KR101835847B1 - 파워 어댑터의 향상된 구조 - Google Patents

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Abstract

AC 전원 공급부로의 연결을 위한 입력부(22)와, 상기 입력부(22)에 연결되어 부하(50)를 구동하도록 출력을 제공하는 공진 회로(34)를 포함하는 파워 어댑터(20)가 제공된다. 상기 공진 회로(34)의 커패시턴스와 인덕턴스는 파워 어댑터(20)의 입력부(22)와 출력부(24) 사이에서 미리 결정된 실효 전압 변화량과, 이에 대응하는 미리 결정된 실효 전류 변화량을 제공하도록 선택된다.

Description

파워 어댑터의 향상된 구조{IMPROVEMENTS RELATING TO POWER ADAPTORS}
본 발명은 파워 어댑터들, 특히 파워 어댑터의 입력부와 출력부 사이에서 실효 전압으로 변경하는데 적합한 파워 어댑터들에 관한 것이다.
가정용 어플리케이션들에서, 상용 교류 전원 공급부로부터 사용 가능한 전압은 통상적으로 50Hz 또는 60Hz의 주파수에서 120V 내지 240V 교류(AC)이다. 파워 어댑터가 10V의 부하와 같은 저전압 부하를 구동하도록 적용되면, 공급부에서 사용가능한 전압과 상기 부하를 구동하는데 요구되는 전압 사이의 비율은 10 내지 20이다. 저전압 부하를 구동하는데 이용된 통상적인 스위치-모드 파워 어댑터들은, 스위칭이 매우 짧은 전도 시간과 평균 비율에 대해 높은 피크를 가지는 전류 파형을 가지는 작은 듀티비(duty ratio)에서 동작하기 때문에, 상기와 같은 큰 비율로는 매우 비효율적이게 된다.
그러므로 종래의 파워 어댑터들에서, 전압에서 스텝 다운과 전류에서 대응하는 스텝 업을 생성하는데 적합한 권선비를 가지는 마그네틱 변압기를 포함하는 것이 일반적이다. 몇몇 통상적인 전원 공급부들에서, 이 마그네틱 변압기는 파워 어댑터에 입력부로 제공되어 전체 파워 어댑터는 낮은 전압에서 구동한다. 이러한 경우들에서, 마그네틱 변압기는 공급 주파수(50Hz 또는 60Hz)에서 동작하고 상대적으로 부피가 크고 비싸다. 또다른 경우에서는, 마그네틱 변압기가 스위칭 회로의 일부분으로 일체화되어, 파워 어댑터의 내부에 있는 전자 소자의 스위칭 주파수에서 동작하도록 한다. 그러므로, 이러한 회로들은 마그네틱 변압기가 작은 크기로 제조될 수 있는 이점을 가진다.
그럼에도, 상기 모든 종래 기술의 배열은 부피가 크고 비효율적인 마그네틱 변압기를 요구한다.
상기 언급된 단점들 및/또는 상기 종래 기술과 연관된 단점들을 해소하거나 실질적으로 줄이는 개선된 파워 어댑터가 현재 창안되고 있다.
본 발명에 따르면, 교류 전원 공급부에 연결되는 입력부, 부하를 구동하기에 적합한 출력부를 제공하고 상기 입력부에 연결된 공진 회로를 포함하고, 상기 공진 회로의 커패시턴스 및 인덕턴스는 상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서, 미리 결정된 실효 전압 변화량 및 이와 대응되는 미리 결정된 실효 전류 변화량을 공급하도록 선택되는 파워 어댑터가 제공된다.
본 발명에 따른 전원 공급부는 주로 상기 전원 공급부가 상기 파워 어댑터의 입력부 및 출력부 사이에서, 미리 결정된 실효 전압 변화량 및 이와 대응되는 미리 결정된 실효 전류 변화량을 공급하기 때문에 유리하다. 상기 파워 어댑터는 따라서 마그네틱 변압기의 필요없이, 그리고 작은 듀티비(duty ratio)(스위칭 주기에 비례하는 쇼트 온(short on) 시간)에서 동작하는 전자 스위칭 회로의 필요없이, 그리고 높은 피크의 전류 파형을 갖지 않고, 더 높은 상용 교류 전원 공급부로부터 평균 비(average ratio)에 이르기까지 낮은 전압 부하를 구동할 수 있다. 특히, 파워 어댑터는 고전압 상용 교류 전원 공급부(예를 들면, 50Hz 또는 60Hz에서, 교류 110V 또는 230V)에 연결할 수 있고, 또한 저전압의 고체 광원(예를 들면, 10-20V)을 구동하는데 적합한 출력부를 제공한다.
상기 공진 회로의 상기 커패시턴스 및 인덕턴스는 상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서, 미리 결정된 실효 전압 감소량 및 이와 대응되는 미리 결정된 실효 전류 증가량을 공급하도록 선택될 수 있다. 대안으로서, 상기 공진 회로의 상기 커패시턴스 및 인덕턴스는 상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서, 미리 결정된 실효 전압 증가량 및 이와 대응되는 미리 결정된 실효 전류 감소량을 공급하도록 선택될 수 있다.
바람직한 실시예로서, 상기 공진 회로의 상기 커패시턴스 및 인덕턴스는 상기 입력부에서의 실효 전압과 상기 출력부에서의 실효 전압 사이의 미리 결정된 비율, 및 상기 입력부에서의 실효 전류와 상기 출력부에서의 실효 전류 사이의 미리 결정된 비율을 공급하도록 선택된다.
공진 회로는 바람직하기로, 출력부가 전원 공급부의 실효 전압에 비례하여 대응하는 감소하거나 증가하는 실효 전압을 갖도록, 공진 회로를 통한 실효 전압에 비례하는 증가하거나 감소하는 실효 전류를 갖는 출력부를 제공한다. 출력부는 바람직하기로 적어도 2배만큼(by a factor of at least two), 가장 바람직하기로 적어도 5배만큼(by a factor of at least five) 공진 인덕터를 통한 전류에 비례하여 증가거나 감소하는 실효 전류를 갖는다. 또한, 교류 전원 공급부에 비례하는 출력부의 실효 전압 감소 또는 증가는 바람직하기로 적어도 2배만큼, 가장 바람직하기로 적어도 5배만큼이다.
파워 어댑터의 상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서 상기 미리 결정된 실효 전압 및 실효 전류 변화량은 바람직하기로 마그네틱 변압기의 도움없이 달성된다. 실제로, 파워 어댑터는 파워 어댑터에 존재할 수 있는, 신호 또는 전원 공급 변압기 이외에, 어떠한 마그네틱 변압기도 갖지 않는다.
파워 어댑터의 상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서 상기 미리 결정된 실효 전압 및 실효 전류 변화량은 변압기의 도움없이 달성될 수 있다. 그러나, 파워 어댑터는 상기 입력부에서 상기 출력부를 격리하는 압전 변압기를 제공할 수 있다. 이러한 구성으로 인하여, 상기 압전 변압기는 상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서 미리 결정된 실효 전압 변화량 및 미리 결정된 실효 전류 변화량을 더 제공할 수 있다.
파워 어댑터가 압전 변압기를 제공하는 경우, 상기 압전 변압기는 상기 공진 회로의 커패시턴스의 적어도 일부를 제공하도록 형성될 수 있다. 다른 실시예로서, 상기 압전 변압기는 상기 공진 회로의 커패시턴스의 전체를 제공할 수 있다. 따라서, 압전 변압기의 포함은 공진 회로를 갖는 파워 어댑터에 결합될 때 몇가지 장점을 제공한다. 따라서, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 교류 전원 공급부에 연결되는 입력부와, 부하를 구동하기 위한 출력부를 제공하고 상기 입력부에 연결된 공진 회로와, 파워 어댑터의 입력부로부터 출력부를 격리하는 압전 변압기를 포함하는 파워 어댑터를 제공한다.
상기 출력부는 바람직하기로 고체 광원과 같은 정전류 부하를 구동하는데 적합하다. 따라서, 상기 공진 회로는 바람직하기로 상기 교류 전원 공급부의 특정한 실효 전압을 위해 미리 결정된 대략 정전압의 출력을 제공하도록 한다. 특히, 상기 공진 회로는 상기 교류 전원 공급부의 특정한 실효 전압을 위해 미리 결정되는 대략 정전압의 제공을 위해, 다수 입력 교류 사이클(the majority of the input AC cycle)을 위한, 상기 입력부에서 받은 실제 전압을 승압하거나 감압할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성은, 출력부가, 마그네틱 변압기에 의해 제공되는 것보다 더 큰 입력 교류 사이클의 비율을 위해, 교류 전원 공급부의 특정한 실효 전압을 위해 미리 결정된 대략 정전압을 갖도록 한다. 이에 따라, 이러한 구성은, 파워 어댑터가, 미리 결정된 실효 전압 변화량을 제공하는 마그네틱 변압기를 이용한 파워 어댑터에 비하여 더 작은 대용량 저장 커패시턴스(bulk storage capacitance)를 갖도록 한다.
본 발명의 이러한 구성은 고정 부하(fixed load)의 구동에 적합하다. 그러나, 파워 어댑터는 가변 부하의 구동에도 적용될 수 있다. 특히, 파워 어댑터는 상기 부하가 상기 파워 어댑터에 의해 공급되는 출력으로 구동되기에 부족할 경우 상기 출력부를 턴오프(turn off)하고, 상기 부하가 상기 파워 어댑터에 의해 공급되는 출력으로 구동되기에 충분할 경우 상기 출력부를 턴온(turn on)하도록 적용될 수 있다.
특히, 정전류 부하를 구동하는데 적절한 출력부의 제공을 위한 바람직한 실시예로서, 상기 공진 회로는 LCL 직렬-병렬 공진 회로이다.
"LCL 직렬-병렬 공진 회로"는 직렬로 연결된 제1인덕터 및 제1커패시터, 그리고 제2인덕터를 포함하는 병렬 부하 레그(parallel load leg)를 포함하는 공진 회로를 의미한다. 제1인덕터 및 제1커패시터는 바람직하기로 공진 회로의 두개의 입력 단자 사이에 직렬로 연결되고, 상기 공진 회로는 바람직하기로 상기 제1커패시터를 통하여 병렬로 연결된 부라 레그(load leg)를 포함하며, 여기서 상기 부하 레그는 서로 직렬로 연결된 제2인덕터 및 부하 구동을 위한 출력부를 포함한다. 특히, LCL 공진 회로는 바람직하기로 제1인덕터 L1, 제2인덕터 L2 및 커패시터 C1으로 이루어지되, 상기 제1인덕터 L1은 제2인덕터 L2와의 공통 포인트를 통하여 제1입력 단자로부터 제1출력 단자에 연결되고, 제2입력 단자는 제2출력 단자에 직접 연결되며, 상기 커패시터 C1은 상기 두개의 인덕터 사이의 공통 포인트와 상기 제2입,출력 단자의 사이인 직접 연결 영역 사이에 연결된다. 상기 입력 단자는 바람직하기로 고주파수 인버터로부터 구동된다. 제1인덕터, 제1커패시터 및 제2인덕터의 어느 하나는 하나의 유도성 또는 용량성 소자 또는 그 소자들의 결합을 포함할 수 있다.
공진 회로는 바람직하기로 제공된 실효 입력 전압의 어느 한 공진 주파수에서, 상기 파워 어댑터가 정전류 출력을 공급하고, 또한 상기 파워 어댑터가, 정전류 부하에 사용되도록, 공진 주파수 또는 그의 저조파(sub-harmonic), 또는 충분히 근접한 공진 주파수 또는 그의 저조파에서 구동되도록 적용된다. 여기서, 상기 정전류 부하는 고체 광원(solid state light source)일 수 있다. 특히, 제1 및 제2인덕터는 바람직하기로 상기 제1인덕터의 리액턴스 XL1과 상기 제2인덕터의 리액턴스 XL2가 크기(magnitude)에 있어서 대략 동일하고, 제1커패시터의 리액턴스 XC1과 크기(magnitude)에 있어서 대략 동일할 수 있다. 특히,
Figure 112011034038701-pct00001
가 바람직한 실시예이다.
선택된 소자가 이러한 조건을 만족하는 경우, 주워진 입력 전압에서, 부하에 제공되는 전류는 일정(constant)할 것이고, 파워 어댑터에 연결된 부하에 독립적일 것이다. 더욱이, 입력 전압의 변화는 부하에 제공되는 정전류의 크기를 직접 제어한다. LED와 같은 정전압 부하를 구동할 때, 부하에 공급되는 파워는 입력 전압에 직접 비례하며, 피드 포워드(feedforward) 또는 피드백(feed back) 제어가 필요없다.
LCL 직렬-병렬 공진 회로가 정전류 출력에 제공되도록 적용될 경우, 상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로의 커패시턴스는 바람직하기로 상기 공진 회로를 위해 요구되는 부하 저항 RL 및 요구되는, 상대적으로 높은, 입력 저항 Rin에 적합한 리액턴스 XC1으로 선택될 수 있다. 제1커패시터는 바람직하기로 다음 수학식에 의해 선택된다.
Figure 112011034038701-pct00002
(1)
여기서, XC1은 제1커패시터의 리액턴스이다. 따라서, 제1커패시터의 리액턴스는 바람직하기로 상기 공진 회로를 위한 상기 요구되는 부하 저항 RL 및 상기 요구되는 입력 저항 Rin의 곱의 제곱근과 같다.
따라서, 파워 어댑터의 출력부는 바람직하기로 겉보기 임피던스 RL, 제1,2인덕터의 값 및 제1커패시터의 부하에 연결되어 적용될 수 있다. 여기서, L1, L2 및 C1은 적어도 하나의 주파수에서, L1, L2 및 C1의 리액턴스가 크기에 있어서 비슷하고, 적어도 하나의 주파수에서 입력 단자 RIN에서 보았을 때 겉보기 임피던스는 부하 RL의 겉보기 임피던스에 의해 나눠지는 커패시터 XC1의 리액턴스의 곱에 대략 같아지는 LCL 공진 회로에 의해 전송된다.
따라서, 공진 회로의 인덕턴스 및 커패시턴스의 이러한 선택은 파워 어댑터의 입력부 및 출력부의 사이에서 미리 결정된 실효 전압의 변화량을 제공한다.
바람직한 실시예로서, 본 발명에 따른 파워 어댑터는 교류 전원 공급부에 연결되는 입력부, 고체 광원을 구동하기 위한 출력부를 제공하는 공진 회로를 포함한다. 상술한 바와 같이, 공진 회로는 바람직하기로 LCL 직렬-병렬 공진 회로이다.
LCL 직렬-병렬 공진 회로의 사용은 특히 파워 어댑터가 고체 광원을 구동하기에 적합한 출력부를 제공하는데 적용될 경우 장점을 갖는다. 특히, LCL 직렬-병렬 공진 회로는 고체 광원을 구동하는데 적합한 정전류 출력부를 제공하는데 적용될 수 있고, 이것은 부하에 의존하지 않으며, 어떠한 형태의 피드백이나 복잡한 제어도 필요로 하지 않는다. LCL 직렬-병렬 공진 회로를 포함하는 파워 어댑터는 따라서 종래의 파워 어댑터에 비하여 상용 교류 전원 공급부로부터 고체 광원으로 전원을 전송하는데 있어 더욱 효율적이고, 상기 파워 어댑터는 종래 기술에 비하여 더욱 콤팩트(compact)하고, 제조 비용을 낮출 수 있다. 더욱이, 파워 어댑터의 출력부에서의 전원은 일반적으로 입력 전원 감소에 따라 함께 감소하고, 따라서 LCL 직렬-병렬 공진 회로를 포함하는 파워 어댑터는 상용 교류 전원 공급부에 결합되어 통상의 전원을 감소시키는 장치의 사용에 적합하다. 따라서, 본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 고체 광원을 위한 파워 어댑터를 제공하고, 상기 파워 어댑터는 상용 교류 전원 공급부에 연결되는 입력부와, 고체 광원을 구동하기에 적합한 출력부를 제공하는 입력부에 연결된 LCL 직렬-병렬 공진 회로를 포함한다.
공진 회로는 바람직하기로, 주워진 입력 전압에서, 정전류 출력을 제공하는데 적용된다. 따라서, 바람직하기로 출력부에 제공되는 전원은, 어떠한 제어없이, 입력부에서의 전압 변화에 따라 변한다. 특히, 정전류의 크기는 바람직하기로 입력 전압에 비례한다. 더욱이, 공진 회로는 바람직하기로, 주워진 전압에서, 부하에 독립적인 정전류 출력을 제공하는데 적용된다. 이러한 특징을 달성하기 위해, 공진 회로는 바람직하기로 공진 주파수의 하나가 이러한 특징을 제공하도록 적용되고, 상기 공진 회로는 그러한 공진 주파수에서 구동되거나, 또는 고체 광원의 사용에 적합하도록 된 파워 어댑터를 위한 공진 주파수에 충분히 가까운 값에서 구동된다.
그럼에도 불구하고, 저조파(sub-harmocni) 공진 주파수에서 공진 회로를 구동함에 의해, 파워 어댑터의 역률 및/또는 효율이 증가함을 발견하였다. 가장 바람직하기로, 상기 공진 회로는 1/x의 저조파에서 구동된다. 여기서, x는 예를 들면, 1/3, 1/5 또는 1/7과 같은 홀수이다.
저조파 공진 주파수에서의 공진 회로의 구동은 공진 구동 회로의 스위칭 주파수 및 스위칭 손실을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 파워 어댑터의 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 대부분의 종래 공진 회로에서, 저조파에서 회로의 구동은 전력을 감소시킨다. 그러나, LCL 직렬-병렬 공진 회로는, 아래에서 다시 설명하겠지만, 0Hz에서 공진 주파수를 가지며, 이것은 부하를 통하여 저주파수의 전류가 통과하도록 허용한다. 따라서, 공진 회로를 통하여 통과하는 전류 및 부하에 공급되는 전력은 만약 회로가 공진 주파수의 저조파에서 구동한다면 대략 변하지 않는다.
LCL 직렬-병렬 회로는, 예를 들면 DC 전류와 같은 0Hz에서의 제1공진 주파수, 주워진 입력 전압에서, 부하에 독립적인 정전류 출력을 제공하는 제2공진 주파수, 주워진 입력 전압에서, 부하에 따라 변하는 전류를 제공하는 제3공진 주파수와 같은 세개의 공진 주파수를 갖도록 적용될 수 있다. 이러한 공진 주파수는 바람직하기로 제1인덕터, 제2인덕터 및 제1커패시터의 선택에 의해 달성되고, 이와 같이 하여 이러한 소자의 리액턴스가 대략 같아진다. 제3공진 주파수는 제2공진 주파수에 비하여 출력부에서 현저하게 큰 전원을 공급하는데 적용된다. 파워 어댑터의 제어부는 따라서 그들의 다른 특징을 이용하기 위해 다른 공진 주파수의 사이에서 스위칭하도록 적용된다. 예를 들어, 파워 어댑터의 제어부는 교류 230V 및 110V의 사이에서, 입력 전압의 변화를 보상하기 위해 제2 및 제3공진 주파수 사이에서 스위칭하도록 적용된다. 이와 같은 제어의 추가적인 예는 임계점에서 광 시스템의 TRIAC의 로딩(loading) 및 파워 어댑터의 역률 및/또는 레귤레이션의 교번을 포함한다.
입력부에서의 전압이 사인 곡선 형태로 변함에 따라, LCL 직렬-병렬 공진 회로에 의한 입력부로부터 추출되는 전류는, 상술한 바와 같이, 본질적으로 정사각 형태를 따를 것이다. 그러나, 공진 회로에 의한 입력부로부터의 추출된 전류의 파형은 파워 어댑터의 제어부에 의해 변형될 수 있다. 파워 어댑터는 따라서 공진 회로에 의한 입력부로부터 추출된 전류의 파형을 결정하도록 적용되는 제어부를 포함한다. 특히, 제어부는 공진 회로에 의해 본질적으로 추출된 전류의 파형을 변형하는데 적용될 수 있고, 이와 같이 하여 입력부로부터 추출된 전류의 파형은 입력부에서의 전압의 파형과 더욱 비슷해진다. 특히, 공진 회로에 의해 추출된 전류는 평평한 피크를 갖는 대략 사인 곡선 형태를 가질 것이다.
공진 회로는 바람직하기로 공진 구동 회로에 의해 구동되고, 이것은 공진 회로에 공진 구동 신호를 제공한다. 공진 구동 신호는 바람직하기로 교번 신호이고, 바람직하기로 FET와 같은 두개 또는 네개의 전자 스위치를 제어하는 오실레이터에 의해 제공된다. 공진 구동 신호는 일반적으로 사각 파형 형태를 갖는다. 구동 회로의 목적은 교류 전압으로 공진 회로를 활성화시키는 것이고, 교류 전압은 일반적으로 양극 전압 및 음극 전압의 블럭들로 구성된다. 전자 스위치는 일반적으로 풀 부리지 인버터(네개의 스위치) 또는 하프 브리지 인버터(두개의 스위치)의 형태로 함께 연결된다.
상술한 바와 같이, 파워 어댑터는 공진 회로에 의해 본질적으로 추출된 전류의 파형을 변화시키고, 특히 상기 파형의 모양 및/또는 크기를 변화시키는데 사용된다. 특히, 공진 구동 신호는 공진 회로에 제공될 수 있고, 공진 구동 신호가 원하는 입력 전류 파형을 결정하는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 공진 구동 신호는 (i) 교번 구동 신호의 절반 사이클 또는 전체 사이클 사이에서 데드 밴드(dead-band)의 도입, (ii) 구동 신호의 주파수 변화, (iii) 교번 구동 신호의 미싱 사이클(missing cycle)의 조합을 포함하는 어떠한 형태로도 적용될 수 있다. 그러나, 이로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
공진 구동 신호가 교번 구동 신호의 미싱 사이클에 의해 적용되는 경우, 이러한 미싱 사이클은 불연속적인 형태로, 하나의 연속적인 그룹으로, 또는 복수의 연속적인 그룹으로 각각 주요 공급 사이클을 위해 정렬될 수 있다. 미싱 사이클이 복수의 연속적인 그룹으로 정렬될 경우, 각 상용 교류 전원 공급부의 사이클을 위한 연속적인 그룹의 갯수는 출력 전원을 위해 적절하게 선택될 수 있고, 따라서 출력 전원에 따라 변화될 수 있다.
상술한 바와 같이, 파워 어댑터는 고체 광원으로부터 광 출력을 제어하는데 적용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 바람직하기로 공진 구동 신호는 예를 들면 고체 광원으로부터 광 출력을 결정하기 위해 가변적이다. 공진 구동 신호는 바람직하기로 파워 어댑터의 역률 및/또는 효율을 최적화하는데 적용될 수 있다.
대안으로서, 파워 어댑터가 고체 광원으로부터 광 출력이 파워 어댑터의 출력부에서 가능한 전원에 의해서만 가변하여 제어되도록 될 경우, 공진 구동 신호는 바람직하기로 파워 어댑터의 역률 및/또는 효율을 최적화하도록 미리 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 파워 어댑터의 어떠한 제어부라도 바람직하기로 공진 회로에 의해 입력부로부터 추출된 전류의 파형을 결정하도록, 공진 회로에 제공되는 공진 구동 신호를 제어하도록 적용된다. 파워 어댑터의 이러한 제어부는, 마이크로프로세서, 아날로그 전자 회로, 또는 아날로그 및 디지털 기기의 어떠한 조합과 같은 집적 회로에 의해 제공될 수 있다. 실제로, 파워 어댑터의 제어부는 특별히 제작된 집적 회로일 수 있고, 이것은 매우 저가로 제조될 수 있다. 이러한 구성에서, 구동 회로의 오실레이터는 집적 회로의 한 부분을 이루거나, 또는 분리된 회로일 수 있다.
공진 회로가 구동되는 주파수의 결정은 증가된 효율을 위해 파워 어댑터를 조정하는데 이용될 수 있다. 대안으로서, 공진 회로가 구동하는 주파수는, 고체 광원에 제공되는 전원을 변화시키기 위해, 사용시에 조정될 수 있다.
고체 광원의 구동을 위한 출력부는, 특히, 사용자가 고체 광원에 접근하거나 또는 회로를 연결하는 경우 공진 회로로부터 격리될 수 있다. 이러한 경우, 파워 어댑터는 바람직하기로 이러한 격리를 위해 압전 변압기를 포함한다.
공진 회로는 한쌍의 전위 분할 커패시터(potential dividing capacitor)를 포함하며, 이는 제1커패시터에 연결된다. 대안으로서, 공진 구동 회로가, 단상 인버터로서, 두개의 스위칭 레그(예를 들면, H-브리지)를 만들도록 네개의 전자 스위치(예를 들면, FET)를 포함하는 경우, 상기 한쌍의 커패시터는 하나의 커패시터로 대체될 수 있다. 이러한 커패시터는 바람직하기로 Y 커패시터이다.
다른 실시예에서, 공진 구동 회로는 LCL 직렬-병렬 공진 회로와 접지(예를 들면, 두개의 "로우-사이드(low-side)" 스위치) 사이에 연결된 두개의 전자 스위치(예를 들면, FET)를 포함한다. 이러한 두개의 로우-사이드 스위치는 바람직하기로 온(ON)과 오프(OFF) 사이를 교번하고, 이것은 제1스위치가 온(ON)인 경우, 제2스위치는 오프(OFF)이며, 그 반대도 가능하다. 이러한 구성은 특히 스위치들이 직접 회로와 같은 저전압 제어부에 의해 구동될 경우 장점을 갖는다.
이러한 실시예에서, LCL 직렬-병렬 공진 회로의 제1공진 인덕터는 바람직하기로 두개의 인덕터를 포함하는데, 하나는 제1커패시터의 일단에 연결되고, 다른 하나는 제1커패시터의 타단에 연결된다. 이러한 구성으로, 이러한 두개의 인덕터의 하나는 공급중 양극의 반 사이클로 활성화될 것이고, 이러한 두개의 인덕터의 다른 하나는 공급중 음극의 반 사이클로 활성화될 것이다. 한 실시예로서, 이러한 두개의 인덕터는 공통 코어에 권취되고, 이와 같이 하여 LCL 직렬-병렬 공진 회로의 제1공진 인덕터는 3단자 인덕터가 된다.
파워 어댑터는 파워 어댑터가 상용 교류 전원 공급부에 저항성 부하로 나타나도록 입력부에서 전압의 함수로서 입력부로부터 전류를 추출할 수 있다. 이것은 (i) 파워 어댑터의 입력부에서 커패시턴스를 최소화하거나, (ii) 입력부에서 대략 전압 파형의 페이스(phase)인 입력부로부터 전류 파형을 추출하거나, 또는 (iii) 전압에 대략 비례하는 전류를 추출함에 의해 달성된다. 이러한 특징은 전류 왜곡 및 상용 교류 전원 공급부로부터 추출된 고조파(harmonic) 전류를 감소시키고, 또한 상용 교류 전원 공급부에 존재하는 용량성 부하를 제거함에 의해 파워 어댑터의 효율 및 역률을 증가시킨다. 실제로, 이러한 특징은 파워 어댑터 및 연결된 고체 광원이 통상의 필라멘트 광원으로서 상용 교류 전원 공급부에 존재하도록 한다.
대안으로서, 파워 어댑터는 입력부에서 전압의 함수로서 입력부로부터 전원을 추출할 수 있고, 이와 같이 하여 파워 어댑터는 상용 교류 전원 공급부에 대하여 저항성 부하로 나타나지 않게 된다.
고체 광원은 바람직하기로 하나의 발광 다이오드(LED), 또는 직렬 연결된 두개 또는 그 이상의 LED일 수 있다. 파워 어댑터는 바람직하기로 고체 광원을 손상시키는 역전류가 존재하지 않도록, 예를 들면 다이오드 브리지와 같은, 출력단에서의 하나 또는 그 이상의 다이오드를 포함한다.
파워 어댑터의 어떠한 제어 회로라도 집적된 전원 공급부에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 대안으로서, 파워 어댑터의 제어 회로는 예를 들면, 인덕터에 연결되는 권취물에 연결된 것과 같은, 공진 회로의 인덕터의 하나에 연결되어 전원을 공급받을 수 있다.
파워 어댑터가 집적된 전원 공급부를 포함할 경우, 집적된 전원 공급부는 바람직하기로 주요 전원 공급부로부터 직접 전원을 추출하며, 가장 바람직하기로 파워 어댑터의 입력부를 통해 전원을 추출한다. 특히, 집적된 전원 공급부는 바람직하기로 스위치 모드 정전류 레귤레이터와 같은 정전류 전원 공급부이며, 이것은 과도한 돌입 전류를 발생시키지 않고, 저가격을 구현한다. 제어 회로는 바람직하기로 파워 어댑터가 TRIAC 또는 이와 유사한 장치에 연결된 경우, 주요 사이클의 오프 주기동안 스스로 셧다운(shut down)됨으로써, 정전류 장치가 전력을 덜 소비하고 따라서 효율이 높아진다.
파워 어댑터는 또한 바람직하기로 부하가 제거되는 경우 오실레이팅 구동 신호를 제거함에 의해 공진 회로를 중단시키는 고장 검출 회로(fault detection circuit)를 포함하며, 이것은 예를 들면 광원의 이상(failure) 또는 분리에 의해 일어난다. 고장 검출 회로는 바람직하기로 공진 회로의 출력부를 제어부에 연결한다. 이러한 고장 검출 회로는 피드백 회로이나, 정상 동작시 공진 회로의 출력부로부터 최소의 전력을 소비한다. 따라서, 전원 출력을 조절하는 활성 피드백 회로로 혼동하지 않도록 한다. 고장 검출 회로는 폴트 조건에서만 활성화되고, 정상 동작시에는 출력 전원을 제어할 필요없다.
파워 어댑터는 상용 교류 전원 공급부로부터 추출된 고조파 전류를 감소시키기 위해 입력부에 형성된 필터를 포함할 수 있다. 상기 필터는 작은 비전해 커패시터-인덕터 네트워크(non-electrolytic capacitor-inductor network)를 포함한다. 파워 어댑터는 바람직하기로 입력 파형을 어느 하나의 정 극성(constant polarity)으로 변환하도록 하는 정류기를 포함한다. 가장 바람직하기로, 정류기는 교류 전류 파형의 음극(또는 양극)을 뒤집는 풀(full) 파형 정류기이다. 그럼에도 불구하고, LCL 직렬-병렬 공진 회로의 입력부에서 정상(steady) DC 신호를 제공하기 위한 파워 어댑터일 필요는 없으며, 따라서 대용량(bulk) 저장 커패시터(리저버 커패시터(reservoir capacitor) 또는 스무팅 커패시터(smoothing capacitor)로 알려진)가 바람직하게 파워 어댑터의 입력부 및 LCL 직렬-병렬 공진 회로의 사이에 제공되지 않는다. 따라서, 파워 어댑터는 바람직하게 파워 어댑터의 입력부 및 공진 회로의 사이에 대용량 저장 커패시턴스로부터 자유롭다. 실제로, 파워 어댑터는 바람직하기로 대략 전해 커패시터로부터 자유롭다. 이것은 고체 광 시스템을 위한 종래 파워 어댑터에 비해 공급부가 최소 리액턴스, 최소 돌입 전류, 감소된 크기에서 긴 수명을 갖도록 한다. 대용량 저장 커패시터는 파워 어댑터의 출력부에 제공될 수 있으나, 이것은 통상의 고체 광원과 함께 파워 어댑터의 기능에 필수적인 것은 아니다.
본 발명에 따른 파워 어댑터는 바람직하기로 파워 어댑터의 입력부에서 이용 가능한 전원을 결정하기 위한 장치를 감소시키는 어떠한 전원부를 이용한 광 시스템의 사용에 적절하다. 특히, 장치를 감소시키는 전원은 배리액(Variac) 또는 리오스탯(rheostat)과 같은 가변 저항기일 수 있다. 또한 파워 어댑터는 파워 어댑터의 입력부에서 이용 가능한 전원을 감소시키기 위해 SCR 페이스(phase) 제어 또는 트리악(triac)을 이용한 디머(dimmer) 제어를 포함하는 광 시스템의 기능에 적용될 수 있다. 그러나, 이러한 경우 파워 어댑터는 광 유니트가, 디머 제어의 연속적인 기능이 확실하도록, 스위치를 오프시키지 않는 한, 완전한 주요 사이클 동안 SCR이 안정하도록 상용 교류 전원 공급부로부터 최소 전류를 추출하는데 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 파워 어댑터의 추가적인 장점은, 예를 들면, 파워 어댑터의 제어부에 의해서, 입력부에서의 전압 모니터링이 필요없다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 파워 어댑터는 입력부에서의 어떠한 전압 모니터링 수단이 필요하지 않고, 특히 파워 어댑터는 제어부가 입력부로부터 신호를 수신할 필요가 없다.
파워 어댑터는 입력부로부터 추출되는 전원을 감소시키기 위해 공진 회로에 제어 신호를 전송할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 파워 어댑터는 그러한 특징을 갖는 제어부를 포함하지 않는다. 특히, 파워 어댑터는 고체 광원으로부터 광 출력이 파워 어댑터의 입력부에서 이용 가능한 전원 변화에 의해서만 제어 가능하도록 적용될 수 있다. 특히, 파워 어댑터의 입력부에서 이용 가능한 전원은 상용 교류 전원 공급부에 결합된 외부 전원 감소 장치와 같은 외부 장치를 이용하여 변화될 수 있다. 이러한 실시예는 특히 통합된 파워 어댑터를 포함하는 광 유니트의 사용에 적합하고, 이는 통상의 광 회로에 결합될 수 있다. 파워 어댑터의 효율을 최대화시키기 위해, 파워 어댑터는 바람직하기로 입력부에서 이용 가능한 전체 전원을 전송하도록 적용되고, 파워 어댑터의 출력부에서, 회피할 수 없는 손실을 절약한다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 상술한 파워 어댑터와, 적어도 하나의 고체 광원을 포함하는 광 유니트를 포함하는 광 시스템을 제공한다.
광 유니트는 통상적으로 다수의 고체 광원을 제공한다. 광 출력이 서로 다른 색상을 달성하기 위해, 광 유니트는 예를 들면 적색, 녹색 및 청색과 같은 빛을 발광하는 LED와 같은 서로 다른 색상의 빛을 발산하는 고체 광원을 포함할 수 있다. 더욱이, 광 유니트는 연색 평가수(colour rendering index)의 증가를 위해 황색, 청록색, 그리고 백색의 LED를 포함할 수 있다.
파워 어댑터 및 광 유니트는 공통의 하우징을 갖거나, 분리되어 수용될 수 있다. 실제로, 파워 어댑터는 다수의 광 유니트에 전원을 공급하도록 적용될 수 있고, 각 광 유니트는 다수의 고체 광원을 포함한다. 더욱이, 광 시스템은 상기와 같은 파워 어댑터를 포함한다. 광 시스템은 SCR 페이스 제어를 이용한 가변 저항기, 리오 스탯 또는 디머 제어와 같은 전원 감소 장치를 포함한다.
본 발명에 따른 파워 어댑터는 특히 통합 파워 어댑터를 포함하는 광 유니트의 사용에 적합하며, 이는 통상의 광 회로에 결합하기에 적절하다. 따라서, 본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 상용 교류 전원 공급부에 직접 연결되기에 적합한 광 유니트가 제공되고, 상기 광 유니트는 상술한 바와 같은 파워 어댑터와, 하나 또는 그 이상의 고체 광원을 포함하며, 이는 하나 또는 그 이상의 고체 광원으로부터의 광 출력은 파워 어댑터의 입력부에서 이용 가능한 전력의 변화에 의해 제어된다. 파워 어댑터의 효율을 최대화시키기 위해, 파워 어댑터는 바람직하기로 입력부에서 이용 가능한 전체 전원을 출력부로 전송하고, 회피할 수 없는 손실을 절약하도록 적용된다.
광 유니트는 바람직하기로 파워 어댑터, 하나 또는 그 이상의 고체 광원을 수용하기 위한 하우징, 및 파워 어댑터의 입력부를 상용 교류 전원 공급부에 연결하기 위한 커넥터를 포함한다. 커넥터는 바람직하기로 통상의 필라멘트 백열등을 위한 부속품에 연결되도록 적용된다. 특히, 광 유니트는 베이어닛(bayonet) 또는 나사(threaded) 커넥터를 포함할 수 있다. 한 실시예로서, 하나 또는 그 이상의 고체 광원으로부터 광 출력은 파워 어댑터의 입력부에서 이용 가능한 전원 변화에 의해서만 제어된다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 제1인덕터 L1, 제2인덕터 L2 및 커패시터 C1으로 이루어진 동시에 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 LCL 공진 회로를 갖는 전기 임피던스 매칭 회로에 있어서, 상기 제1인덕터 L1은 제2인덕터 L2와의 공통 포인트를 통하여 제1입력 단자로부터 제1출력 단자에 연결되고, 제2입력 단자는 제2출력 단자에 직접 연결되며, 상기 커패시터 C1은 상기 두개의 인덕터 사이의 공통 포인트와 상기 제2입,출력 단자의 사이인 직접 연결된 영역 사이에 연결되고, 상기 입력 단자는 고주파수 인버터로부터 구동되고, 상기 출력 단자는 겉보기 임피던스(apparent impedance) RL의 부하에 연결되며, 상기 L1, L2 및 C1의 값은 적어도 하나의 주파수에서 선택되고, 상기 L1, L2 및 C1의 리액턴스는 크기(magnitude)에 있어서 비슷하며, 적어도 하나의 주파수에서, 입력 단자에서 보여지는 겉보기 임피던스는, 상기 부하 RL의 겉보기 임피던스에 의해 나눠지는 상기 커패시터의 리액턴스의 제곱과 대략 같아지도록, 상기 LCL 공진 회로에 의해 전송되는 전기 임피던스 매칭 회로가 제공된다.
고주파수 인버터의 동작 주파수는 바람직하기로 상기 L1, L2 및 C1의 리액턴스가 대략 비슷한 주파수에 근접한다.
전기 임피던스 매칭 회로는 바람직하기로 입력 공급 전압보다 대략 낮은 전압이 필요한 하나 또는 그 이상의 LED를 구동하는데 적용될 수 있다.
그러나, 대안으로서, 전기 임피던스 매칭 회로는 입력 공급 전압보다 대략 낮은 필요 전압으로 배터리를 충전하는데 적용되거나, 변화하는 겉보기 부하 임피던스를 공급 전압에 동적으로 매칭시킴에 의해 하나의 속도보다 큰 전기 모터를 구동하는데 적용될 수 있다.
본 발명은 파워 어댑터의 향상된 구조를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 수반되는 도면들을 참조하여 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 파워 어댑터의 개략도이다.
도 2는 도 1의 파워 어댑터의 일부를 형성하는 공진 제어부와 공진 구동 회로를 포함하는 공진 회로의 개략도이다.
도 3은 또다른 공진 구동 회로를 포함하는 도 2의 공진 회로의 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시된 회로의 제 2 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 5는 도 2에 도시된 회로의 제 3 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 6은 도 2에 도시된 회로의 제 4 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 2에 도시된 회로의 제 5 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 광 시스템의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 파워 어댑터(20)를 보여준다. 상기 파워 어댑터(20)는 상용 교류 전원 공급부(mains circuit)로부터 전원(또는 전력)을 추출(drawing)하는 입력부(22)와, 고체(solid state) 광 유니트(50)의 3개의 LED들(Light Emitting Diodes; 60a, 60b, 60c)로 전원을 제공하는 출력부(24)를 포함한다. 상기 파워 어댑터(20)는 입력부(22)에서 필터링 및 정류 회로(30)를 포함하여 상기 상용 교류 전원 공급부로부터 추출된 교류 전압 파형이 전파(full-wave) 정류된 파형(DC+)으로서 파워 어댑터 회로의 나머지 부분으로 공급된다.
또한, 상기 파워 어댑터(20)는 저전력인 보조 전원 공급부(32)와, 도 2를 참조하여 아래에서 자세히 설명될 공진 제어부(40)와 공진 구동 회로(42)를 포함하는 공진 회로(34)를 포함한다. 상기 저전력인 보조 전원 공급부(32)는 상기 공진 제어부(40)와 공진 구동 회로(42)의 통합된 회로들을 작동시키기 위한 저전력 직류(DC) 출력(+V)을 제공한다. 이는 상기 파워 어댑터의 통합된 회로들로 안정적인 전압 공급을 제공하여 상기 회로들의 안정적인 기능을 확보한다. 다른 실시예들에서는, 상기 파워 어댑터의 통합된 회로들이 공진 회로의 인덕터들 중 하나에 결합된 추가 권선들로의 연결에 의해 작동하며, 이에 따라 보조 전원 공급부(32)가 생략된다.
상기 공진 제어부(40)와 상기 공진 구동 회로(42)를 포함하는 공진 회로(34)는 도 2에 도시된다. 상기 공진 제어부(40)는 제어 회로를 포함하며, 상기 공진 구동 회로(42)를 제어하도록 적용된다. 구체적으로, 상기 공진 제어부(40)는 상기 공진 회로(34)에 의해 상기 입력부로부터 추출되는 전류의 형태를 결정하는 공진 구동 회로(42)로 제어 신호를 제공하는 출력부를 가진다. 다른 실시예들에서는, 상기 공진 구동 회로(42)가 자가 오실레이팅(Self-oscillating)하며 상기 제어 회로는 전적으로 생략된다.
상기 공진 회로(34)는 LCL 직렬-병렬 공진 회로(L1, C1, L2)의 형태를 가진다. 상기 공진 구동 회로(42)는 사각 파형 구동 신호를 가지는 LCL 직렬-병렬 공진 회로를 구동하도록 적용된다. 이 사각 파형 신호는 2개의 전기 스위치, 예를 들어 상기 공진 회로의 제 1 단과 연결된 FET들(Field Effect Transistors)에 의해 발생된다. 상기 FET들은 상기 공진 제어부(40)에 의해 제어된다. 상기 공진 회로(34)의 출력은 다이오드 브리지를 이용하여 정류된 후 정류기의 출력부에서 커패시터(C5)에 의해 평활해져 상기 LED들(60a, 60b, 60c)을 구동하는데 적합한 출력을 형성한다. 상기 커패시터들(C2, C3)은 상기 공진 회로의 제 2 단을 위한 연결 포인트, 실질적으로 DC+와 0V 사이의 전압의 중간에 생성한다.
또한, 상기 공진 구동 회로(42)는 도 3에 도시된 바와 같이 단상의 인버터로서 2개의 스위칭 레그(leg)들("H 브리지" 에서)을 생성하도록 배열된 4개의 전기 스위치들(예를 들어, FET들)을 포함한다. 본 실시예에서, 상기 커패시터들(C2, C3)들은 DC+와 0V 사이에 연결된 하나의 커패시터(C2)로 교체된다. 적은 양의 커패시턴스는 스위칭 과도 상태 동안 과전압 손상으로부터 스위치를 보호하기 위해 요구되기 때문에, 상기 회로는 DC 공급부 쪽으로 어떠한 커패시터스 없이 동작할 수 없다.
상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로는 선택된 주파수에서 L1의 리액턴스(XL1), C1의 리액턴스(XC1), L2의 리액턴스(XL2)가 실질적으로 동일하다. 상기 구성에서, 상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로는 2개의 비-영점(non-zero) 공진 주파수들을 가진다. 상기 리액턴스들이 동일해지는 주파수는 2개의 비-영점 공진 주파수들 중 하나일 것이다. 상기 주파수에서 상기 공진 회로를 구동하면, 상기 공진 회로는 LED들(60a, 60b, 60c)로 인해 부하에 상관없이 정전류를 상기 출력부로 공급한다. 상기 공진 주파수는
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(2)
그러므로, 상기 공진 제어부(40)와 공진 구동 회로(42)는 상기 공진 주파수 ω1와 근접한 LCL 직렬-병렬공진 회로를 활성시키도록 형성된다. 상기 공진 주파수와 근접한 상기 구동 회로를 구동함에 따라 전기 스위치들에서의 스위칭 손실이 감소하며, 이에 따라 상기 회로의 효율이 향상된다. 또다른 이점은 전도되고 방사되는 전자 간섭의 줄임을 포함하며 이에 따라 필요한 필터링 및 스크리닝(screening) 소자들에 대한 비용의 줄임을 포함한다.
상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로 구성의 기본 특성은 입력 전압과 직접 연관된 전력을 추출하는 것이다. 어떠한 제어 없이 상기 입력부(22)에서 전압이 사인 곡선형태(sinusoidally)로 변할 때, 상기 입력부(22)로부터 추출된 교류 전류는 사각 형태를 뒤따를 것이다. 그러나, 각 영점 교차와 근접하여 상기 입력부(22)로부터 추출되는 전원을 줄이기 위해 상기 스위치들의 온-타임 변조 및/또는 주파수를 이용하는 것이 가능하며, 이에 따라 입력 전류 고조파를 향상시킬 수 있다. 또한, 정류기의 출력 상에 있는 선택적 커패시터(C5)는 상기 LED로 전달된 전원을 평활화하여 상기 광출력이 적은 변동을 가질 것이다.
고장 검출 회로는 바람직하게 저항(R1)을 통해 상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로의 출력과 상기 공진 제어부(40)의 PIC 상의 디스에이블 핀 사이의 연결과, 저항(R2)을 통해 0V를 가지는 연결을 포함하도록 제공된다. 상기 고장 검출 회로는 최소 전력을 추출한다. 그러나, LED(60a, 60b, 60c)가 전도를 중지하는 경우, 상기 연관된 고장 검출 회로는 상기 공진 회로의 출력부에서 전압의 상승을 빠르게 검출하며, 상기 공진 제어부(40)가 상기 공진 구동 회로(42)로의 출력을 차단하게 하고, 이에 따라 상기 구동 신호가 상기 공진 회로(34)로부터 제거되게 한다. 도 2에서, 상기 고장 검출 회로는 L2와 다이오드 브리지 사이에 연결되게 도시된다. 그런데, 상기 회로는 또한 상기 다이오드 브리지의 양극단과 상기 출력부(24)의 양극 단자 사이에 연결될 수 있다.
상기 LED들(60a, 60b, 60c)에 전달된 전력의 양은 입력 상용 교류 전원 공급부 전압의 변화로 변경될 수 있으며, 이는 전원 감소 장치(10)의 이용으로 적용되게 한다.
도 4는 도 2에 도시된 회로의 또다른 실시예를 보여주며, 여기서 상기 공진 제어부(40)는 생략된다. 본 실시예에서, 상기 공진 구동 회로(42)는 간단히 상기 공진 회로의 제 1 단에 연결된 2개의 전기 스위치들(FET들)과, 적절한 구동 신호를 상기 전기 스위치들로 제공 가능한 아날로그 또는 디지털 회로의 형태인 상기 연관된 구동 회로(44)로 구성된다. 또한, 본 실시예는 어떠한 검출 회로(도 2 및 도 3의 R1 및 R2)를 포함하지 않거나, 상기 정류기의 출력부에서 어떠한 커패시터(도 2 및 도 3의 C5)를 포함하지 않는다.
도1 내지 도 4와 관련하여 상기 위에서 설명된 파워 어댑터들 각각은 고전압 전원 공급부(예를 들어, 50Hz 또는 60Hz의 주파수에서 110V 또는 230V 교류)에 연결되게 적용되며, 고체 광원(예를 들어 10V-20V)과 같은 저전압 부하를 구동하는데 적절한 출력을 제공한다. 구체적으로, 각 파워 어댑터의 상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로는 어떠한 마그네틱 변압기의 요구 없이 상기 전원 공급부에 비해 크게 감소된 전압과 크게 증가된 전류를 가지는 출력을 제공하도록 적용된다.
도 1 내지 도 4와 관련하여 상기 위에서 설명된 파워 어댑터의 상기 LCL 직렬-병력 공진 회로들은 4개의 스위칭 소자들을 가지는 풀 브리지 인버터 또는 2개의 스위칭 소자들과 전압 분할 커패시터를 가지는 하프 브리지 인버터에 연결되는 제 1 단자와 제 2 단자를 가진다. 제 1 인터터(L1)와 제 1 커패시터(C1)는 상기 제 1 단자에서 제 2 단자로 직렬 연결된다. 상기 회로의 부하 레그는 제 1 커패시터(C1)와 병렬로 연결되며, 상기 부하 레그는 상기 공진 회로의 전류가 고주파수에서 교번할 때 단방향 전류를 상기 부하로 공급하는 정류 부재와 직렬로 연결되는 제 2 인덕터(L2)를 포함한다.
상기와 같은 회로에서, 상기 제 1 커패시터(C1)에 걸치는 전압은 상기 부하 레그를 통해 구동되는 전류를 결정한다. 그러므로, 상기 제 1 인터터(L1)의 리액턴스가 증가되면 가장 큰 전압은 소자들에 걸쳐 감소할 것이며, 상기 부하 레그에 걸치는 전압은 요구되는 상기 저전압에 더욱 근접하게 맞춰질 것이다.
이것이 그 경우가 아닌 것이라는 것이 발견되었지만, 상기 공진 소자들(L1, L2, C1)용 값들을 선택하는 것이 가능하여 상기 부하 레그의 전류는 상기 제 1 인덕터(L1)의 전류보다 크게 높다.
어느 주파수에서 상기 회로의 상기 부하 레그의 전류는 아래와 같이 구해진다.
Figure 112011034038701-pct00004
(3)
여기서, XL1, XL2, XC1은 상기 공진 소자들(L1, L2, C1) 각각의 리액터스이며, V는 여기 전압이고, RL은 상기 부하의 실효 저항이며, j는 리액티브 요소이다.
상기 XL1 = XL2 = -XC1 일 때, 상기 식은 아래와 같이 간단하게 된다.
Figure 112011034038701-pct00005
(4)
상기 구성에서, 상기 부하의 전류는 상기 부하 중 독립적이며, 상기 입력 공급 전압에 비례한다.
XC1을 감소시키는 또다른 단계는 동일한 전압에서 상기 부하 전류를 증가시킨다. 그러나, 본 발명의 또다른 양상은 공진에서 상기 회로의 입력 저항이 아래와 같다.
Figure 112011034038701-pct00006
(5)
재배열하면 아래와 같다.
Figure 112011034038701-pct00007
(6)
따라서, 구해진 부하 RL을 Rin의 요구되는(높아진) 값으로 맞추기 위해 XC1의 값을 선택하는 것이 가능하여, 상기 입력부에서 추출된 전류가 작아지고 상기 부하로 전달된 전류는 높아진다.
그러므로, 본 발명의 본 실시예는 커패시터들과 인덕터들의 보정 선택에 의해 더 높은 전압 공급으로부터 일련의 저전압 LED를 구동할 수 있다. 상기 회로는 또한 상기 회로의 정전류 양상들로부터 이점이 있다.
일례로, 1A의 전류 요구를 가지는 순방향 전압 12V의 일련의 LED는 230V 교류 전원 공급부로부터 구동된다. 상기 부하(RL)의 표면 저항은 12Ω이다. 상기 부하의 전력은 12W여서, 상기 입력부(손실이 없는 것으로 가정)의 전력은 12W이다. 분할 커패시터들을 가지는 하프 브리지 인버터는 상기 공진 회로를 구동하는데 사용되며, 상기 공진 회로에 인가된 실효 전압은 ±115V이다. 그러므로, 상기 요구된 입력 저항은 대략 1100Ω이다. 이에 따라, XC1의 값은 70kHz의 주파수에서 20nF의 커패시턴스와 대응되는 115Ω이다. L1 및 L2의 대응하는 값들은 260μH가 된다.
본 발명에 따른 파워 어댑터의 또다른 실시예는 도 5에 도시된다. 본 실시예는 하프 브리지 인터버(M1, M2), LCL 직렬-병렬 공진 회로(L1, C1, L2), 한쌍의 전위 분할 커패서터(C2, C3), 출력부에서 쇼트키 다이오드 브리지(D1-D4)와 커패시터(C4)를 포함하는 데 있어서 이전 실시예들과 유사하다. 상기 출력부는 직렬로 연결되는 하나 이상의 LED들(2개의 LED들인 LED 1, LED 2가 도 5에 도시됨)과 연결된다.
그러나, 본 실시예는 상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로의 커패시터(C1)가 압전 변압기에 의해 정의되는 점에서 이전 실시예들과 다르다. 상기 압전 변압기는 PZT(lead zirconate titanate)와 같은 세라믹 물질로 형성되는 4개의 압전 변압기 소자들을 포함한다.
상기 압전 변압기를 포함하는 LCL 직렬-병렬 공진 회로는 상기 전원 공급부에 비해 크게 감소된 전압과 크게 증가된 전류를 가지는 출력을 제공하도록 적용된다. 구체적으로, 상기 파워 어댑터는 고전압 전원 공급부(예를 들어 50Hz 또는 60Hz의 주파수에서 110V 또는 230V 교류)에 연결되도록 적용되며, 저전압 고체 광원(예를 들어 10V-20V)에 적합한 출력을 제공하도록 구성된다.
또한, 상기 압전 변압기는 상기 파워 어댑터의 출력과 입력을 분리한다.
본 발명에 따른 파워 어댑터의 또다른 실시예는 도6에 도시된다. 본 실시예는 LCL 직렬-병렬 공진 회로(L1, C1, L2), 한쌍의 전위 분할 커패서터(C2, C3), 출력부에서 쇼트키 다이오드 브리지(D1-D4)와 커패시터(C4)를 포함하는 데 있어서 이전 실시예들과 유사하다. 상기 출력부는 직렬로 연결되는 2개의 LED들(LED 1, LED 2)과 연결된다.
그러나, 본 실시예는 공진 구동 회로가 LCL 직렬-병렬 공진 회로와 접지 사이에 연결된 2개의 FET들(M1, M2), 즉 2개의 "로우-사이드(low side)" 스위치들을 포함하는 점에서, 이전 실시예들과 다르다. 이들 2개의 로우-사이드 스위치들 각각은 제 1 스위치가 온(ON)이면 제 2 스위치는 오프(OFF)되도록 온(ON) 과 오프(OFF) 사이에서 반대로 교번하여 사각-파형 구동 신호를 생성한다.
또한, 이전 실시예들에서 LCL 직렬-병렬 공진 회로의 제 1 공진 인덕터(L1)는 상기 커패시터(C1)의 일단에 연결된 일측과 상기 커패시터(C1)의 타단에 연결된 타측에 연결된 두개의 인덕터들(L1a, L1b)로 대체된다. 상기 배치에서, 2개의 인덕터들 중 하나(L1a)는 출력부에서 공진 주파수의 양극 절반 주기에서 활성화될 것이고, 2개의 인덕터들 중 다른 하나(L1b)는 출력부에서 공진 주파수의 음극 절반 주기에서 활성화될 것이다.
본 실시예는 특히 스위치들(M1, M2)이 통합된 회로와 같은 저전압 제어부에 의해 구동되는 배치에 있어서 이점이 있다
본 발명에 따른 파워 어댑터의 또다른 실시예는 도 7에 도시된다. 본 실시예는 도 5에 도시된 배치와 대응하는 배치에서 압전 변압기의 포함을 제외하고 도 6에 도시된 실시예와 유사하다. 본 실시예는 도 5 및 도 6과 관련하여 위에서 언급된 이점들을 포함한다.
마지막으로, 도 8은 본 발명에 따른 광 시스템을 보여준다. 상기 광 시스템은 상용 교류 전원 공급부(L, N)를 포함하는 상용 교류 전원 공급부와 TRIAC와 같은 전력 감소 장치(10)에 연결되며, 본 발명에 따른 파워 어댑터(20)와 고체 광 유니트(50)를 포함한다. 상기 고체 광 유니트(50)는 직렬로 연결된 3개의 LED들(60a, 60b, 60c)을 포함한다. 상기 파워 어댑터(20)는 상기 교류 전원 공급부로부터 전원을 공급받으며, 상기 고체 광 유니트(50)의 LED들(60a, 60b, 60c)로 전원을 제공하도록 적용된다.

Claims (34)

  1. 교류 전원 공급부에 연결되는 입력부, 및
    하나 이상의 고체 광원을 구동하는 출력부를 제공하는 상기 입력부에 연결된 LCL(인덕턴스 커패시턴스 인덕턴스) 직렬-병렬 공진 회로를 포함하는 파워 어댑터에서,
    상기 공진 회로의 LCL은
    상기 파워 어댑터의 상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서,
    미리 결정된 실효 전압 변화량 및 이와 대응되는 미리 결정된 실효 전류 변화량을 공급하도록 상기 하나 이상의 고체 광원의 실효 저항이 상기 공진 회로의 요구된 입력 저항에 일치하도록 선택되고,
    광 유니트가 제어부 및 상기 공진 회로의 구동을 위한 전기 스위치를 포함하되, 상기 제어부는 상기 공진 회로에 의해 상기 입력부로부터 추출되는 전류의 파형을 결정하기 위해 상기 스위치의 온-타임(on-time) 변조를 이용함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 유니트의 입력부는 디머 제어 장치에 연결되고, 그리고 상기 제어부는 상기 공진 회로에 의해 상기 입력부로부터 추출되는 전류의 파형을 결정하기 위해 상기 스위치의 온-타임(on-time) 변조를 이용함으로써, 상기 디머 제어 장치가 안정을 유지하도록 상기 파워 어댑터가 상기 교류 전원 공급부로부터 전류를 추출함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로는, 주워진 입력 전압에서, 상기 하나 이상의 고체 광원에 독립적인 정전류 출력을 제공하는 제1공진 주파수와, 그리고, 주워진 입력 전압에서, 상기 하나 이상의 고체 광원에 따라 변하는 전류를 제공하는 제2공진 주파수를 가지며, 그리고 상기 파워 어댑터의 제어부는 상기 제1,2공진 주파수 사이에서 스위칭함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로의 커패시턴스 및 인덕턴스는 상기 파워 어댑터의 상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서, 미리 결정된 실효 전압 감소량 및 이와 대응되는 미리 결정된 실효 전류 증가량을 공급하도록 선택됨을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서 상기 미리 결정된 실효 전압 및 실효 전류 변화량은 마그네틱 변압기의 도움없이 달성됨을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파워 어댑터는
    상기 입력부로부터 상기 출력부를 격리하는 압전 변압기를 제공함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압전 변압기는
    상기 입력부 및 상기 출력부 사이에서
    미리 결정된 실효 전압 감소량 및 미리 결정된 실효 전류 증가량을 더 제공함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 압전 변압기는
    상기 공진 회로의 커패시턴스의 적어도 일부를 제공하도록 형성됨을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압전 변압기는
    상기 공진 회로의 커패시턴스의 전체를 제공함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는
    정전류 부하를 구동함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로는
    상기 교류 전원 공급부의 특정한 실효 전압을 위해 미리 결정된 정전압의 출력을 제공함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공진 회로는
    상기 교류 전원 공급부의 특정한 실효 전압을 위해 미리 결정되는 정전압의 제공을 위해,
    다수 입력 교류 사이클(the majority of the input AC cycle)을 위한,
    상기 입력부에서 받은 실제 전압을 승압하거나 감압함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부는
    고정 부하(fixed load)를 구동함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 파워 어댑터는 고정 부하 및 가변 부하를 구동함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 파워 어댑터는
    상기 부하가 상기 파워 어댑터에 의해 공급되는 출력으로 구동될 수 없는 경우 상기 출력부를 턴오프(turn off)하고,
    상기 부하가 상기 파워 어댑터에 의해 공급되는 출력으로 구동될 수 있는 경우 상기 출력부를 턴온(turn on)함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로는
    제공된 실효 입력 전압의 어느 한 공진 주파수에서, 상기 파워 어댑터가 정전류 출력을 공급하고, 또한
    상기 파워 어댑터가, 정전류 부하에 사용되도록, 공진 주파수 또는 그의 저조파(sub-harmonic)에서 구동되도록 함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 정전류 부하는 고체 광원(solid state light source)인 것을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  18. 제1항에 있어서,
    제1인덕터 및 제2인덕터는
    상기 제1인덕터의 리액턴스 XL1과 상기 제2인덕터의 리액턴스 XL2가 크기(magnitude)에 있어서 동일하고, 제1커패시터의 리액턴스 XC1과 크기(magnitude)에 있어서 동일한 것을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 LCL 직렬-병렬 공진 회로의 커패시턴스는
    상기 공진 회로를 위해
    요구되는 부하 저항 RL 및 요구되는 입력 저항 Rin에 일치하도록 리액턴스 XC1으로 선택됨을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 커패시턴스는
    상기 공진 회로를 위한
    상기 요구되는 부하 저항 RL 및 상기 요구되는 입력 저항 Rin의 곱의 제곱근과 같은 리액턴스로 선택됨을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 파워 어댑터는
    주요 교류 전원 공급부에 연결되는 입력부를 포함하고,
    상기 공진 회로는 고체 광원을 구동하기 위한 출력부를 제공함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로는,
    상기 출력부가 상기 파워 어댑터의 상기 실효 전압에 비례하여 감소하는 실효 전압을 갖도록,
    공진 인덕터를 통한 전류에 비례하여 증가하는 전류를 갖는 출력부를 제공함을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 출력부는
    상기 공진 인덕터를 통한 전류에 대하여 적어도 2배만큼 증가하는 전류를 가짐을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 출력부는
    상기 공진 인덕터를 통한 전류에 대하여 적어도 5배만큼 증가하는 전류를 가짐을 특징으로 하는 파워 어댑터.
  25. 제1항에 기재된 파워 어댑터와,
    고체 광원을 포함하는 광 유니트를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 광 유니트는 다수의 고체 광원을 제공함을 특징으로 하는 광 시스템.
  27. 상용 교류 전원 공급부에 직접 연결되는 광 유니트에 있어서,
    상기 광 유니트는
    제1항에 기재된 파워 어댑터와, 고체 광원을 포함하고,
    상기 고체 광원으로부터 출력되는 광은
    상기 파워 어댑터의 입력부에서 이용할 수 있는 전원 변화에 의해서만 제어됨을 특징으로 하는 광 유니트.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 파워 어댑터는, 회피 불가능한 손실을 절약하기 위해,
    상기 파워 어댑터의 출력부로, 상기 입력부에서 이용할 수 있는 모든 전원을 전송함을 특징으로 하는 광 유니트.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 광 유니트는
    상기 파워 어댑터 및 상기 고체 광원을 수용하기 위한 하우징, 및
    상기 파워 어댑터의 입력부를 상기 상용 교류 전원 공급부에 연결하기 위한 커넥터를 포함함을 특징으로 하는 광 유니트.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 커넥터는
    통상의 필라멘트 백열등을 위한 부속품에 연결됨을 특징으로 하는 광 유니트.
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
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