KR101946018B1 - 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로 및 방법 - Google Patents

교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로 및 방법 Download PDF

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Abstract

교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로는 전파 정류된 교류 입력 전압을 수신하고 내부 기준 전압과 상기 교류 입력 전압을 비교하여 밸리 신호를 생성하는 밸리 신호 생성부, 상기 생성된 밸리 신호를 수신하고 내부 클록을 카운트하여 상기 교류 입력 전압의 주파수를 검출하고, 구동 전류 주파수를 결정하여 상기 결정된 구동 전류 주파수를 기초로 기준 전압을 제어하는 기준 전압 제어부 및 상기 기준 전압의 진폭과 연관된 펄스폭 변조 신호를 생성하고, 상기 생성된 펄스폭 변조 신호와 상기 제어된 기준 전압을 기초로 기준 전압 제어 클록을 생성하는 기준 전압 제어 클록 생성부를 포함한다. 따라서, 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로는 구동 전류의 위상을 제어하고 기준 전압의 변화량을 조절하여 회로의 역률을 개선할 수 있다.

Description

교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로 및 방법{POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT AND METHOD OF AC DIRECT LIGHT APPARATUS}
본 발명은 역률 개선 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력 전압에 따라 출력 전류의 위상을 조절할 수 있는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로 및 방법에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode) 조명 기기는 기존의 광원과 비교될 때 전력 소모를 감소시킬 수 있어 기존의 조명기구들을 대체하고 있다. 최근의 LED 조명 기기는 교류 직결형 구동 회로를 채택하여 직류가 아닌 교류를 직접 사용할 수 있다.
이러한 교류 직결형 구동 회로는 LED 조명 기기의 무게 및 공간 제약을 개선시킬 수 있으나 다만, 입력 전압과 출력 전류 간의 위상차는 입력 전압과 출력 전류의 타이밍을 어긋나게 하고, 이러한 어긋난 타이밍으로 인해 발생되는 무효 전력은 LED 조명 기기의 전력 손실을 증가시킬 수 있다. 또한, 교류 직결형 구동 회로에서, 교류 입력 전압의 주파수 흔들림은 입력 전압과 출력 전류의 타이밍을 일치시키기 어렵게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 구동 전류의 주파수를 변경하여 교류 입력 신호와 구동 전류의 위상 차이를 감소시켜 회로의 역률을 개선하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 구동 전류의 가변 주파수에 대응하도록 기준 전압의 변화량을 조절하고 교류 입력 전압과 구동 전류간의 위상 차이를 감소시켜 회로의 역률을 개선하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 별도의 회로 추가 없이 입력 전압의 주파수를 자동으로 선택하여 조명 장치를 구동하고자 한다.
실시예들 중에서, 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로는 전파 정류된 교류 입력 전압을 수신하고 내부 기준 전압과 상기 교류 입력 전압을 비교하여 밸리 신호를 생성하는 밸리 신호 생성부, 상기 생성된 밸리 신호를 수신하고 내부 클록을 카운트하여 상기 교류 입력 전압의 주파수를 검출하고, 구동 전류 주파수를 결정하여 상기 결정된 구동 전류 주파수를 기초로 기준 전압을 제어하는 기준 전압 제어부 및 상기 기준 전압의 진폭과 연관된 펄스폭 변조 신호를 생성하고, 상기 생성된 펄스폭 변조 신호와 상기 제어된 기준 전압을 기초로 기준 전압 제어 클록을 생성하는 기준 전압 제어 클록 생성부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 기준 전압 제어부는 상기 밸리 신호를 수신하고 내부 클록을 카운트하여 상기 교류 입력 전압의 주파수를 검출하고, 상기 구동 전류 주파수를 결정하는 구동 전류 주파수 결정 모듈 및 상기 구동 전류 주파수 결정 모듈로부터 디지털 값을 수신하여 상기 기준 전압을 출력하는 디지털-아날로그 변환 모듈을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동 전류 주파수 결정 모듈은 상기 결정된 구동 전류 주파수를 기초로 상기 교류 입력 전압의 기울기 변곡 구간을 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 디지털-아날로그 변환 모듈은 상기 기준 전압 제어 클록을 특정 개수만큼 카운트하여 상기 기준 전압을 스텝 단위로 스텝-업 또는 스텝-다운시키고 상기 기울기 변곡 구간을 따라가도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 전압 제어부는 상기 기준 전압 제어 클록에 해당하는 기준 전압을 스텝 단위로 출력하여 구동 전류의 위상을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 전압 제어 클록 생성부는 상기 기준 전압을 인가받는 기준 전압 인가 모듈, 상기 기준 전압의 진폭과 연관된 펄스폭 변조 신호를 생성하는 펄스폭 변조 신호 생성 모듈 및 상기 인가된 기준 전압과 상기 생성된 펄스폭 변조 신호를 비교하여 상기 기준 전압 제어 클록을 생성하는 기준 전압 제어 클록 생성 모듈을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 펄스폭 변조 신호 생성 모듈은 상기 기준 전압 제어 클록을 수신하여 턴-온되는 충전 스위칭 소자 및 상기 충전 스위칭 소자가 턴-오프되는 동안 전류가 충전되고 상기 충전 스위칭 소자가 턴-온되는 동안 방전되는 용량성 소자를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준 전압 제어 클록 생성 모듈은 상기 기준 전압과 상기 펄스폭 변조 신호를 비교하는 비교 소자들 및 상기 비교 소자들의 출력 값을 기초로 상기 기준 전압 제어 클록을 생성하는 기억 소자를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기억 소자는 래치를 통해 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치는 상기 기준 전압 제어 클록을 기초로 구동 스위칭 소자를 턴-온 또는 턴-오프 시키는 스위치 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치 제어부는 상기 기준 전압 제어 클록의 제1 구간에서 LED(Light Emitting Diode) 모듈과 연결된 구동 스위칭 소자를 턴-온시키고 상기 기준 전압 제어 클록의 제2 구간에서 상기 구동 스위칭 소자를 턴-오프시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동 스위칭 소자는 턴-온 되는 경우 구동 전류가 인덕터로 흐르게 하고, 턴-오프 되는 경우 인덕터에 충전되어 있던 전류가 다이오드를 통해 LED 모듈로 흐르도록 할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로 및 방법은 구동 전류의 주파수를 변경하여 교류 입력 신호와 구동 전류간의 위상 차이를 감소시켜 회로의 역률을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로 및 방법은 구동 전류의 가변 주파수에 대응하도록 기준 전압의 변화량을 조절하고 교류 입력 전압과 구동 전류간의 위상 차이를 감소시켜 회로의 역률을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로 및 방법은 별도의 회로 추가 없이 입력 전압의 주파수를 자동으로 선택하여 조명 장치를 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 있는 밸리 신호 생성부의 동작 원리를 설명하는 파형도이다.
도 3은 도 1에 있는 기준 전압 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 1에 있는 기준 전압 제어부에 의하여 제어된 기준 전압을 나타내는 파형도이다.
도 5는 도 3에 있는 디지털-아날로그 변환 모듈의 동작 원리를 설명하는 타이밍도이다.
도 6은 도 1에 있는 기준 전압 제어부에 의하여 제어된 기준 전압을 나타내는 파형도이다.
도 7은 도 1에 있는 기준 전압 제어 클록 생성부의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 8은 도 1에 있는 기준 전압 제어 클록 생성부의 동작 원리를 나타내는 타이밍도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 실시예에 관한 설명은 본 발명의 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 실시예에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로를 나타내는 블록도이다.
도 1를 참조하면, 역률 개선 회로(100)는 교류 입력 전원(10), 다이오드 브릿지(20), 밸리 신호 생성부(110), 기준 전압 제어부(120), 기준 전압 제어 클록 생성부(130), 스위치 제어부(140), 구동 스위칭 소자(30) 및 조명부(40)를 포함한다.
교류 입력 전원(10)은 교류 입력 전압(Vin)의 소스에 해당한다. 교류 입력 전압(Vin)의 주파수는 전력 공급자에 따라, 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 50Hz 또는 60Hz에 해당할 수 있고, 교류 입력 전압(Vin)의 주파수는 전류 배전 시스템에 따라 흔들릴 수 있다(fluctuation).
다이오드 브릿지(20)는 교류 입력 전원(10)과 전기적으로 연결되고, 복수의 다이오드들(21~24)을 상호 연결할 수 있다. 다이오드 브릿지(20)는 교류 입력 전압(Vin)을 전파 정류할 수 있다. 전파 정류된 교류 입력 전압(Vin)은 밸리 신호 생성부(110)에 제공될 수 있다.
밸리 신호 생성부(110)는 다이오드 브릿지(20)와 연결될 수 있고, 전파 정류된 교류 입력 전압(Vin)을 수신할 수 있다. 밸리 신호 생성부(110)는 내부 기준 전압(VINT_REF)과 교류 입력 전압(Vin)을 비교하여 밸리 신호(Valley Detection)를 생성할 수 있다.
검출된 밸리 구간은 교류 입력 전압(Vin)의 크기가 내부 기준 전압(VINT_REF)의 크기보다 큰 구간에 해당할 수 있다. 즉, 밸리 신호(Valley Detection)는 교류 입력 전압(Vin)의 크기가 내부 기준 전압(VINT_REF)의 크기보다 큰 구간에서 양의 값 (하이 레벨 또는 1)을 가질 수 있다.
기준 전압 제어부(120)는 밸리 신호 생성부(110) 및 기준 전압 제어 클록 생성부(130)와 연결될 수 있고, 밸리 신호(Valley Detection)를 수신하고 내부 클록을 카운트하여 교류 입력 전압(Vin)의 주파수를 검출할 수 있다. 여기에서, 내부 클록은 교류 입력 전압(Vin)의 밸리 구간에서 카운트될 수 있다. 내부 클록은 고정된 주기를 가지고 있으며, 기준 전압 제어부(120)에서 직접 생성되거나 또는 외부의 클록 생성 회로(미도시)를 통해 수신될 수 있다. 보다 구체적으로, 기준 전압 제어부(120)는 전파 정류된 교류 입력 전압(Vin)의 이전의 밸리 구간에서 내부 클록을 카운트하여 전파 정류된 교류 입력 전압의 주파수를 계산할 수 있다.
기준 전압 제어부(120)는 교류 입력 전압(Vin)의 주파수를 기초로 구동 전류 주파수를 결정하여 기준 전압(Vref)을 제어할 수 있다. 구동 전류 주파수는 변경될 수 있으며, 구동 전류 주파수를 제어함으로써 교류 입력 전압(Vin)과 구동 전류(IL1)의 위상 차이를 감소시킬 수 있다.
기준 전압 제어 클록 생성부(130)는 밸리 신호 생성부(110) 및 기준 전압 제어부(120)와 연결될 수 있다. 기준 전압 제어 클록 생성부(130)는 밸리 신호 생성부(110)로부터 교류 입력 전압(Vin)을 수신할 수 있고, 기준 전압 제어부(120)로부터 기준 전압(Vref)을 수신할 수 있다. 기준 전압 제어 클록 생성부(130)는 교류 입력 전압(Vin)의 서브 구간(810) 단위로 해당 기준 전압의 진폭과 연관된 펄스폭 변조 신호(Vramp)를 생성하고, 펄스폭 변조 신호(Vramp)와 기준 전압(Vref)을 기초로 기준 전압 제어 클록(CLK)을 생성할 수 있다. 기준 전압 제어 클록(CLK)은 두 개의 서브 구간(810)동안 하나의 주기를 가질 수 있다. 기준 전압 제어 클록(CLK)은 펄스폭 변조 신호(Vramp)와 기준 전압(Vref)의 변화에 따라 펄스폭이 변동할 수 있다.
스위치 제어부(140)는 기준 전압 제어 클록 생성부(130)와 구동 스위칭 소자(30) 사이에 연결될 수 있다. 스위치 제어부(140)는 기준 전압 제어 클록 생성부(130)로부터 기준 전압 제어 클록(CLK)을 수신할 수 있고, 구동 스위칭 소자(30)를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 스위치 제어부(140)는 기준 전압 제어 클록(CLK)의 제1 구간에서 LED(Light Emitting Diode) 모듈(44)과 연결된 구동 스위칭 소자(30)를 턴-온시키고 기준 전압 제어 클록(CLK)의 제2 구간에서 구동 스위칭 소자(30)를 턴-오프시킬 수 있다. 구동 스위칭 소자(30)는 턴-온 되는 경우 구동 전류(IL1)가 인덕터(42)로 흐르게 하고, 턴-오프 되는 경우 인덕터(42)에 충전되어 있던 전류가 다이오드(43)를 통해 LED 모듈(44)로 흐르도록 할 수 있다. 구동 전류(IL1)는 인덕터(42)를 충전시킬 수 있고, LED 모듈(44)은 인덕터(42)에 충전된 전류가 다이오드(43)를 통해 흐르는 경우 구동될 수 있다.
따라서, 기준 전압 제어부(120)는 구동 전류(IL1)의 가변 주파수에 해당하는 기준 전압(Vref)을 생성할 수 있고 교류 입력 전압(Vin)과 구동 전류(IL1)의 위상 차이를 감소시킬 수 있다.
조명부(40)는 감지 저항(41), 인덕터(42), 다이오드(43) 및 LED(Light Emitting Diode) 모듈(44)을 포함한다.
구동 스위칭 소자(30)는 감지 저항(41)과 연결될 수 있고, 트랜지스터(Transistor)로 구현될 수 있다. 스위치 제어부(140)는 트랜지스터의 소스 단자에 입력 전류를 제공하여 구동 전류(IL1)의 흐름을 제어할 수 있다. 따라서, 트랜지스터는 역률 개선 회로(100)의 구동 스위칭 소자(30)로서 동작할 수 있다.
구동 스위칭 소자(30)가 턴-온 되는 경우 구동 전류(IL1)는 감지 저항(41)과 인덕터(42)로 흐르며, 구동 전류(IL1)의 에너지는 인덕터(42)에 저장될 수 있다. 구동 스위칭 소자(30)가 턴-오프 되는 경우 인덕터(42)에 저장된 에너지가 LED(Light Emitting Diode) 모듈(44)로 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 구동 스위칭 소자(30)가 턴-오프 되는 경우 인덕터(42)는 전류원으로 동작할 수 있다. 인덕터(42)에 저장된 에너지를 기초로 전류가 다이오드(43)를 통해 LED(Light Emitting Diode) 모듈(44)로 흐르게 되어 LED 모듈(44)이 구동될 수 있다. 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치는 출력(즉, 구동 전류(IL1))을 조절하여 LED 모듈(44)의 밝기를 조절할 수 있다.
도 2는 도 1에 있는 밸리 신호 생성부의 동작 원리를 설명하는 파형도이다.
밸리 신호 생성부(110)는 내부 기준 전압(VINT_REF)과 교류 입력 전압(Vin)을 비교하여 전파 정류된 교류 입력 전압(Vin)의 밸리 구간을 검출하고 밸리 신호(Valley Detection)를 생성할 수 있다. 검출된 밸리 구간은 교류 입력 전압(Vin)의 크기가 내부 기준 전압(VINT_REF)의 크기보다 큰 구간에 해당할 수 있다. 즉, 밸리 신호(Valley Detection)는 교류 입력 전압(Vin)의 크기가 내부 기준 전압(VINT_REF)의 크기보다 큰 구간에서 양의 값 (하이 레벨 또는 1)을 가질 수 있다.
기준 전압 제어부(120)는 밸리 신호(Valley Detection)를 수신하고 밸리 구간마다 내부 클록(CLK_INT)을 카운트하여 밸리 구간의 주기를 계산할 수 있다. 결과적으로, 기준 전압 제어부(120)는 밸리 구간의 주기를 기초로 입력 전압의 주파수를 검출할 수 있다.
도 3은 도 1에 있는 기준 전압 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 기준 전압 제어부(120)는 구동 전류 주파수 결정 모듈(310) 및 디지털-아날로그 변환 모듈(320)를 포함한다.
구동 전류 주파수 결정 모듈(310)은 밸리 신호 생성부(110)로부터 밸리 신호(Valley Detection)를 수신하여 교류 입력 전압(Vin)의 주파수를 검출할 수 있다. 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)은 교류 입력 전압(Vin)의 주파수를 기초로 구동 전류 주파수를 결정할 수 있다. 따라서, 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로(100)는 별도의 회로 추가 없이 입력 전압(Vin)의 주파수를 자동으로 선택하여 LED 모듈(44)을 구동할 수 있다.
구동 전류 주파수 결정 모듈(310)은 결정된 구동 전류 주파수에 따른 디지털 값을 디지털-아날로그 변환 모듈(320)에 제공할 수 있다. 즉, 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)에서 디지털 값이 정해진 경우 디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 일정한 주파수의 기준 전압(Vref)을 생성할 수 있다.
디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)에서 결정된 주파수를 기초로 기준 전압(Vref)을 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)로부터 디지털 값을 수신하여 기준 전압(Vref)을 출력할 수 있다.
도 4는 도 1에 있는 기준 전압 제어부에 의하여 제어된 기준 전압을 나타내는 파형도이다.
도 4를 참조하면, 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)은 디지털 값을 제공하여 디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 기준 전압(Vref)을 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 디지털 값이 [00000]인 경우 기준 전압(Vref)과 교류 입력 전압(Vin)의 위상 차이가 발생하고 전력 손실이 발생할 수 있다. 디지털 값이 점점 증가할수록 기준 전압(Vref)과 교류 입력 전압(Vin)의 위상 차이가 감소하게 되고, 디지털 값이 [10100]인 경우 기준 전압(Vref)과 교류 입력 전압(Vin)의 위상 차이가 거의 발생하지 않는다. 결과적으로, 디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 [10100]에 해당하는 디지털 값을 수신하여 일정한 주파수의 기준 전압(Vref)을 출력할 수 있다. 상기 디지털 값은 본 발명을 실시하기 위한 예시에 해당하고, 본 발명의 권리 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
구동 전류 주파수 결정 모듈(310)은 결정된 구동 전류 주파수를 기초로 교류 입력 전압(Vin)의 기울기 변곡 구간(610)을 결정하고, 디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 기준 전압 제어 클록(CLK)을 카운트하여 기준 전압(Vref)을 스텝 단위로 스텝-업 또는 스텝-다운시키고 기울기 변곡 구간(610)을 따라가도록 할 수 있다. 즉, 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로(100)는 구동 전류의 가변 주파수에 대응하도록 기준 전압(Vref)의 변화량을 조절하여 회로의 역률을 개선할 수 있다.
도 5는 도 3에 있는 디지털-아날로그 변환 모듈의 동작 원리를 설명하는 타이밍도이다.
도 5는 디지털-아날로그 변환 모듈(320)이 5-비트 디지털-아날로그 컨버터(5-bit Digital Analog Converter)로 구현된다고 가정하였다.
일 실시예에서, 기준 전압 제어부(120)는 5-비트 디지털-아날로그 컨버터를 통하여 32 스텝-업, 64 플랫 및 32 스텝-다운 동작을 수행할 수 있다. 여기에서, 32 스텝-업은 기준 전압(Vref)이 32 단계들(예를 들어, 하나의 단계가 4 개의 클록들에 의한 구간을 의미하는 경우에는, 128 클록들을 포함함)을 통해 계단적으로 증가되는 것을 의미할 수 있다. 64 플랫은 기준 전압(Vref)이 64 단계들(예를 들어, 하나의 단계가 4 개의 클록들에 의한 구간을 의미하는 경우에는, 256 클록들을 포함함)을 통해 일정하게 유지되는 것을 의미할 수 있다. 32 스텝-다운은 기준 전압(Vref)이 32 단계들(예를 들어, 하나의 단계가 4 개의 클록들에 의한 구간을 의미하는 경우에는, 128 클록들을 포함함)을 통해 계단적으로 감소하는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)이 4개의 기울기 변곡 구간들(610)을 지정하는 경우, 각각의 구간마다 8 스텝-업 또는 8 스텝-다운 동작을 할 수 있다.
도 6은 도 1에 있는 기준 전압 제어부에 의하여 제어된 기준 전압을 나타내는 파형도이다.
도 6을 참조하면, 종래의 역률 개선 회로는 일정하게 증가하는 기준 전압(630)을 사용하여 입력 전압과 출력 전류의 위상 차이가 발생한다. 즉, 종래의 역률 개선 회로는 역률의 개선과 전력 손실의 감소에 한계가 있다. 그러나, 기준 전압 제어부(120)는 기울기 변곡 구간(610)을 지정하여 각각의 구간마다 다른 전압 범위로 기준 전압(620)을 제어함으로써 교류 입력 전압(Vin)과 유사한 기준 전압(620)의 파형을 출력할 수 있다. 결과적으로, 기준 전압 제어부(120)는 출력 전류(IL1)의 타이밍을 조절하여 출력 전류(IL1)의 위상을 교류 입력 전압(Vin)의 위상과 대응하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)은 교류 입력 전압(Vin)이 증가 또는 감소하는 구간 동안 4개의 기울기 변곡 구간들(610)을 지정할 수 있다. 기울기 변곡 구간들(610) 각각의 기울기는 교류 입력 전압(Vin)의 기울기가 변경되기 때문에 변경될 수 있다. 예를 들어, 교류 입력 전압(Vin)의 증가 구간에서는 기울기 변곡 구간(610)의 기울기가 점점 감소하게 되고, 교류 입력 전압(Vin)의 감소 구간에서는 기울기 변곡 구간(610)의 기울기가 점점 증가하게 된다. 기울기 변곡 구간(610)에서의 기울기가 변경되기 때문에 기준 전압(Vref)의 변화량은 변경될 수 있다.
구동 스위칭 소자(30)는 턴-온 되는 경우 구동 전류(IL1)가 인덕터(42)로 흐르게 하고, 턴-오프 되는 경우 인덕터(42)에 충전되어 있던 전류가 다이오드(43)를 통해 LED 모듈(44)로 흐르도록 할 수 있다. 구동 전류(IL1)는 인덕터(42)를 충전시킬 수 있고, LED 모듈(44)은 인덕터(42)에 충전된 전류가 다이오드(43)를 통해 흐르는 경우 구동될 수 있다.
도 7은 도 1에 있는 기준 전압 제어 클록 생성부의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 7을 참조하면, 기준 전압 제어 클록 생성부(130)는 기준 전압 인가 모듈(710), 펄스폭 변조 신호 생성 모듈(720) 및 기준 전압 제어 클록 생성 모듈(730)을 포함한다.
기준 전압 인가 모듈(710)은 기준 전압 제어부(120)에서 생성된 기준 전압(Vref)을 인가받을 수 있다. 보다 구체적으로, 기준 전압 인가 모듈(710)은 디지털-아날로그 변환 모듈(320)로부터 기준 전압(Vref)을 수신하여 기준 전압 제어 클록 생성 모듈(730)에 기준 전압(Vref)을 제공할 수 있다.
펄스폭 변조 신호 생성 모듈(720)은 충전 스위칭 소자(722) 및 용량성 소자(724)를 포함한다. 충전 스위칭 소자(722)는 기준 전압 제어 클록(CLK)을 수신하여 턴-온될 수 있다. 용량성 소자(724)는 충전 스위칭 소자(722)가 턴-오프되는 동안 전류가 충전되고, 충전 스위칭 소자(722)가 턴-온되는 동안 방전될 수 있다.
보다 구체적으로, 펄스폭 변조 신호 생성 모듈(720)은 교류 입력 전압(Vin)의 서브 구간 단위로 해당 기준 전압(Vref)의 진폭과 연관된 펄스폭 변조 신호(Vramp)를 생성할 수 있다. 펄스폭 변조 신호(Vramp)는 일 서브 구간(810-1)(즉, 충전 스위칭 소자가 턴-오프되는 구간)에서 진폭이 직선적으로 증가하고, 다음 서브 구간(810-2)(즉, 충전 스위칭 소자가 턴-온되는 구간)에서 진폭이 갑자기 감소하여 0의 값을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 충전 스위칭 소자(722)는 트랜지스터(Transistor)로 구현될 수 있다. 또한, 펄스폭 변조 신호(Vramp)는 용량성 소자(724)의 양단에 인가되는 전압을 의미하며, 톱니파의 형태로 구현될 수 있다.
기준 전압 제어 클록 생성 모듈(730)은 비교 소자들(732) 및 기억 소자(734)를 포함한다. 비교 소자들(732)은 기준 전압 인가 모듈(710) 및 펄스폭 변조 신호 생성 모듈(720)과 연결될 수 있다. 비교 소자들(732)은 기준 전압(Vref)과 펄스폭 변조 신호(Vramp)를 비교하여 그 출력 값을 기억 소자(734)에 제공할 수 있다. 기억 소자(734)는 비교 소자들(732)의 출력 값을 기초로 기준 전압 제어 클록(CLK)을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 비교 소자들(732)은 오피엠프(OP-AMP)를 통해 구현될 수 있고, 기억 소자(734)는 SR 래치(Latch)를 통해 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, 기준 전압 제어 클록 생성 모듈(730)은 인가된 기준 전압(Vref)과 생성된 펄스폭 변조 신호(Vramp)를 비교하여 기준 전압 제어 클록(CLK)을 생성할 수 있다. 생성된 기준 전압 제어 클록(CLK)은 기준 전압 제어부(120)에서 카운트되어 기준 전압(Vref)을 제어할 수 있다. 즉, 생성된 기준 전압 제어 클록(CLK)은 디지털-아날로그 변환 모듈(320)에 제공되어 디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 다음 스텝의 기준 전압(Vref)을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 기준 전압 제어 클록 생성 모듈(730)은 기준 전압(Vref)과 펄스폭 변조 신호(Vramp)를 SR래치를 통해 비교할 수 있다. SR래치의 출력은 NOT 게이트를 통과하여 기준 전압 제어 클록(CLK)이 생성될 수 있다.
도 8은 도 1에 있는 기준 전압 제어 클록 생성부의 동작 원리를 나타내는 타이밍도이다.
도 8을 참조하면, 기준 전압 제어부(120)는 네 개의 기준 전압 제어 클록들(CLK)을 카운트하여 기준 전압(Vref)을 스텝 단위로 출력할 수 있다. 기준 전압 제어 클록(CLK)은 두 개의 서브 구간(810)동안 하나의 주기를 가질 수 있다. 스텝 동작은 기준 전압(Vref)의 구간에 따라서 스텝-업 또는 플랫 또는 스텝-다운할 수 있다. 결과적으로, 기준 전압 제어부(120)는 기울기 변곡 구간(610)을 기초로 스텝-업 또는 스텝-다운 하여 기준 전압(Vref)의 위상을 제어할 수 있고, 구동 전류(IL1)의 타이밍을 조절하여 교류 입력 전압(Vin)의 위상을 기준으로 구동 전류(IL1)의 위상을 제어할 수 있다. 결과적으로, 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로(100)는 구동 전류(IL1)와 교류 입력 전압(Vin)의 위상 차이를 감소시켜 회로의 역률을 개선할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 방법을 나타내는 순서도이다.
밸리 신호 생성부(110)는 전파 정류된 교류 입력 전압을 수신하고 내부 기준 전압과 상기 교류 입력 전압을 비교하여 밸리 신호(Valley Detection)를 생성할 수 있다. 밸리 신호(Valley Detection)의 주기는 교류 입력 전압(Vin)의 한 주기 동안 카운트된 내부 클록(CLK_INT)의 개수를 기초로 결정될 수 있다(단계 S901).
구동 전류 주파수 결정 모듈(310)은 밸리 신호를 수신하여 교류 입력 전압(Vin)의 주파수를 내부 클록(CLK_INT)을 카운트하여 검출하고 구동 전류(IL1)의 주파수를 결정할 수 있다. 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)은 구동 전류 주파수를 기초로 교류 입력 전압(Vin)의 기울기 변곡 구간(610)을 결정할 수 있다(단계 S902).
디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 구동 전류 주파수 결정 모듈(310)로부터 디지털 값을 수신하여 기준 전압(Vref)을 출력할 수 있다. 디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 기준 전압 제어 클록(CLK)을 특정 개수만큼 카운트하여 기준 전압(Vref)을 스텝 단위로 스텝-업 또는 스텝-다운 시키고 기울기 변곡 구간(610)을 따라가도록 할 수 있다(단계 S903).
기준 전압 제어 클록 생성부(130)는 펄스폭 변조 신호(Vramp)를 생성하고, 기준 전압(Vref)과 펄스폭 변조 신호(Vramp)를 기초로 기준 전압 제어 클록(CLK)을 생성할 수 있다. 생성된 기준 전압 제어 클록(CLK)은 디지털-아날로그 변환 모듈(320)에 제공되고, 디지털-아날로그 변환 모듈(320)은 다음 스텝의 기준 전압(Vref)을 제어할 수 있다(단계 S904).
스위치 제어부(140)는 기준 전압 제어 클록(CLK)을 기초로 구동 스위칭 소자(30)를 턴-온 또는 턴-오프시킬 수 있다. 스위치 제어부(140)는 기준 전압 제어 클록(CLK)의 제1 구간에서 LED 모듈(44)과 연결된 구동 스위칭 소자(30)를 턴-온시키고, 기준 전압 제어 클록(CLK)의 제2 구간에서 구동 스위칭 소자(30)를 턴-오프시킬 수 있다. 구동 스위칭 소자(30)가 턴-온 되는 경우 구동 전류(IL1)는 감지 저항(41)과 인덕터(42)로 흐르며, 구동 전류(IL1)의 에너지는 인덕터(42)에 저장될 수 있다. 구동 스위칭 소자(30)가 턴-오프 되는 경우 인덕터(42)에 저장된 에너지를 기초로 전류가 다이오드(43)를 통해 LED 모듈(44)로 흐를 수 있고, LED 모듈(44)이 구동될 수 있다(단계 S905).
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 교류 입력 전원 20: 다이오드 브릿지
30: 구동 스위칭 소자 40: 조명부
41: 감지 저항 42: 인덕터
43: 다이오드 44: LED (Light Emitting Diode) 모듈
100: 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로
110: 밸리 신호 생성부 120: 기준 전압 제어부
130: 기준 전압 제어 클록 생성부 140: 스위치 제어부
210: 구동 전류 주파수 결정 모듈 220: 디지털-아날로그 변환 모듈
610: 기울기 변곡 구간
620: 기울기 변곡 구간을 기초로 한 기준 전압
630: 종래의 역률 개선 회로에서의 기준 전압
710: 기준 전압 인가 모듈
720: 펄스폭 변조 신호 생성 모듈
722: 충전 스위칭 소자 724: 용량성 소자
730: 기준 전압 제어 클록 생성 모듈
732: 비교 소자들 734: 기억 소자

Claims (12)

  1. 전파 정류된 교류 입력 전압을 수신하고 내부 기준 전압과 상기 교류 입력 전압을 비교하여 밸리 신호를 생성하는 밸리 신호 생성부;
    상기 생성된 밸리 신호를 수신하고 내부 클록을 카운트하여 상기 교류 입력 전압의 주파수를 검출하고, 구동 전류 주파수를 결정하여 상기 결정된 구동 전류 주파수를 기초로 기준 전압을 제어하는 기준 전압 제어부; 및
    상기 기준 전압의 진폭과 연관된 펄스폭 변조 신호를 생성하고, 상기 생성된 펄스폭 변조 신호와 상기 제어된 기준 전압을 기초로 기준 전압 제어 클록을 생성하는 기준 전압 제어 클록 생성부를 포함하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준 전압 제어부는
    상기 밸리 신호를 수신하고 내부 클록을 카운트하여 상기 교류 입력 전압의 주파수를 검출하고, 상기 구동 전류 주파수를 결정하는 구동 전류 주파수 결정 모듈; 및
    상기 구동 전류 주파수 결정 모듈로부터 디지털 값을 수신하여 상기 기준 전압을 출력하는 디지털-아날로그 변환 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 구동 전류 주파수 결정 모듈은
    상기 결정된 구동 전류 주파수를 기초로 상기 교류 입력 전압의 기울기 변곡 구간을 결정하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  4. 제2항에 있어서, 상기 디지털-아날로그 변환 모듈은
    상기 기준 전압 제어 클록을 특정 개수만큼 카운트하여 상기 기준 전압을 스텝 단위로 스텝-업 또는 스텝-다운시키고 기울기 변곡 구간을 따라가도록 하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  5. 제2항에 있어서, 상기 기준 전압 제어부는
    상기 기준 전압 제어 클록에 해당하는 기준 전압을 스텝 단위로 출력하여 구동 전류의 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기준 전압 제어 클록 생성부는
    상기 기준 전압을 인가받는 기준 전압 인가 모듈;
    상기 기준 전압의 진폭과 연관된 펄스폭 변조 신호를 생성하는 펄스폭 변조 신호 생성 모듈; 및
    상기 인가된 기준 전압과 상기 생성된 펄스폭 변조 신호를 비교하여 상기 기준 전압 제어 클록을 생성하는 기준 전압 제어 클록 생성 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 펄스폭 변조 신호 생성 모듈은
    상기 기준 전압 제어 클록을 수신하여 턴-온되는 충전 스위칭 소자; 및
    상기 충전 스위칭 소자가 턴-오프되는 동안 전류가 충전되고 상기 충전 스위칭 소자가 턴-온되는 동안 방전되는 용량성 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  8. 제6항에 있어서, 상기 기준 전압 제어 클록 생성 모듈은
    상기 기준 전압과 상기 펄스폭 변조 신호를 비교하는 비교 소자들; 및
    상기 비교 소자들의 출력 값을 기초로 상기 기준 전압 제어 클록을 생성하는 기억 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기억 소자는
    래치(Latch)를 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전압 제어 클록을 기초로 구동 스위칭 소자를 턴-온 또는 턴-오프 시키는 스위치 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  11. 제10항에 있어서, 상기 스위치 제어부는
    상기 기준 전압 제어 클록의 제1 구간에서 LED(Light Emitting Diode) 모듈과 연결된 구동 스위칭 소자를 턴-온시키고 상기 기준 전압 제어 클록의 제2 구간에서 상기 구동 스위칭 소자를 턴-오프시키는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 구동 스위칭 소자는
    턴-온 되는 경우 구동 전류가 인덕터로 흐르게 하고, 턴-오프 되는 경우 인덕터에 충전되어 있던 전류가 다이오드를 통해 LED 모듈로 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 교류 직결형(AC Direct) 조명 장치의 역률 개선 회로.
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