KR101756458B1

KR101756458B1 - Led 조명 장치용 a/d 컨버터

Info

Publication number: KR101756458B1
Application number: KR1020170002415A
Authority: KR
Inventors: 김종서
Original assignee: 주식회사 금강에너텍
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2017-07-11

Abstract

본 발명은 LED 조명 장치용 A/D 컨버터에 대해 개시한다.
본 발명에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터는 교류 전원 입력단으로부터의 교류 전압을 필터링해서 출력하는 AC 입력부, 필터링된 교류 전압을 전파 정류하고 PWM 신호부의 PWM 신호로 스위칭 구동하여 역률이 개선되도록 하는 역률 개선부, PWM 신호의 주파수를 적어도 2배 증배시켜 출력하는 주파수 증배기, 주파수 증배기에서 주파수가 증배된 PWM 신호를 스위칭 신호로 이용하여 직류 고전압 레벨을 미리 설정된 저전압 레벨로 변압 및 변류함으로써 정격 전원을 출력하는 전압 변환부를 포함하는바, 컨버팅 과정에서의 역률은 95% 이상, 효율은 85% 이상으로 동시에 개선하여 플리커 문제를 해결함과 아울러 에너지 절감 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

LED 조명 장치용 A/D 컨버터{A/D CONVERTER FOR LED LIGHTING DEVICE}

LED 조명 구동을 위한 A/D 컨버터에 관한 것으로, 상세하게는 컨버팅 과정에서의 역률은 95% 이상, 효율은 85% 이상으로 동시에 개선하여 플리커 문제를 해결함과 아울러, 에너지 절감 효과를 향상시킬 수 있도록 한 LED 조명 장치용 A/D 컨버터에 관한 것이다.

조명기구의 광원으로 주목받고 있는 LED(Light Emitting Diode)는 조도가 높으면서도 소비전력은 적고 이산화탄소, 수은 등의 유해물질의 발생이 없어 친환경적이다. 그리고 5만 시간 이상의 긴 수명, 기존 광원에 비해 빠른 응답 시간 등에 따른 다양한 장점이 있다. 이러한 LED를 이용한 조명기구는 눈부심 제거, 쾌적한 분위기 연출, 에너지 절감 등을 위해 대개 전력을 제어해 조도 및 휘도를 조절하는 디밍(Dimming) 기능을 갖는 컨버터를 채용하고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1568776호(2015. 11. 06. 등록)로 제시된 바와 같이, 일반적인 LED 조명용 컨버터는 상용전원을 정격전원으로 변환하는 트랜스포머와, 이를 펄스 폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation) 방식으로 스위칭하는 PWM 신호부를 가진다. 최근에는 에너지 효율이 강조되면서 PFC(Power Factor Correction) 등과 같은 상용 전원의 역률을 개선하는 구성을 더 구비하여 구성되기도 하였다.

역률은 유효전력과 무효전력의 구성비에 의해 구해지는 일종의 백분율 값, 혹은 총 전력(피상전력 = 유효 전력 + 무효전력)에 대한 유효전력의 비율로서 정의되는데, 효율과 비교하면 손실에 해당되는 것이 무효전력이므로, 총 전력이 모두 나오게 되면 역률은 1이 된다.

통상의 LED 조명용 컨버터는 조명 출력이 100%일 때는 규격에 따라서 역률이 0.9(90%) 이상 나오게 된다. 하지만, 디밍 기능의 실행으로 조명 출력이 50% 이하로 내려가면 역률이 0.5(50%)에도 미치지 못하는 경우가 많아서, 디밍의 순기능이 왜곡되고 효율이 떨어진다. 따라서, 디밍 기능을 갖는 LED 조명용 컨버터의 경우, 디밍 시 역률 개선이 중요한 문제로 부각되고 있다. 역률 개선을 위해서는 단순히 PFC만 추가되지 않고, 다수의 정류회로와 플리커 방지 회로 등이 부수적으로 추가되어야 하기 때문에 그 구성이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제가 있었다.

이에, 근래에는 PFC를 생략하고 2차측 평활회로로 저압의 교류를 정류하여 리플을 없애는 구성으로 역률을 90% 이상 유지하는 방식이 제안되기도 하였다. 하지만, 이 경우에도 역률은 90% 이상 유지하더라도 출력단의 플리커를 제거할 수 없는 문제가 있었다. 만일, 1차측 평활회로를 전해 콘덴서로 구성하면 플리커는 제거할 수 있으나, 다시 역률이 50% 이하로 급감하게 되는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 역률은 95% 이상, 효율은 85% 이상으로 동시에 개선하여 플리커 문제를 해결함과 아울러, 에너지 절감 효과를 향상시킬 수 있도록 한 LED 조명 장치용 A/D 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, PWM 신호부가 구비된 역률 개선부의 PWM 신호를 미적분 회로를 이용하는 주파수 증배기로 2배수 배가시키고, 2배수의 주파수로 출력된 PWM 신호를 전압 변환부의 스위칭 신호로 이용함으로써, A/D 컨버터의 변환 효율을 향상시킴은 물론 플리커 문제까지 해결할 수 있는 LED 조명 장치용 A/D 컨버터를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터는 교류 전원 입력단으로부터의 교류 전압을 필터링해서 출력하는 AC 입력부, 필터링된 교류 전압을 전파 정류하고 PWM 신호부의 PWM 신호로 스위칭 구동하여 역률이 개선되도록 하는 역률 개선부, PWM 신호의 주파수를 적어도 2배 증배시켜 출력하는 주파수 증배기, 주파수 증배기에서 주파수가 증배된 PWM 신호를 스위칭 신호로 이용하여 직류 고전압 레벨을 미리 설정된 저전압 레벨로 변압 및 변류함으로써 정격 전원을 출력하는 전압 변환부를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터는 교류 전원 입력단으로부터의 교류 전압을 필터링하여 출력하는 AC 입력부, 필터링된 교류 전압을 전파 정류하고 주파수가 적어도 2배 증배된 PWM 신호에 따른 스위칭 구동을 통해서 정격전원의 역률을 개선시켜 출력하는 역률 개선부, 역률이 개선된 정격전원의 맥류 전압 리플을 제거하고 직류 고전압으로 변환시켜 출력하는 제1 평활 회로부, 직류 고전압의 전압 레벨을 미리 설정된 직류 저전압 레벨로 변압 및 변류함으로써 역률이 개선된 정격 전원을 출력하는 전압 변환부, 전압 변환부의 트랜스를 스위칭하기 위해 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호부, 및 PWM 신호의 주파수를 적어도 2배로 증배시켜 역률 개선부로 제공하는 주파수 증배기를 포함한다.

상기와 같은 다양한 기술 특징을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터는 역률은 95% 이상, 효율은 85% 이상으로 동시에 개선하여 플리커 문제를 해결함과 아울러, 에너지 절감 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 역률 개선부나 전압 변환부에서 2배 이상의 높은 주파수의 스위칭 동작이 주어지도록 함으로써, 제1, 제2 평활회로에서는 비교적 용량이 작은 비전해 콘덴서를 사용할 수 있도록 한다. 이에, 전해 콘덴서의 수명에 따라 좌우되던 A/D 컨버터의 수명을 반영구적으로 연장할 수 있게 된다. 만일, 콘덴서의 용량 부족으로 플리커가 다소 발생하게 되더라도 출력단 종단에 다알링턴(Darlington) 트랜지스터를 이용한 플리커 프리회로를 부가하여 플리커 문제를 완전히 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터를 구체적으로 나타낸 구성 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 주파수 증배기의 미적분 회로 구조를 구체적으로 나타낸 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 미적분 회로 구조의 입출력 신호 변환 파형을 나타낸 파형도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터를 구체적으로 나타낸 구성 블록도이다.
도 5는 도 4에 도시된 주파수 증배기의 미적분 회로 구조를 구체적으로 나타낸 회로도이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터 및 그 구동방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터를 구체적으로 나타낸 구성 블록도이다.

도 1에 도시된 LED 조명 장치용 A/D 컨버터는 교류 전원 입력단(100)으로부터의 교류 전압을 필터링하여 출력하는 AC 입력부(150), 필터링된 교류 전압을 전파 정류하고 PWM 신호부(250)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 스위칭 구동하여 역률이 개선되도록 하는 역률 개선부(200), PWM 신호의 주파수를 적어도 2배로 배가시켜 출력하는 주파수 증배기(400), 및 주파수 증배된 PWM 신호를 스위칭 신호로 이용하여 직류 고전압 레벨을 미리 설정된 저전압 레벨로 변압 및 변류 함으로써 역률이 개선된 정격 전원을 출력하는 전압 변환부(500)를 포함한다.

이와 더불어, 상용 전원의 전압을 전파 정류하고 역률 개선부(200)에서 출력되는 맥류 전압을 직류의 고전압으로 변환하여 상기의 전압 변환부(500)로 제공하는 제1 평활 회로부(300), 정격 전원의 교류를 정류하여 리플을 제거하는 제2 평활 회로부(600), 및 제2 평활 회로부(600)에서 리플 제거 후 출력되는 출력 전원의 플리커 및 노이즈를 제거하는 플리커 프리 회로부(650)를 더 포함하기도 한다.

AC 입력부(150)는 교류 전원 입력단(100)에 연결되고, 교류 전원 입력단(100)에서 입력되는 상용 전원의 교류 전압에 포함되어 있는 전도성 노이즈를 제거한다. 이러한 AC 입력부(150)에는 EMI 필터가 더 구비되어 상용 전원의 교류 전압 중 외부에서 들어오는 서지(surge)성 전압을 필터링하고, 교류 전원 입력단(100)과 역률 개선부(200) 간에 발생하는 전자파 노이즈를 차단한다.

역률 개선부(200)는 AC 입력부(150)에서 필터링된 교류 전압을 전파 정류하고 PWM 신호부(250)와 공조하여 PWM 신호로 스위칭 구동함으로써, 역률을 조절 및 개선시켜 출력한다. 이때, PWM 신호부(250)에서 생성되는 PWM 신호는 주파수 증배기(400)로도 동시에 제공함으로써, 컨버터가 스위칭 구동되도록 한다.

도 1과 같이, PWM 신호부(250)는 역률 개선부(200)와 별도로 구성될 수도 있지만, 회로 구조 및 회로 구성 면적의 특성상 역률 개선부(200)에 포함되도록 구성됨이 바람직하다. 이에, 역률 개선부(200)는 역률 향상 기능을 수행하면서도 PWM 신호로 주파수 증배기(400)의 스위칭 구동을 지원하기도 한다.

구체적으로, 역률 개선부(200)는 교류 상용전원을 사용함에 있어, 무효 전력을 최소화하기 위한 역률 개선회로를 포함하며, 역률 개선회로에는 부스트(Boost) 회로 등이 포함될 수 있다. 이러한 역률 개선부(200)는 안전 규격을 만족시키고 전기적 절연과 최종 출력단의 LED 부하 구동을 위한 회로들을 하나로 통합하기 위한 컨버터 구조로서, 플라이백(Flyback), 포워드(Forward), 하프-브릿지(Half-Bridge), 풀-브릿지(Full-Bridge) 등 여러 가지 회로로 구현할 수 있다. 또한, 일반적으로 대용량 컨버터는 전력변환 효율이 우수하고 소프트 스위칭에 유리한 공진형 LLC 컨버터를 사용함이 바람직하다.

PWM 신호부(250)는 미리 설정된 주파수 신호에 따라 PWM 신호를 생성 및 출력하게 된다. 미리 설정된 주파수 신호는 기설정된 주파수를 갖는 클럭 신호인데, 이러한 클럭 신호는 외부로부터 수신되거나 자체 오실레이터를 이용하여 생성할 수도 있다. 이와 달리, PWM 신호부(250)는 RS 플리플롭 등으로 구현될 수도 있다. 여기서, PWM 신호부(250)는 역률 개선부(200)와 일체로 구성될 수 있다. 특히, PWM 신호 생성을 위한 집적회로를 역률 개선부(200)의 코일과 전기적으로 연결되도록 구성하면, 연결된 코일과의 시정수에 따라 PWM 신호 주파수가 설정될 수 있다.

한편, 제1 평활 회로부(300)는 역률 개선부(200)를 통해서 출력되고 있는 맥류 전압의 리플을 완화시켜 전압 변환부(500)로 제공한다. 이러한 제1 평활 회로부(300)는 전해 콘덴서를 사용하여 구성하되, 컨버터의 수명을 최대화하기 위해 비전해 콘텐서를 이용함이 바람직하다.

주파수 증배기(400)는 PWM 신호부(250)에서 미리 설정된 주파수로 출력되는 PWM 신호의 주파수를 적어도 2배로 증배시킨 후, 주파수가 증배된 PWM 신호를 전압 변환부(500)로 공급한다. 이러한 주파수 증배기(400)는 회로의 안정성과 빠른 응답 속도를 위해, 미적분 회로를 이용하여 PWM 신호의 주파수를 배가시키거나 증폭시켜 출력할 수 있다. 이러한 주파수 증배기(400)의 미적분 회로 구성과 그 주파수 변조 방법에 대해서는 이후에 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 세부적으로 설명하기로 한다.

전압 변환부(500)는 주파수가 증배된 PWM 신호를 주파수 증배기(400)로부터 입력받고, 주파수가 증배된 PWM 신호를 스위칭 신호로 이용하여 직류의 고전압 레벨을 미리 설정된 저전압 레벨로 변압 및 변류 함으로써 역률이 개선된 상태의 정격 전원을 출력하게 된다. 이렇게 전압 변환부(500)는 주파수가 증배된 PWM 신호를 스위칭 신호로 사용함으로써, 트랜스 효율을 높여 동작할 수 있게 된다.

전압 변환부(500)에서는 역률 개선부(200) 대비 2배 이상의 높은 주파수의 스위칭 동작이 주어지므로, 제2 평활 회로부(300,600)에서는 비교적 용량이 작은 비전해 콘덴서를 사용할 수 있게 된다. 이에, 전해 콘덴서의 수명에 따라 좌우되던 종래의 AC-DC 컨버터 대비 본 발명에서는 수명을 반영구적으로 연장할 수 있게 된다.

한편, 비전해 콘덴서의 용량부족으로 플리커가 다소 발생할 수도 있으나, 이는 출력 종단에 다알링턴 트랜지스터를 이용한 플리커 프리 회로부(650)를 부가하여 해소할 수 있다.

구체적으로, 제1 평활 회로부(300)의 경우는 역률 개선부(200)에서 출력되는 1차측 맥류 전압의 리플을 완화시켜 전압 변환부(500)로 제공하게 된다. 이때 제1 평활 회로부(300)는 적어도 하나의 코일 소자와 적어도 하나의 전해 또는 비전해 콘덴서가 직/병렬로 조합된 회로 구성으로 이루어질 수 있다. 이에, 제1 평활 회로부(300)는 전해 또는 비전해 콘덴서들의 충/방전 동작을 통해 역률 개선부(200)에서 출력되는 맥류 전압을 리플이 적은 직류 전압으로 변환하게 된다.

한편, 제2 평활 회로부(600)의 경우는 전압 변환부(500)에서 출력되는 역률이 개선된 정격 전원, 즉 2차측 교류 전원을 정류하여 리플을 제거한다. 이러한 제2 평활 회로부(600)는 다이오드 등의 정류 소자와 적어도 하나의 전해 또는 비전해 콘덴서가 직/병렬로 조합된 회로 구성으로 이루어질 수 있다. 이에, 제2 평활 회로부(600)는 전해 또는 비전해 콘덴서들의 충/방전 동작을 통해 전압 변환부(500)에서 출력되는 정격 전원의 전압을 정류하여 리플을 제거하게 된다.

플리커 프리 회로부(650)는 다알링턴 트랜지스터를 이용하여, 제2 평활 회로부(600)에서 리플 제거 후 출력되는 직류의 출력 전원에 포함된 120Hz의 잔존 리플들을 완화하여 플리커 및 노이즈를 제거한다. 플리커 프리 회로부(650)는 제2 평활 회로부(600)의 정격 전원을 더욱 세밀하게 정제하여 부하인 LED 모듈이나 LED 조명 장치 등에 공급한다. 이렇게 플리커 프리 회로부(650)의 구조에 의해 제1 제2 평활 회로부(300,600)의 비전해 콘덴서 용량 부족으로 인한 플리커 발생을 방지할 수 있게 된다, 이와 아울러, 플리커 프리 회로부(650)의 출력 측에는 LED 모듈이나 LED 조명 장치로 공급되는 정격 전원에서 노이즈를 제거하는 라인 필터가 더 구비될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 주파수 증배기의 미적분 회로 구조를 구체적으로 나타낸 회로도이다. 그리고 도 3은 도 2에 도시된 미적분 회로 구조의 입출력 신호 변환 파형을 나타낸 파형도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 주파수 증배기(400)는 회로의 안정성과 빠른 응답 속도를 위해, 미적분 회로를 이용하여 PWM 신호부(250)의 PWM 신호 주파수를 적어도 2배로 배가시키거나 증폭시켜 출력할 수 있다.

주파수 증배기(400)의 미적분 회로는 PWM 신호부(250)의 출력단과 전압 변환부(500)의 제어단 사이에 제1 저항소자(R1), 제1 NOR 게이트(NOR1), 제2 저항소자(R2), 제2 NOR 게이트(NOR2), 제1 캐패시터(C1), 제3 NOR 게이트(NOR3), 제3 저항소자(R3), 제4 NOR 게이트(NOR4), 제4 저항소자(R4)가 순차적으로 직렬 연결된 구성이다.

제1 NOR 게이트(NOR1)의 제1 및 제2 입력단은 제1 저항소자(R1)의 출력단에 함께 연결되어 제1 노드(ST1)를 이룬다. 그리고 제1 NOR 게이트(NOR1)의 출력단은 제3 NOR 게이트(NOR3)의 어느 한 입력단과 제2 캐패시터(C2)를 사이에 두고 병렬로 연결된다. 제2 캐패시터(C2)와 제3 NOR 게이트(NOR3)의 사이에는 제5 저항 소자(R5)가 접지로부터 병렬 연결되어 제2 노드(ST2)를 이룬다. 이와 아울러, 제1 캐패시터(C1)와 제3 NOR 게이트(NOR3)의 어느 한 입력단 사이에는 제6 저항 소자(R6)가 접지로부터 병렬 연결되어 제3 노드(ST3)를 이룬다. 제3 저항소자(R3)와 제4 NOR 게이트(NOR4)의 사이에는 제3 캐패시터(C3)가 접지로부터 병렬 연결되어 제4 노드(ST4)를 이룬다. 마지막으로 제4 NOR 게이트(NOR4)와 제4 저항소자(R4)의 사이 노드는 제5 노드(ST5)로 구분된다.

도 2와 함께 도 3의 파형도를 참조하여, 주파수 증배기(400)의 미적분 회로 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1 노드(ST1)에서는 PWM 신호의 파형교정을 위하여 제1 NOR 게이트(NOR1)로 반전시키고, 제2 노드(ST2)로 연결된 미분 회로를 통과시킨다. 이때는 도 3에 도시된 바와 같이, 원 신호의 하강시점 임펄스를 제2 노드(ST2)에서 추출하는 한편 제2 NOR 게이트(NOR2)로 재반전시킨다.

이후, 제3 노드(ST3)로 연결된 미분 회로를 통과시켜 원 신호의 상승시점 임펄스를 추출한다. 그리고 제2 노드(ST2) 및 제3 노드(ST3) 임펄스를 제3 NOR 게이트(NOR3)로 병합 및 반전시킨 후, 제3 캐패시터(C3)가 접지로부터 병렬 연결된 제4 노드(ST4)의 적분 회로를 통과시켜 펄스 폭을 넓힌 파형의 출력 신호를 얻는다.

다음으로, 제4 NOR 게이트(NOR4)로 출력 신호를 재반전시킴으로써, 최종적으로 원 신호와는 동일한 위상이면서 2배의 주파수를 가지는 정제된 PWM 신호를 스위칭 입력으로 출력하게 된다.

상술한 바와 다른 한편으로, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터는 역률 개선부(200) 및 전압 변환부(500)가 피드백 방식으로 역률 조절과 디밍 제어를 수행하여 디밍 시에도 역률을 개선시키도록 할 수 있다.

다시 말해, PWM 제어 방식을 통한 능동적인 역률 개선 방식으로 입력 전압/전류 효율을 향상시킬 수 있다. 이를 하기의 제2 실시 예로 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터를 구체적으로 나타낸 구성 블록도이다.

도 4에 도시된 LED 조명 장치용 A/D 컨버터는 교류 전원 입력단(100)으로부터의 교류 전압을 필터링하여 출력하는 AC 입력부(150), 필터링된 교류 전압을 전파정류하고 주파수가 적어도 2배 증배되어 입력되는 PWM 신호에 따른 스위칭 구동으로 역률이 개선되도록 하는 역률 개선부(200), 역률 개선부(200)에서 역률이 개선되어 출력되는 맥류 전압의 리플을 제거하고 직류 고전압으로 변환시켜 출력하는 제1 평활 회로부(300), 직류 고전압의 전압 레벨을 미리 설정된 저전압 레벨로 변압 및 변류함으로써 역률이 개선된 정격 전원을 출력하도록 하는 전압 변환부(500), 전압 변환부(500)의 트랜스를 스위칭하기 위해 상기의 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호부(250), PWM 신호의 주파수를 적어도 2배로 배가시켜 역률 개선부(200)로 제공하는 주파수 증배기(400)를 포함한다.

이와 더불어, 정격 전원의 교류를 정류하여 리플을 제거함과 아울러 리플이 제거된 출력 전원을 PWM 신호부(250)에 피드백(Feedback) 신호로 공급하는 제2 평활 회로부(600), 및 제2 평활 회로부(600)에서 리플 제거 후 출력되는 출력 전원을 더욱 세밀하게 정제(예를 들어, 직류화)하여 플리커 및 노이즈를 제거하는 플리커 프리 회로부(650)를 더 포함하기도 한다.

AC 입력부(150), 제2 평활 회로부(600), 플리커 프리 회로부(650) 구성에 대해서는 제1 실시예의 도면과 상세한 설명으로 대신하기로 한다.

역률 개선부(200)는 주파수가 증배된 PWM 신호를 주파수 증배기(400)로부터 입력받고, 주파수가 증배된 PWM 신호를 이용하여 맥류 전류의 역률을 조절 및 개선시켜 제1 평활 회로부(300)로 공급한다.

제1 평활 회로부(300)는 역률 개선부(200)를 통해서 출력되고 있는 맥류 전압의 리플을 제거하여 리플이 제거된 직류 고전압을 전압 변환부(500)로 제공한다.

전압 변환부(500)는 직류 고전압의 레벨을 미리 설정된 직류의 저전압 레벨로 변압 및 변류 함으로써 역률이 개선된 정격 전원을 출력하게 된다.

PWM 신호부(250)에서는 제2 평활 회로부(600)로부터 피드백되는 신호를 받아 디밍형 정-전류 방식으로 전압 변환부(500)를 스위칭 제어할 수 있는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력한다. 이때, PWM 신호부(250)는 외부의 디밍 신호에 따라 디밍 제어를 포함하는 PWM 신호를 출력할 수 있다.

한편, 주파수 증배기(400)는 PWM 신호부(250)에서 미리 설정된 주파수로 출력되는 PWM 신호의 주파수를 적어도 2배로 증배시킨 후, 주파수가 증배된 PWM 신호를 역률 개선부(200)로 공급하게 된다.

도 5는 도 4에 도시된 주파수 증배기의 미적분 회로 구조를 구체적으로 나타낸 회로도이다.

도 5와 함께, 앞서 제시된 도 3을 참조하면, 주파수 증배기(400)의 미적분 회로는 PWM 신호부(250)의 출력단과 역률 개선부(200)의 제어단 사이에 제1 저항소자(R1), 제1 NOR 게이트(NOR1), 제2 저항소자(R2), 제2 NOR 게이트(NOR2), 제1 캐패시터(C1), 제3 NOR 게이트(NOR3), 제3 저항소자(R3), 제4 NOR 게이트(NOR4), 제4 저항소자(R4), 스위칭 증폭 회로(OP)가 순차적으로 직렬 연결된 구성이다.

제1 NOR 게이트(NOR1)의 제1 및 제2 입력단은 제1 저항소자(R1)의 출력단에 함께 연결되어 제1 노드(ST1)를 이룬다. 그리고 제1 NOR 게이트(NOR1)의 출력단은 제3 NOR 게이트(NOR3)의 어느 한 입력단과 제2 캐패시터(C2)를 사이에 두고 병렬로 연결된다. 제2 캐패시터(C2)와 제3 NOR 게이트(NOR3)의 사이에는 제5 저항 소자(R5)가 접지로부터 병렬 연결되어 제2 노드(ST2)를 이룬다. 이와 아울러, 제1 캐패시터(C1)와 제3 NOR 게이트(NOR3)의 어느 한 입력단 사이에는 제6 저항 소자(R6)가 접지로부터 병렬 연결되어 제3 노드(ST3)를 이룬다. 제3 저항소자(R3)와 제4 NOR 게이트(NOR4)의 사이에는 제3 캐패시터(C3)가 접지로부터 병렬 연결되어 제4 노드(ST4)를 이룬다. 마지막으로 스위칭 증폭 회로(OP)의 출력단이 제5 노드(ST5)로 구분된다.

도 5에 도시된 주파수 증배기(400)의 미적분 회로 동작은 도 3을 참조하여 설명한 동작으로 대신할 수 있다.

다만, 도 5의 구성으로, 제4 NOR 게이트(NOR4)의 출력 신호를 스위칭 입력에 맞게 승압 및 증폭시켜서 최종적으로 원 신호와는 동일한 위상이면서도 주파수는 2배 이상인 정제된 PWM 신호를 스위칭 입력으로 출력할 수도 있다. 이때, 미적분 회로의 시정수는 입력으로 사용할 PWM 신호의 주파수에 따라 달라지는데, 미분 시정수는 PWM 신호의 최고 주파수일 때 입력 펄스 폭의 1/5로 설정했을 때 가장 이상적이었으며, 적분 시정수는 미분 시정수의 1/10로 설정하였을 때 이상적으로 동작하였다.

전술한 바와 같은 기술 특징을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치용 A/D 컨버터는 역률은 95% 이상, 효율은 85% 이상으로 동시에 개선하여 플리커 문제를 해결함과 아울러, 에너지 절감 효과를 향상시킬 수 있게 된다.

아울러, 역률 개선부(200) 또는 전압 변환부(500)에서 2배 이상의 높은 주파수의 스위칭 동작이 주어지도록 함으로써, 제1, 제2 평활회로(300,600)에서는 비교적 용량이 작은 비전해 콘덴서를 사용할 수 있도록 한다. 이에, 전해 콘덴서의 수명에 따라 좌우되던 A/D 컨버터의 수명을 반영구적으로 연장할 수 있게 된다. 만일, 콘덴서의 용량 부족으로 플리커가 다소 발생하게 되더라도 출력단 종단에 다알링턴(Darlington) 트랜지스터를 이용한 플리커 프리회로를 부가하여 플리커 문제를 해소할 수 있다.

상기에서는 특정의 실시 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 첨부의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 본질적인 사상 내에서 가능함은 물론이다. 본 발명의 기본 사상을 벗어나지 않는 한, 그 외의 다양한 변형도 본 발명의 범주에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

교류 전원 입력단으로부터의 교류 전압을 필터링해서 출력하는 AC 입력부;
상기 필터링된 교류 전압을 전파 정류하고 PWM 신호부의 PWM 신호로 스위칭 구동하여 역률이 개선되도록 하는 역률 개선부;
상기 PWM 신호의 주파수를 적어도 2배 증배시켜 출력하는 주파수 증배기; 및
상기 주파수 증배기에서 주파수가 적어도 2배 증배된 PWM 신호를 스위칭 신호로 이용하여 직류 고전압 레벨을 미리 설정된 저전압 레벨로 변압 및 변류함으로써 정격 전원을 출력하는 전압 변환부를 포함하며,
상기 역률 개선부는
부스트 회로가 포함된 역률 개선회로를 이용하여, 상기 PWM 신호부로부터 주파수가 증배되지 않은 상태로 입력되는 PWM 신호로 스위칭 구동함으로써, 출력되는 정격 전원의 역률을 개선하고,
상기 전압 변환부는
상기 주파수가 증배되지 않은 상태의 PWM 신호 대비, 주파수가 적어도 2배 증배된 PWM 신호를 스위칭 신호로 이용하여 상기 역률이 개선된 정격 전원을 변압 및 변류함으로써, 상기 역률이 개선된 상태의 정격 전원을 출력하며,
상기 주파수 증배기는
상기 역률 개선부로 제공되는 PWM 신호를 미적분 회로를 이용해 적어도 2배 증배시켜 상기 전압 변환부로 공급하며,
상기 주파수 증배기의 미적분 회로는
상기 PWM 신호부의 출력단과 상기 전압 변환부의 제어단 사이에 제1 저항소자, 제1 NOR 게이트, 제2 저항소자, 제2 NOR 게이트, 제1 캐패시터, 제3 NOR 게이트, 제3 저항소자, 제4 NOR 게이트, 제4 저항소자가 순차적으로 직렬 연결되고,
상기 제1 NOR 게이트의 제1 및 제2 입력단은 상기 제1 저항소자의 출력단에 함께 연결되어 제1 노드를 이루고, 상기 제1 NOR 게이트의 출력단은 상기 제3 NOR 게이트의 어느 한 입력단과 제2 캐패시터를 사이에 두고 병렬로 연결되며, 상기 제2 캐패시터와 상기 제3 NOR 게이트의 사이에는 제5 저항 소자가 접지로부터 병렬 연결되어 제2 노드를 이루며, 상기 제1 캐패시터와 상기 제3 NOR 게이트의 어느 한 입력단 사이에는 제6 저항 소자가 접지로부터 병렬 연결되어 제3 노드를 이루고, 상기 제3 저항소자와 상기 제4 NOR 게이트의 사이에는 제3 캐패시터가 접지로부터 병렬 연결되어 제4 노드를 이루는
LED 조명 장치용 A/D 컨버터.
제 1 항에 있어서,
정격 전원의 전압을 전파 정류하고 상기 역률 개선부에서 출력되는 맥류 전압을 직류 고전압으로 변환하여 상기 전압 변환부로 공급하는 제1 평활 회로부;
상기 전압 변환부로부터 입력되는 정격 전원의 교류를 정류하여 리플을 제거하는 제2 평활 회로부; 및
상기 제2 평활 회로부에서 리플 제거 후 출력되는 출력 전원의 플리커 및 노이즈를 제거하는 플리커 프리 회로부;
를 더 포함하는 LED 조명 장치용 A/D 컨버터.
제 1 항에 있어서,
상기 역률 개선부는
상기 역률 개선회로는 부스트(Boost) 회로, 플라이백(Flyback), 포워드(Forward), 하프-브릿지(Half-Bridge), 풀-브릿지(Full-Bridge), 공진형 LLC 컨버터 중 적어도 하나의 회로를 포함하는 LED 조명 장치용 A/D 컨버터.
제 3 항에 있어서,
상기 PWM 신호부는
미리 설정된 주파수의 클럭 신호를 외부로부터 입력받거나 자체 생성하여 상기 미리 설정된 주파수 레벨로 상기의 PWM 신호를 생성하기 위해 적어도 하나의 플립플롭을 구비하여 구성된 LED 조명 장치용 A/D 컨버터.
제 4 항에 있어서,
상기 주파수 증배기는
상기 PWM 신호의 크기를 미리 설정된 스위칭 입력 전압의 크기로 증폭시켜서 상기 전압 변환부로 공급하는 LED 조명 장치용 A/D 컨버터.
교류 전원 입력단으로부터의 교류 전압을 필터링하여 출력하는 AC 입력부;
상기 필터링된 교류 전압을 전파 정류하고 주파수가 적어도 2배 증배된 PWM 신호에 따른 스위칭 구동을 통해서 정격 전원의 역률을 개선시켜 출력하는 역률 개선부;
상기 역률이 개선된 정격전원의 맥류 전압 리플을 제거하고 직류 고전압으로 변환시켜 출력하는 제1 평활 회로부;
상기 직류 고전압의 전압 레벨을 미리 설정된 저전압 레벨로 변압 및 변류함으로써 역률이 개선된 정격 전원을 출력하는 전압 변환부;
상기 전압 변환부의 트랜스를 스위칭하기 위해 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호부; 및
상기 PWM 신호의 주파수를 적어도 2배로 증배시켜 상기 역률 개선부로 제공하는 주파수 증배기를 포함하며,
상기 역률 개선부는
부스트 회로가 포함된 역률 개선회로를 이용하여 상기 PWM 신호부의 PWM 신호 대비 적어도 2배로 주파수가 증배된 PWM 신호로 스위칭 구동함으로써, 출력되는 정격 전원의 역률을 개선하고,
상기 전압 변환부는
상기 PWM 신호부로부터 주파수가 증배되지 않은 상태로 입력되는 PWM 신호를 스위칭 신호로 이용하여 상기 역률이 개선된 정격 전원을 변압 및 변류함으로써, 상기 역률이 개선된 상태의 정격 전원을 출력하며,
상기 주파수 증배기는
상기 전압 변환부로 제공되는 상기 PWM 신호를 미적분 회로를 이용해 적어도 2배 증배시켜 상기 역률 개선부로 공급하며,
상기 주파수 증배기의 미적분 회로는
상기 PWM 신호부의 출력단과 상기 전압 변환부의 제어단 사이에 제1 저항소자, 제1 NOR 게이트, 제2 저항소자, 제2 NOR 게이트, 제1 캐패시터, 제3 NOR 게이트, 제3 저항소자, 제4 NOR 게이트, 제4 저항소자가 순차적으로 직렬 연결되고,
상기 제1 NOR 게이트의 제1 및 제2 입력단은 상기 제1 저항소자의 출력단에 함께 연결되어 제1 노드를 이루고, 상기 제1 NOR 게이트의 출력단은 상기 제3 NOR 게이트의 어느 한 입력단과 제2 캐패시터를 사이에 두고 병렬로 연결되며, 상기 제2 캐패시터와 상기 제3 NOR 게이트의 사이에는 제5 저항 소자가 접지로부터 병렬 연결되어 제2 노드를 이루며, 상기 제1 캐패시터와 상기 제3 NOR 게이트의 어느 한 입력단 사이에는 제6 저항 소자가 접지로부터 병렬 연결되어 제3 노드를 이루고, 상기 제3 저항소자와 상기 제4 NOR 게이트의 사이에는 제3 캐패시터가 접지로부터 병렬 연결되어 제4 노드를 이루는
LED 조명 장치용 A/D 컨버터.
제 6 항에 있어서,
상기 정격 전원의 교류를 정류하여 리플을 제거하는 제2 평활 회로부; 및
상기 제2 평활 회로부에서 출력되는 출력 전원을 직류화하거나 정제하여 플리커 및 노이즈를 제거하는 플리커 프리 회로부;
를 더 포함하는 LED 조명 장치용 A/D 컨버터.
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제 6 항에 있어서,
상기 주파수 증배기는
상기 PWM 신호의 크기를 미리 설정된 스위칭 입력 전압의 크기로 증폭시켜서 상기 역률 개선부로 공급하는 LED 조명 장치용 A/D 컨버터.