KR101665182B1 - Current mirror type led driving apparatus super diode configuration - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슈퍼 다이오드 구조를 이용한 전류 미러형 엘이디 구동장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전류 미러형 엘이디 구동장치는 전류원과, 상기 전류원에 병렬 연결된 복수의 엘이디 스트링(LED string)으로 이루어진 발광부 및 상기 엘이디 스트링과 상기 전류원 사이에 설치되어 있으며 상기 복수의 엘이디 스트링마다 동일 구조를 갖도록 설치된 복수의 전류 미러 회로로 이루어진 전류 미러부를 포함하여 구성되고, 상기 전류 미러부를 구성하는 각각의 전류 미러 회로는 상기 엘이디 스트링과 상기 전류원 사이에 설치된 트랜지스터 및 상기 트랜지스터의 콜렉터 단자와 베이스 단자 사이에 설치된 버퍼 증폭기와 다이오드로 이루어진 피드백 회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 추가적인 헤드룸 전압(headroom voltage)을 사용하지 않으면서 정확성(accuracy)과 균일성(uniformity)으로 평가되는 전류 밸런싱 성능(current balancing capability)을 향상시키고 전력 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a current mirror type LED driving device using a super diode structure.
A current mirror type LED driving apparatus according to the present invention includes: a current source; a light emitting unit including a plurality of LED strings connected in parallel to the current source; and a current mirror connected between the current source and the LED string, And each of the current mirror circuits constituting the current mirror section includes a transistor provided between the LED string and the current source, and a current mirror circuit including a collector terminal and a base terminal of the transistor, And a feedback circuit portion including a buffer amplifier and a diode disposed between the buffer circuit and the feedback circuit.
According to the present invention, it is possible to improve the current balancing capability evaluated by the accuracy and uniformity without using an additional headroom voltage, and to minimize the power loss .
Description
본 발명은 전류 미러형 엘이디 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 추가적인 헤드룸 전압(headroom voltage)을 사용하지 않으면서 전류 밸런싱 성능(current balancing capability)을 향상시킴으로써 전력 손실을 최소화할 수 있는 슈퍼 다이오드 구조를 이용한 전류 미러형 엘이디 구동장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근 친환경적인 특성과 긴 수명연한 특성 등에 기인하여 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)가 조명 및 디스플레이 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.Recently, light emitting diodes (LEDs) have been widely used in the field of illumination and displays due to their environment-friendly characteristics and long lifetime characteristics.
조명 성능을 높이기 위하여, 여러 개의 LED를 직렬 연결하여 사용하며, 직렬 연결된 LED들은 LED 스트링(string)이라 지칭된다.In order to enhance the lighting performance, several LEDs are connected in series, and the LEDs connected in series are called LED strings.
또한, 원하는 밝기를 얻기 위하여 직렬 연결된 하나의 LED 스트링을 사용하는 경우, 구동 전압이 매우 높아지고 한 지점에서의 고장으로 인해 전체 LED 스트링이 동작하지 않는 이른바 블랙아웃(blackout)이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 여러 개의 LED 스트링을 병렬 연결하여 사용한다.In addition, when one LED string connected in series is used to obtain a desired brightness, a so-called blackout may occur in which the driving voltage is extremely high and the entire LED string is not operated due to a failure at one point. To prevent this, several LED strings are connected in parallel.
한편, 개별 LED들이 갖는 미세한 소자 특성의 차이는 순방향 전압 편차를 야기하고, 상기 LED들이 병렬 연결되어 사용되는 경우, 상기 순방향 전압 편차로 인해 고유한 전류 불균형이 유발된다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, LED 드라이버는 각각의 LED 스트링에 실질적으로 동일한 크기의 전류를 공급함으로써, LED의 수명 단축을 방지하고 균일한 휘도를 확보할 수 있어야 한다.On the other hand, the difference in the fine device characteristics of the individual LEDs causes a forward voltage deviation, and when the LEDs are connected in parallel, the inherent current imbalance is caused due to the forward voltage deviation. In order to solve this problem, the LED driver must supply a current of substantially the same magnitude to each LED string so as to prevent the shortening of the lifetime of the LED and ensure a uniform luminance.
특히 모니터 등의 광원으로 사용되는 LED 백라이트 유닛(backlight unit)과 같이 순방향 전류가 크지 않고 LED 패키지의 수가 많지 않은 저 전력 응응 제품의 경우에는, 회로의 단순성과 저비용 등의 장점으로 인해 전류 미러형 드라이버가 사용되어 다수의 병렬 연결된 LED 스트링의 전류간 편차를 줄인다. Particularly, in the case of a low power application product in which the forward current is not large and the number of LED packages is small, such as an LED backlight unit used as a light source of a monitor or the like, due to the advantages of circuit simplicity and low cost, Is used to reduce the inter-current deviation of a number of parallel-connected LED strings.
통상, 이러한 전류 미러형 드라이버를 구성하는 트랜지스터들이 잘 매칭되어 순방향 활성 모드(forward active mode)에서 동작하는 경우, 우수한 전류 밸런싱(current balancing) 성능을 획득할 수 있다.In general, when the transistors constituting such a current mirror type driver are well matched and operate in a forward active mode, excellent current balancing performance can be obtained.
그러나 현실적으로 대량생산 과정에서 LED 스트링 전압은 편차를 가지기 때문에 전류 미러를 구성하는 트랜지스터가 포화모드(saturation mode)로 동작하게 되어 전류 밸런싱이 무너질 수 있다. 이때 트랜지스터의 포화(saturation)를 방지하기 위해 헤드룸(headroom)이라 불리는 전압 마진이 확보되어야 하며, 이로 인해 구동회로의 전력 소비가 증가하는 문제점이 있다.However, in reality, LED string voltage has a variation in the mass production process. Therefore, the transistor constituting the current mirror operates in the saturation mode, and the current balancing can be broken. In this case, a voltage margin called a headroom must be secured in order to prevent the saturation of the transistor, thereby increasing the power consumption of the driving circuit.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 추가적인 헤드룸 전압(headroom voltage)을 사용하지 않으면서 전류 밸런싱 성능(current balancing capability)을 향상시키도록 하여 전력 손실을 최소화할 수 있는 전류 미러형 엘이디 구동장치를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a current mirror capable of minimizing power loss by improving current balancing capability without using an additional headroom voltage, Type LED driving apparatus.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 슈퍼 다이오드 구조를 이용한 전류 미러형 엘이디 구동장치에 있어서, 전류원(current source); 상기 전류원에 병렬 연결된 복수의 엘이디 스트링(LED string)으로 이루어진 발광부; 및 상기 엘이디 스트링과 상기 전류원 사이에 설치되어 있으며 상기 복수의 엘이디 스트링마다 동일 구조를 갖도록 설치된 복수의 전류 미러 회로로 이루어진 전류 미러부를 포함하여 구성되고, 상기 전류 미러부를 구성하는 각각의 전류 미러 회로는, 상기 엘이디 스트링과 상기 전류원 사이에 설치된 트랜지스터 및 상기 트랜지스터의 콜렉터 단자와 베이스 단자 사이에 설치된 버퍼 증폭기와 다이오드로 이루어진 피드백 회로부를 포함하는 전류 미러형 엘이디 구동장치를 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a current mirror type LED drive device using a super diode structure, the device including: a current source; A light emitting unit comprising a plurality of LED strings connected in parallel to the current source; And a current mirror unit provided between the LED string and the current source, the current mirror unit comprising a plurality of current mirror circuits provided so as to have the same structure for each of the plurality of LED strings, wherein each of the current mirror circuits constituting the current mirror unit And a feedback circuit part including a transistor provided between the LED string and the current source, and a buffer amplifier and a diode provided between a collector terminal and a base terminal of the transistor, and a feedback circuit part.
상기 버퍼 증폭기의 비반전 입력단자는 상기 트랜지스터의 콜렉터 단자에 연결되어 있고, 상기 버퍼 증폭기의 반전 단자는 상기 트랜지스터의 베이스 단자에 연결된다.The non-inverting input terminal of the buffer amplifier is connected to the collector terminal of the transistor, and the inverting terminal of the buffer amplifier is connected to the base terminal of the transistor.
상기 다이오드의 캐소드 단자는 상기 버퍼 증폭기의 출력 단자에 연결되어 있고 상기 다이오드의 애노드 단자는 상기 버퍼 증폭기의 반전 입력단자와 상기 트랜지스터의 베이스 단자에 공통 연결된다. The cathode terminal of the diode is connected to the output terminal of the buffer amplifier and the anode terminal of the diode is commonly connected to the inverting input terminal of the buffer amplifier and the base terminal of the transistor.
상기 다이오드에서의 전압 강하는 상기 버퍼 증폭기의 개방 루프 이득에 의해 나누어진 순방향 전압 강하까지 감소한다. The voltage drop across the diode decreases to a forward voltage drop divided by the open loop gain of the buffer amplifier.
상기 전류 미러부를 구성하는 복수의 전류 미러 회로 중에서, 가장 낮은 콜렉터 전압을 갖는 전류 미러 회로가 기준 회로로 선택된다. Among the plurality of current mirror circuits constituting the current mirror section, the current mirror circuit having the lowest collector voltage is selected as the reference circuit.
상기 기준 회로에 포함된 버퍼 증폭기의 피드백 작용에 의해 상기 기준 회로에 포함된 트랜지스터의 콜렉터 단자와 베이스 단자는 실질적으로 단락되어 콜렉터 전압과 베이스 전압이 실질적으로 동일해짐으로써, 상기 기준회로에 포함된 트랜지스터의 포화(saturation)가 방지된다. The collector terminal and the base terminal of the transistor included in the reference circuit are substantially short-circuited by the feedback operation of the buffer amplifier included in the reference circuit, so that the collector voltage and the base voltage become substantially equal to each other, Is prevented.
상기 엘이디 스트링과 트랜지스터에 인가되는 전압(VS)은 현재 사용된 엘이디 스트링 전압의 최대값에 따라 가변적으로 결정된다.The voltage V S applied to the LED string and the transistor is variably determined according to the maximum value of the currently used LED string voltage.
이와 같은 본 발명에 따른 슈퍼 다이오드 구조를 이용한 전류 미러형 엘이디 구동장치는 다음과 같은 효과가 있다. The current mirror type LED driving apparatus using the super diode structure according to the present invention has the following effects.
즉, 추가적인 헤드룸 전압(headroom voltage)을 사용하지 않으면서 전류 밸런싱 성능(current balancing capability)을 향상시킬 수 있게 되어 전력 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.That is, it is possible to improve the current balancing capability without using an additional headroom voltage, thereby minimizing the power loss.
도 1은 LED 스트링 전압의 분포를 설명하기 위한 도면
도 2는 전류 밸런싱 성능의 두 가지 지표인 정확성(accuracy)과 균일성(uniformity)을 설명하기 위한 도면
도 3은 일반적인 전류 미러형 LED 드라이버를 나타낸 도면
도 4는 도 3의 전류 미러형 LED 드라이버를 구성하는 트랜지스터의 포화를 방지하기 위한 헤드룸 전압을 설명하기 위한 도면
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 슈퍼 다이오드 구조를 이용한 전류 미러형 엘이디 구동장치를 나타낸 도면1 is a view for explaining the distribution of the LED string voltage
Figure 2 is a diagram for explaining the two indicators of current balancing performance, accuracy and uniformity.
3 shows a general current mirror type LED driver
FIG. 4 is a view for explaining a headroom voltage for preventing saturation of the transistors constituting the current mirror type LED driver of FIG. 3; FIG.
5 is a view illustrating a current mirror type LED driving apparatus using a super diode structure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기에 앞서, LED의 순방향 전압 편차, 전류 밸런싱 성능의 두 가지 지표인 정확성(accuracy)과 균일성(uniformity) 및 이에 따른 일반적인 전류 미러형 LED 드라이버가 갖는 한계에 대하여 설명한다.Prior to describing the preferred embodiments of the present invention, the accuracy and uniformity of the two indicators of the forward voltage deviation and the current balancing performance of the LED, and the limitations of the conventional current mirror type LED driver, Explain.
도 1은 LED 스트링 전압의 분포를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the distribution of the LED string voltage.
도 1을 참조하면, 대량 생산 과정에서, 각각의 LED는 미세하게 다른 순방향 전압 특성을 갖게 되고, 여러 개의 LED가 직렬 연결되어 LED 스트링을 구성하기 때문에, LED 스트링의 순방향 전압은 확률적인 분포를 갖게 된다. 또한, 직렬 연결된 LED의 수가 커지면 LED 스트링의 순방향 전압은 가우시안(gaussian) 분포를 갖게 된다.Referring to FIG. 1, in a mass production process, since each LED has finely different forward voltage characteristics and several LEDs are connected in series to form an LED string, the forward voltage of the LED string has a stochastic distribution do. Also, as the number of series connected LEDs increases, the forward voltage of the LED string will have a gaussian distribution.
이러한 사실에 따르면, LED 스트링의 전압(VD)은 도 1에 개시된 바와 같이, 정상 분포를 상한 전압 VUL, 하한 전압 VLL로 줄인 랜덤 변수(random variable)로 간주될 수 있다. 대량 생산된 LED 중에서 임의로 선택된 LED가 사용되기 때문에, LED 스트링의 전압(VD)의 정확한 값은 알 수 없으나, 각각의 LED 스트링의 순방향 전압은 상한 전압 VUL와 하한 전압 VLL 사이의 값이 된다.According to this fact, the voltage VD of the LED string can be regarded as a random variable which reduces the normal distribution to an upper limit voltage V UL , a lower limit voltage V LL , as shown in FIG. Since an arbitrarily selected LED is used among mass produced LEDs, the exact value of the voltage VD of the LED string is unknown, but the forward voltage of each LED string is a value between the upper limit voltage V UL and the lower limit voltage V LL .
다수의 스트링으로 구성된 LED 드라이버에 있어서, LED스트링은 실제의 제조공정에서 LOT중 임의 선택되므로, 기 구성된 LED스트링 전압들 중 최대 스트링 전압(Vmax)과 최소 스트링 전압(Vmin)을 정의하면, 다음 수학식 1이 성립한다.In the LED driver composed of a plurality of strings, since the LED string is arbitrarily selected among the LOTs in the actual manufacturing process, if the maximum string voltage (Vmax) and the minimum string voltage (Vmin) among the constructed LED string voltages are defined,
도 2는 전류 밸런싱 성능의 두 가지 지표인 정확성(accuracy)과 균일성(uniformity)을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram for explaining accuracy and uniformity, two indicators of current balancing performance.
도 2를 참조하면, 전류 밸런싱 성능을 높이기 위해서는 정확성(accuracy)과 균일성(uniformity)이 함께 고려되어야 한다. 정확성(accuracy)은 목표 전류에의 근접 정도이고, 균일성(uniformity)은 각각의 브랜치(branch) 즉, LED 스트링 전류 값이 동일한지 여부에 대한 특성이다.Referring to FIG. 2, in order to improve current balancing performance, both accuracy and uniformity must be considered. The accuracy is the proximity to the target current and the uniformity is a characteristic of whether each branch or LED string current value is the same.
도 3은 일반적인 전류 미러형 LED 드라이버를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 전류 미러형 LED 드라이버를 구성하는 트랜지스터의 포화를 방지하기 위한 헤드룸 전압을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a view showing a general current mirror type LED driver, and FIG. 4 is a view for explaining a headroom voltage for preventing saturation of a transistor constituting the current mirror type LED driver of FIG.
도 3 및 도 4를 참조하면, 스트링 전류들의 정확성(accuracy)을 높이기 위하여 보조 전압(VAUX)를 타이트하게 조절하고, 고 정밀도를 갖는 저항(RREF)을 선택해야 한다. 또한, 스트링 전류들의 균일성(uniformity)을 높이기 위하여 소자 특성이 잘 매치(match)되고 전류 이득이 높은 트랜지스터가 적용되어야 한다.Referring to Figures 3 and 4, the auxiliary voltage (V AUX ) must be tightly adjusted to select the resistor (R REF ) with high precision in order to increase the accuracy of the string currents. In order to increase the uniformity of the string currents, a transistor with a high current gain and a well-matched device characteristic must be applied.
그러나 트랜지스터들이 잘 매칭되어 있는 경우에도, 트랜지스터들을 바이어싱하기 위해 기준 브랜치로부터 흘러나가는 베이스 전류들이 전류 복제(current replication)를 불완전하게 하여 정확성(accuracy)에 있어서 에러(error)를 유발한다.However, even if the transistors are well matched, the base currents flowing out of the reference branch to bias the transistors incomplete current replication causing an error in accuracy.
이러한 정확성 에러(accuracy error)는 브랜치의 수에 따라 증가하며, 이를 수식으로 표현하면 다음 수학식 2와 같다.This accuracy error increases with the number of branches, which can be expressed by the following equation (2).
수학식 2에서, N은 LED 스트링의 수이다.In Equation (2), N is the number of LED strings.
또한 대량 생산된 LED 패키지가 갖는 순방향 전압 편차에 대처하기 위하여, DC 구동전압은 트랜지스터의 포화(saturation)를 방지하기 위하여 헤드룸(headroom)이라 불리우는 추가적인 마진을 갖도록 설계되어야하기 때문에, 이에 따른 영향으로 추가적인 전력 손실이 발생한다.Also, in order to cope with the forward voltage deviation of a mass produced LED package, the DC driving voltage must be designed to have an additional margin called a headroom in order to prevent the saturation of the transistor. Additional power loss occurs.
도 4를 참조하면, 임의의 트랜지스터 Q1이 포화 모드에 들어가지 않는 조건을 수학식 3으로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4, the condition that any transistor Q1 does not enter the saturation mode can be expressed by Equation (3).
즉, VD가 큰 값을 가지게 되면 VCE값이 포화 임계값인 VCE,sat 보다 작아지므로 LED스트링 전압이 매우 큰 브랜치에 직렬연결된 트랜지스터는 포화 영역에서 동작하게 된다. 만약 적절한 헤드룸 전압이 없다면 이 트랜지스터가 속해있는 브랜치는 전류 미러 특성을 잃게 되고, 이에 따라, LED 전류에 있어서의 균일성(uniformity)을 얻을 수 없게 된다.That is, when VD is large, the VCE value becomes smaller than the saturation threshold value VCE, sat. Therefore, the transistor connected in series to the branch having a very large LED string voltage operates in the saturation region. If there is no adequate headroom voltage, then the branch to which this transistor belongs will lose its current mirroring properties and, as a result, the uniformity in the LED current will not be obtained.
가능한 가장 높은 LED 스트링 전압인 상한 전압(VUL)에서의 포화를 방지하기 위하여, LED 스트링과 트랜지스터 양단에 인가되는 공급전압(VS)은 다음 수학식 4를 만족하도록 일정하게 선택되어야 한다.In order to prevent saturation at the uppermost voltage (V UL ) which is the highest possible LED string voltage, the supply voltage (V S ) applied across the LED string and the transistor must be chosen to be constant to satisfy:
수학식 4에서, Vh는 트랜지스터의 선형 영역을 보장하기 위한 헤드룸 전압으로서 통상 0.4V이상의 값을 갖는다. 이 헤드룸 전압에 의해 모든 브랜치에는 필연적으로 추가적인 전력 손실이 발생한다.In Equation (4), Vh is a headroom voltage for ensuring a linear region of the transistor, and typically has a value of 0.4 V or more. This headroom voltage inevitably leads to additional power loss for all branches.
헤드룸 전압에 의해 각 브랜치에서 소모되는 전력을 나타내면 다음 수학식 5와 같으며, 헤드룸 전압이 커질수록 소모되는 전력이 커지는 것을 알 수 있다.The power consumed by each branch due to the headroom voltage is expressed by Equation (5). It can be seen that the power consumed increases as the headroom voltage increases.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 슈퍼 다이오드 구조를 이용한 전류 미러형 엘이디 구동장치를 나타낸 도면이다.5 is a view illustrating a current mirror type LED driving apparatus using a super diode structure according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 슈퍼 다이오드 구조를 이용한 전류 미러형 엘이디 구동장치는 전류원(10), 발광부(21, 22) 및 전류 미러부(31, 32)를 포함하여 구성되고, 전류 미러부(31, 32)를 구성하는 각각의 전류 미러 회로는 트랜지스터(Q1, Q2) 및 피드백 회로부(F1, F2)를 포함하여 구성된다.5, a current mirror type LED driving device using a super diode structure according to an embodiment of the present invention includes a
전류원(10)은 병렬 연결된 복수의 LED 스트링(21, 22)으로 구성된 발광부에 구동 전류를 공급하기 위한 수단이다. 이러한 전류원(10)의 양극 단자는 LED 스트링의 애노드에 연결되어 있고, 전류원(10)의 음극 단자는 트랜지스터의 에미터 단자에 연결되어 있다.The
발광부는 전류원(10)에 병렬 연결된 복수의 엘이디 스트링(LED string, 21, 22)으로 이루어지며, 각각의 엘이디 스트링(21, 22)은 상호 직렬 연결된 복수개의 LED로 이루어진다. 이러한 발광부는 엘이디 스트링(21, 22)을 흐르는 전류의 크기에 의해 발광량이 정해지며, 본 실시 예에 따르면, 슈퍼 다이오드 구조를 이용한 전류 미러 회로를 통해 각각의 엘이디 스트링을 흐르는 전류의 크기가 실질적으로 동일해지기 때문에, LED의 발광량을 균일하게 제어할 수 있다. 도 5에서는, 설명의 편의상 2개의 LED 스트링만을 표현하였으나, LED 스트링의 수는 설계상의 요구에 맞춰 확장될 수 있다.The light emitting unit is composed of a plurality of
전류 미러부(31, 32)는 엘이디 스트링(21, 22)과 전류원(10) 사이에 설치되어 있으며, 복수의 엘이디 스트링(21,22)마다 동일 구조를 갖도록 설치된 복수의 전류 미러 회로로 이루어진다.The
이러한 전류 미러부(31, 32)를 구성하는 각각의 전류 미러 회로)는 트랜지스터(Q1, Q2) 및 피드백 회로부(F1, F2)를 포함하여 구성된다.Each of the current mirror circuits constituting the
트랜지스터(Q1, Q2)는 엘이디 스트링(21, 22)과 전류원(10) 사이에 설치되어 있다. 보다 구체적으로, 트랜지스터의 Q1의 콜렉터 단자는 제1 LED 스트링(21)의 캐소드에 연결되어 있고, 에미터 단자는 전류원(10)의 음극 단자에 연결되어 있다. 또한, 트랜지스터의 Q2의 콜렉터 단자는 제2 LED 스트링(22)의 캐소드에 연결되어 있고, 에미터 단자는 전류원(10)의 음극 단자에 연결되어 있다.The transistors Q1 and Q2 are provided between the LED strings 21 and 22 and the
각각의 피드백 회로부(F1, F2)는 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터 단자와 베이스 단자 사이에 설치된 버퍼 증폭기(AMP1, AMP2)와 다이오드(D1, D2)로 구성된다.Each of the feedback circuit sections F1 and F2 is constituted by buffer amplifiers AMP1 and AMP2 and diodes D1 and D2 provided between the collector terminal and the base terminal of the transistors Q1 and Q2.
보다 구체적으로, 버퍼 증폭기 AMP1의 비반전 입력단자는 트랜지스터 Q1의 콜렉터 단자에 연결되어 있고, 버퍼 증폭기 AMP1의 반전 단자는 트랜지스터 Q1의 베이스 단자에 연결되어 있고, 다이오드 D1의 캐소드 단자는 버퍼 증폭기 AMP1의 출력 단자에 연결되어 있고, 다이오드 D1의 애노드 단자는 버퍼 증폭기 Q1의 반전 입력단자와 트랜지스터 Q1의 베이스 단자에 공통 연결되어 있다.More specifically, the non-inverting input terminal of the buffer amplifier AMP1 is connected to the collector terminal of the transistor Q1, the inverting terminal of the buffer amplifier AMP1 is connected to the base terminal of the transistor Q1, and the cathode terminal of the diode D1 is connected to the non- And the anode terminal of the diode D1 is commonly connected to the inverting input terminal of the buffer amplifier Q1 and the base terminal of the transistor Q1.
또한, 버퍼 증폭기 AMP2의 비반전 입력단자는 트랜지스터 Q2의 콜렉터 단자에 연결되어 있고, 버퍼 증폭기 AMP2의 반전 단자는 트랜지스터 Q2의 베이스 단자에 연결되어 있고, 다이오드 D2의 캐소드 단자는 버퍼 증폭기 AMP2의 출력 단자에 연결되어 있고, 다이오드 D2의 애노드 단자는 버퍼 증폭기 Q2의 반전 입력단자와 트랜지스터 Q2의 베이스 단자에 공통 연결되어 있다.The non-inverting input terminal of the buffer amplifier AMP2 is connected to the collector terminal of the transistor Q2. The inverting terminal of the buffer amplifier AMP2 is connected to the base terminal of the transistor Q2. The cathode terminal of the diode D2 is connected to the output terminal And the anode terminal of the diode D2 is commonly connected to the inverting input terminal of the buffer amplifier Q2 and the base terminal of the transistor Q2.
또한, 다이오드 D1, D2의 애노드 단자에는 저항 RB를 매개로 보조 전압(VAUX)가 걸려있다.An auxiliary voltage (V AUX ) is applied to the anode terminals of the diodes D1 and D2 via a resistor R B.
본 실시 예에 따르면, 통상의 전류 미러 회로와 비교하여 피드백 루프에 다이오드를 갖는 버퍼 증폭기가 추가된다. 다이오드에서의 전압 강하는 버퍼 증폭기의 개방 루프 이득에 의해 나누어진 순방향 전압 강하까지 감소하며, 이론적으로는 거의 제로 수준까지 감소하기 때문에, 이러한 구조를 슈퍼 다이오드 구조로 지칭한다.According to the present embodiment, a buffer amplifier having a diode in the feedback loop is added in comparison with a conventional current mirror circuit. This structure is referred to as a super diode structure because the voltage drop across the diode decreases to the forward voltage drop divided by the open loop gain of the buffer amplifier and theoretically decreases to almost zero level.
사실상 다이오드가 턴온될 때 마다 슈퍼 다이오드의 입력단과 출력단 사이에는 매우 작은 옵셋 전압(offset voltage)이 존재한다. 이 특성은 전류 미러 회로의 동작을 향상시키는데 유용하다. 즉, LED 순방향 전압의 미세한 차이는 오직 하나의 다이오드만을 턴온시켜 전류 미러 레퍼런스를 셋업시킨다.In fact, there is a very small offset voltage between the input and output of the super diode every time the diode is turned on. This characteristic is useful for improving the operation of the current mirror circuit. That is, the fine difference in LED forward voltage turns on only one diode to set up the current mirror reference.
본 실시 예에 따르면, 전류 미러부(31, 32)를 구성하는 복수의 전류 미러 회로 중에서, 가장 낮은 콜렉터 전압을 갖는 전류 미러 회로가 기준 회로로 선택된다. 선택된 기준 회로에 포함된 버퍼 증폭기의 피드백 작용에 의해 기준 회로에 포함된 트랜지스터의 콜렉터 단자와 베이스 단자는 실질적으로 단락되어 콜렉터 전압과 베이스 전압이 실질적으로 동일해짐으로써, 기준회로에 포함된 트랜지스터의 포화(saturation)가 방지된다.According to the present embodiment, among the plurality of current mirror circuits constituting the
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.This will be described in more detail as follows.
각 LED 스트링의 애노드는 공통이므로 LED 스트링 전압이 가장 높은 브랜치에 직렬 연결된 트랜지스터가 가장 낮은 컬렉터 전압을 가지므로, 앞서 언급한 수학식 3의 트랜지스터 포화방지 조건에서 최악의 조건에 해당하기 때문에 나머지 트랜지스터들의 포화를 방지하기 위해서는 이 브랜치가 전류 미러 회로의 전류 레퍼런스로 선택되어야 함을 의미한다. Since the anode of each LED string is common, the transistor connected in series to the branch with the highest LED string voltage has the lowest collector voltage, so the worst case condition of the transistor saturation prevention condition of Equation (3) To prevent saturation, this branch must be selected as the current reference for the current mirror circuit.
본 실시 예에 따르면, 가장 낮은 콜렉터-에미터간 전압을 선택하도록, 슈퍼 다이오드가 와이어드-OR 게이트(wired-OR gate)로 구현되었다. 어느 쪽이 선택되든, 버퍼 증폭기의 피드백 메카니즘에 따른 가상 단락은 콜렉터 전압을 베이스 전압과 거의 같은 값을 갖도록 하고, 이에 따라, 트랜지스터의 포화가 방지된다. 또한, 콜렉터로부터 베이스로 흐르는 전류가 없기 때문에, 균일한 전류 복제율(current replication ratio)을 얻을 수 있다.According to the present embodiment, a super diode is implemented as a wired-OR gate to select the lowest collector-emitter voltage. Whichever one is selected, the virtual short circuit in accordance with the feedback mechanism of the buffer amplifier causes the collector voltage to have approximately the same value as the base voltage, thereby preventing saturation of the transistor. In addition, since there is no current flowing from the collector to the base, a uniform current replication ratio can be obtained.
전류의 균일성(uniformity)을 분석하기 위하여, 제1 LED 스트링(21)이 가장 높은 LED 스트링 전압을 갖는다고 가정한다. 즉, VCE1이 VCE2보다 낮은 값이라고 가정한다.To analyze the uniformity of the current, it is assumed that the
이 조건은 다이오드 D1을 턴온시키고, 버퍼 증폭기 AMP1의 피드백 작용으로 VCE와 VBE는 같아진다. 이에 따라 LED 스트링과 트랜지스터에 인가되는 전압(VS)는 다음 수학식 6과 같이 LED 스트링 전압의 고정된 상한값에 의해 일정한 값을 가지는 것이 아니라, 현재 사용된 LED 스트링 전압의 최대값에 의해 상황에 맞게 가변적으로 결정된다.This condition turns on the diode D1, and V CE and V BE become equal due to the feedback action of the buffer amplifier AMP1. Accordingly, the voltage V S applied to the LED string and the transistor is not constant depending on the fixed upper limit value of the LED string voltage as shown in Equation (6) It is determined variably.
VCE1은 통상 약 0.7V를 갖는 베이스-이미터 전압 VBE와 같으므로 포화 임계 전압인 통상 0.3V의 VCE , sat보다 항상 크기 때문에, 수학식 3의 포화 방지 조건을 만족하므로 트랜지스터 Q1이 포화 모드로 이동하는 것을 방지한다.V CE1 is equal to the base-emitter voltage V BE , which is usually about 0.7 V, and therefore is always larger than saturation threshold voltage V CE , sat , which is typically 0.3 V , so that the
또한 초기 가정에 따르면, 나머지 트랜지스터의 VCE2가 VCE1 보다 높으므로 트랜지스터 Q2도 순방향 활성 모드에서 동작한다. 결과적으로, 모든 트랜지스터는 순방향 활성 모드에서 동작하므로 전류 미러 회로는 항상 안정적으로 동작하고 트랜지스터 Q1과 Q2가 적절히 매치되어 있다면, 다음 수학식 7과 8이 성립한다.Also, according to the initial assumption, since V CE2 of the remaining transistors is higher than V CE1 , transistor Q2 also operates in the forward active mode. Consequently, since all the transistors operate in the forward active mode, the current mirror circuit always operates stably, and if the transistors Q1 and Q2 are properly matched, the following equations (7) and (8) hold.
따라서 상기의 식에 의해 LED 스트링의 전압은 모두 균일함을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the voltages of the LED strings are all uniform.
한편 본 실시 예는 정확성(accuracy)을 향상시키기 위해 IS값을 갖는 전류원(10)을 사용하였다. 도면에 도시하지는 않았으나, 전류원(10)을 구현하기 위해 전체 브랜치의 전류를 모니터링하기 위한 작은 값을 갖는 전류 감지 저항이 삽입되었다. 감지된 값은 목표 LED 전류(Itarget)의 2배 값인 전류 레퍼런스와 비교되고, 다음 수학식 9에 표현된 바와 같이 폐루프 전류 제어가 완성된다.In this embodiment, on the other hand, a
이와 같이 본 실시 예에 따르면, 전류 미러 회로의 전체 전류 제어 루프와 개별적인 정밀한 전류 밸런싱 기능으로 인해, 각 브랜치 전류는 목표 LED 전류(Itarget)에 정확하게 일치하게 된다.Thus, according to the present embodiment, due to the entire current control loop of the current mirror circuit and the individual precise current balancing function, each branch current exactly coincides with the target LED current Itarget.
따라서, 전류의 정확도 또한 향상됨을 알 수 있다.Thus, it can be seen that the accuracy of the current is also improved.
한편, 각 브랜치에서 소모되는 전력은 다음 수학식 10으로 표현될 수 있다.On the other hand, the power consumed in each branch can be expressed by the following equation (10).
수학식 5와 10을 비교하였을 때 통상의 헤드룸 전압이 0.4V 이상임을 감안할 때 수학식 1의 관계에 의해 수학식 10의 값은 항상 수학식 5의 값보다 작게 되므로, 즉 고안된 발명에 의한 구동회로의 손실은 항상 종래의 방법보다 줄게 된다.When the equations (5) and (10) are compared, it is considered that the value of Equation (10) always becomes smaller than the value of Equation (5) by the relation of Equation (1) The loss to the furnace is always less than the conventional method.
이상의 분석을 통해, 본 실시 예는 슈퍼 다이오드의 가상 단락 작용을 이용하여 트랜지스터의 포화를 방지할 수 있기 때문에, 종래의 방법과 같이 LED 스트링 전압의 상한값인 VUL 기준으로 설정된 인위적인 헤드룸 전압을 필요로 하지 않고, 현재 장착된 LED스트링 전압의 최대값인 Vmax에 따라 LED스트링과 트랜지스터에 인가되는 전압이 유동적으로 변하기 때문에 구동회로의 전력 손실이 최소화되는 것을 알 수 있다.Through the above analysis, this embodiment can prevent the saturation of the transistor by using the virtual short-circuiting action of the super diode. Therefore, it is necessary to set the artificial headroom voltage set to the V UL standard, which is the upper limit value of the LED string voltage, The power loss of the driving circuit is minimized because the voltage applied to the LED string and the transistor varies according to the maximum value Vmax of the currently mounted LED string voltage.
좀더 실질적인 분석을 위해 구동회로의 효율을 비교 계산해 본다면 다음과 같다. For more practical analysis, the efficiency of the drive circuit can be calculated as follows.
구동회로의 효율은 투입전력 대비 LED에 전달되는 전력으로 정의되므로 수학식 11과 같이 주어진다.The efficiency of the drive circuit is defined as the power delivered to the LED with respect to the input power, and is given by Equation (11).
이때, 구동회로가 제대로 동작한다면 각 스트링 전류 편차가 거의 없으므로 수학식 11은 수학식 12와 같이 간략화할 수 있다.At this time, if the driving circuit operates properly, there is almost no deviation of each string current, so that Equation (11) can be simplified as shown in Equation (12).
수학식 12를 통해 실제 사용되는 LED 스트링의 값을 적용하여 종래의 회로와 고안된 회로간의 예상 효율을 모의 시뮬레이션해서 비교하여 보았다. 60mA 정전류 구동 실험에서 순방향 전압이 2.8V부터 3.3V의 산포를 가지는 LED 패키지를 3개를 연결하여 샘플 LED 스트링을 구성하면, VUL=9.9V 이고 VLL=8.7V인 LED 스트링을 얻을 수 있다. The expected efficiency between the conventional circuit and the designed circuit is simulated and compared by applying the value of the LED string actually used through Equation (12). If we construct a sample LED string by connecting three LED packages with a forward voltage of 2.8V to 3.3V in a 60mA constant current drive experiment, we can obtain an LED string with VUL = 9.9V and VLL = 8.7V.
이때, LED 스트링 전압 VD1과 VD2는 VUL과 VLL사이의 임의의 값을 가지므로 LED 스트링 샘플의 조합에 따라 효율은 특정 범위를 가지게 될 것이다. 이를 비교 정리하면 표 1과 같다.At this time, since the LED string voltages VD1 and VD2 have arbitrary values between VUL and VLL, the efficiency will have a certain range depending on the combination of LED string samples. Table 1 shows the comparison.
방법
Way
표 1로부터 종래의 회로의 경우 채택되는 LED 스트링의 전압분포에 따라, 효율은 80%에서 93%까지 큰 범위를 가지면서 변하게 되는데, 고안된 회로의 경우는 Vs값이 LED 스트링에 따라 가변적으로 조절되어 91%에서 97%까지의 효율을 보이므로 결과적으로 효율 편차도 줄어들고 전체적인 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. From Table 1, it can be seen that, depending on the voltage distribution of the LED strings employed in conventional circuits, the efficiency varies over a wide range from 80% to 93%. In the case of the designed circuit, the Vs value is variably adjusted according to the LED strings As the efficiency is improved from 91% to 97%, the efficiency deviation is reduced and the overall efficiency is improved.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 추가적인 헤드룸 전압(headroom voltage)을 사용하지 않으면서 전류 밸런싱 성능(current balancing capability)을 향상시키고 전력 손실을 최소화할 수 있는 전류 미러형 엘이디 구동장치가 제공되는 효과가 있다.As described in detail above, according to the present invention, there is provided a current mirror type LED driving apparatus capable of improving current balancing capability and minimizing power loss without using an additional headroom voltage .
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be apparent that modifications, variations and equivalents of other embodiments are possible. Therefore, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
10: 전류원(current source)
21: 제1 LED 스트링(string)
22: 제2 LED 스트링
31, 32:전류 미러 회로
F1, F2 : 피드백 회로부
AMP1, AMP2 : 버퍼 증폭기
D1, D2 : 다이오드 10: current source
21: 1st LED string (string)
22: second LED string
31, 32: Current mirror circuit
F1, F2: Feedback circuit part
AMP1, AMP2: Buffer amplifier
D1, D2: Diode
Claims (7)
전류원(current source);
상기 전류원에 병렬 연결된 복수의 엘이디 스트링(LED string)으로 이루어진 발광부; 및
상기 엘이디 스트링과 상기 전류원 사이에 설치되어 있으며 상기 복수의 엘이디 스트링마다 동일 구조를 갖도록 설치된 복수의 전류 미러 회로로 이루어진 전류 미러부를 포함하여 구성되고,
상기 전류 미러부를 구성하는 각각의 전류 미러 회로는,
상기 엘이디 스트링과 상기 전류원 사이에 설치된 트랜지스터 및 상기 트랜지스터의 콜렉터 단자와 베이스 단자 사이에 상호 연결된 버퍼 증폭기와 다이오드가 배치된 피드백 회로부를 포함하고,
상기 버퍼 증폭기의 비반전 입력단자는 상기 트랜지스터의 콜렉터 단자에 연결되어 있고, 상기 버퍼 증폭기의 반전 단자는 상기 트랜지스터의 베이스 단자에 연결되고, 상기 다이오드의 캐소드 단자는 상기 버퍼 증폭기의 출력 단자에 연결되어 있고 상기 다이오드의 애노드 단자는 상기 버퍼 증폭기의 반전 입력단자와 상기 트랜지스터의 베이스 단자에 공통 연결되는 전류 미러형 엘이디 구동장치.In a current mirror type LED driving device using a super diode structure,
A current source;
A light emitting unit comprising a plurality of LED strings connected in parallel to the current source; And
And a current mirror unit provided between the LED string and the current source, the current mirror unit including a plurality of current mirror circuits provided so as to have the same structure for each of the plurality of LED strings,
Each of the current mirror circuits constituting the current mirror section includes:
And a feedback circuit part having a transistor provided between the LED string and the current source and a buffer amplifier and a diode connected to each other between a collector terminal and a base terminal of the transistor,
The non-inverting input terminal of the buffer amplifier is connected to the collector terminal of the transistor, the inverting terminal of the buffer amplifier is connected to the base terminal of the transistor, and the cathode terminal of the diode is connected to the output terminal of the buffer amplifier And an anode terminal of the diode is commonly connected to an inverting input terminal of the buffer amplifier and a base terminal of the transistor.
상기 다이오드에서의 전압 강하는 상기 버퍼 증폭기의 개방 루프 이득에 의해 나누어진 순방향 전압 강하까지 감소하는 전류 미러형 엘이디 구동장치.The method according to claim 1,
Wherein the voltage drop across the diode is reduced to a forward voltage drop divided by an open loop gain of the buffer amplifier.
상기 전류 미러부를 구성하는 복수의 전류 미러 회로 중에서, 가장 낮은 콜렉터 전압을 갖는 전류 미러 회로가 기준 회로로 선택되는 전류 미러형 엘이디 구동장치.The method according to claim 1,
And a current mirror circuit having a lowest collector voltage is selected as a reference circuit among a plurality of current mirror circuits constituting the current mirror section.
상기 기준 회로에 포함된 버퍼 증폭기의 피드백 작용에 의해 상기 기준 회로에 포함된 트랜지스터의 콜렉터 단자와 베이스 단자는 실질적으로 단락되어 콜렉터 전압과 베이스 전압이 실질적으로 동일해짐으로써, 상기 기준회로에 포함된 트랜지스터의 포화(saturation)가 방지되는 전류 미러형 엘이디 구동장치.6. The method of claim 5,
The collector terminal and the base terminal of the transistor included in the reference circuit are substantially short-circuited by the feedback operation of the buffer amplifier included in the reference circuit, so that the collector voltage and the base voltage become substantially equal to each other, And the saturation of the current mirror type LED is prevented.
상기 엘이디 스트링과 트랜지스터에 인가되는 전압(VS)은 현재 사용된 엘이디 스트링 전압의 최대값에 따라 가변적으로 결정되는 전류 미러형 엘이디 구동장치.The method according to claim 6,
Voltage (V S) applied to the LED string and a transistor are current mirror-type LED driving apparatus is variably determined according to the maximum value of the currently used LED string voltage.
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