KR102027214B1 - 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치 - Google Patents

정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등에서 사물 감지에 대응하여 LED 라이트를 점등할 때에 정전압-정전류 컨버터가 정전압 모드에서 정전류 모드로 전환하면서 전압 스파이크를 발생시키면 클램핑 다이오드 회로를 통해 디지털 전자부품으로 공급되는 소전류 전원에서 전압 스파이크를 제거하고 마이크로제어기의 PWM 제어를 통해 LED 발광소자로 공급되는 대전류 전원이 실질적으로는 천천히 증가하도록 억제함으로써 전체적으로 전압 스파이크 문제를 해소할 수 있는 전원 제어 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 조명 센서등이 LED 라이트를 점등할 때에 정전압-정전류 컨버터에서 유발되는 전압 스파이크의 악영향을 해소할 수 있어 LED 발광소자와 전기전자 구동회로를 보호할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면 조명 센서등이 LED 라이트를 점등할 때에 어두운 공간에 갑자기 강한 빛을 내지 않고 서서히 부드럽게 밝아지게 되어 인체 동공에 피로감을 덜 수 있는 장점이 있다.

Description

정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치 {spike-relief power control device for sensor lights which having constant voltage constant current converter}
본 발명은 일반적으로 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등에서 사물 감지에 대응하여 LED 라이트를 점등하는 과정에서 전압 스파이크 문제를 해소할 수 있는 전원 제어 기술에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등에서 사물 감지에 대응하여 LED 라이트를 점등할 때에 정전압-정전류 컨버터가 정전압 모드에서 정전류 모드로 전환하면서 전압 스파이크를 발생시키면 클램핑 다이오드 회로를 통해 디지털 전자부품으로 공급되는 소전류 전원에서 전압 스파이크를 제거하고 마이크로제어기의 PWM 제어를 통해 LED 발광소자로 공급되는 대전류 전원이 실질적으로는 천천히 증가하도록 억제함으로써 전체적으로 전압 스파이크 문제를 해소할 수 있는 전원 제어 기술에 관한 것이다.
최근들어 에너지 효율이 높은 LED 조명이 빠르게 보급되고 있다. LED 발광소자의 특성상 빛을 일정하게 내기 위해서는 전류량이 일정해야 하므로 LED 조명등에는 정전류 컨버터(constant current converter, CC converter)가 주로 사용되고 있다. 이러한 정전류 컨버터는 벽면 스위치를 통해 LED 조명등을 단순 온/오프 시키는 환경에서 사용하기에 적당하다.
그러나, 사물 이동에 반응하여 온/오프 시키는 조명 센서등에서는 이러한 정전류 컨버터가 적합하지 않다. 정전류 컨버터는 LED 발광부가 꺼져있는 동안에는 안정적인 전원 공급이 불가능하여 센서 부품과 컨트롤러 칩을 구동할 수가 없기 때문이다. 이에, 조명 센서등에는 정전압-정전류 컨버터(constant voltage & constant current converter, CV/CC converter)를 사용한다. 정전압-정전류 컨버터는 LED 발광부가 꺼지면 정전압 모드로 동작하여 센서 부품과 컨트롤러 칩에 안정적인 정전압 전원(예: 5V)를 제공하고, LED 발광부가 켜지면 정전류 모드로 동작하여 LED 발광부에 안정적인 정전류 전원(예: 0.7A)를 공급한다.
조명 센서등에 정전압-정전류 컨버터를 채용하면 정상 상태(steady state)에서는 양쪽의 요구를 양호하게 만족하는 반면, 천이 상태(transient state)에서는 문제가 발생한다. 특히, 센서가 사물을 감지하여 조명 센서등을 켜는 순간, 즉 컨버터가 정전압 모드(CV mode)에서 정전류 모드(CC mode)로 전환하는 순간에 전압 스파이크(spike)가 발생하며, 그로 인해 조명 센서등이 순간 번쩍였다가 조금 지나면 안정화되는 현상이 발생한다. 이러한 현상이 발생하는 원인에 대하여 [도 1]과 [도 2]를 참조하여 기술한다.
[도 1]은 일반적인 LED 조명등(10)의 내부 구성 및 정전류 컨버터(11)가 나타내는 출력전압 파형을 나타내는 도면이다.
정전류 컨버터는(11)는 외부 AC 전원(예: 220V 60Hz 상용전원)을 정류하여 정전류 전원(constant current power source)을 LED 발광부(12)로 제공하는 모듈로서 시중에서 흔하게 구매할 수 있다. 정전류 컨버터는(11)는 LED 발광소자가 켜져있는 상태에서는 LED 발광부(12)로부터 공급되는 피드백 전류를 참조하면서 전압을 조정함으로써 정전류를 안정적으로 공급한다. 하지만, LED 발광소자가 꺼진 상태에서는 정전류 컨버터는(11)는 LED 부하가 없어지면서 피드백 전류가 들어오지 않기에 전압이 불안정해지는 현상을 나타낸다.
정전류 컨버터(11)는 공급 전류를 일정하게 목표치로 유지하기 위하여 전압을 조정하는 방식으로 동작한다. 피드백 전류가 들어오지 않으면, 피드백 전류를 목표치로 끌어올리기 위해 출력단 전압을 상승시키는데, 컨버터 출력단의 전압이 상승하다가 보호전압(protection voltage)에 이르면 출력단 과전압을 보호하기 위한 Hiccup 모드로 진입한다. Hiccup 모드는 정전류 방식의 SMPS(Switching mode power supply)에서 LED 발광소자가 소등(turn off) 되었을 때 출력단 과전압이나 과부하 발생을 막고 SMPS를 보호하기 위하여 일정 시간동안 스위칭 동작을 멈춰서 컨버터 출력을 차단하는 보호동작을 의미한다.
그에 따라, LED 발광소자가 꺼진 상태에서는 [도 1]의 (b), (c)에 나타낸 바와 같이 정전류 컨버터(11)는 출력 전압이 반복적으로 상승 및 하강하는 현상을 나타낸다. 즉, 피드백 전류가 레퍼런스에 미치지 못하므로 출력 전압을 상승시키다가 보호전압(예: 52V)에 이르면 Hiccup 모드로 진입하여 SMPS의 스위칭 동작이 멈추면서 출력전압이 빠르게 하강하며, 컨버터가 충분히 안정화되었다고 판단하면 다시 전압을 상승시키는 동작을 하는 것이다. 이러한 과정은 LED 조명등(10)의 벽면 스위치를 누군가 켜서 LED 발광소자로부터 피드백 전류가 들어오기 시작할 때까지 지속된다.
이처럼, 정전류 컨버터는 LED 발광소자가 꺼져있는 동안에는 컨버터 출력전압이 불안정하기 때문에, 안정적인 DC 동작전원을 요구하는 센서 부품과 컨트롤러 칩이 장착되어 있는 조명 센서등에는 적합하지 않다. 그에 따라, 조명 센서등에는 후술하는 바와 같이 정전압-정전류 컨버터를 사용한다.
[도 2]는 일반적인 조명 센서등(20)의 내부 구성 및 정전압-정전류 컨버터(21)의 회로 구성예를 나타내는 도면이다.
일반적인 LED 조명등(10)과는 달리 조명 센서등(20)은 컨버터(21)와 LED 발광부(23) 사이에 사물감지용 센서 콘트롤러(22)가 배치되어 있다. 컨버터(21)는 외부 AC 전원을 정류하여 센서 콘트롤러(22)와 LED 발광부(23)에 대한 구동전원(DC)을 공급한다. 그런데, 센서 콘트롤러(22)에 사용되는 센서 부품과 컨트롤러 칩은 대략 5V 정도의 정전압 전원이 필요한 반면, LED 발광부(23)에 사용되는 LED 발광소자는 대략 0.7A 정도의 정전류 전원이 필요하다.
이러한 양쪽의 요구를 모두 만족시키기 위해서 조명 센서등(20)에는 정전압-정전류 컨버터(CV/CC converter)(21)가 사용된다. LED 발광부(23)가 꺼지면 정전압 모드(CV mode)로 동작하여 센서 컨트롤러(22)에 정전압 전원(예: 5V)를 공급하고, LED 발광부(23)가 켜지면 정전류 모드(CC mode)로 동작하여 LED 발광부(23)에 정전류 전원(예: 0.7A)를 공급하는 것이다. [도 2]의 (b)는 이러한 정전압-정전류 컨버터 회로의 일 예를 나타내는 것인데, 정전압-정전류 컨버터(21) 또한 시중에서 흔하게 구매할 수 있는 모듈이다.
그러나, 조명 센서등(20)에 정전압-정전류 컨버터(21)를 채용하면 천이 상태에서 문제가 발생한다. 센서 콘트롤러(22)가 사물을 감지하여 LED 발광부(23)가 켜지는 순간에 컨버터(21)가 정전압 모드(CV mode)에서 정전류 모드(CC mode)로 전환하면서 전압 스파이크가 발생하는 것이다.
[도 3]의 (a)와 같이 컨버터 출력이 DC 36V 정전압에서 DC 32~42V, 0.7A 정전류로 전환하려고 할 때에, [도 3]의 (b)에 나타낸 바와 같이 순간적으로 비교적 큰 전압(예: 60V)의 전압 스파이크가 발생하는 현상이 나타난다. 그에 따라, 조명 센서등(20)이 설치된 지점을 지나가면, 조명 센서등(20)이 꺼져있어 비교적 어두운 상태였다가 조명 센서등(20)이 작동하면서 갑자기 굉장히 밝은 상태로 번쩍인 후에 시간이 지나면서 밝기가 안정화되는 모습을 나타낸다.
이는 조명 센서등(20)의 LED 발광소자와 전기전자 구동회로에도 지속적인 손상을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라, 어두운 공간에 갑자기 강한 빛을 내기 때문에 인체 동공에 상당한 피로감을 줄 수 있는 문제점이 있다. 사람의 눈은 어두운 공간에서는 동공이 확장되어 있는데, 이 상태에서 순간적으로 강한 빛을 비추게 되면 눈에 나쁜 영향을 미치게 되는 것이다.
본 발명의 목적은 일반적으로 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등에서 사물 감지에 대응하여 LED 라이트를 점등하는 과정에서 전압 스파이크 문제를 해소할 수 있는 전원 제어 기술을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등에서 사물 감지에 대응하여 LED 라이트를 점등할 때에 정전압-정전류 컨버터가 정전압 모드에서 정전류 모드로 전환하면서 전압 스파이크를 발생시키면 클램핑 다이오드 회로를 통해 디지털 전자부품으로 공급되는 소전류 전원에서 전압 스파이크를 제거하고 마이크로제어기의 PWM 제어를 통해 LED 발광소자로 공급되는 대전류 전원이 실질적으로는 천천히 증가하도록 억제함으로써 전체적으로 전압 스파이크 문제를 해소할 수 있는 전원 제어 기술을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 정전압 전원을 출력하는 정전압 모드 및 정전류 전원을 출력하는 정전류 모드를 선택적으로 수행하는 정전압-정전류 컨버터(21)를 구비한 조명 센서등(20)에 대해 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치는, 정전압-정전류 컨버터(21)가 출력하는 제 1 전원 공급 라인에 연결되어 센서 부품과 컨트롤러 칩을 위한 미리 설정된 저전압의 동작 전원을 생성하는 저전압 레귤레이터(130); 정전압-정전류 컨버터(21)와 저전압 레귤레이터(130) 사이에 배치되어 제 1 전원 공급 라인에 대해 전압 스파이크를 제거하는 클램핑 다이오드부(110); 정전압-정전류 컨버터(21)와 LED 발광부(23) 사이에 배치되어 LED 발광부(23)로 공급되는 정전압-정전류 컨버터(21)의 제 2 전원 공급 라인을 스위칭하는 전원 스위칭부(120); 저전압 레귤레이터(130)가 공급하는 저전압의 동작 전원으로 작동하고 사물감지 센서(22a)의 센싱 신호에 대응하여 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전압 모드에서 정전류 모드로 천이할 때에 전원 스위칭부(120)에 대해 듀티비가 점진적으로 상승하는 PWM 제어를 수행하는 센서등 전원제어부(140);를 포함하여 구성된다.
이때, 본 발명에 따른 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치는, 저항 직렬 연결(R2, R3)로 구성된 전압 분배기에 의해 정전압-정전류 컨버터(21)의 출력 전압을 미리 설정된 비율로 다운스케일링하여 센서등 전원제어부(140)로 전달하는 전압센싱부(150);를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 센서등 전원제어부(140)는 전압센싱부(150)가 전달하는 신호를 모니터링하다가 전압 스파이크를 감지하면 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전압 모드에서 정전류 모드로 천이한 것을 감지하고 전원 스위칭부(120)에 대한 PWM 제어를 개시한다.
또한, 본 발명에서 센서등 전원제어부(140)는 사물감지 센서(22a)로부터 센싱 신호를 제공받으면 전원 스위칭부(120)에 대한 PWM 제어를 개시하도록 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명에서 클램핑 다이오드부(110)는, 정전압-정전류 컨버터(21)의 제 1 전원 공급 라인에 일단이 직렬 연결된 저항 소자(R1); 저항 소자(R1)의 타단과 그라운드 전위 사이에 역방향으로 연결된 제너 다이오드(Z1);를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면 조명 센서등이 LED 라이트를 점등할 때에 정전압-정전류 컨버터에서 유발되는 전압 스파이크의 악영향을 해소할 수 있어 LED 발광소자와 전기전자 구동회로를 보호할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 조명 센서등이 LED 라이트를 점등할 때에 어두운 공간에 갑자기 강한 빛을 내지 않고 서서히 부드럽게 밝아지게 되어 인체 동공에 피로감을 덜 수 있는 장점이 있다.
[도 1]은 일반적인 LED 조명등의 내부 구성 및 정전류 컨버터의 출력전압 파형을 나타내는 도면.
[도 2]는 일반적인 조명 센서등의 내부 구성 및 정전압-정전류 컨버터의 회로 구성예를 나타내는 도면.
[도 3]은 조명 센서등에서 전압 스파이크 현상을 나타내는 도면.
[도 4]는 본 발명에 따른 조명 센서등의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도.
[도 5]는 본 발명에 따른 조명 센서등의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치의 작동 프로세스를 나타내는 순서도.
[도 6]은 본 발명에서 클램핑 다이오드부의 일 실시예를 나타내는 도면.
[도 7]은 본 발명에서 센서등 전원제어부가 PWM 제어를 수행하는 구성을 나타내는 도면.
[도 8]은 본 발명에서 점진적인 LED 점등을 위해 마이크로제어기가 인가하는 PWM 제어 신호의 일 예를 나타내는 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[도 3]은 조명 센서등(20)에서 LED 점등(turn-on) 과정에서 나타나는 전압 스파이크 현상을 나타내는 도면이다.
정전압 정전류(CV/CC) 컨버터(21)는 LED 발광부(23)가 꺼져있는 동안에는 정전압 모드로 동작하여 센서 부품과 컨트롤러 칩에 정전압 전원(예: 5V, 12V)를 제공하고, 사물을 인식하여 LED 발광부(23)를 점등할 때에는 정전류 모드로 천이하여 LED 발광부(23)에 정전류 전원(예: 0.7A)를 공급한다. 이처럼 정상 상태(steady state)만 보면 [도 3]의 (a)와 같이 정전압-정전류 컨버터(21)는 조명 센서등(20)에 매우 적합하고 아무런 문제가 없을 것처럼 보인다.
그러나, 정전압 모드에서 정전류 모드로 바꾸는 천이 상태(transient state)에서 정전압-정전류 컨버터(21)는 순간적으로 전압 스파이크가 발생하는 큰 문제점을 나타낸다. 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전압 모드에서 정전류 모드로 동작 모드를 변경하고 정전류 모드에서 일정한 전류(예: 0.7A)를 제공하면 LED 발광부(23)는 켜지게 된다.
따라서, 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전류 모드로 동작 모드를 변경한 시점에서 LED 발광부(23)가 켜지기 전의 아주 짧은 시간동안, 정전압-정전류 컨버터(21)는 무부하 상태에서 정전류 구동을 하게 된다. 앞서 [도 1]을 참조하여 살펴본 바와 같이, 무부하 상태에서 정전류 모드로 동작하면 컨버터 출력 전압이 급격하게 상승하는 현상이 발생한다. 그로 인해, 조명 센서등(20)에서 사물 감지에 의해 LED 조명을 점등하는 시점에, [도 3]의 (b), (c)에 나타낸 바와 같이 정전압-정전류 컨버터(21)의 출력에 순간적으로 40V ~ 60V 정도의 전압 스파이크가 발생한 후에 출력 전압이 32V ~ 42V 수준으로 안정화된다.
이러한 전압 스파이크로 인해 디지털 전자부품(예: 컨트롤러 칩, 센서부품)에 쇼크가 인가되어 조명 센서등(20)이 망가지기도 하고, 아날로그 전자부품인 LED 발광소자에 반복적인 스트레스가 인가되어 조명 센서등(20)의 수명이 짧아지는 문제점이 발생한다. 특히, 40V ~ 60V 정도의 전압 스파이크가 발생하는 동안에는 LED 발광소자도 매우 강한 빛을 발생시키게 되는데, 어두운 공간에 갑자기 강한 빛이 나오기 때문에 안구에 상당한 피로감을 줄 수도 있다.
이에, 본 발명에서는 조명 센서등의 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 전원 제어 기술을 제시한다.
[도 4]와 [도 5]는 본 발명에 따른 조명 센서등(20)의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치에 대한 전체 구성을 나타내는 블록도 및 전체 작동 프로세스를 나타내는 순서도이다.
조명 센서등(20)에서 정전압-정전류 컨버터(21)는 정전압 모드에서 정전류 모드로 바뀌는 과정에서 전압 스파이크를 발생시키게 되는데, 이는 일시적으로 무부하 상태에서 정전류 모드로 동작하게 된 것이 원인이므로 피할 수가 없다. 이에, 본 발명에 따른 전원 제어 장치는 정전압-정전류 컨버터(21)에서 전압 스파이크가 발생하는 것은 허용하면서, 그로 인해 종래로 유발되었던 조명 센서등(20)의 손상과 인체 악영향을 해소할 수 있도록 구성하였다.
[도 4]를 참조하면, 본 발명에 따른 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치는 정전압-정전류 컨버터(21)의 출력 전원을 활용하기 위하여 클램핑 다이오드부(110), 전원 스위칭부(120), 저전압 레귤레이터(130), 센서등 전원제어부(140), 전압센싱부(150)를 포함하여 구성된다.
먼저, 저전압 레귤레이터(130)는 정전압-정전류 컨버터(21)가 출력하는 제 1 전원 공급 라인에 연결되어 센서 부품과 컨트롤러 칩을 위한 미리 설정된 저전압의 동작 전원을 생성한다.
조명 센서등(20)에서 정전압-정전류 컨버터(21)의 전원 출력은 회로 부문을 기준으로 2가지 경로로 공급되는데, 제 1 공급 라인은 센서 부품과 컨트롤러 칩에 소전류 저전압(예: 수 mA, 5V)의 동작 전원을 공급하는 경로이고, 제 2 공급 라인은 LED 발광소자에 대전류 고전압(예: 수백 mA, 32~42V)의 구동 전원을 공급하는 경로이다. 저전압 레귤레이터(130)는 이중에서 제 1 공급 라인에 연결되어 정전압-정전류 컨버터(21)의 전원 출력으로부터 센서 부품과 컨트롤러 칩을 위한 미리 설정된 저전압의 동작 전원을 생성한다.
한편, 본 발명에서 저전압 레귤레이터(130)는 LDO(Low-Dropout) 레귤레이터, 예컨대 STMicroelectronics 사의 78L05 Positive Voltage Regulator로 구현될 수 있다. 이 78L05 레귤레이터는 5V 고정 출력을 갖는다.
전원 스위칭부(120)는 제 2 전원 공급 라인에 배치되는데, 정전압-정전류 컨버터(21)와 LED 발광부(23) 사이에 배치되어 LED 발광부(23)로 공급되는 정전압-정전류 컨버터(21)의 전원 출력을 온/오프 스위칭한다. 전원 스위칭부(120)가 온(ON) 상태이면 정전압-정전류 컨버터(21)의 전원 출력(예: DC 32~42V, 0.7A 정전류)이 LED 발광부(23)로 공급되어 LED 발광소자가 빛을 낸다. 반대로, 전원 스위칭부(120)가 오프(OFF) 상태이면 정전압-정전류 컨버터(21)의 전원 출력이 전원 스위칭부(120)에서 차단되어 LED 발광소자가 빛을 내지 못한다.
[도 4]에 도시된 바와 같이 센서등 전원제어부(140)가 전원 스위칭부(120)에 대한 온/오프 스위칭 제어를 수행한다. 센서 조명등(20) 주변에 아무런 움직임이 없는 동안에는 센서등 전원제어부(140)가 전원 스위칭부(120)를 오프(OFF)시켜 센서 조명등(20)은 꺼진 상태가 된다. 센서 조명등(20) 주변에 움직임이 있는 동안에는 센서등 전원제어부(140)가 전원 스위칭부(120)를 온(ON)시켜 센서 조명등(20)은 켜진 상태가 된다. 특히, 센서 조명등(20)이 꺼진 상태로부터 켜진 상태로 바뀌는 짧은 동안에는, 후술하는 바와 같이, 센서등 전원제어부(140)는 전원 스위칭부(120)를 PWM 제어하여 전원 스파이크 문제를 해소한다.
클램핑 다이오드부(110)는 정전압-정전류 컨버터(21)와 저전압 레귤레이터(130) 사이에 배치되어 소전류 저전압(예: 수 mA, 5V)의 동작 전원을 공급하는 제 1 전원 공급 라인에 대해 전압 스파이크를 제거한다.
클램핑 다이오드부(110)의 일 실시예를 나타내는 [도 6]을 참조하면, 클램핑 다이오드부(110)는 정전압-정전류 컨버터(21)의 제 1 전원 공급 라인에 일단이 직렬 연결된 저항 소자(R1)와, 저항 소자(R1)의 타단과 그라운드 전위 사이에 역방향으로 연결된 제너 다이오드(Z1)를 포함하여 구성된다.
정전압-정전류 컨버터(21)는 정전압 모드에서는 DC 36V 전원을 안정적으로 제공하는데, 이 동안에는 저전압 레귤레이터(130)가 정상적으로 작동하여 미리 설정된 저전압(예: 5V) 전원을 센서등 전원제어부(140)로 공급한다. 이때, 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전류 모드로 천이하게 되면, [도 3]에 나타낸 바와 같이 순간적으로 40~60V의 전압 스파이크가 발생하게 되는데, 이러한 전압 스파이크가 그대로 들어가게 되면 저전압 레귤레이터(130)가 손상을 입게 될 가능성이 있다. 이에, 저항 소자(R1)와 제너 다이오드(Z1)로 클램핑 다이오드부(110)를 구성하고 중간에 배치함으로써 전압 스파이크에 대처한다.
제너 다이오드(Z1)는 미리 설정된 클램핑 전압(예: 42V)를 초과하는 전압이 역방향으로 걸리면 전기를 역방향으로 흘려 그 초과분의 전압이 그라운드 라인으로 빠져나가도록 해준다. 정전압-정전류 컨버터(21)가 무부하 상태에서 정전류 모드로 동작할 때에 Hicuup 모드로 인해 출력단에서 발생하는 톱니 파형을 저항 소자(R1)로 분리한 이후 단에서 제너 다이오드(Z1)가 제거하여 저전압 레귤레이터(130)로 전달하는 것이다. 이때, 제 1 전원 공급 라인은 소전류 저전압(예: 수 mA, 5V)으로 동작하기 때문에 통상적인 제너 다이오드를 사용하여 [도 6]과 같은 클램핑 다이오드부(110)를 구성하는 것이 가능하다.
반면, LED 발광소자에 대전류 고전압(예: 수백 mA, 32~42V)의 구동 전원을 공급하는 제 2 공급 라인에는 클램핑 다이오드부(110)를 채택하지 않았다. 제 2 공급 라인으로 공급되는 대전류를 클램핑하려면 수 암페아 단위의 대용량 제너 다이오드 부품이 필요한데, 이는 발열 문제 및 부품실장 공간의 문제로 인해 조명 센서등(20)에 사용하기에 적절하지 않다고 판단했기 때문이다.
센서등 전원제어부(140)는 저전압 레귤레이터(130)가 공급하는 저전압의 동작 전원으로 작동하는 마이크로컨트롤러에서 구현되며, 사물감지 센서(22a)의 센싱 신호에 대응하여 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전압 모드에서 정전류 모드로 천이할 때에 전원 스위칭부(120)에 대해 듀티비(duty rate)가 점진적으로 상승하는 PWM 제어를 수행하여 전압 스파이크에 대처한다.
즉, 모드 천이 과정에서 정전압-정전류 컨버터(21)가 전압 스파이크를 발생시키는 것은 불가피한 것으로 허용하면서, LED 발광부(23)를 켤 때에 바로 온(ON) 상태로 전환하는 것이 아니라 낮은 듀티비에서 높은 듀티비로 점진적으로 상승하는 PWM 제어를 수행하는 것이다.
이렇게 하면, 전압 스파이크가 발생하는 시점에는 낮은 듀티비가 적용되어 전원 스위칭부(120)가 아주 적은 비율(예: 10%, 20%, 30% 등)로 온(ON) 상태를 유지하므로 전압 스파이크가 발생했음에도 불구하고 LED 발광부(23)로는 실효적으로는 적은 양의 전류가 공급된다. 이때에는 적은 비율로 LED 발광부(23)가 켜져있기 때문에 전압 스파이크에도 불구하고 LED 발광부(23)는 번쩍거리지 않고 오히려 아직 어두운 상태를 유지하고 있다. 어느 정도의 시간(예: 1.5초)을 거쳐서 높은 듀티비를 거쳐 전원 스위칭부(120)가 완전한 온(ON) 상태가 되는데, 이 때에는 정전압-정전류 컨버터(21)가 전압 스파이크를 끝내고 정전류 모드로 안정화되었기 때문에 아무런 문제가 발생하지 않는다.
[도 7]은 본 발명에서 센서등 전원제어부(140)가 전원 스위칭부(120)에 대해 PWM 제어를 수행하는 구성을 나타내는 도면이다. 센서등 전원제어부(140)는 사물감지 센서(22a)가 사물 움직임을 감지한 시점으로부터 미리 설정한 시간에 걸쳐 출력 포트를 통해 PWM 파형을 생성하여 전원 스위칭부(120)로 입력한다. 이때, PWM 파형의 듀티비는 낮은 값에서부터 높은 값으로 점차적으로 증가하며, 이를 통해 전압 스파이크가 발생함에도 불구하고 LED 발광부(23)는 어둠속에서 갑자기 번쩍거리면서 켜지는 것이 아니라 서서히 밝아지게 된다.
[도 8]은 본 발명에서 점진적인 LED 점등을 위해 마이크로제어기가 인가하는 PWM 제어 신호의 일 예를 나타내는 도면이다.
한편, 센서등 전원제어부(140)가 PWM 제어를 개시하는 시점을 판단하는 실시예로서 다음의 2가지를 생각할 수 있다.
제 1 실시예로서, 센서등 전원제어부(140)는 정전압-정전류 컨버터(21)의 전원 출력 전압을 모니터링하다가 전압 스파이크가 발생하기 시작했음을 감지하면 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전압 모드에서 정전류 모드로 천이한 것을 감지하고 전원 스위칭부(120)에 대한 PWM 제어를 개시할 수 있다.
제 2 실시예로서, 센서등 전원제어부(140)는 사물감지 센서(22a)로부터 사물 움직임을 감지했다는 센싱 신호를 제공받으면 전압-정전류 컨버터(21)가 정전압 모드에서 정전류 모드로 천이할 것을 예상하고 전원 스위칭부(120)에 대한 PWM 제어를 개시하도록 구성될 수 있다.
전압센싱부(150)는 [도 6]에 나타낸 바와 같이 저항 직렬 연결(R2, R3)로 구성된 전압 분배기(voltage divider)에 의해 정전압-정전류 컨버터(21)의 출력 전압을 미리 설정된 비율로 다운스케일링(예: 1/15)하여 센서등 전원제어부(140)로 전달하도록 구성될 수 있다. 일반적으로 센서등 전원제어부(140)에 마련된 AD 컨버터 입력 범위에 비하여 정전압-정전류 컨버터(21)의 출력 전압 레벨이 훨씬 높기 때문에 전압센싱부(150)는 전압 분배기를 통해 정전압-정전류 컨버터(21)의 출력 전압을 다운스케일하여 전달하는 것이다.
다음으로, [도 5]를 참조하여 본 발명에 따른 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치의 작동 프로세스를 살펴본다.
단계 (S110) : 조명 센서등(20)은 아무런 움직임이 없는 평소에는 꺼진 상태를 유지하는데, 이 때에는 정전압-정전류 컨버터(21)는 정전압 모드로 동작하고 센서등 전원제어부(140)는 전원 스위칭부(120)를 오프(OFF) 설정하여 LED 발광부(23)로의 전원 공급을 차단한다. 정전압 모드에서 정전압-정전류 컨버터(21)는 정전압 출력(예: DC 36V)을 제공하며, 그에 따라 저전압 레귤레이터(130)를 통해 센서 부품과 컨트롤러 칩으로 동작전원이 안정적으로 제공된다.
단계 (S120) : 사물감지 센서(22a)가 자신의 주변에서 무언가 움직임을 감지하면 조명 센서등(20)은 켜져야 하는데, 이때 LED 발광소자의 특성에 맞도록 정전압-정전류 컨버터(21)는 정전압 모드에서 정전류 모드로 동작모드를 전환한다. 이 전환 과정에서 전술한 바와 같이 정전압-정전류 컨버터(21) 출력에 대략 40V ~ 60V 정도의 전압 스파이크가 발생한다. 본 발명에서도 이와 같은 전압 스파이크가 발생하는 것은 막지 못하는데, 본 발명은 전압 스파이크로 인한 악영향 발생을 해소하는 기술적 구성을 제시하였다.
단계 (S130) : 먼저, 정전압-정전류 컨버터(21)의 전원 출력에서 센서 부품과 컨트롤러 칩에 소전류 저전압(예: 수 mA, 5V)의 동작 전원을 공급하는 제 1 공급 라인에 배치된 클램핑 다이오드부(110)가 제 1 공급 라인의 소전류 전원에 대해 전압 스파이크를 필터링하여 센서등 전원제어부(140)를 보호한다. 센서 부품과 컨트롤러 칩은 전압 쇼크에 의해 손상되기 쉬운데, 본 발명에서는 해당 전원공급 경로에 배치된 클램핑 다이오드부(110)와 저전압 레귤레이터(130)가 센서 부품과 컨트롤러 칩을 전압 스파이크로부터 보호해준다.
제 1 전원 공급 라인은 소전류 저전압(예: 수 mA, 5V)으로 동작하기 때문에 통상적인 제너 다이오드를 사용하여 전압 스파이크에 대처하는 것이 가능하다. 반면, 제 2 전원 공급 라인은 대전류 고전압(예: 수백 mA, 32~42V)으로 동작하기 때문에 클램핑 다이오드부(110)를 배치하는 접근법이 바람직하지 않다. 이 정도의 대전류를 그라운드로 흘려내려면 대용량의 제너 다이오드 부품을 실장해야 하기 때문이다. 그에 따라, 제 2 전원 공급 라인에는 (S140, S150)과 같이 센서등 전원제어부(140)가 듀티비를 완만하게 증가시켜가면서 전원 스위칭부(120)를 PWM 제어하는 접근법을 채택하였다.
단계 (S140, S150) : 조명 센서등(20)이 켜지기 시작할 때에, 센서등 전원제어부(140)는 전원 스위칭부(120)를 즉각적으로 온(ON) 설정하는 것이 아니라 처음에는 전원 스위칭부(120)에 대한 PWM 제어를 낮은 듀티비(예: 10%)로 개시하여 LED 발광부(23)가 켜져있는 시간 비율을 낮은 수준으로 유지하며, 그에 따라 조명 센서등(20)은 어두운 조명을 형성한다.
그리고 나서, 센서등 전원제어부(140)는 전원 스위칭부(120)에 대한 PWM 듀티비를 예컨대 미리 설정된 시간동안(예: 1.5초) 예컨대 10%로부터 100%에 이르도록 점차적으로 증가시켜 LED 발광부(23)가 켜져있는 시간 비율을 점진적으로 증가시키며, 그에 따라 조명 센서등(20)은 점차적으로 밝아진다.
조명 센서등(20)이 켜지기 시작할 때에는 정전압-정전류 컨버터(21)에서 전압 스파이크가 발생할 가능성이 있으므로 이 시간 동안에는 낮은 듀티비(예: 10%, 20%, 30% 등)를 적용함으로써, 40V ~ 60V의 전압 스파이크가 발생하더라도 LED 발광부(23)로 전달되는 유효 전력은 낮게 억제한다. 그로 인해, 전압 스파이크에도 불구하고 LED 발광소자에는 전기 쇼크가 전달되지 않으며 조명 센서등(20)도 갑자기 번쩍거리면서 켜지지 않는 것이다.
한편, 본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비휘발성 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드의 형태로 구현되는 것이 가능하다. 이러한 비휘발성 기록매체로는 다양한 형태의 스토리지 장치가 존재하는데 예컨대 하드디스크, SSD, CD-ROM, NAS, 자기테이프, 웹디스크, 클라우드 디스크 등이 있고 네트워크로 연결된 다수의 스토리지 장치에 코드가 분산 저장되고 실행되는 형태도 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 하드웨어와 결합되어 특정의 절차를 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터프로그램의 형태로 구현될 수도 있다.
20 : LED 조명 센서등
21 : 정전압-정전류 컨버터
22 : 센서 콘트롤러
22a : 사물감지 센서
23 : LED 발광부
110 : 클램핑 다이오드부
120 : 전원 스위칭부
130 : 저전압 레귤레이터
140 : 센서등 전원제어부
150 : 전압 센싱부

Claims (4)

  1. 정전압 전원을 출력하는 정전압 모드 및 정전류 전원을 출력하는 정전류 모드를 선택적으로 수행하는 정전압-정전류 컨버터(21)를 구비한 조명 센서등(20)의 전원 공급을 제어하는 장치로서,
    상기 정전압-정전류 컨버터(21)가 출력하는 제 1 전원 공급 라인에 연결되어 센서 부품과 컨트롤러 칩을 위한 미리 설정된 저전압의 동작 전원을 생성하는 저전압 레귤레이터(130);
    상기 정전압-정전류 컨버터(21)와 상기 저전압 레귤레이터(130) 사이에 배치되어 상기 제 1 전원 공급 라인에 대해 전압 스파이크를 제거하는 클램핑 다이오드부(110);
    상기 정전압-정전류 컨버터(21)와 LED 발광부(23) 사이에 배치되어 상기 LED 발광부(23)로 공급되는 상기 정전압-정전류 컨버터(21)의 제 2 전원 공급 라인을 스위칭하는 전원 스위칭부(120);
    상기 저전압 레귤레이터(130)가 공급하는 저전압의 동작 전원으로 작동하고 사물감지 센서(22a)의 센싱 신호에 대응하여 상기 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전압 모드에서 정전류 모드로 천이할 때에 상기 전원 스위칭부(120)에 대해 듀티비가 점진적으로 상승하는 PWM 제어를 수행하는 센서등 전원제어부(140);
    저항 직렬 연결(R2, R3)로 구성된 전압 분배기에 의해 상기 정전압-정전류 컨버터(21)의 출력 전압을 미리 설정된 비율로 다운스케일링하여 상기 센서등 전원제어부(140)로 전달하는 전압센싱부(150);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 센서등 전원제어부(140)는 상기 전압센싱부(150)가 전달하는 신호를 모니터링하다가 전압 스파이크를 감지하면 상기 정전압-정전류 컨버터(21)가 정전압 모드에서 정전류 모드로 천이한 것을 감지하고 상기 전원 스위칭부(120)에 대한 상기 PWM 제어를 개시하는 것을 특징으로 하는 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서등 전원제어부(140)는 상기 사물감지 센서(22a)로부터 센싱 신호를 제공받으면 상기 전원 스위칭부(120)에 대한 상기 PWM 제어를 개시하는 것을 특징으로 하는 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 클램핑 다이오드부(110)는,
    상기 정전압-정전류 컨버터(21)의 제 1 전원 공급 라인에 일단이 직렬 연결된 저항 소자(R1);
    상기 저항 소자(R1)의 타단과 그라운드 전위 사이에 역방향으로 연결된 제너 다이오드(Z1);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정전압-정전류 컨버터를 구비한 조명 센서등의 전압 스파이크 해소형 전원 제어 장치.
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