있어서,
상기 기준 전압을 입력하는 단계에 앞서,
제1 및 제2 상시 전압을 제공하는 단계;
감지기로 하여금 하향 그룹의 제2 트랜지스터의 드레인 전압을 모니터하게 하는 단계;
상기 드레인 전압이 미리 설정된 준위에 도달할 때, 상기 감지기로 하여금 출력 신호를 전송하도록 하는 단계; 및
상기 감지기의 출력 신호를 근거로, 제1 및 제2 실질적 상시 전압 중 하나를 하향 그룹의 다음 상향 그룹의 감지 트랜지스터의 기준 전압으로 선택하는 단계를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 4항에 있어서,
상기 감지증폭기로 하여금 출력 신호를 전송하도록 하는 단계 이후에,
하향 그룹의 감지증폭기로 하여금 상기 출력 신호를 상기 하향 그룹의 다음 상향 그룹의 감지증폭기로 전송하도록 하는 단계를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 4항에 있어서,
상기 기준 전압을 입력하는 단계에 앞서,
제1 및 제2 상시 전압을 제공하는 단계;
하향 그룹의 감지증폭기로 하여금 출력 신호를 전송하도록 하는 단계; 및
상기 하향 그룹의 감지증폭기의 출력 신호를 근거로, 상기 제1 및 제2 실질적 상시 전압 중 하나를 상기 하향 그룹의 다음 상향 그룹의 감지 트랜지스터의 기준 전압으로 선택하는 단계를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 4항에 있어서,
기준 전압을 입력하는 단계에 앞서,
기준 전류로 하여금 저항을 흐르도록 하는 단계; 및
상기 저항에 걸친 전압 차이를 상기 기준 전압으로 취하는 단계를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 2항에 있어서,
게이트 전압을 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계는
감지기로 하여금 하향 그룹의 제2 트랜지스터의 드레인 전압을 모니터하도록 하는 단계; 및
상기 감지기로 하여금 상기 하향 그룹의 다음 상향 그룹의 제1 트랜지스터의 게이트에 출력 신호를 전송하도록 하는 단계를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 2항에 있어서,
상기 별도의 전류조절회로는 감지증폭기를 포함하며, 게이트 전압을 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 인가하는 단계는 하향 그룹의 감지증폭기로 하여금 상기 하향 그룹의 다음 상향 그룹의 제1 트랜지스터의 게이트에 출력 신호를 전송하도록 하는 단계를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 별도의 전류조절회로는 상기 제2 트랜지스터와 동일한 제3 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 트랜지스터의 게이트는 상기 제3 트랜지스터의 게이트와 직접 연결되어 전류미러를 형성하며, 상기 제2 트랜지스터를 흐르는 전류를 상기 제3 트랜지스터를 흐르는 전류로 변경함으로써 조절하는 단계를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제1항에 있어서,
제너(Zener) 다이오드와 저항을 LED스트링의 하향 끝단과 그라운드 사이에 직렬로 배치하는 단계;
감지기로 하여금 저항의 지점에서의 전압 준위를 모니터하도록 하는 단계;
전류가 상기 제너 다이오드를 흐르는 경우, 상기 감지기로 하여금 출력 신호를 전송하도록 하는 단계; 및
상기 감지기의 출력 신호를 근거로, LED스트링을 흐르는 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 13항에 있어서,
상기 전류를 제어하는 단계는
감지증폭기로 하여금 상기 감지기의 출력 신호를 수신받도록 하는 단계; 및
상기 감지증폭기로 하여금 상기 제2 트랜지스터의 게이트로 신호를 전송하도록 하는 단계를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 13항에 있어서,
상기 전류를 제어하는 단계는
상기 감지기의 출력 신호를 근거로 기준 전압을 변경하는 단계; 및
상기 변경된 기준 전압을 감지증폭기로 입력하는 단계를 포함하고,
상기 감지증폭기의 출력 신호는 상기 제2 트랜지스터의 게이트로 직접 입력되는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
제 13항에 있어서,
상기 전류를 제어하는 단계는
상기 감지기의 출력 신호를 이용하여 상기 제1 트랜지스터의 게이트 전압을 변경하는 단계를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 방법.
n개의 그룹으로 나누어지는 LED스트링, 전기적으로 서로 직렬로 연결되는 상기 n개의 그룹의 LED, 그룹m의 상향 끝단에 전기적으로 연결되는 그룹m-1의 하향 끝단, m은 n보다 작거나 같은 양의 수;
그룹1의 상향 끝단과 결합하여 입력 전압을 제공하는 전원; 및
일단의 해당 그룹의 하향 끝단 및 타단의 그라운드와 결합하고, 감지증폭기 및 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터를 가지는 캐스코드를 포함하는 복수의 전류조절회로를 포함하고,
상향 그룹의 전류조절회로의 하향 끝단은 다음 하향 그룹의 전류조절회로의 하향 끝단과 저항을 사이에 두고 연결되어 있는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
삭제
제 17항에 있어서,
상기 제1 트랜지스터는 초고압 (UHV) 트랜지스터, N-채널 MOSFET, P-채널 MOSFET, NPN-양극성 트랜지스터, PNP-양극성 트랜지스터 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 중 하나인, 발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
상기 제2 트랜지스터는 저전압(LV)트랜지스터, 중전압(MV) 트랜지스터 및 고전압(HV) 트랜지스터, N-채널 MOSFET, P-채널 MOSFET, NPN-양극성 트랜지스터, PNP-양극성 트랜지스터 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 중 하나인, 발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
각각이 그룹 m에 해당하는 상기 전류조절회로의 제1 트랜지스터의 소스 전압을 감지하고 그룹 m-1에 해당하는 상기 전류조절회로의 감지증폭기로 신호를 전송하도록 적용되는 복수의 감지기를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
각각이 두 개의 기준 전압 사이에서 스위치하도록 적용되고 해당 전류조절회로의 감지증폭기에 연결되는 복수의 스위치; 및
각각이 그룹 m에 해당하는 상기 전류조절회로의 제1 트랜지스터의 소스 전압을 감지하고 그룹 m-1에 해당하는 스위치로 신호를 전송하도록 적용되는 복수의 감지기를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
그룹m에 해당하는 상기 전류조절회로의 감지증폭기의 출력 핀은 그룹m-1의 감지증폭기에 직접 연결되는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
그룹m에 해당하는 상기 전류조절회로의 감지증폭기의 출력 핀은 그룹m-1의 감지증폭기에 직접 연결되고,
각각이 두 개의 기준 전압 사이에서 스위치하도록 적용되고 해당 전류조절회로의 감지증폭기에 연결되는 복수의 스위치를 더 포함하고,
그룹m에 해당하는 상기 전류조절회로의 감지증폭기의 출력 핀은 그룹m-1에 해당하는 스위치에 연결되는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
각각이 그룹 m에 해당하는 상기 전류조절회로의 제1 트랜지스터의 소스 전압을 감지하고 그룹 m-1에 해당하는 상기 전류조절회로의 제1 트랜지스터의 게이트로 신호를 전송하도록 적용되는 복수의 감지기를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
그룹m에 해당하는 상기 전류조절회로의 감지증폭기의 출력 핀은 그룹m-1에 해당하는 상기 전류조절회로의 제1 트랜지스터의 게이트에 직접 연결되는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
상기 각 전류조절회로는 상기 제2 트랜지스터와 동일한 제3 트랜지스터를 포함하고, 상기 제3 트랜지스터의 게이트는 상기 제2 트랜지스터의 게이트와 직접 연결되어 전류미러를 형성하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
상기 각 전류조절회로의 감지증폭기는 기준 전압 제공을 위한 전압 소스에 연결되고, 상기 전압 소스는 기준 전류 소스와 저항을 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
LED스트링의 하향 끝단에 연결되는 과전압 감지기를 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 29항에 있어서,
상기 과전압 감지기는 제너(Zener) 다이오드, 저항 및 상기 저항의 지점에서의 전압을 감지하도록 적용되는 감지기를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
각각이 그라운드와 해당 그룹의 제2 트랜지스터의 소스 사이에 배치되는 복수의 저항을 더 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.
제 17항에 있어서,
상기 전원은 정류기와 변압기를 포함하는,
발광다이오드(LED)를 구동하는 구동부 회로.