KR101796431B1

KR101796431B1 - 역률 보상형 led 구동장치 및 구동방법

Info

Publication number: KR101796431B1
Application number: KR1020150127286A
Authority: KR
Inventors: 유수근; 김봉철
Original assignee: 유수근; (주)옵토마인드
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-11-09
Also published as: WO2017043756A1; KR20170029999A

Abstract

LC를 이용한 역률 보상형 LED 구동장치 및 구동방법을 개시한다.
본 실시예의 역률 보상형 LED 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 역률을 보상하고, 전류제어부를 이용하여 전류를 제어함으로써 LED를 구동하는 LED 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.

Description

역률 보상형 LED 구동장치 및 구동방법{LED Driver and Driving Method for Power Factor Correction}

본 실시예는 역률 보상형 LED 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 역률을 보상하고, 전류제어부를 이용하여 전류를 제어함으로써 LED를 구동하는 LED 구동장치 및 구동방법에 관한 것이다.

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.

LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위해서는 전원 장치가 필요하다. LED 전원장치에는 크게 SMPS(Switching Mode Power Supply) 방식과 AC 다이렉트(Direct) 방식이 있다.

SMPS 방식은 교류 전원으로부터 직류 전원을 공급하는 장치로서, 대부분의 전자 기기에서 널리 사용되고 있다. LED 소자는 기본적으로 직류 전원을 받아 작동하는 소자이기 때문에 직류전원을 LED에 공급하는 것이 사용하기에 편리하고 효율도 좋다.

그러나 SMPS 방식은 구성 부품 중에 평활 캐패시터나 스위칭을 위한 PowerFET 등의 고장이 잦다는 문제가 있다. 고장의 원인 중 일부는 LED 발열에 의한 온도상승, 장시간의 지속적인 사용 등의 동작환경에 의한 것으로 알려져 있다. LED 전등은 공장이나 야외에서 전력선에 직접 연결되는 기기이기 때문에 서지(Surge)와 같은 외란(Disturbance)이 심한 환경에서 사용되기 때문일 것으로 보인다. LED 전등은 효율, 역률, THD(Total Harmonic Distortion) 및 수명 등의 요구조건들이 다른 전자 기기에 대비하여 매우 까다롭다.

한편, 이러한 단점을 해결하기 위하여 최근부터 AC 다이렉트 방식의 LED 전원장치가 개발되고 있다. AC 다이렉트 방식은 고속의 스위칭 동작을 없애고, 전파 정류된 맥류 전압으로부터 몇 단계의 정전류 제어를 하여 역률 조건과 THD 조건을 만족시키면서 LED에 전력을 공급한다. AC 다이렉트 방식은 고속 스위칭하는 PowerFET이나 평활 캐패시터를 사용하지 않기 때문에 고장 요인이 적어 긴 수명을 얻을 수 있다.

AC 다이렉트 방식은 입력 전압의 변동에 따른 출력전력 변동의 문제를 아직 해결하지 못한 실정이다. 입력전압이 10 % 변동하면 출력전력도 10 % 정도 변동한다. 또한 입력전압이 높아지면 정전류 소자에 과부하가 걸려서 많은 열이 발생하며, 입력전압의 급격한 변동시에는 구동 IC 등이 파괴되는 단점이 있어서, 사용 입력전압의 변동 조건이 보통 10 % 이내로 제한되어야 한다.

AC 다이렉트 방식은 출력전력이 맥류이기 때문에, 플리커(Flicker)가 맥류전압 형상 그대로 나타난다. 이러한 플리커 문제를 완화하기 위해서 평활 캐패시터를 사용해서 해결하는 방법이 시도되고 있지만, 이의 사용으로 인하여 LED 전등의 수명시간이 단축된다. AC 다이렉트 방식은 LED에 맥류전력을 공급하므로 전력 대비 광 변환 비율이 SMPS 방식보다 낮아서, 총 광효율(Lumen per Watt)을 SMPS 방식만큼 높이는 데 한계가 있다.

또 다른 방법으로, 최근에 LC만을 이용한 수동(Passive) 방식의 역률보상형 LED 구동 장치가 나왔다. 이러한 수동형 역률보상형 구동장치는 에너지 저장 소자인 인덕터와 캐패시터만을 이용하여 역률 보상을 하기 때문에 손실이 거의 없어서 전력 대 광 변환 효율이 매우 높다. 수동형 구동장치에 사용하는 인덕터와 필름 캐패시터는 고장이나 예기치 않은 파손 등에 강해서 구동장치의 수명이 다른 방식에 대비해 길다.

본 실시예는 수동형 구동장치의 장점을 살리면서 단점인 출력변동을 제거하는 LC를 이용한 역률보상형 정전류 LED 구동장치를 제공하는 데 목적이 있다.

또한, LED 구동장치의 역률보상을 위하여 수동형 에너지 저장소자인 L과 C를 이용하여 에너지효율을 높이고, 전류제어부를 이용하여 전류를 제어하여 LED에 공급함으로써 출력전력의 변동을 제거하는 LED 구동장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, LED(Light Emitting Diode) 모듈에 전류를 공급하기 위한 LED 구동장치에 있어서, 입력전원에 연결되어, LC(Inductor Capacitor)를 이용하여 전압과 입력전류간의 위상차를 보상하는 PFC(Power Factor Correction) 제어부; 상기 PFC 제어부에 연결되어, 상기 입력전압을 직류 맥류전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부에 연결되어, 상기 정류부에서 정류된 전류와 상기 LED 모듈에 흐르는 전류와의 차이만큼의 전하를 저장하거나 상기 LED 모듈에 공급하는 캐패시터; 및 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 스위칭 모드(Switching Mode)로 제어하는 전류제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 정류부, 스위치 및 캐패시터를 포함하는 LED(Light Emitting Diode) 구동장치에서 LED 모듈에 흐르는 전류를 제어하는 LED 구동용 전류제어기에 있어서, 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 개폐하는 스위치; 상기 스위치가 온(On)되었을 때, 상기 LED 모듈에 흐르는 전류가 선형적으로 증가하게 하고, 상기 스위치가 오프(Off)되었을 때, 상기 LED 모듈에 흐르는 전류가 선형적으로 감소하게 하는 인덕터; 상기 스위치가 오프되었을 때, 상기 인덕터에 흐르는 전류를 회귀하는 환류(Free Wheeling) 다이오드; 상기 스위치의 소오스(Source)와 연결되어, 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지저항; 상기 전류감지저항 양단의 전압과 기준전압(Vref1)과 비교하여 일측 지연시간 인버터에 전달하는 비교기; 및 상기 일측 지연시간 인버터에 연결되어, 상기 스위치를 개폐하는 상기 게이트 드라이버(Gate Driver)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동용 전류제어기를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 입력전원으로부터의 입력전압을 LC(Inductor Capacitor)를 이용하여 입력전류와의 위상차를 보상하는 과정; 상기 입력전원을 직류 전류로 변환하는 과정; 상기 전류와 LED(Light Emitting Diode) 모듈에 흐르는 전류와의 차이만큼의 전하를 저장하거나 상기 LED 모듈로 전류를 공급하는 과정; 및 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 스위칭 모드로 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동방법을 제공한다.

본 실시예에 의하면, LED 구동장치의 역률보상을 위하여 수동형 에너지 저장소자인 L과 C를 이용하여 에너지효율을 높이고, LED에 공급되는 전류를 제어함으로써 입력전압의 변동에 따른 출력전력의 변동을 제거하는 효과가 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 개념 블록도를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 회로도를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 전류제어부가 동작하지 않을 때(입력전압(Vi)이 작은 경우)의 회로도를 도시한다.
도 4는 도 3의 LED 구동장치의 전류제어부가 동작하지 않을 때(입력전압(Vi)이 작은 경우)의 각부의 신호 파형도를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 브리지 다이오드가 오프(Off)인 경우와 온(On)인 경우의 회로의 동작을 도시한다.
도 6은 도 5의 LED 구동장치의 전류제어부가 동작할 때(입력전압(Vi)가 큰 경우)의 각부의 신호 파형도를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 리니어 모드(Linear Mode) 전류제어부의 구현 회로도를 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 스위칭 모드(Switching Mode) 전류제어부의 구현 회로도를 도시한다.
도 9는 도 8의 스위칭 모드 전류제어부의 각부의 파형도를 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따른 일측 지연시간 인버터의 회로도를 도시한다.
도 11은 도 10의 일측 지연시간 인버터의 각부의 파형도를 도시한다.

이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

각 도면의 구성요소들에 대한 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), ([0012] b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 개념 블록도를 도시한다. LED 구동장치(100)는 입력전원(110), PFC 제어부(120), 정류부(130), 캐패시터(140), 전류제어부(150) 및 LED 모듈(160)을 포함한다.

입력전원(110)은 LED 구동장치(100)에 교류 전원을 공급한다.

PFC 제어부(120)는 SMPS(Switching Mode Power Supply)와 같이 캐패시터가 존재하는 전원 입력구성을 가진 장비로 인해 전압과 전류의 위상차가 cos0으로부터 멀어지는 것을 방지하는 데 쓰인다.

역률(Power Factor: PF)은 입력전원(110)의 전압과 전류의 파형이 이루어내는 흐름에서 위상시간의 cos차를 의미한다. 역률은 수학식 1과 같이 나타낸다.

여기서 ∮는 전압과 전류의 위상차이다.

입력전압과 입력전류의 위상이 일치한다면 역률은 cos0=1이고, 완전 불일치의 경우 cos90=0가 된다. 실제 제품의 역률을 표기할 때에는 수학식 1과 같이 계산한 결과값만으로 표기하므로 예컨대 0.9로 표시한다.

PFC는 수동형(Passive type)과 능동형(Active type)으로 나누어진다.

수동형 PFC는 비교적 변동이 적은 부하에서 미리 측정된 무효분만큼 무효전류를 추가하거나 제거하기 위하여 캐패시터나 인덕터를 사용한다.

능동형 PFC는 부하를 선형부하로 모델링(Modeling)하기 위하여 FET, 다이오드, 추가 배전압 정류회로 및 캐패시터를 사용해 역률을 시뮬레이션(Simulation)한다. 전원전압(110)의 변동에 영향을 받지 않도록 정밀하게 부하를 모델링하기 때문에 역률이 0.95 이상 나온다. 다만 능동형 PFC는 전력변환 과정에서 손실이 발생한다. 능동형 PFC는 전원이 입력될 때 충방전을 반복하면서 위상차로 인한 무효전력분을 제거하거나 더해주기를 반복해 부하가 저항성 부하처럼 보이게 한다.

정류부(130)는 교류 입력전압을 브리지 다이오드(Bridge Diode)를 사용하여 직류 맥류전압으로 변환한다. 브리지 다이오드는 4개의 다이오드를 연결한 브리지 회로이다. 브리지 다이오드는 입력되는 전압의 극성에 무관하게 동일한 극성 전압을 출력한다. 다이오드의 턴온 전압(Turn-on Voltage), 즉 0.7 ~ 1.0 V 만큼 전압손실은 발생한다.

캐패시터(140)는 브리지 다이오드의 출력 전류가 LED 모듈에 흐르는 전류보다 많으면 그 차이만큼의 전류를 캐패시터(140)에 저장한다. 반면에 브리지 다이오드의 출력 전류가 LED 모듈에 흐르는 전류보다 작으면 그 차이만큼의 전류를 캐패시터(140)로부터 LED 모듈로 공급한다.

전류제어부(150)는 LED 모듈에 제공되는 전류를 제어한다. 전류제어부(150)는 리니어 모드(Linear Mode) 방식과 스위칭 모드(Switching Mode) 방식으로 구현할 수 있다. 이에 대해서는 각각 도 7과 도 8과 함께 상세히 설명한다.

도 2는 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 회로도를 도시한다. LED 구동장치(200)는 입력전원(110), 인덕터(L1)와 캐패시터(C1), 브리지 다이오드(220), 캐패시터(C2), 전류제어부(150) 및 LED 모듈(160)을 포함한다.

입력전원(110)은 인덕터(L1)의 한 단자에 연결되어 교류전압을 제공한다. 인덕터(L1)는 LED에 입력되는 전류를 일차적으로 제한하는 역할뿐만 아니라 캐패시터(C1)와 함께 역률을 보상하는 PFC 역할을 한다.

브리지 다이오드(220)는 교류 전원을 전파 정류하는 역할을 한다. 캐패시터(C2)는 LED에 흐르는 전류(Iled)보다 전파 정류된 전류(Id)가 큰 경우는 에너지를 임시 저장해 두는 역할을 하고, 전파 정류된 전류(Id)가 LED에 흐르는 전류(Iled)보다 작은 경우는 저장된 에너지를 LED에 공급해 주는 역할을 한다.

도 2의 회로는 두 가지 경우에서 동작할 수 있다. 하나는 입력전압(Vi)이 작아 입력전류가 작은 경우로서, 브리지 다이오드의 정류 작용에 의해서 통과된 전파 정류된 전류(Id)가 전류원(Is)의 설정된 전류(Ilim)보다 작은 경우이다. 다른 하나는 입력전압(Vi)이 큰 경우로서, 전파 정류된 전류(Id)가 설정된 전류(Ilim)보다 큰 경우이다. 입력전압(Vi)이 작은 경우는 도 2의 회로는 도 3의 회로와 등가가 된다.

도 3은 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 전류제어부가 동작하지 않을 때(입력전압(Vi)이 작은 경우)의 회로도를 도시한다. 입력전압(Vi)이 작은 경우에는 전류제어부(150)는 단순히 작은 저항(이상적으로는 0 Ohm)이 된다. 따라서 캐패시터(C2)의 양단 전압(Vd)은 LED 모듈의 순방향 전압(Vf)으로 제한된다. 이 경우의 동작을 도 4의 파형도를 참조하여 설명한다.

도 4는 도 3의 LED 구동장치의 전류제어부가 동작하지 않을 때(입력전압(Vi)이 작은 경우)의 각부의 신호 파형도를 도시한다. 도 4의 (a)에서 보듯이, 구간 T0시점부터 입력전압(Vi)은 양의 값을 가지며 증가한다. 이때 캐패시터(C1)의 전압은 이전 사이클의 음의 반주기 동안 브리지 다이오드(220)가 온(On)되었을 때의 전압이었던 -Vf 값을 가지고 시작하게 된다.

도 5는 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 브리지 다이오드가 오프(Off)인 경우와 온(On)인 경우의 회로의 동작을 도시한다.

이하는 도 5와 도 4를 함께 참조하면서 회로의 동작을 설명한다.

도 4의 (a)의 파형도 구간 T1과 T2에서는 브리지 다이오드(220)는 오프(Off)되고, 입력단의 회로는 도 5의 (a)와 같이 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)만 존재하는 회로로 동작한다. 캐패시터(C1) 초기 전압은 -Vf이다. 이때, 인덕터(L1)의 양단의 전압은 Vi-Vc 가 걸리게 되고 인덕터의 전류는 (Vi-Vc)/L1의 기울기로 증가하게 된다. 브리지 다이오드(220)는 오프되어 있으므로, 인덕터(L1)의 전류는 모두 캐패시터(C1)로 흐른다. 따라서 Vc도 증가하게 된다.

구간 T1에서는 Vi-Vc가 양의 값을 가지므로, 인덕터 전류(Ii)는 기울기가 양의 값을 가지며 증가한다. 구간 T1이 끝날 때, Vi-Vc의 값이 0이 되고, 이때 인덕터 전류(Ii)는 극대점이 된다. 이후 구간 T2에서는 인덕터 전류(Ii)가 양이므로, 캐패시터(C1)의 전압은 계속 증가한다. 그러나 인덕터 양단의 전압 Vi-Vc가 음이 되므로 인덕터 전류(Ii)는 감소한다. Vc가 계속 증가하여 캐패시터(C2) 양단의 전압 Vd(=Vf)보다 커지게 되는 순간, 브리지 다이오드(220)는 온이 되어 전류는 캐패시터(C2)와 LED로 흐르게 된다. 이런 동작을 하는 구간들이 T3, T4, T5 및 T0이다. 이 구간 동안 Vd는 LED 순방향 전압(Vf)으로 일정하게 유지된다. 캐패시터(C1)는 연결되어 있으므로 Vc도 계속해서 Vf로 유지된다.

브리지 다이오드(220)가 온되는 구간의 회로의 동작은 도 5의 (b)와 같다. 이때부터는 인덕터 양단의 전압은 Vi-Vd로 걸린다. 이때 Vd는 Vf이므로 Vi-Vf의 전압이 걸린다. 구간 T3에서는 Vi-Vf 가 음이 되어 인덕터 전류(Ii)는 감소하며, 구간 T4에서는 Vi-Vf가 양이 되어 다시 인덕터 전류(Ii)는 증가한다. 구간 T4가 끝나면, 입력전압(Vi)이 감소하게 됨에 따라, Vi-Vf가 음이 되어 인덕터 전류(Ii)는 급속하게 감소하게 된다. 구간 T0은 입력전압(Vi)이 음으로 바뀌었음에도 양의 전류가 흐르는 잔류 구간이다.

각 구간의 위치나 크기는 인덕터(L1)와 캐패시터(C1) 값에 따라 변경시킬 수 있고, 이에 따라 입력전류(Ii)의 파형도 변화시킬 수 있다. 그러므로 인덕터(L1)와 캐패시터(C1) 값을 조절함으로써 입력전류를 입력전압에 대해서 진상 또는 지상으로 움직일 수 있다. 또한 입력전류 파형의 모양도 조절이 가능하여 THD(Total Harmonic Distortion)도 조절할 수 있다. 따라서 역률 보상도 할 수 있게 되는 것이다.

인덕터(L1)의 값은 전원 주파수 50~60 Hz에서 유효한 값이어야 하며, 대략 수백 mH대가 적절하나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 구간 T0부터는, 입력전압(Vi)이 음의 구간에서는 양의 구간과 같은 방식으로 동작을 하며, 단지 방향(부호)만 바뀌게 될 뿐이다.

입력전류(Ii)는 브리지 다이오드(220)에 의해서 도 4의 (b)의 빗금친 부분만 제외하고 통과된 전류(Idi)가 도 4의 (c)와 같다. 브리지 다이오드(220)의 입력된 전류(Idi)는 브리지 다이오드(220)에 의해서 전파 정류된 전류(Id)가 도 4의 (d)와 같다. 전파 정류된 전류(Id)는 LED에 공급되는 전류가 된다.

입력전압(Vi)이 증가하면, 인덕터 전류(Ii)의 진폭도 증가하고, 따라서 전파 정류된 전류(Id)의 평균 전류도 증가한다. 물론 그 모양은 도 4의 (d)의 형태를 유지한다. 전파 정류된 전류(Id)가 증가하면 LED에 흐르는 전류(Iled)가 증가하게 되고, LED는 밝아지게 된다. 즉, 전압 변동에 따른 출력 변동이 발생하게 되는 것이다.

입력전압(Vi)이 큰 경우에 대해서도, 도 2를 함께 참조하면서 설명한다. 입력전압(Vi)이 증가하여 전파 정류된 전류(Id)의 전류가 도 2의 전류제어부(150)의 설정된 전류 Ilim을 초과하게 되면, LED 쪽으로는 Ilim밖에 흐르지 못하므로, 나머지 전류는 캐패시터(C2)로 흐르게 된다. 따라서 캐패시터(C2)의 양단 전압 Vd가 증가한다. Vd가 증가하게 되면, 도 4의 (a)의 파형도에서 구간 T4가 감소하고, 이 구간 동안의 인덕터(L1)의 양단전압 Vi-Vd가 감소하면서 인덕터 전류(Ii)가 감소한다. 따라서 Id의 평균전류가 Ilim와 같아지는 전압에서 Vd의 평균전압이 형성된다. 그러므로 입력전압(Vi)이 증가하더라도, LED의 출력전류는 Ilim으로 유지된다.

도 6은 도 5의 LED 구동장치의 전류제어부(150)가 동작할 때(입력전압(Vi)가 큰 경우)의 각부의 신호 파형도를 도시한다. 도 4와는 다르게 Vd가 Vf로 일정하지 않고, 평균전압(Vdavg)을 중심으로 Vd가 변동하는 것이 다르다. 도 6의 (c)는 전파 정류된 전류(Id) 파형도를 도시한다. 도 6에서도 도 4와 같이, 구간 T0는 전 사이클의 마지막 사이클이며, 구간 T1과 T2에서는 브리지 다이오드(220)는 오프되고, 구간 T3, T4, T5, T0에서 브리지 다이오드(220)는 온된다.

구간 T1에서 인덕터 양단에는 Vi-Vc의 전압이 걸린다. 이때 Vi-Vc는 양이므로 인덕터(L1)의 인덕터 전류(Ii)는 (Vi-Vc)/L1의 기울기를 가지면서 증가한다. 이때 전류는 모두 캐패시터(C1)로 흘러서, 캐패시터(C1) 양단의 전압(Vc)을 증가시킨다. Vc가 입력전압(Vi)보다 높아지면 인덕터 양단 전압은 0이 되었다가 음으로 바뀐다. 따라서 인덕터 전류(Ii)는 잠시 감소한다(T2 구간). Vc는 인덕터 전류(Ii)가 구간 T2에도 계속 양인 상태이기 때문에 증가를 계속하여, Vc가 C2의 양단의 전압(Vd)보다 높아지는 순간 브리지 다이오드(220)는 온이 된다. 이때부터는 C1과 C2가 연결되어 Vc와 Vd가 같아진다.

브리지 다이오드(220)는 구간 T1 및 T2 동안 오프되고, 캐패시터(C2)는 LED 쪽으로 설정된 전류 Ilim으로 방전을 하고 있기 때문에 Vd는 감소하게 된다. 구간 T3 및 구간 T4 중 시점 t6까지의 구간은 브리지 다이오드(220)의 흐르는 전류(Id)가 설정된 전류(Ilim)보다 작으므로 Vd는 감소하다가, 브리지 다이오드(220)의 흐르는 전류(Id)가 설정된 전류(Ilim)보다 커지는 시간 t6부터 Vd 전압은 증가한다. Vd가 입력전압(Vi)보다 높아지는 구간 T5이 되면 인덕터 전류(Ii)는 다시 (Vi-Vd)/L1의 기울기를 갖고 감소한다. 인덕터의 전류가 설정된 전류(Ilim)보다 작아지는 시간 t7까지 Vd는 증가하다가, LED로 방전을 계속하기 때문에 시간 t7 이후부터는 Vd가 감소한다. 입력전압(Vi)이 음이 되는 다음 사이클에서도 이와 같은 동작을 반복하게 된다.

Vd의 평균전압(Vdavg)은 고정된 것이 아니고, 입력전압(Vi)이 증가하면 평균전압(Vdavg)이 증가하고, 입력전압(Vi)이 감소하면 평균전압(Vdavg)이 감소한다. 전파 정류된 전류(Id)의 평균 전류가 Ilim의 값과 같아지는 점으로 Vd의 평균전압(Vdavg)은 이동되어 LED에 흐르는 전류를 일정하게 유지한다. 입력전압(Vi)이 더 낮아져서, 평균전압(Vdavg)이 LED의 Vf보다 낮아져야 하는 경우가 되면, Is는 더 이상 전류원으로 동작하지 못한다. 도 3과 같이 단순히 작은 저항(이상적이라면 0 Ohm)으로 동작하게 된다.

인덕터(L1)와 캐패시터(C1)의 값을 적절한 값으로 조절하면, 역률과 THD를 조절할 수 있다. 캐패시터(C2)의 값은 캐패시터(C2)가 방전하는 구간인 시간 t7부터 다음 사이클의 시간 t6까지 전류제어부(150)가 동작할 수 있는 전압이 유지되도록 방전되지 않는 값 이상으로 설정하면 된다.

도 7은 일 실시예에 따른 리니어 모드(Linear Mode) 전류제어부의 구현 회로도를 도시한다. 리니어 모드 전류제어부(710)는 저항(Rb), 제너 다이오드(Vz), FET(Q2) 및 저항(Rs)을 포함한다. FET(Q2)의 드레인(Drain)은 LED 모듈과 연결되고, 저항(Rb)은 Vd와 FET(Q2)의 게이트 사이에 연결되어 제너 다이오드(Vz)에 바이어스 전류를 제공한다. FET(Q2)의 게이트에 일정 전압을 인가하기 위한 제너 다이오드(Vz) 및 LED 전류를 설정하기 위한 저항(Rs)를 FET(Q2)의 소스(Source)단에 연결한다. 이때 제한전류(Ilim)은 (Vz-Vgs)/Rs가 된다.

이 방식을 이용하면, Vd가 높아지면 Vs가 높아져서 LED 쪽에 흐르는 제한전류 (Ilim)는 일정하게 할 수 있다. 그러나 FET(Q2) 양단에 Vd-Vf 가 걸리고, FET(Q2)의 전체 전력은 (Vd-Vf)*Ilim 이 되는데 이것이 모두 열로 소모된다. 즉 입력전압(Vi)이 높아질수록 손실이 커지는 단점이 있으므로, 출력전력이 큰 경우에는 이 방식을 사용하지 않는 것이 좋다. 그러나 이러한 단점은 스위칭 모드 전류제어부로 해결할 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 스위칭 모드(Switching Mode) 전류제어부의 구현 회로도를 도시한다. 스위칭 모드 전류제어부(840)는 스위치(Q1), 다이오드(Dw), 인덕터(Ls), 저항(Rs), 비교기(820), 게이트 드라이버(830) 및 일측 지연시간 인버터(810)를 포함한다.

입력전압(Vi)이 일정한 전압보다 커져서 전파 정류된 전류(Id)의 평균값이 LED로 흐르는 출력전류(Io)보다 커지는 전압 이상의 범위가 된 경우, 입력전압(Vi)이 더 커지더라도 LED 전류(Iled)가 일정하게 흐르도록 하기 위하여 스위칭 모드 전류제어부(840)를 사용한다.

스위치(Q1)는 전류 스위치용 트랜지스터이며 여기서는 NMOS를 사용하였으나, NMOS 대신에 NPN 트랜지스터를 사용할 수 있다. 저항(Rs)은 전류 감지용 저항이다. 비교기(820)는 감지된 전압(Rs*Io)과 기준값(Vref1)과의 차이를 모니터한다.

일측 지연시간 인버터(810)는 비교기(820)의 출력이 하이(high)가 되면 즉시 출력이 로(Low)가 되고, 비교기(820)의 출력이 로가 되면 소정의 시간(Td)을 지연한 후 출력이 하이가 된다.

게이트 드라이버(830)는 일측 지연시간 인버터(810)의 출력전압을 증폭하여 스위치(Q1)의 게이트를 구동한다. 인덕터(Ls)는 스위치(Q1)가 온 되었을 때, LED에 흐르는 전류가 선형적으로 증가하게 하고, 스위치(Q1)가 오프되었을 때 선형적으로 감소하게 하는 역할을 한다. 다이오드(Dw)는 스위치(Q1)가 오프되었을 때, 인덕터(Ls)에 흐르는 전류를 회귀시키는 환류(Free Wheeling) 다이오드이다.

입력전압(Vi)이 전류원 동작전압 이상인 경우의 동작을 설명한다. 처음에 스위치(Q1)가 오프되면, Io가 흐르지 않으므로, Rs양단의 전압(Rs*Io)은 소정의 비교용 전압 Vref1보다 낮다. 이때, 비교기(820)의 출력은 로가 된다. 일측 지연시간 인버터(810)는 소정의 지연시간 Td 후 일측 지연시간 인버터(810)의 출력은 하이가 되어, 게이트 드라이버(830)를 거쳐서 스위치(Q1)가 온이 된다. 스위치(Q1)가 온이 되면, 스위치(Q1)의 드레인 전압(Vdrain)은 0 V가 되고, 다이오드(Dw)는 오프가 되며, LED와 인덕터(Ls) 양단에 캐패시터(C2)의 전압 Vd가 걸린다. 인덕터(Ls)에 걸리는 전압은 Vd에서 LED의 총 순방향 전압(Vf)을 뺀 Vd-Vf이 되고, 인덕터(Ls)의 전류 Iled는 (Vd-Vf)/Ls의 기울기를 가지고 선형적으로 증가한다.

이때(스위치(Q1)이 온 상태일 때)는 Iled = Io가 되며, 저항(Rs) 양단의 전압 Iled*Rs (= Io*Rs)은 선형적으로 증가한다. 저항(Rs) 양단의 전압이 증가를 계속하여 Vref1보다 커지는 순간 비교기(820)의 출력은 하이가 된다. 이때는 일측 지연시간 인버터(810)의 출력이 지연시간 없이 로가 되고 스위치(Q1)는 오프된다. 스위치(Q1)가 오프되면, 저항(Rs) 양단의 전압은 0 V가 되며, 비교기(820)의 출력은 로가 된다. 비교기(820)의 출력이 로가 되면, 일측 지연시간 인버터(810)는 소정의 지연시간 Td 후에 하이를 출력한다. 일측 지연시간 인버터(810)의 출력은 게이트 드라이버(830)를 구동하여, 스위치(Q1)가 다시 온이 된다.

일측 지연시간 인버터(810)의 소정의 지연 시간 Td 동안 스위치(Q1)가 오프되어 있는 동안에는 환류 다이오드(Dw)가 온이 된다. 인덕터 전류는, 환류 다이오드로 회귀되어 흐른다. 인덕터(Ls) 양단에는 LED의 순방향 전압 Vf가 반대로 걸려 -Vf/Ls의 기울기로 감소하게 된다. 감소하는 전류의 양은 Td와, 인덕터(Ls) 값과, Vf값에 의해서 결정된다.

도 9는 도 8의 스위칭 모드 전류제어부(840)의 각부의 파형도를 도시한다. 도 9의 (a)는 LED에 흐르는 전류(Iled)에 저항값(Rs)을 곱한 것의 파형이다. (b)는 게이트 드라이버(830)의 출력의 파형이다. (c)는 스위치(Q1)의 드레인 전압의 파형이다. 저항(Rs)을 통해서 흐르는 전류는 (d)와 같다.

스위치(Q1)가 온인 구간에서는 Io=Iled 이고, 오프인 구간에서는 0이다. LED에 흐르는 전류(Iled)의 최대값은 Vref1/Rs가 되고, 최소값 Imin은 스위치(Q1)가 오프되어 있는 동안 감소하므로, 수학식 2와 같다.

여기서 Rs는 저항값, Ls는 인덕터값, Vf는 LED 모듈의 순방향 전압, Td는 지연시간 및 Vref1은 기준전압이다. 따라서 LED에 흐르는 전류(Iled)의 평균 전류

는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

이것이 전류원의 제한전류 Ilim이 되는 것이다. 수학식 3에서 보듯이 제한 전류는 입력 전압과는 관계가 없는 Rs는 저항값, Ls는 인덕터값, Vf는 LED 모듈의 순방향 전압, Td는 지연시간 및 Vref1은 기준전압으로 이루어져 있으므로 입력 전압 변동에 관계없는 정전류 구동이 되는 것이다.

여기서 주목할 것은 리니어 모드에서와는 달리, 입력전압(Vi)이 증가하여 Vd가 증가하면 출력전류(Io)의 평균 전류가 감소한다. 그렇지만 LED에 흐르는 전류(Iled)는 일정하게 유지된다. 리니어 모드 전류제어부(710)에서는 Vd가 증가하면, 증가한 만큼 전류원에서 열로 소모된다. 그러나 스위칭 모드 전류제어부(840)에서는, 인덕터(Ls)에 일시적으로 자기 에너지로 저장했다가 스위치(Q1)가 오프될 때 저장한 에너지를 공급하기 때문에 스위치(Q1)과 인덕터(Ls), 환류 다이오드(Dw)가 이상적이라면, 전혀 손실이 없다. 따라서 입력전압(Vi)이 증가하더라도 입력 전력과 출력 전력이 모두 변동이 없게 된다. 리니어 모드에서는 입력전압(Vi)이 증가하면, LED로 출력되는 전력은 변동이 없더라도 전류원 양단의 전압이 증가하여 열 손실이 증가하기 때문에 입력전력은 증가하게 된다.

입력전압(Vi)이 낮아져서 Vd가 낮아지게 되면, 저항(Rs) 양단의 전압이 기준 전압 Vref1에 도달하지 못해서 스위치(Q1)는 계속해서 온 상태로 되어 있다. 또한 인덕터(Ls) 양단에도 전압이 걸리지 못하고, 입력된 전류(Id)가 모두 LED로 흐르게 되어 전류원의 동작이 중지되며, 전류제어부는 단순히 작은 저항(Rs)으로 동작한다.

도 10은 일 실시예에 따른 일측 지연시간 인버터의 회로도를 도시한다. 일측 지연시간 인버터(810)는 스위치(Qd), 저항(Rd), 캐패시터(Cd) 및 비교기(802)를 포함한다. 스위치(Qd)는 입력(A)이 하이로 되면, Vcd는 0 V가 되고, 입력(A)이 로로 되면 기준전압 충전회로(1010)는 Vref2의 전압으로 저항(Rd)을 통하여 캐패시터(Cd)에 충전된다. Vcd가 충전되어 Vref3에 도달하면 비교기(802)의 출력(B)은 다시 하이로 된다. 입력(A)이 로로 변할 때, 출력은 지연시간(Td)을 갖고 하이로 되는 일측 지연시간 인버터(810)이다. 물론 지연시간(Td)은 저항(Rd), 캐패시터(Cd), Vref2 및 Vref3에 위하여 조정이 가능하다.

도 11은 도 10의 일측 지연시간 인버터의 각부의 파형도를 도시한다. 입력(A)이 로이면 스위치(Qd)는 오프되고, 캐패시터(Cd)는 Vref2로부터 저항(Rd)을 통하여 충전되어 캐패시터(Cd)의 전압 Vcd는 Vref2값까지 증가한다. Vref3는 Vref2보다 낮게 설정되어 있으므로 출력(B)은 하이로 된다.

도 11의 (a)와 같이 입력(A)이 로에서 하이로 변경되면, 스위치(Qd)는 온이 되고, 캐패시터(Cd)는 방전하여 Vcd는 0 V가 된다. Vcd가 Vref3보다 낮으므로, 출력(B)은 로가 된다. 입력(A)이 하이 상태에서 로로 반전되면, 스위치(Qd)는 오프된다. 이때부터 Vcd는 Vref2로부터 저항(Rd)를 통하여 충전을 시작한다. Vcd의 충전시 파형은 도 11의 (b)에 도시한다. 이 충전 파형은 수학식 4와 같은 시간 함수가 된다.

여기서 Rd는 저항값, Cd는 커패시터값 및 Vref2는 기준전압이다.

Vcd가 증가하면서 비교기(802)의 비반전 단자 기준전압 Vref3보다 커지면 비교기(802)는 하이를 출력한다. 따라서, 그림 11의 (c)와 같이 입력(A)이 로가 된 시점 t2에서 소정의 시간 Td 지연 후에 출력(B)이 하이가 된다. Td는 수학식 5의 해가 된다.

Td가 시정수 Rd*Cd 보다 충분히 작은 범위에서 설계한다면, 위 방정식은 테일러 급수에 의해서 수학식 6과 같이 근사화하여 풀 수 있다.

따라서 Td는 수학식 7과 같다.

여기서 Rd는 저항값, Cd는 커패시터값 및 Vref2와 Vref3는 각각 상수의 기준전압이다.

이상에서, 도 10의 저항(Rd), 캐패시터(Cd), Vref3 및 Vref2의 값의 조합으로 Td를 임의로 설정할 수 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면 LC를 이용하여 역률을 보상함과 동시에 EMI 필터의 역할 및 서지 보호(Surge Protection)의 역할을 수행한다. LED 전류를 제어함으로써 LED 구동장치의 효율, 역률 및 EMI 특성을 개선하는 효과가 있다.

120: PFC 제어부 130: 정류부
150: 전류제어부 220: 브리지 다이오드
710: 리니어 모드 전류제어부 810: 일측 지연시간 인버터
830: 게이트 드라이버 840: 스위치 모드 전류제어부
1010: 기준전압 충전회로

Claims

LED(Light Emitting Diode) 모듈에 전류를 공급하기 위한 LED 구동장치에 있어서,
입력전원에 연결되어, LC(Inductor Capacitor)를 이용하여 상기 입력전원으로부터의 입력전압과 입력전류간의 위상차를 보상하는 PFC(Power Factor Correction) 제어부;
상기 PFC 제어부에 연결되어, 상기 입력전압을 직류 맥류전압으로 변환하는 정류부;
상기 정류부와 상기 LED 모듈 사이에 일측이 연결되고 타측이 접지되어, 상기 정류부에서 정류된 전류와 상기 LED 모듈에 흐르는 전류와의 차이만큼의 전하를 저장하거나 상기 LED 모듈에 공급하는 캐패시터(C2); 및
상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 리니어 모드(Linear Mode) 또는 스위칭 모드(Switching Mode)로 제어하는 전류제어부를
포함하되, 상기 전류제어부가 스위칭 모드로 동작하는 경우, 상기 전류제어부는 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 개폐하는 스위치, 상기 스위치가 온(On)되었을 때 상기 LED 모듈에 흐르는 전류가 선형적으로 증가하게 하고, 상기 스위치가 오프(Off)되었을 때 상기 LED 모듈에 흐르는 전류가 선형적으로 감소하게 하는 인덕터, 상기 스위치가 오프되었을 때 상기 인덕터에 흐르는 전류를 회귀하는 환류(Free Wheeling) 다이오드, 상기 스위치의 소오스(Source)와 연결되어 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지저항, 상기 전류감지저항의 양단의 전압과 기준전압(Vref1)을 비교한 출력 신호를 출력하는 비교기, 상기 비교기의 출력과 연결되어 수신된 상기 출력 신호에 대해 한쪽 엣지(상승엣지(Rising Edge) 또는 하강엣지(Falling Edge))에서만 지연시간을 가진 반전된 반전 신호를 출력하는 일측 지연시간 인버터 및 상기 일측 지연시간 인버터의 출력에 연결되어 수신된 상기 반전 신호에 따라 상기 스위치를 개폐하는 게이트 드라이버(Gate Driver)를 포함하며, 상기 일측 지연시간 인버터는, 상기 비교기와 상기 게이트 드라이버에 연결되어, 상기 비교기의 출력을 입력받아 개폐하는 인버터 스위치; 상기 스위치에 연결되어, 기준전압(Vref2)과 저항을 통하여 캐패시터(Cd)에 충전하는 충전부; 및 상기 충전부에 연결되어, 상기 기준전압(Vref2)과 상기 캐패시터 충전전압과 비교하여 상기 게이트 드라이버에 입력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 LED에 흐르는 전류의 제한값(
)이,
다음 수학식과 같이,

상기 입력전압과는 무관한 저항(Rs), 인덕터(Ls), LED 순방향 전압(Vf), 지연시간(Td), 기준전압(Vref1) 및 상수(1/2)로 결정되는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 지연시간은,
다음 수학식과 같이,

저항(Rd), 캐패시터(Cd) 및 기준전압의 비(Vref3/Vref2)로 결정되는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 1항에 있어서,
상기 PFC 제어부는,
상기 입력전원의 일단과 인덕터(L1)의 일단을 직렬로 연결하고 상기 인덕터(L1)의 타단과 캐패시터(C1)의 일단이 연결되고 상기 캐패시터(C1)의 타단이 상기 입력전원의 타단과 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 1항에 있어서,
상기 정류부는 브리지 다이오드를 이용하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 1항에 있어서,
상기 전류제어부는,
상기 입력전류가 상기 전류제어부의 설정된 전류보다 작은 경우, 단순히 작은 저항으로 동작하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 8항에 있어서,
상기 캐패시터(C2)의 양단 전압은 상기 LED 모듈의 순방향 전압으로 제한하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 1항에 있어서,
상기 전류제어부는,
상기 입력전류가 상기 전류제어부의 설정된 전류보다 큰 경우, 상기 캐패시터(C2) 양단의 평균전압이 상기 정류부에서 정류된 평균전류와 상기 LED에 흐르는 전류의 설정된 제한값과 같아지도록 변동하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 10항에 있어서,
상기 캐패시터(C2) 양단의 평균전압은 상기 입력전원의 전압의 크기에 따라 증감하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 1항에 있어서,
상기 전류제어부는,
리니어 모드(Linear Mode)로 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 12항에 있어서,
상기 전류제어부는,
상기 LED 모듈과 드레인(Drain)이 연결되는 FET;
상기 FET의 소오스(Source)와 연결되어 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 감지하는 리니어 모드 전압감지저항;
상기 FET의 게이트와 연결되어 게이트 전압을 설정하는 제너 다이오드; 및
상기 제너 다이오드의 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 저항을
포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
제 13항에 있어서,
상기 전류제어부는,
상기 캐패시터 양단의 전압이 증가해도 상기 FET의 드레인과 소오스 전압과 상기 전압감지저항 양단의 전압이 증가분만큼 증가하여 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 설정된 전류값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동장치.
정류부, 스위치 및 캐패시터(C2)를 포함하는 LED(Light Emitting Diode) 구동장치에서 LED 모듈에 흐르는 전류를 제어하는 LED 구동용 전류제어기에 있어서,
상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 개폐하는 스위치;
상기 스위치가 온(On)되었을 때, 상기 LED 모듈에 흐르는 전류가 선형적으로 증가하게 하고, 상기 스위치가 오프(Off)되었을 때, 상기 LED 모듈에 흐르는 전류가 선형적으로 감소하게 하는 인덕터;
상기 스위치가 오프되었을 때, 상기 인덕터에 흐르는 전류를 회귀하는 환류(Free Wheeling) 다이오드;
상기 스위치의 소오스(Source)와 연결되어, 상기 LED 모듈에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지저항;
상기 전류감지저항의 양단의 전압과 기준전압(Vref1)을 비교한 출력 신호를 출력하는 비교기; 및
상기 비교기의 출력과 연결되어 수신된 상기 출력 신호에 대해 한쪽 엣지(상승엣지(Rising Edge) 또는 하강엣지(Falling Edge))에서만 지연시간을 가진 반전된 반전 신호를 출력하는 일측 지연시간 인버터; 및
상기 일측 지연시간 인버터의 출력에 연결되어 수신된 상기 반전 신호에 따라 상기 스위치를 개폐하는 게이트 드라이버(Gate Driver)
를 포함하되, 상기 일측 지연시간 인버터는, 상기 비교기와 상기 게이트 드라이버에 연결되어, 상기 비교기의 출력을 입력받아 개폐하는 인버터 스위치; 상기 인버터 스위치에 연결되어, 기준전압(Vref2)과 인버터 저항을 통하여 인버터 캐패시터에 충전하는 충전부; 및 상기 충전부에 연결되어, 상기 기준전압(Vref2)과 상기 인버터 캐패시터 충전전압과 비교하여 상기 게이트 드라이버에 입력하는 인버터 비교기를포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동용 전류제어기.
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제 15항에 있어서,
상기 지연시간이 커질수록 상기 LED 모듈에 흐르는 전류가 감소하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 LED 구동용 전류제어기.
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