KR101872248B1 - Ac led 조명 시스템 - Google Patents

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Abstract

AC LED 조명 시스템을 개시한다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 구동 전류원에 공급되는 구동 전압을 구동 전류원이 동작할 수 있는 최적의 일정한 구동 전압만 공급되도록 제어하여 구동 전류원의 전력 소모를 낮추는 AC LED 구동 장치를 제공한다. 이에 따라, 본 발명의 AC LED 구동 장치는 구동 전류원이 구현된 IC 칩의 표면 온도가 국부적으로 과도하게 상승하는 것을 막을 수 있다.

Description

AC LED 조명 시스템{AC LED Lighting System}
본 발명은 발광 다이오드(Lighting Emitting Diode: LED)의 구동에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
환경 친화적이고 에너지 효율이 높은 LED가 여러 산업 분야에 사용되고 있으며, 그 중 한 분야인 LED 조명은 실내 조명 및 야외 조명 분야에 더욱 확대 적용되고 있다. LED 조명은 LED를 구동하는 구동 방식에 따라 DC 구동 방식과 AC 구동 방식이 있다. DC 구동 방식은 전파 정류된 AC 전압을 AC/DC 컨버터를 통해 DC 전압으로 먼저 변환하고, 변환된 DC 전압을 LED 구동 시스템의 전원 전압으로 사용하여 LED 구동 전류를 공급하는 방식이다. AC 구동 방식은 DC 전압 변환 과정 없이 전파 정류한 교류 전압을 그대로 LED 구동 시스템의 전원 전압으로 사용하여 LED 구동 전류를 공급하는 방식이다. AC 구동 방식은 DC 구동 방식에 비해 고압 커패시터(Capacitor), 인덕터(Inductor), 트랜스포머(Transformer) 등을 사용하지 않아 구동 회로의 공간을 적게 차지하며 신뢰성과 설계 편의성이 좋은 장점을 가진다.
AC LED 조명 시스템은 일반적으로 반도체 IC와 주변 수동소자로 구현되며, 반도체 IC는 보통 복수의 전류원과 복수의 스위치를 포함한다. 입력되는 전파정류 전압이 LED 스트링의 순방향 온 전압을 초과하는 동안에는, 초과 전압은 전류원이 구현된 반도체 IC에서 강하되는데, 이러한 초과 전압에 상응하는 전력이 반도체 IC에서 열 에너지로 소모된다. IC의 신뢰도를 높이기 위해서는 IC 칩의 온도가 적절한 범위 내에서 관리되어야 한다.
본 발명은 IC 칩의 온도가 국부적으로 과도하게 상승하지 않아 IC 신뢰성을 높이는 AC LED 조명 시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다. 본 발명은 적어도 하나의 구동 전류원에 공급되는 구동 전압을 구동 전류원이 동작할 수 있는 최적의 일정한 구동 전압만 공급되도록 제어하여 구동 전류원의 전력 소모를 낮추는 AC LED 구동 회로를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 직렬 연결된 복수의 LED 그룹과, 복수의 구동 전류원을 포함하는 구동회로와, 상기 공통 노드와 상기 선행하는 LED그룹의 양의 말단에 연결된 전력 배분 제어기를 포함하는 복수의 LED를 구동하는 장치를 제공한다. 각 LED 그룹은 양의 말단(positive end)과 음의 말단(negative end)을 가지며, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에는 맥류 입력 전압이 입력된다. 구동회로에 포함된 각 구동 전류원은 대응되는 LED 그룹의 음의 말단에 연결된 제1단과 공통 노드에 연결된 제2단을 가진다. 여기서, 상기 맥류 입력 전압의 상승 기간 또는 하강 기간 동안에, (a) 상기 맥류 입력 전압이 기설정된 임계 전압을 초과하면, 상기 전력 배분 제어기는 초과분에 상응하는 전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제1모드로 동작하고, (b) 상기 맥류 입력 전압이 상기 임계 전압을 초과하지 않으면, 상기 전력 배분 제어기는 상기 공통 노드에 영(zero) 전압을 출력하는 제2모드로 동작한다.
상기 구동 장치의 실시예들은 다음의 특징들을 하나 이상 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 구동회로와 상기 전력 배분 제어기는 각기 다른 집적회로 칩으로 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 구동회로와 상기 전력 배분 제어기는 하나의 집적회로 칩으로 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 임계 전압은 상기 복수의 LED 그룹의 순방향 온 전압의 총합보다 큰 값으로 설정된다.
일부 실시예에서, 상기 전력 배분 제어 전압은 상기 맥류 입력 전압에서 상기 임계 전압을 뺀 전압이다.
일부 실시예에서, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단과 상기 공통 노드 간의 전압은, 상기 제1모드에서, 상기 맥류 입력 전압의 변동에 무관하게 일정한 전압(constant voltage)을 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 전력 배분 제어기는 상기 맥류 입력 전압으로부터 상기 임계 전압에 비례하는 기준 전압을 출력하는 기준 전압 생성 회로; 상기 맥류 입력 전압을 분압하여 제1분압전압을 출력하는 제1분압회로; 상기 기준 전압 생성 회로와 상기 공통 노드 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 저항을 포함하고, 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로; 상기 피드백 전압과 상기 제1분압전압 간의 차이에 따라 제어신호를 출력하는 연산 증폭기; 상기 제어신호에 따라 동작하는 트랜지스터를 포함한다. 상기 연산 증폭기는 상기 피드백 전압을 입력받는 제1입력단과, 상기 제1분압전압을 입력받는 제2입력단과, 상기 제어신호를 출력하는 출력단을 구비한다. 상기 트랜지스터는 상기 공통 노드에 연결된 제1단과, 접지에 연결된 제2단과, 상기 연산 증폭기의 출력단에 연결된 제어단을 구비한다.
일부 실시예에서, 상기 기준 전압 생성 회로는 상기 선행하는 LED그룹의 양의 말단에 연결되어 상기 맥류 입력 전압을 입력받아 정전압을 출력하는 레귤레이터(regulator); 상기 정전압을 분압하여 제2분압전압을 출력하는 제2분압회로; 및 상기 제2분압전압을 입력받아 상기 제2분압전압과 실질적으로 동일한 크기를 갖는 상기 기준 전압을 출력하는 아날로그 버퍼를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 제2분압회로는 2개의 분압저항을 포함하고, 상기 2개의 분압저항은 상기 레귤레이터 및 상기 아날로그 버퍼가 구현된 집적회로 칩의 외부에 위치한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 직렬 연결된 복수의 LED 그룹과, 복수의 구동 전류원을 포함하는 구동회로와, 상기 공통 노드와 상기 선행하는 LED그룹의 양의 말단에 연결된 전력 배분 제어기를 포함하는 복수의 LED를 구동하는 장치를 제공한다. 각 LED 그룹은 양의 말단(positive end)과 음의 말단(negative end)을 가지며, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에는 맥류 입력 전압이 입력된다. 구동회로에 포함된 각 구동 전류원은 대응되는 LED 그룹의 음의 말단에 연결된 제1단과 공통 노드에 연결된 제2단을 가진다. 여기서, 상기 맥류 입력 전압이 상기 복수(M)의 LED들 그룹을 켜기에 충분할 때, 상기 전력 배분 제어기는, (a) 상기 맥류 입력 전압이 기설정된 임계 전압을 초과하면, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단과 상기 공통 노드 간의 전압이 상기 맥류 입력 전압의 변동에 무관하게 일정한 전압을 갖도록, 상기 맥류 입력 전압의 변동에 따라 전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제1모드로 동작하고, (b) 상기 맥류 입력 전압이 상기 임계 전압을 초과하지 않으면, 상기 공통 노드에 영 전압을 출력하는 제2모드로 동작한다.
일부 실시예에서, 상기 맥류 입력 전압이 상기 복수의 LED들의 제1 LED 그룹부터 제k LED 그룹을 켜기에 충분할 때(여기서, j≤k≤M-1이고, 1≤j≤M-1임), 상기 전력 배분 제어기는, 각 k에 대해, (c) 상기 맥류 입력 전압이 기설정된 제k 임계 전압보다 작으면 상기 공통 노드에 영(zero) 전압을 출력하는 제k-1모드로 동작하고, (d) 상기 맥류 입력 전압이 상기 제k 임계 전압보다 크고 상기 제1 LED 그룹부터 제k+1 LED 그룹까지의 순방향 온 전압의 총합보다 작으면, 상기 제1 LED 그룹의 양의 말단과 상기 공통 노드 간의 전압이 상기 맥류 입력 전압의 변동에 무관하게 일정한 전압을 갖도록, 상기 제k 임계 전압을 초과하는 초과분에 상응하는 제 k전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제k-2모드로 동작한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 직렬 연결된 복수의 LED 그룹과, 복수의 구동 전류원을 포함하는 구동회로와, 상기 공통 노드와 상기 선행하는 LED그룹의 양의 말단에 연결된 전력 배분 제어기를 포함하는 복수의 LED를 구동하는 장치를 제공한다. 각 LED 그룹은 양의 말단(positive end)과 음의 말단(negative end)을 가지며, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에는 맥류 입력 전압이 입력된다. 구동회로에 포함된 각 구동 전류원은 대응되는 LED 그룹의 음의 말단에 연결된 제1단과 공통 노드에 연결된 제2단을 가진다. 여기서, 상기 맥류 입력 전압의 상승 기간 또는 하강 기간 동안에, 상기 전력 배분 제어기는 (a) 상기 맥류 입력 전압이 기설정된 제1임계 전압을 초과하면, 상기 제1임계 전압을 초과하는 초과분에 상응하는 제1전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제1모드로 동작하고, (b) 상기 맥류 입력 전압이 상기 제1임계 전압을 초과하지 않으나 상기 복수의 LED 그룹의 순방향 온 전압의 총합을 초과하면, 상기 공통 노드에 영 전압을 출력하는 제2모드로 동작하고, (c) 상기 복수의 LED 그룹의 순방향 온 전압의 총합을 초과하지 않으나 상기 제1임계 전압보다 낮은 기설정된 제2임계 전압을 초과하면, 상기 제2임계 전압을 초과하는 초과분에 비례하는 제2전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제3모드로 동작하고, (d) 상기 맥류 입력 전압이 상기 제2임계 전압을 초과하지 않으면, 상기 공통 노드에 영 전압을 출력하는 제4모드로 동작한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전력 배분 제어기가 구동 전류원에 공급되는 구동 전압을 구동 전류원이 동작할 수 있는 최적의 일정한 구동 전압만 공급되도록 제어함으로써, 구동 전류원의 전력 소모를 낮춰주고, 이에 따라 국부적인 IC 칩 발열을 줄여주어 AC LED 조명 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다. 구동 전류원에서 절감된 전력 소모는 전력 배분 제어기에서 소모된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전력 배분 제어기가 다단계의 전력 배분 설정 전압을 기초로, 최대 구동 전압이 공급되는 구동 전류원 뿐만 아니라, 이보다 낮은 구동 전압이 공급되는 타 단 구동 전류원들의 구동 전압들도 일정한 전압으로 제어함으로써 칩 발열을 더욱 낮출 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 종래기술에 비해 적어도 하나의 구동 전류원에서 소모되는 전력을 절감할 수 있으므로, 구동부의 구동 전력을 추가로 더 공급할 수 있는 여유가 생긴다. 따라서, 고출력 AC LED 조명 시스템에서, 종래기술에 비해, 좀더 적은 개수의 IC로 구동부를 구현할 수 있으며, 이에 따라 좀더 낮은 가격으로 고출력 AC LED 조명 시스템을 구현할 수 있게 된다.
나아가, 구동부와 전력 배분 제어기(PSCon)의 출력을 직렬 연결하여 AC 전원 라인에 발생하는 서지에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 종래의 AC LED 조명 시스템의 간략한 구성도를 도시한 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 종래의 AC LED 조명 시스템의 이상적인 동작 파형을 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC LED 조명 시스템의 간략한 구성도이다.
도 2b 내지 도 2d는 도 2a에 예시된 AC LED 조명 시스템의 동작 파형을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 배분 제어기의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 두 개의 전력 배분 설정 전압을 두는 경우, 본 발명의 전력 배분 제어기의 바람직한 출력 파형을 도시한 도면이다.
도 5는 두 개의 전력 배분 설정 전압을 두는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 배분 제어기의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 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 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (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 1a 및 도 1b는 종래의 AC LED 조명 시스템의 간략한 구성도와 그 동작 파형을 도시한 도면이다.
도 1a의 AC LED 조명 시스템(100)은 AC 입력 전압 VAC을 전파 정류하여 발광부(120)의 맥류 입력 전압 VIN으로 변환하는 전파 정류기(110), 맥류 입력 전압 VIN을 입력받아 발광하는 발광부(120), 발광부(120)에 발광 구동 전류를 공급하는 구동부(130)로 구성된다.
발광부(120)는 1단 발광단(LED1)에서 4단 발광단(LED4)까지 구성되며, 각 단 발광단은 실제적으로는 다수의 LED가 직렬 연결된 구성이거나, 혹은 직렬과 병렬 연결이 혼합된 구성일 수 있다. 구동부(130)는 1단 구동 전류원 CS1에서 4단 구동 전류원 CS4까지로 구성되며, 각 발광단의 구동 전류원이 온(ON) 되면 해당 전류원의 구동 전류 I1에서 I4를 발광부(120)의 해당 발광단에 공급한다. 구동 전류원 CS1 내지 CS4는 맥류 입력 전압 VIN에 따라 온(ON), 오프(OFF), 혹은 천이 상태로 동작을 한다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
천이 상태를 제외하면, 맥류 입력 전압 VIN의 일 시점에서 각 단 구동 전류원 중 어느 하나의 구동 전류원만 온 되어 있고 나머지 구동 전류원은 모두 오프(혹은 아주 작은 전류가 흐르는) 상태로 동작한다. 천이 상태에서 맥류 입력 전압 VIN이 점점 증가하는 경우에는, (n-1)단 (n≥2인 자연수) 구동 전류원의 구동 전류 In- 1는 점점 감소하고 (n)단 구동 전류원의 구동 전류 In는 점점 증가한다. 천이 상태에서 맥류 입력 전압 VIN이 점점 감소하는 경우에는, (n)단 구동 전류원의 구동 전류 In는 점점 감소하고 (n-1)단 구동 전류원의 구동 전류 In- 1는 점점 증가한다. 도 1a의 구동부(130)가 위와 같은 동작을 하기 위한 회로 구성은 다양한 방법으로 구현할 수 있으나, 설명의 편의를 위해 명시적으로 도시하지는 않았다.
도 1b의 동작 파형도는 이러한 구동부(130)의 동작에서 천이 구간이 없는 이상적인 동작 파형을 도시한 것이다. 즉, 도 1b는 (n-1)단 구동 전류원에서 (n)단 구동 전류원으로 혹은 (n)단 구동 전류원에서 (n-1)단 구동 전류원으로의 천이가 천이 구간 없이 이루어지는 경우를 가정하고 있다. 1단 발광단(LED1)으로부터 4단 발광단(LED4)의 순방향 다이오드 온 전압을 각각 VLED1에서 VLED4까지로 명명하고, 도 1b에 도시된 이상적인 동작 파형을 참조하여 AC LED 조명 시스템(100)에서 구동부(130)의 동작 방법을 간단히 설명하기로 한다. 도 1b의 동작 파형도에서 전압 VDT1 ~ VDT4은 발광부(120)의 각 발광단이 온 되어 발광하기 위해 필요한 입력 전압을 나타낸 것으로, 이를 순방향 다이오드 온 전압의 함수로 표시하면, VDT1=VLED1, VDT2=VLED1+VLED2, VDT3=VLED1+VLED2+VLED3, VDT4=VLED1+VLED2+VLED3+VLED4 이다.
(1) AC 입력 전압이 점점 증가하고 있지만 발광부(120)의 맥류 입력 전압 VIN이 VDT1 보다는 작은 구간(0≤t≤t1 구간)에는 구동부(130)의 구동 전류원 CS1에서 CS4는 모두 오프 상태에 있고 구동 전류는 모두 영이 된다. (2) AC 입력 전압이 점점 증가하여 VIN이 VDT1 보다는 크지만 VDT2 보다는 작은 구간(t1≤t≤t2 구간)에는 구동 전류원 CS1만 온 되어 구동 전류 I1이 1단 발광단(LED1)으로만 공급된다. (3) VIN이 VDT2 보다는 크지만 VDT3 보다는 작은 구간(t2≤t≤t3 구간)에는 구동 전류원 CS2만 온 되어 구동 전류 I2가 1단 발광단(LED1)과 2단 발광단(LED2)으로 공급된다. (4) VIN이 VDT3 보다는 크지만 VDT4 보다는 작은 구간(t3≤t≤t4 구간)에는 구동 전류원 CS3만 온 되어 구동 전류 I3가 1단 발광단(LED1)에서 3단 발광단(LED3)까지 공급된다. (5) VIN이 VDT4 보다 큰 구간(t4≤t≤t5 구간)에는 구동 전류원 CS4만 온 되어 구동 전류 I4가 1단 발광단(LED1)에서 4단 발광단(LED4)까지 공급된다. (6) AC 입력 전압이 최대값까지 증가하였다가 다시 점점 감소하여, VIN이 VDT4 보다는 작지만 VDT3 보다는 큰 구간(t5≤t≤t6 구간)에는 구동 전류원 CS3만 온 되어 구동 전류 I3가 1단 발광단(LED1)에서 3단 발광단(LED3)까지 공급된다. (7) VIN이 VDT3 보다는 작지만 VDT2 보다는 큰 구간(t6≤t≤t7 구간)에는 구동 전류원 CS2만 온 되어 구동 전류 I2가 1단 발광단(LED1)에서 2단 발광단(LED2)까지 공급된다. (8) VIN이 VDT2 보다는 작지만 VDT1 보다는 큰 구간(t7≤t≤t8 구간)에는 구동 전류원 CS1만 온 되어 구동 전류 I1가 1단 발광단(LED1)으로 공급된다. (9) VIN이 VDT1보다 작은 구간(t≥t8 구간)에는 구동 전류원 CS1에서 CS4가 모두 오프 되어 구동 전류는 모두 영이 된다.
도 1b의 동작 파형도에서 각 단 구동 전류원 CS1 ~ CS4에 공급되는 구동 전압 V1 ~ V4은, V1=VIN-VLDE1, V2=VIN-VLDE1-VLDE2, V3=VIN-VLDE1-VLDE2-VLDE3, V4=VIN-VLDE1-VLDE2-VLDE3-VLDE4 이다. 따라서 각 단 구동 전류원 CS1 ~ CS4에서 소모되는 순시전력 PD1 ~ PD4는 PD1=V1×I1, PD2=V2×I2, PD3=V3×I3, PD4=V4×I4 이다. 평균 전력은 순시전력을 한 주기 동안 적분하여 주기로 나눈 값이다.
도 1b의 동작 파형도에서 각 단 구동 전류원 CS1 내지 CS4의 각 동작 구간에서 순시전력의 적분 값, 즉 순시전력의 면적을 AREA1에서 AREA7로 표기하고, 각 단 구동 전류원 CS1 내지 CS4에서 소모되는 평균 전력을 PAV1 내지 PAV4로 표기하면 PAV1=(AREA1+AREA7)/T, PAV2=(AREA2+AREA6)/T, PAV3=(AREA3+AREA5)/T, PAV4=AREA4/T 이다. 여기서, T는 맥류 입력 전압 VIN의 주기로서, 60Hz AC 입력 전원에 대해 T=1/120이고, 50Hz AC 입력 전원에 대해 T=1/100이다.
AC LED 조명 시스템(100)에서 발광부(120)는 보통 AC 입력 전압의 변화, 예를 들어 ±20% 정도의 AC 입력 전압의 변동에 대해서도 발광부(120)의 어느 발광단이라도 항상 오프 되어 있지 않도록 설계된다. 예를 들어 220V AC 입력 전원인 경우, AC 입력 전압이 20% 낮아지면 AC 입력의 최대 전압은 249V가 되므로 발광부(120)의 LED 순방향 온 전압의 총합 VDT4는 249V보다는 낮도록 설정하여 AC 입력 전압이 극단적으로 낮아지는 경우라도 4단 발광단(LED4)이 항상 오프 되어 있지 않도록 발광부(120)를 구성한다. 이러한 시스템 구성에 따른 결과로, 도 1b의 동작 파형도에서 볼 수 있듯이 정격 AC 입력 전압에서 4단 발광단(LED4)이 온 되어 있는 구간(t4≤t≤t5 구간)에는 큰 구동 전압이 4단 구동 전류원 CS4에 공급된다. 예를 들어 220V AC 입력 전원일 때 최대 전압은 311V이므로 발광부(120) LED 순방향 온 전압의 총합 VDT4가 240V인 경우라면 4단 구동 전류원 CS4에는 최대 71V의 구동 전압이 공급되게 된다. 일반적으로 반도체 집적회로(Integrated Circuit, IC)로 구성되는 구동부(130)에서 구동 전류원 CS1 내지 CS4에 대개 10V 정도 이상의 구동 전압이 공급되면 기 설정된 구동 전류 I1 내지 I4를 발광부(120)의 해당 발광단 LED1 내지 LED4로 공급할 수 있다.
전력 소모의 관점에서 보면, 도 1b의 동작 파형도에서 보듯이, 4단 구동 전류원 CS4이 기 설정된 구동 전류 I4를 정상적으로 공급할 수 있는 전압 이상으로 구동 전압이 4단 구동 전류원 CS4에 더 공급되면 전력 소모가 필요 이상으로 커지게 된다. 이에 따라 IC 내의 4단 전류원 CS4가 위치한 부분의 칩 온도가 크게 올라가게 되어 IC 패키지(Package) 신뢰성에 손상을 입힐 수 있다.
본 발명은 위에서 상술한 문제를 해결할 수 있는 AC LED 조명 시스템을 제공하기 위한 것으로, 보다 상세하게 구동 전류원에 공급되는 구동 전압을 구동 전류원이 동작할 수 있는 적절한 크기의 일정한 구동 전압만 공급되도록 제어하여 해당 구동 전류원의 전력 소모를 낮추는 AC LED 조명 시스템을 제공한다. 이에 따라 본 발명의 AC LED 조명 시스템은 IC 칩 온도가 국부적으로 매우 크게 상승하지 않도록 제어하여 IC 신뢰성을 높이는 AC LED 조명 시스템을 제공한다.
이하, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 AC LED 조명 시스템(200)을 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC LED 조명 시스템의 구성도를 도시한 도면이다.
도 2a에 도시된 AC LED 조명 시스템(200)은 AC 입력 전압 VAC을 전파 정류하여 발광부(220)의 맥류 입력 전압 VIN으로 변환하는 전파 정류기(210), 맥류 입력 전압 VIN을 입력 받아 발광하는 발광부(220), 발광부(220)에 발광 구동 전류를 공급하는 구동부(230), 및 구동부(230)의 각 단 구동 전류원 CS1내지 CS4의 공통 노드에 전력 배분 제어 전압 VPS를 공급하는 전력 배분 제어기(PSCon, 240)를 포함한다.
발광부(220)는 1단 발광단(LED1)에서 4단 발광단(LED4)까지 구성되며, 각 단 발광단은 실제적으로는 다수의 LED가 직렬 연결된 구성이거나, 혹은 직렬과 병렬 연결이 혼합된 구성일 수 있다.
구동부(230)는 4개의 구동 전류원 CS1 ~ CS4로 구성되며, 각 단 구동 전류원이 온 되면 해당 전류원의 기 설정 구동 전류 I1 ~ I4를 발광부(220)의 해당 발광단에 공급한다.
전력 배분 제어기(240)는 맥류 입력 전압 VIN을 입력받으며, 구동 전류원이 정상적으로 동작하는 적절한 구동 전압만 공급되도록, 구동부(230)의 구동 전류원에 공급되는 구동 전압을 제어하기 위한 전력 배분 제어 전압 VPS를 출력한다. 맥류 입력 전압 VIN이 기 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 작은 경우에는 전력 배분 제어 전압 VPS는 영(zero)이 되고, 기 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 큰 경우에는 맥류 입력 전압 VIN에서 기 전력 배분 설정 전압 VSHARE를 뺀 나머지 전압을 전력 배분 제어 전압 VPS로 출력한다.
도 2b는 구동부의 4단 구동 전류원 CS4의 구동 전압만을 일정한 구동 전압으로 제어하도록 전력 배분 제어기(240)가 구성된 경우의 동작 파형도를 보이는 도면이다. 도 2b를 참조하여 전력 배분 제어기(240)의 동작을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2b에서, VAC,max는 맥류 입력 전압 VIN의 최대값이고, VDT4는 발광부(220) LED들의 순방향 온 전압의 총합으로 VDT4=VLED1+VLED2+VLED3+VLED4 이다. VSHARE는 전력 배분 설정 전압이고, VDROP은 4단 구동 전류원 CS4가 기 설정 구동 전류 I4를 발광부(220)의 4단 발광단(LED4)에 공급할 수 있는 적절한 값의 구동 전압이다. 도 1a에 도시된 종래기술의 AC LED 조명 시스템(100)과 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 AC LED 조명 시스템(200)에서, 4단 구동 전류원 CS4에 공급되는 구동 전압 V4와 순시 전력 소모 PD4, 그리고 순시 전력 소모의 적분 값 AREA4를 구별하여 표현하기 위해 각각 V4,old, V4,new, PD4,old, PD4,new, AREA4,old 그리고 AREA4,new 라고 도시 하였다. 설명의 이해를 돕기 위해 VIN=220Vrms, VDT4=240V, VSHARE=255V 라고 하면 VAC,max=311V이다.
종래기술의 AC LED 조명 시스템(100)의 경우, 맥류 입력 전압 VIN이 VDT4 보다 큰 구간(t4≤t≤t5 구간)에서, 4단 구동 전류원 CS4는 온 되어 발광부(120)에 구동 전류 I4를 공급한다. 이때 4단 구동 전류원에 공급되는 구동 전압 파형은 V4,old와 같으며 최대 전압은 VAC,max-VDT4=71V이며, 대부분의 동작 구간에서 4단 구동 전류원이 동작할 수 있는 적정 구동 전압 이상의 큰 구동 전압이 공급되고, 이에 따라 순시 전력 소모와 순시 전력 소모의 적분 값, PD4,old와 AREA4,old의 파형에서 볼 수 있듯이 전력 소모가 크게 되어, 4단 구동 전류원의 발열이 크게 높아지게 된다.
한편, 본 발명의 AC LED 조명 시스템(200)에서는 전력 배분 제어기(240)가 맥류 입력 전압 VIN의 크기에 따라 전력 배분 제어 전압 VPS를 출력하는데, VIN이 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 작은 구간에는 VPS는 영(zero)으로 출력하고, VIN이 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 큰 구간(ts1≤t≤ts2 구간)에는 VIN에서 VSHARE를 뺀 나머지 전압인 (VIN-VSHARE)을 출력한다. 전력 배분 제어 전압 VPS는 구동부(230) 구동 전류원들의 공통 노드와 연결되어 공통 노드 전압을 제어하고 있으므로, 결국 VIN이 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 큰 구간(ts1≤t≤ts2 구간)에서 4단 구동 전류원에 공급되는 구동 전압은 일정한 전압 VDROP=VSHARE-VDT4=15V로 제어된다. 따라서 종래기술의 AC LED 구동 시스템(100)과는 달리, 4단 구동 전류원 CS4에 구동 전류원이 동작할 수 있는 필요 전압 이상으로 구동 전압이 더 공급되지 않고, 구동 전류원이 동작할 수 있는 적절한 전압 VDROP만 공급되도록 제어된다. 이에 따라, 4단 전류원에서 소모되는 전력을 크게 낮출 수 있고, 결과적으로 4단 전류원에서 국부적으로 높게 발생하는 발열을 낮출 수 있게 된다. 본 발명의 AC LED 조명 시스템(200)에서 4단 구동 전류원에서 소모되는 순시 전력과 순시 전력의 적분 값 PD4,new와 AREA4,new의 파형도에서 보듯이 종래 기술의 AC LED 조명 시스템(100)과 비교하여 4단 구동 전류원의 전력 소모가 많이 낮추어 진 것을 알 수 있다.
도 2b에서 전력 배분 제어기(240)의 순시 전력 소모와 순시 전력 소모의 적분 값은 각각 PSHARE와 AREASHARE 인데, 도 2b의 동작 파형도에서 볼 수 있듯이 AREA4,old=AREA4,new+AREASHARE가 됨을 알 수 있으며, 이는 종래 기술의 AC LED 시스템(100)의 4단 구동 전류원 CS4에서 절감된 전력소모를 본 발명의 전력 배분 제어기(240)에 배분되어 소모되고 있는 것을 의미한다.
본 발명의 AC LED 조명 시스템(200)에서, 구동부(230)와 전력 배분 제어기(240)는 하나의 IC 칩으로 구현되거나 각각 별개의 IC 칩으로 구현될 수 있다.
구동부(230) IC와 전력 배분 제어기(240) IC를 하나의 패키지(Package)에 담아 칩(Chip) 하나로 구현하는 경우, 최대 전력 소모가 발생하는 구동부(230) IC의 4단 구동 전류원의 전력 소모를 전력 배분 제어기(240)와 나누어 소모함으로써 칩 표면의 발열을 한곳에 집중되지 않고 골고루 발열하게 제어됨으로 인해 칩 신뢰성을 높일 수 있다.
구동부(230) IC와 전력 배분 제어기(240) IC를 각각 두개의 칩으로 구현하는 경우에는, 적절한 전력 배분 설정 전압을 설정하여 두 칩에서 소모되는 전력에 의한 칩 온도가 적절한 값이 되도록 전력 소모를 배분할 수 있다. 또한 각각의 칩 온도에 여유가 있도록 전력 배분 설정 전압을 설정하여 구동부(230) IC의 출력 전력을 더 크게 설정할 수도 있으며, 이에 따라 고출력 AC LED 조명 시스템에서 사용되는 IC 개수를 줄일 수 있어서, 좀더 간단한 AC LED 조명 시스템을 구현할 수 있다.
도 2c와 도 2d는, 도 2a의 AC LED 조명 시스템(200)에서, AC 전원 전압이 정격 전압에서 변동하여 낮아지거나 높아질 경우에, 전력 배분 제어기(240)의 동작을 보이는 도면이다.
도 2c와 같이, AC 전원 전압의 최대값 VAC ,max가 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 작은 경우에, 전력 배분 제어기(240)의 전력 배분 제어 전압 VPS는 항상 영(zero)으로 출력된다. 한편, 도 2d와 같이, AC 전원 전압이 정격 전압보다 상당히 높아지는 경우, 맥류 입력 전압 VIN이 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 작은 경우에는 전력 배분 제어기(240)의 전력 배분 제어 전압 VPS는 영으로 출력되고, VIN이 VSHARE 보다 큰 경우에는 VPS=VIN-VSHARE 로 출력된다. 따라서, AC 전원 전압이 정격 전압보다 상당히 높아지더라도, 구동부(230) IC의 4단 구동 전류원에 공급되는 전압은, AC 전원 전압이 정격 전압인 경우와 같다. 도 1a에 예시된 종래기술에 따르면, AC 전원 전압이 정격 전압보다 증가할수록, 구동부의 4단 구동 전류원에서 소모되는 전력이 증가하는 데에 반해, 도 2a에 예시된 본 발명에 따르면, AC 전원 전압이 정격 전압보다 증가하더라도, 구동부의 4단 구동 전류원에서 소모되는 전력은 증가하지 않는다.
가로등, 터널등과 같은 아웃도어(Outdoor) 조명 시스템은 보통 100W 이상의 고출력 조명 시스템이 요구되는데, IC 칩 온도를 낮추기 위해 여러 개의 구동 IC를 사용하여 구현하게 된다. 본 발명에 따른 AC LED 조명 시스템은 IC 칩 온도를 관리할 수 있는 온도 이내로 충분히 들어오게 제어하는 경우, 추가적으로 구동 IC의 출력 전력을 더 높일 수 있도록 설정할 수도 있으며, 이에 따라 아웃도어 조명과 같이 고출력이 요구되는 AC LED 조명 시스템을 좀더 적은 개수의 IC를 사용하여 구현할 수 있다.
도 3은 도 2a에 예시된 AC LED 조명 시스템(200)의 전력 배분 제어기(240)의 구현예를 도시한 도면이다. 특히, 도 3은, 전력 배분 제어기(240)가 IC로 구현되는 경우에, 가장 효율적으로 구현될 수 있는 구성을 예시하고 있다.
도 3의 전력 배분 제어기(240)는 바이어스 및 레귤레이터(310), 버퍼(Buffer, 320), 차동 증폭기(330), MOSFET(340) 그리고 저항들(R11, R21, R12, R22, RSREF1, RSREF2)를 포함한다.
바이어스 및 레귤레이터(310)는 맥류 입력 전압 VIN을 입력으로 받아 전력 배분 제어기(240) 회로에 필요한 바이어스를 출력하고, 또한 정전압 VREG를 출력한다. 기준 전압 VSREF는 전력 배분 설정 전압 VSHARE를 설정하기 위한 전압으로 바이어스 및 레귤레이터(310)의 출력 VREG로부터 RSREF1과 RSREF2를 통해 분압하여 얻는다. 버퍼(320)는 단위 이득의 증폭기로 구성되어 있으며, RSREF1과 RSREF2의 저항에 의한 로딩 효과(Loading Effect)를 없애기 위한 아날로그 버퍼이다. 차동 증폭기(330)과 MOSFET(340)은 함께 전력 배분 제어 전압 VPS를 출력하는 증폭회로를 구성하며, 그 증폭회로의 이득은 저항 R11, R21, R12, R22에 의해 결정된다.
도 3에서 보인 전력 배분 제어기(240)의 구성을 좀더 상세히 설명해보면, 바이어스 및 레귤레이터(310)의 정전압 출력 VREG는 RSREF1의 일단에 연결된다. RSREF1의 타단은 RSREF2의 일단에 연결되어 기준 전압 VSREF가 되고, RSREF2의 타단은 그라운드(GND)에 연결된다. VSREF 전압은 버퍼(320)의 양의 입력단에 입력되고, 따라서 버퍼(320)의 출력 노드 351의 전압도 VSREF가 된다. 저항 RSREF1과 RSREF2에 의해 분압된 기준 전압 VSREF는 다음의 수학식 1과 같이 된다.
Figure 112016102343992-pat00001
한편, 맥류 입력 전압 VIN에 저항 R21의 일단이 연결되고, R21의 타단은 저항 R11의 일단에 연결되며, R11의 타단은 그라운드(GND)에 연결된다. 저항 R11과 R21의 공통 노드 353은 차동 증폭기(330)의 음의 입력단에 연결된다. 버퍼(320)의 출력 노드 351은 저항 R12의 일단에 연결되고 R12의 타단은 저항 R22의 일단에 연결되고 R12와 R22의 공통 노드 352는 차동 증폭기(330)의 양의 입력단에 연결된다. 저항 R22의 타단은 MOSFET(340)의 드레인(Drain)에 연결되어 전력 배분 제어 전압 VPS를 출력한다. 차동 증폭기(330)의 출력 노드 354는 MOSFET(340)의 게이트(Gate)로 연결되고 MOSFET(340)의 소오스(Source)는 그라운드(GND)에 연결된다.
도 3의 회로에서 전력 배분 제어 전압 VPS는 다음의 수학식과 같이 된다.
Figure 112016102343992-pat00002
R11=R12=R1이고 R21=R22=R2이면, 수학식 2는 다음의 수학식 3과 같이 된다.
Figure 112016102343992-pat00003
여기서, 다음의 수학식 4와 같이, 마지막 항을 전력 배분 설정 전압 VSHARE이라고 보면, 전력 배분 제어 전압 VPS는 수학식 5와 같이 된다.
Figure 112016102343992-pat00004
Figure 112016102343992-pat00005
맥류 입력 전압 VIN이 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 작은 경우에는, 수학식 5의 VPS는 음의 값이 되는데, 실제의 전력 배분 제어기(240) 회로에서 제일 낮은 전압은 그라운드(GND)이므로, VPS는 그라운드, 즉 영(zero) 전압이 출력된다. 한편, 맥류 입력 전압 VIN이 전력 배분 설정 전압 VSHARE 보다 큰 경우에는 수학식 5와 같이 맥류 입력 전압 VIN에서 전력 배분 설정 전압 VSHARE을 뺀 나머지 전압을 VPS 전압으로 출력한다.
수학식 1과 수학식 4로부터 알 수 있듯이, RSREF1과 RSREF2 저항값을 조절하여, 원하는 전력 배분 설정 전압 VSHARE을 설정할 수 있다. 예를 들어 VREG=5V이고 R2=100·R1=100kΩ 일 때 VSHARE=250V가 되도록 설계한다고 하면, 수학식 4로부터 VSREF=2.5V이 되어야 한다. 따라서 수학식 1로부터 RSREF1=RSREF2의 식을 얻을 수 있고, 임의의 값(예를 들어 RSREF1=RSREF2=50kΩ)으로 설정하면 VSHARE=250V인 전력 배분 제어기(240)를 설계할 수 있다.
도 3의 전력 배분 제어기(240)에서 MOSFET(340)은 VIN-VSHARE의 최대 전압 이상의 내압을 견뎌야 하므로 고 내압의 MOSFET을 사용해야 한다. 도 3의 MOSFET(340) 대신에, 유사한 고압 소자, 예를 들어 고압 BJT(Bipolar Junction Transistor) 등의 소자도 사용될 수 있다.
도 3의 전력 배분 제어기(240)는 (예컨대, 700V 고압 공정을 이용하여) 도 3의 전체 회로를 한 칩으로 구현할 수 있으며, 대안적으로, 전력 배분 제어 IC(300)만으로 하나의 칩으로 구현함으로써 사용자가 해당 칩 외부에 위치한 RSREF1 및 RSREF2를 변경하여 전력 배분 설정 전압 VSHARE를 원하는 값으로 설정할 수 있도록 할 수도 있다. 이때, MOSFET(340)을 공정이 허용하는 최대 내압의 MOSFET 소자, 예를 들어 700V MOSFET 소자를 사용하여 구현하는 경우, 본 발명의 AC LED 조명 시스템(200)에서 구동부(230)와 직렬 연결되는 전력 배분 제어기(240)의 MOSFET(340) 내압이 높아짐으로 인해, 전체 AC LED 조명 시스템(200)의 AC 전원 라인에서 발생하는 서지(Surge) 전압에 대한 내성을 크게 높일 수 있게 해준다. 이에 따라 AC LED 조명 시스템(200)에서 AC 전원 라인에 발생하는 서지 전압을 흡수하기 위해 필요한 MOV(Metal Oxide Varistor), TVS(Transient Voltage Suppression) 다이오드 등의 서지 보호용 소자에서 정격 내압을 조금 더 낮추어 사용할 수 있게 해주어, 전체적인 AC LED 조명 시스템의 부피와 가격을 좀더 낮출 수 있게 해준다.
이상의 설명에서는 도 2a의 AC LED 조명 시스템(200)에서 전력 배분 제어기(240)가 구동부(230)에 포함된 4단 구동 전류원 CS4(즉, 마지막 구동 전류원)에 공급되는 구동 전압만을 일정한 전압으로 제어하도록 구성된 실시예를 설명하였으나, 다단계의 전력 배분 설정 전압을 설정하여, 전력 배분 제어기(240)가 복수의 구동 전류원에 공급되는 각 구동 전압을 일정한 전압으로 제어할 수 있도록 구성할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 AC LED 조명 시스템(200)에서 두 개의 전력 배분 설정 전압 VSHARE1과 VSHARE2를 두어 구동부(230)의 3단 구동 전류원 CS3과 4단 구동 전류원 CS4에 공급되는 구동 전압을 각각의 일정한 구동 전압으로 제어하는 경우, 전력 배분 제어기(240)의 전력 배분 제어 전압 VPS의 바람직한 출력 파형의 한 예를 보이는 도이다. 이때 전력 배분 제어 전압 VPS는 다음의 수학식 6으로 표현되며 3단 구동 전류원 CS3에 공급되는 구동 전압은 VSHARE1-VDT3가 되고, 4단 구동 전류원 CS4에 공급되는 구동 전압은 VSHARE2-VDT4로 각각의 일정한 구동 전압으로 된다.
Figure 112016102343992-pat00006
도 4와 같이 전력 배분 제어기가 4단 구동 전류원뿐만 아니라 3단 구동 전류원의 구동 전압도 일정한 전압으로 제어함으로 인해 구동부(230)의 칩 온도를 더욱 낮출 수 있다.
개념적으로는 2단 구동 전류원 및 1단 구동 전류원의 구동 전압까지도 일정한 구동 전압으로 제어되도록 전력 배분 제어기를 설계할 수도 있다. 이 경우, 전력 배분 제어기를 칩으로 구현할 때 회로 구현이 복잡해지고 전력 배분 제어기의 전력 소모가 커져 전력 배분 제어기의 칩 온도가 상승하게 되므로 AC LED 조명 시스템의 요구 조건과 동작 조건에 맞는 적절한 전력 배분 제어기를 구성해야 한다.
도 5는 도 4의 동작 파형도와 같이 구동부(230)의 3단 구동 전류원 CS3와 4단 구동 전류원 CS4의 구동 전압을 일정하게 제어하는 다단 전력 배분 제어기(400) 구현의 일례를 보이는 도면이다.
차동 증폭기 430과 530은 바이어스 제어 트랜지스터 630과 640의 상태에 따라 온 혹은 오프 동작을 한다. 예를 들어 바이어스 제어 트랜지스터 630의 게이트 전압 552이 하이(High)이면 차동 증폭기 430은 온 되어 동작하고 반대로 로우(Low)이면 오프 된다. 또한 버퍼 420과 520은 패스(Pass) 트랜지스터 610과 620가 온 혹은 오프 되는 상태에 따라 버퍼 420과 520의 출력 451과 551의 어느 한 출력이 노드 452로 연결되어 전력 배분 제어 전압 VPS를 생성하는데 기여한다. 예를 들어 버퍼 420의 출력 451은 패스 트랜지스터 610의 게이트가 하이(High)인 경우에 노드 452로 연결되고, 버퍼 520의 출력 551은 패스 트랜지스터 620의 게이트가 하이(High)인 경우에 노드 452로 연결된다.
비교기(660)의 출력 553의 상태에 따라 버퍼 420과 520, 그리고 차동 증폭기 430과 530 중 하나 만이 전력 배분 제어 전압 VPS 값을 결정하는데 역할을 한다. 예를 들어 비교기(660)의 출력 553이 하이(High)인 경우 트랜지스터 620과 640이 온 되어 버퍼 520과 차동 증폭기 530이 동작하고, 비교기(660)의 출력 553이 로우(Low)인 경우 트랜지스터 610과 630이 온 되어 버퍼 420과 차동 증폭기 430이 동작한다. 버퍼 420과 차동 증폭기 430은 연관 소자와 더불어 3단 구동 전류원 CS3의 구동 전압을 제어하고 버퍼 520과 차동 증폭기 530은 연관 소자와 더불어 4단 구동 전류원 CS4의 구동 전압을 제어한다.
맥류 입력 전압 VIN이 VDT4 전압 보다 작은 경우에는 3단 구동 전류원 CS3의 구동 전압을 제어하는 회로가 동작하고, 반대로 VIN이 VDT4 전압 보다 큰 경우에는 4단 구동 전류원 CS4의 구동 전압을 제어하는 회로가 동작하도록 회로 구성을 하면 도 4의 동작 파형도와 같은 동작을 함을 알 수 있다.
도 5의 다단 전력 배분 제어기(400) 회로 예에서 3단 구동 전류원과 4단 구동 전류원의 동작 제어는 비교기 660의 동작에 의해 결정되므로 다음의 수학식 7과 같이 되도록 저항 RX1과 RX2 값들을 설정하면 된다.
Figure 112016102343992-pat00007
VIN이 VDT4 전압 보다 작아 비교기 660의 출력 553이 로우(Low)가 되면 인버터 650의 출력 552가 하이(High)가 되어 트랜지스터 610과 630이 온 된다. 따라서 버퍼 420과 차동 증폭기 430이 동작하여 3단 구동 전류원 CS3의 구동 전압을 제어하게 되는데, 이 경우는 도 4의 t≤t4인 구간과 t≥t5인 구간에 해당하고 그 동작은 도 3 회로의 동작과 완전히 동일하므로 다음의 수학식들을 얻을 수 있다.
Figure 112016102343992-pat00008
Figure 112016102343992-pat00009
Figure 112016102343992-pat00010
위의 수학식 8과 10으로부터 주어진 VREG, R1, R2에 대하여 원하는 제1 전력 배분 설정 전압 VSHARE1이 되도록 RSREF11과 RSREF12 저항 값을 설정할 수 있다.
VIN이 VDT4 전압보다 커서 비교기 660의 출력 553이 하이(High)가 되어 트랜지스터 620과 640이 온 되면, 버퍼 520과 차동 증폭기 530이 동작하여 4단 구동 전류원 CS4의 구동 전압을 제어하게 된다. 이 경우는 도 4의 t4≤t≤t5인 구간에 해당하고 그 동작 역시 도 3에 도시된 회로의 경우와 완전히 동일하므로 다음의 수학식들을 얻을 수 있다.
Figure 112016102343992-pat00011
Figure 112016102343992-pat00012
Figure 112016102343992-pat00013
위의 수학식 11과 13으로부터 주어진 VREG, R1, R2에 대하여 원하는 제2 전력 배분 설정 전압 VSHARE2이 되도록 RSREF21과 RSREF22 저항 값을 설정할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 구성 요소의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 예를 들어, 도 2에서는 구동부가 4단으로 구성된 것을 예시하였지만, 그 이상 혹은 그 이하의 단으로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 도 2의 전력 배분 제어기도, 도 3과 도 5의 예시적인 구성에 한정되지 않으며, 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 다양한 구성으로 구현될 수 있다.
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.
100, 200: AC LED 조명 시스템 110, 210: 전파 정류기
120, 220: 발광부 130, 230: 구동부
240: 전력 배분 제어기 400: 다단 전력 배분 제어기
300: 전력 배분 제어 IC
310, 410: 바이어스 및 레귤레이터 320, 420, 520: 버퍼
330, 430, 530: 차동 증폭기 340, 440: MOSFET
610, 620: 패스 트랜지스터 630, 640: 바이어스 제어 트랜지스터
650: 인버터 660: 비교기
LED1 ~ LED4: 1단 발광단 ~ 4단 발광단
VLED1 ~ VLED4: 1단 발광부 순방향 온 전압 ~ 4단 발광단 순방향 온 전압
CS1 ~ CS4: 1단 구동 전류원 ~ 4단 구동 전류원
VAC: AC 입력 전압 VIN: 맥류 입력 전압
IIN: 발광부 입력 전류 VPS: 전력 배분 제어 전압
VSHARE, VSHARE1, VSHARE2: 전력 배분 설정 전압
VSREF, VSREF1, VSREF2: 기준 전압
V1 ~ V4: 1단 구동 전압 ~ 4단 구동 전압
I1 ~ I4: 1단 구동 전류 ~ 4단 구동 전류

Claims (15)

  1. 복수의 LED를 구동하는 장치에 있어서,
    직렬 연결된 복수의 LED 그룹으로 구분되는 복수의 LED, 각 LED 그룹은 양의 말단(positive end)과 음의 말단(negative end)을 가짐, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에는 맥류 입력 전압이 입력됨;
    복수의 구동 전류원을 포함하는 구동회로, 각 구동 전류원은 대응되는 LED 그룹의 음의 말단에 연결된 제1단과 공통 노드에 연결된 제2단을 가지며, 각 구동 전류원은 상기 대응되는 LED 그룹의 음의 말단으로부터 상기 공통 노드로의 전류 경로를 제공함;
    상기 공통 노드와 상기 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에 연결된 전력 배분 제어기를 포함하고,
    상기 맥류 입력 전압의 상승 기간 또는 하강 기간 동안에,
    (a) 상기 맥류 입력 전압이 기설정된 임계 전압을 초과하면, 상기 전력 배분 제어기는 초과분에 상응하는 전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제1모드로 동작하고,
    (b) 상기 맥류 입력 전압이 상기 임계 전압을 초과하지 않으면, 상기 전력 배분 제어기는 상기 공통 노드에 영(zero) 전압을 출력하는 제2모드로 동작하고,
    상기 전력 배분 제어기는,
    상기 임계 전압에 비례하는 기준 전압을 출력하는 기준 전압 생성 회로;
    상기 맥류 입력 전압을 분압하여 분압전압을 출력하는 분압회로;
    상기 기준 전압 생성 회로와 상기 공통 노드 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 저항을 포함하며, 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로;
    상기 피드백 전압과 상기 분압전압 간의 차이에 따라 제어신호를 출력하는 연산 증폭기; 및
    상기 제어신호에 따라 동작하는 트랜지스터로서, 상기 공통 노드에 연결된 제1단과, 접지에 연결된 제2단과, 상기 연산 증폭기의 출력단에 연결된 제어단을 구비하는 트랜지스터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동회로와 상기 전력 배분 제어기는,
    각기 다른 집적회로 칩으로 구현된 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동회로와 상기 전력 배분 제어기는,
    하나의 집적회로 칩으로 구현된 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 임계 전압은,
    상기 복수의 LED 그룹의 순방향 온 전압의 총합보다 큰 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 배분 제어 전압은,
    상기 맥류 입력 전압에서 상기 임계 전압을 뺀 전압인 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단과 상기 공통 노드 간의 전압은,
    상기 제1모드에서, 상기 맥류 입력 전압의 변동에 무관하게 일정한 전압(constant voltage)을 갖는 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  7. 복수의 LED를 구동하는 장치에 있어서,
    직렬 연결된 복수의 LED 그룹으로 구분되는 복수의 LED, 각 LED 그룹은 양의 말단(positive end)과 음의 말단(negative end)을 가짐, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에는 맥류 입력 전압이 입력됨;
    복수의 구동 전류원을 포함하는 구동회로, 각 구동 전류원은 대응되는 LED 그룹의 음의 말단에 연결된 제1단과 공통 노드에 연결된 제2단을 가지며, 각 구동 전류원은 상기 대응되는 LED 그룹의 음의 말단으로부터 상기 공통 노드로의 전류 경로를 제공함;
    상기 공통 노드와 상기 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에 연결된 전력 배분 제어기를 포함하고,
    상기 맥류 입력 전압의 상승 기간 또는 하강 기간 동안에,
    (a) 상기 맥류 입력 전압이 기설정된 임계 전압을 초과하면, 상기 전력 배분 제어기는 초과분에 상응하는 전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제1모드로 동작하고,
    (b) 상기 맥류 입력 전압이 상기 임계 전압을 초과하지 않으면, 상기 전력 배분 제어기는 상기 공통 노드에 영(zero) 전압을 출력하는 제2모드로 동작하고,
    상기 전력 배분 제어기는,
    상기 맥류 입력 전압으로부터 상기 임계 전압에 비례하는 기준 전압을 출력하는 기준 전압 생성 회로;
    상기 맥류 입력 전압을 분압하여 제1분압전압을 출력하는 제1분압회로;
    상기 기준 전압 생성 회로와 상기 공통 노드 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 저항을 포함하고, 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로;
    상기 피드백 전압과 상기 제1분압전압 간의 차이에 따라 제어신호를 출력하는 연산 증폭기, 상기 연산 증폭기는 상기 피드백 전압을 입력받는 제1입력단과, 상기 제1분압전압을 입력받는 제2입력단과, 상기 제어신호를 출력하는 출력단을 구비함; 및
    상기 제어신호에 따라 동작하는 트랜지스터, 상기 트랜지스터는 상기 공통 노드에 연결된 제1단과, 접지에 연결된 제2단과, 상기 연산 증폭기의 출력단에 연결된 제어단을 구비함;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준 전압 생성 회로는,
    상기 선행하는 LED그룹의 양의 말단에 연결되어 상기 맥류 입력 전압을 입력받아 정전압을 출력하는 레귤레이터(regulator);
    상기 정전압을 분압하여 제2분압전압을 출력하는 제2분압회로; 및
    상기 제2분압전압을 입력받아 상기 제2분압전압과 실질적으로 동일한 크기를 갖는 상기 기준 전압을 출력하는 아날로그 버퍼
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2분압회로는,
    2개의 분압저항을 포함하고, 상기 2개의 분압저항은 상기 레귤레이터 및 상기 아날로그 버퍼가 구현된 집적회로 칩의 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  10. 복수의 LED를 구동하는 장치에 있어서,
    직렬 연결된 복수(M)의 LED 그룹으로 구분되는 복수의 LED, 각 LED 그룹은 양의 말단과 음의 말단을 가짐, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에는 맥류 입력 전압이 입력됨;
    복수의 구동 전류원을 포함하는 구동회로, 각 구동 전류원은 대응되는 LED 그룹의 음의 말단에 연결된 제1단과 공통 노드에 연결된 제2단을 가지며, 각 구동 전류원은 상기 대응되는 LED 그룹의 음의 말단으로부터 상기 공통 노드로의 전류 경로를 제공함;
    상기 공통 노드와 상기 선행하는 LED 그룹의 양의 말단에 연결된 전력 배분 제어기를 포함하고,
    상기 맥류 입력 전압이 상기 복수(M)의 LED 그룹을 켜기에 충분할 때, 상기 전력 배분 제어기는,
    (a) 상기 맥류 입력 전압이 기설정된 임계 전압을 초과하면, 상기 복수의 LED 그룹 중 선행하는 LED 그룹의 양의 말단과 상기 공통 노드 간의 전압이 상기 맥류 입력 전압의 변동에 무관하게 일정한 전압을 갖도록, 상기 맥류 입력 전압의 변동에 따라 전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제1모드로 동작하고,
    (b) 상기 맥류 입력 전압이 상기 임계 전압을 초과하지 않으면, 상기 공통 노드에 영 전압을 출력하는 제2모드로 동작하고,
    상기 전력 배분 제어기는,
    상기 임계 전압에 비례하는 기준 전압을 출력하는 기준 전압 생성 회로;
    상기 맥류 입력 전압을 분압하여 분압전압을 출력하는 분압회로;
    상기 기준 전압 생성 회로와 상기 공통 노드 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 저항을 포함하며, 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로;
    상기 피드백 전압과 상기 분압전압 간의 차이에 따라 제어신호를 출력하는 연산 증폭기; 및
    상기 제어신호에 따라 동작하는 트랜지스터로서, 상기 공통 노드에 연결된 제1단과, 접지에 연결된 제2단과, 상기 연산 증폭기의 출력단에 연결된 제어단을 구비하는 트랜지스터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 맥류 입력 전압이 상기 복수의 LED들의 제1 LED 그룹부터 제k LED 그룹을 켜기에 충분할 때, 여기서 j≤k≤M-1이고, 1≤j≤M-1임,
    상기 전력 배분 제어기는, 각 k에 대해,
    (c) 상기 맥류 입력 전압이 기설정된 제k 임계 전압보다 작으면 상기 공통 노드에 영(zero) 전압을 출력하는 제k-1모드로 동작하고,
    (d) 상기 맥류 입력 전압이 상기 제k 임계 전압보다 크고 상기 제1 LED 그룹부터 제k+1 LED 그룹까지의 순방향 온 전압의 총합보다 작으면, 상기 제1 LED 그룹의 양의 말단과 상기 공통 노드 간의 전압이 상기 맥류 입력 전압의 변동에 무관하게 일정한 전압을 갖도록, 상기 제k 임계 전압을 초과하는 초과분에 상응하는 제 k전력 배분 제어 전압을 상기 공통 노드에 출력하는 제k-2모드로 동작하는 것
    을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 구동회로와 상기 전력 배분 제어기는,
    각기 다른 집적회로 칩으로 구현된 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 구동회로와 상기 전력 배분 제어기는,
    하나의 집적회로 칩으로 구현된 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전력 배분 제어 전압은,
    상기 맥류 입력 전압에서 상기 임계 전압을 뺀 전압인 것을 특징으로 하는, 복수의 LED를 구동하는 장치.
  15. 삭제
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