KR102192393B1 - 고효율 및 고신뢰성을 구비한 차량 조명용 led 시스템 - Google Patents

고효율 및 고신뢰성을 구비한 차량 조명용 led 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 차량 조명용 LED 시스템은, 서로 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과, 상기 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 구동을 제어하기 위한 구동회로(13);를 포함하여 구성되는 LED 패키지(10); 상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 연결되되, 주전류 채널이 직렬 연결되는 외부 트랜지스터(20);를 포함하여 구성되며, 상기 구동회로(13)는, 입력전압의 크기가 기준전압 보다 작을 때에는 제 1 정전류로 상기 제 1 LED 칩(11)만을 구동하며, 상기 입력전압의 크기가 상기 기준전압 보다 클 때에는 제 2 정전류로 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)과 상기 외부 트랜지스터(20)를 구동하되, 상기 제 1 LED 칩(11)만이 구동될 때 상기 제 1 LED 칩(11)에서의 파워와, 상기 직렬연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 상기 외부 트랜지스터(20)의 모두가 구동될 때 상기 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)에서의 파워가 동일하게 되도록 상기 제 1 정전류 및 상기 제 2 정전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 및 고신뢰성을 구비한 차량 조명용 LED 시스템{LED SYSTEM FOR VEHICLE LIGHTING HAVING HIGH EFFICIENCY AND HIGH RELIABILITY}
본 발명은 자동차용 조명과 같이 입력전압의 변동 범위가 넓은 상황에서도 높은 신뢰성 및 효율성을 가진 LED 시스템과 그 구동 방법에 관한 것이다.
자동차용 조명의 기존 구동 방식은 크게 2가지 형태로 나눌 수 있다.
첫번째 방식은 FET, Diode 및 Inductor등을 사용하는 스위칭 구동 방식으로서, 스위칭 구동 방식은 고효율 및 고신뢰성(구동안정성, 회로 온도 등)의 구현이 가능하다. 하지만 스위칭 구동 방식은 EMI 문제가 있으며, 사용되는 필수 부품의 부피가 커서 회로의 총 사이즈가 커지고 비용이 높아지는 문제가 있어 일반적으로는 잘 사용되지 않는다.
두번째 방식은 Linear 구동 방식으로 불리우는 정전류 구동 방식으로서, FET, Diode 및 Inductor 등 스위칭 구동 방식에서 필요했던 큰 부피 및 고가의 부품을 사용하지 않음으로써 EMI 문제가 없으면서도 스위칭 구동 방식 보다 작은 사이즈의 구현이 가능한 장점이 있다. 하지만 Linear 방식의 경우 입력 전압의 영역에 따라 구동 안정성이 급격히 떨어지며, 온도에 따른 회로의 신뢰성이 낮은 단점이 있다.
Linear 구동 방식은 일반적인 자동차 조명의 구동 영역인 입력 전압(Vin) 7V ~ 24V의 영역에서 LED 수량에 따라 정전류 구동이 안 되는 영역이 발생한다. 예를 들면, 일반적인 3Vf LED 3EA를 사용한 시스템의 경우 보통 9V 이상에서 정전류 구동이 되기 때문에 7V ~ 9V 영역은 정상적인 정전류 구동이 되지 않는 문제점이 있다.
그리고, 일반적인 3Vf LED 1EA/2EA 사용한 시스템은 저전압 영역인 7V ~ 9V에서는 정상적인 정전류 구동이 되지만 입력전압이 높은 조건, 예를 들면 20V 이상에서는 정전류 회로의 발열 문제가 생기고 그에 따른 신뢰성 문제가 발생한다.
전체 LED 시스템의 Power는 아래와 같이 표현할 수 있다.
P(total) = P(열분배저항) + P(total LED) + P(구동회로)
P(total LED)는 전체 LED에서 소모되는 전력이고, P(열분배저항)은 열분배 목적으로 구성되는 저항에서 소모되는 전력이며, P(구동회로)는 구동회로에서 소모되는 전력이다. 그런데, 종래 Linear 구동 방식의 LED 시스템에서는 입력전압이 높아질수록 구동회로에 걸리는 전력, 즉 P(구동회로) 값이 계속 상승하게 구성될 수 밖에 없다. 그러면, 종래 Linear 구동 방식의 LED 시스템에서는 발열 문제가 발생하여 신뢰성 문제가 발생하거나, 신뢰성 확보를 위해서 더 높은 power를 견딜수 있도록 구동회로의 size가 커져야 하는 문제점이 있다(일반적으로 구동회로는 IC를 사용하기 때문에 IC PKG size가 커진다).
한편, 구동회로의 size(IC PKG size)를 줄이기 위해서 열분배 저항에 걸리는 Power를 높일 수 있지만 동일 LED 밝기를 나타내기 위해서는 LED 전류가 일정하기 때문에 열분배 저항에 걸리는 Power를 높일수록 열분배 저항에 걸리는 전압이 높아 지는 문제점이 있다. 이것은 일반적인 3Vf LED 1EA/2EA 사용한 LED 시스템을 사용하더라도 저전압 영역 7V ~ 9V 사이 혹은 9V 에서도 열분배저항의 전압 drop으로 정상 구동이 안될 수도 있다는 것을 의미한다.
가정하여, 구동 회로가 LED PKG에 포함된 형태에서는, P(total LED)와 P(구동회로)가 하나의 LED PKG에서 소모되기 때문에 분리된 방식에 비해서 고전압 영역에서 더 높은 발열 문제가 발생하여 신뢰성 문제가 더욱 안 좋아진다. 따라서 LED 구동 회로가 LED PKG에 포함된 형태는 부품수가 줄고 전체 시스템의 size가 줄어 드는 장점이 있지만 높은 LED Power를 구현 할 수 없는 문제가 있다.
위와 같이 기존 정전류 구동 방식(Linear 구동 방식)은 스위칭 구동 방식보다 구현회로의 size가 작고 cost가 낮은 장점이 있지만 공통적으로 발열 문제가 발생하여 스위칭 방식보다는 작지만 정전류 구동회로의 size가 커져야 하는 문제점이 있다. 이로인해 정전류 구동 회로의 cost가 상승한다. 즉 IC의 PKG size가 켜저야 하며, 열분배 저항의 size 또한 커져야 한다.
또한 저전압 영역에서 정상 구동이 불가능한 문제점으로 인해 열분배저항 값을 높은 값으로 사용할 수 없는 한계가 있다.
이상 종래 기술의 문제점 및 과제에 대하여 설명하였으나, 이러한 문제점 및 과제에 대한 인식은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것은 아니다.
본 발명은 위에서 설명한 기존 Linear 구동 방식의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 입력전압의 변동 범위가 넓은 상황에서도 높은 신뢰성 및 효율성을 가진 차량 조명용 LED 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 구동회로의 사이즈를 작게하여 비용을 낮추면서도 종래 방식의 가장 큰 문제점인 발열 문제를 해결하고 넓은 전압 범위에서 안정적 동작이 가능한 차량 조명용 LED 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 차량 조명용 LED 시스템은, 서로 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과, 상기 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 구동을 제어하기 위한 구동회로(13);를 포함하여 구성되는 LED 패키지(10); 상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 연결되되, 주전류 채널이 직렬 연결되는 외부 트랜지스터(20);를 포함하여 구성되며, 상기 구동회로(13)는, 입력전압의 크기가 기준전압 보다 작을 때에는 제 1 정전류로 상기 제 1 LED 칩(11)만을 구동하며, 상기 입력전압의 크기가 상기 기준전압 보다 클 때에는 제 2 정전류로 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)과 상기 외부 트랜지스터(20)를 구동하되, 상기 제 1 LED 칩(11)만이 구동될 때 상기 제 1 LED 칩(11)에서의 파워와, 상기 직렬연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 상기 외부 트랜지스터(20)의 모두가 구동될 때 상기 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)에서의 파워가 동일하게 되도록 상기 제 1 정전류 및 상기 제 2 정전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 외부 트랜지스터(20)의 주전류 채널과 직렬 연결되는 전류 센싱 저항(30);를 더 포함하며, 상기 구동회로는, 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 전류 센싱 저항(30)에 걸리는 전압를 입력받으며, 상기 전류 센싱 저항(30)에 걸리는 전압과 상기 구동회로가 상기 제 2 정전류의 결정에 따라 설정되는 전압을 비교한 결과로써 상기 외부 트랜지스터(20)의 게이트를 제어할 수 있다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 구동회로(13)는, 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)가 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 1 FET(132)를 더 포함하며, 상기 구동회로(13)는, 입력전압의 크기가 기준전압 보다 작을 때에는 상기 제 1 FET(132)를 통하여 상기 제 1 정전류가 흐르도록 상기 제 1 FET(132)의 게이트를 제어하며, 상기 입력전압의 크기가 상기 기준전압 보다 클 때에는 상기 제 1 FET(132)가 OFF 되도록 상기 제 1 FET(132)의 게이트를 제어할 수 있다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 구동회로(13)에 연결되며 상기 제 1 정전류를 세팅하는 전류 셋 저항(40);를 더 포함할 수 있다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 전류 셋 저항(40)을 포함하여 상기 제 1 FET(132)의 게이트와 연결되는 전류 미러 회로(M)를 구성하며, 상기 전류 미러 회로(M)는, 상기 구동회로(13)의 제어부(131)에 의하여 제어 전압을 입력받고 상기 전류 셋 저항(40)에 흐르는 전류의 미러 전류가 상기 제 1 FET(132)를 통하여 흐르도록 상기 제 1 FET(132)의 게이트 전압을 제어할 수 있다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 LED 패키지(10)의 내부에 구성되며, 상기 LED 패키지(10)의 온도를 센싱하는 온도 센서(139);를 더 포함하며, 상기 구동회로(13)는, 상기 온도 센서(139)가 센싱한 온도값에 따라 상기 기준전압을 변동시키되, 온도값이 올라갈수록 상기 기준전압을 낮출 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 차량 조명용 LED 시스템은, 서로 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과, 상기 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 구동을 제어하기 위한 구동회로(13);를 포함하여 구성되는 LED 패키지(10); 상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 일단이 직렬 연결되는 열분배 저항(50);을 포함하여 구성되며, 상기 구동회로(13)는, 입력전압의 크기가 제 1 기준전압 보다 작을 때에는 상기 제 1 LED 칩(11)을 지나 접지로 가는 경로로 제 1 정전류가 흐르도록 구동하며, 상기 입력전압의 크기가 상기 제 1 기준전압 보다 크고 제 2 기준전압 보다 작을 때에는 상기 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)를 지나 접지로 가는 경로로 상기 제 2 정전류가 흐르도록 구동하며, 상기 입력전압의 크기가 상기 제 2 기준전압 보다 클 때에는 상기 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)와 상기 열분배 저항(50)을 통한 경로로 상기 제 2 정전류가 흐르도록 구동하는 것을 특징으로 한다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 구동회로(13)는, 상기 제 1 LED 칩(11)만이 구동될 때 상기 제 1 LED 칩(11)의 파워와, 상기 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)를 지나 접지로 가는 경로로 구동될 때 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 파워와, 상기 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)와 상기 열분배 저항(50)을 통한 경로로 구동될 때 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 파워는 동일하게 되도록 제어할 수 있다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 구동회로(13)는, 상기 제 1 LED 칩(11)과 상기 제 1 LED 칩(12)이 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 1 FET(141); 상기 제 2 LED 칩(12)과 상기 열분배 저항(50)이 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 2 FET(142); 상기 열분배 저항(50)의 타단이 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 3 FET(143);를 더 포함하며, 상기 구동회로(13)는, 상기 입력전압의 크기가 상기 제 1 기준전압 보다 크고 상기 제 2 기준전압 보다 작을 때에는 상기 제 1 FET(141) 및 상기 제 3 FET(143)를 OFF 하도록 하고 상기 제 2 FET(142)을 통하여 상기 제 2 정전류가 흐르도록 제어하고, 상기 입력전압의 크기가 상기 제 2 기준전압 보다 클 때에는 상기 제 1 FET(141) 및 상기 제 2 FET(142)를 OFF 하도록 하고 상기 제 3 FET(143)을 통하여 상기 제 2 정전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 구동회로(13)에 연결되며, 상기 구동회로(13)에 대하여 상기 제 1 정전류를 세팅하는 제 1 전류 셋 저항(41); 상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 구동회로(13)에 연결되며, 상기 구동회로(13)에 대하여 상기 제 2 정전류를 세팅하는 제 2 전류 셋 저항(42);을 더 포함할 수 있다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 제 1 전류 셋 저항(40)을 포함하여 상기 제 1 FET(141)의 게이트와 연결되는 제 1 전류 미러 회로(M1)를 구성하며, 상기 제 1 전류 미러 회로(M1)는, 상기 구동회로(13)의 제어부(131)에 의하여 제 1 제어 전압을 입력받고 상기 제 1 전류 셋 저항(41)에 흐르는 전류의 미러 전류가 상기 제 1 FET(141)를 통하여 흐르도록 상기 제 1 FET(141)의 게이트 전압을 제어할 수 있다.
상기한 차량 조명용 LED 시스템에 있어서, 상기 LED 패키지(10)의 내부에 구성되며, 상기 LED 패키지(10)의 온도를 센싱하는 온도 센서(139);를 더 포함하며, 상기 구동회로(13)는, 상기 온도 센서(139)가 센싱한 온도값에 따라 상기 1 기준전압 및 상기 제 2 기준전압을 변동시키되, 온도값이 올라갈수록 상기 제 1 기준전압 및 상기 제 2 기준전압을 낮출 수 있다.
본 발명에 따른 차량 조명용 LED 시스템은 상기한 기존 구동 방식의 문제점을 해결하여, 입력전압의 변동 범위가 넓은 상황에서도 높은 신뢰성 및 효율성을 갖출수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량 조명용 LED 시스템은 구동회로의 사이즈를 작게하여 비용을 낮추면서도 종래 방식의 가장 큰 문제점인 발열 문제를 해결하고 넓은 전압 범위에서 안정적 동작이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량 조명용 LED 시스템은 부품수와 회로 면적을 저감할 수 있으며, 전 입력전압 영역 및 시간 변화에 따라서도 전체 LED Power를 일정하게 유지하여, 하나의 LED PKG 내에서 전 입력전압 및 시간 변화에 따라서 동일 광량을 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템에 포함되는 LED 패키지로서, 도 1(a)는 LED 패키지의 외관이고 도 1(b)는 LED 패키지 내부의 주요 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템의 주요 구성을 도시한 기능블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용될 수 있는 전류 미러 회로(M)의 예를 도시한 회로도이다.
도 4는 제 1 실시예를 변형한 변형예에 따른 차량 조명용 LED 시스템을 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템의 전기적 특성을 도시한 그래프로서, 도 5(a)는 입력전압에 따른 전류 특성을 도시한 것이고 도 5(b)는 입력전압에 따른 전력 특성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템의 주요 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템의 전기적 특성을 도시한 그래프로서, 도 7(a)는 입력전압에 따른 전류 특성을 도시한 것이고 도 7(b)는 입력전압에 따른 전력 특성을 도시한 것이다.
도 8은 실제 자동차에서 사용 중인 기존 구동 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 방식을 비교 Test한 결과를 도시한 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 명칭 및 도면 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템에 포함되는 LED 패키지로서, 도 1(a)는 LED 패키지의 외관이고 도 1(b)는 LED 패키지 내부의 주요 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템의 주요 구성을 도시한 기능블럭도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템은 크게 LED 패키지(10), 외부 트랜지스터(20), 전류 센싱 저항(30) 및 전류 셋 저항(40)을 포함하여 구성된다. 그리고 LED 패키지(10)는 서로 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11)(이하 'LED1'이라고도 한다) 및 제 2 LED 칩(12)(이하 'LED2'라고도 한다)과 구동회로(13)를 포함하여 구성되는 데, 본 발명의 실시예는 LED 칩과 구동회로가 단일의 패키지에 함께 구성되는 형태이다. 제 1 LED 칩(11)의 Anode는 LED 패키지의 Anode 단자를 통하여 입력전압(Vin)을 공급받으며, 제 1 LED 칩(11)의 Cathode는 제 2 LED 칩(12)의 Anode와 연결되고 제 2 LED 칩(12)의 Cathode는 LED 패키지의 Cathode 단자를 통하여 외부 트랜지스터(20)과 연결된다.
기본적인 시스템 형태는 최소한 LED chip 2EA와 고효율/고신뢰성을 위한 구동회로(13)가 포함되는 LED 패키지와, 종래 방식에서 열분배저항의 역할을 하는 외부 트랜지스터(20)를 포함한다.
외부 트랜지스터(20)는 FET(Field Effect Transistor), 바이폴라 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Bransistor) 등이 가능하며, 대표적으로는 FET가 선호된다. 외부 트랜지스터(20)는 LED 패키지(10)의 외부에서 LED 패키지(10)의 단자(Cathode)를 통하여 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 연결된다. 외부 트랜지스터(20)는 일단이 제 2 LED 칩(12)의 Cathode와 연결되며 타단은 전류 센싱 저항(3)과 연결되어 외부 트랜지스터의 주된 전류 채널(이하 '주전류 채널'이라고도 하며, FET인 경우 드레인-소스 경로를 말한다)이 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 직렬 연결되며, 게이트는 구동회로(13)에 연결되어 구동회로(13)의 제어신호를 수신한다.
구동회로(13)는 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 구동과 외부 트랜지스터(20)의 동작을 제어하기 위한 것으로서, 구동회로(13)는 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12) 중에서, 입력전압의 크기가 기준전압 보다 작을 때에는 제 1 정전류로 제 1 LED 칩(11)만을 구동하며, 입력전압의 크기가 기준전압 보다 클 때에는 제 2 정전류로 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12) 등을 구동한다. 구동회로(13)는 제 1 LED 칩(11)만이 구동될 때 제 1 LED 칩(11)에서의 파워와, 직렬연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12) 등이 모두 구동될 때 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)에서의 파워가 동일하게 되도록 제 1 정전류 및 상기 제 2 정전류를 제어한다.
고효율/고신뢰성을 위한 구동회로(13)의 역할은 LED chip 2EA의 구동 형태가 변화하더라도(예를 들어, LED1만 구동 혹은 LED1 + LED2 + FET 동시구동) LED 칩 전체의 Power를 일정하게 유지한다. 입력전압의 변화가 있더라고 LED 전체 Power가 동일하게 되도록 LED chip의 구동을 변화시키며, 높은 입력전압에서도 LED의 발열을 낮추기위해 종래 열분배저항의 역할을 하는 외부 트랜지스터(20)를 컨트롤한다. 추가적으로 Protection 기능 및 구동회로 온도감지를 통하여 LED1과 LED1+LED2+FET 구동을 변경하는 기능 또한 내장되어 있다.
전류 센싱 저항(30)은 일단이 외부 트랜지스터(20)의 주전류 채널과 직렬 연결되고 타단은 접지에 연결되어, LED1, LED2 및 외부 트랜지스터를 통한 경로의 전류를 센싱하기 위한 역할을 수행하는 데, 구체적으로 전류 센싱 저항에 흐르는 전류와 저항을 곱한 전압 신호를 LED 패키지의 단자(CS)를 통하여 구동회로(13)의 비교기(134)로 제공한다.
전류 셋 저항(40)은 LED 패키지(10)의 외부에서 LED 패키지(10)의 단자(RS)를 통하여 구동회로(13)에 연결되는 데, 구동회로의 일부분과 함께 전류미러 회로(M)를 구성하며, 제 1 정전류를 세팅(설정)하는 데 사용된다.
구동회로(13)는, 구동회로의 각 부분에 전원을 공급하는 전원 생성 회로(133); 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)이 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 1 FET(132); 전류 미러 회로(M)(구체적으로, 미러용 회로(136))에 대하여 제 1 제어 전압을 제공하는 제 1 기준값 생성회로(138); 비교기(134)에 대하여 제 2 제어 전압을 제공하는 제 2 기준값 생성회로(135); 제 2 기준값 생성 회로(135)로부터의 제 2 제어 전압과 전류 센싱 저항(30)으로부터의 전압을 비교한 결과를 출력하는 비교기(134); 프로텍션 상황시에는 외부 트랜지스터(20)를 OFF 시키는 전압을 외부 트랜지스터(20)의 게이트로 인가하고 평상시에는 비교기(134)의 출력에 따라 외부 트랜지스터(20)의 게이트 전압을 컨트롤하는 외부 트랜지스터 구동 게이트 드라이버(137); LED 패키지(10)의 온도를 센싱하는 온도 센서(139); 전류 셋 저항(40)을 더 이용하여 전류 미러 회로(M)을 구성하는 미러용 회로(136); 구동회로의 각 부분으로부터 전압이나 센싱신호를 입력받아 구동회로의 각 부분을 제어하는 제어부(131) 등을 포함하여 구성된다.
제어부(131)는 입력전압(Vin), LED1의 전압(구체적으로 LED1의 Cathode 전압)(VLED1), LED2의 전압(구체적으로 LED2의 Cathode 전압)(VLED2) 및 외부 트랜지스터의 게이트 전압(VGATE)과 온도 센서의 센싱결과 신호 등을 입력받고 구동회로의 각 부분을 제어하는 데, 제 1 기준값 생성회로(138)에 대하여 설정될 제 1 비교전압의 정보를 제공하고 제 2 기준값 생성회로(135)에 대하여 설정될 제 2 비교전압의 정보를 제공하며, 외부 트랜지스터 구동 게이트 드라이버(137)에 대하여 프로텍션 상황에 대한 제어신호를 제공하며, 이들에 필요한 연산과 제어를 수행한다.
구동회로(13)는 입력전압의 크기가 기준전압 보다 작을 때에는 제 1 FET(132)를 통하여 제 1 정전류가 흐르도록 제 1 FET(132)의 게이트를 제어하며, 제 2 LED 칩(12)와 외부 트랜지스터(20)를 통한 경로로는 전류가 흐르지 않도록 외부 트랜지스터(20)의 게이트를 제어한다. 또한, 구동회로(13)는 입력전압의 크기가 기준전압 보다 클 때에는 제 1 FET(132)가 OFF 되도록 제 1 FET(132)의 게이트를 제어하고 제 2 정전류가 제 1 LED 칩, 제 2 LED 칩 및 외부 트랜지스터를 통하여 흐르도록 외부 트랜지스터(20)의 게이트 전압을 컨트롤한다.
구동회로(13)는 LED 패키지(10)의 단자(CS)를 통하여 전류 센싱 저항(30)에 걸리는 전압를 입력받으며, 전류 센싱 저항(30)에 걸리는 전압과 구동회로가 제 2 정전류의 결정에 따라 설정되는 전압을 비교한 결과로써 외부 트랜지스터(20)의 게이트를 제어함으로써 외부 트랜지스터를 통하여 제 2 정전류가 흐로도록 한다.
낮은 입력 전압(예를 들면 기준전압 이하)에서는 LED 패키지의 RS 단자(pin)의 외부 저항(전류 셋 저항)을 통하여 LED1의 기본 정전류 설정 값을 설정하여 LED1을 정전류 구동을 한다. 입력전압이 높아져서 LED1과 LED2의 직렬 구동이 가능한 높은 전압 영역(기준전압 이상)이 되면, LED 패키지의 CS 단자(pin)의 외부 저항(전류 센싱 저항)을 통하여 LED1 + LED2 + 외부 트랜지스터를 정전류 구동하게 만든다.
이때 높은 전압 영역에서는 LED1 + LED2의 구동 Power 이외의 Power는 외부 트랜지스터에 인가되게 만들어 넓은 구동 범위와 발열 안정성을 확보 할 수 있다. 특히 외부 트랜지스터는 LED 패키지의 외부에 있으므로 외부 트랜지스터의 발열은 LED 패키지에 영향을 미치지 않는다. 이에 따라 LED 패키지의 내부에 구성되는 LED1, LED2 및 구동회로에 영향을 미치지 않아 LED 패키지(구동회로)의 동작 신뢰성을 확보하며, 높은 전압 영역에서 외부 트랜지스터로 하여금 큰 파워 소모를 담당하게 할 수 있으므로 LED 패키기의 구동회로가 큰 파워 소모를 분담하게 하는 것과 비교하여 LED 패키지를 보다 작게 구현할 수 있다. 그리고, 낮은 전압 영역에서는 외부 트랜지스터를 거치지 않는 경로(또한 LED2 도 거치지 않는 경로)로 구동 전류가 흐르게 하므로 종래에 비하여 보다 낮은 입력 전압(예를 들면 7V 보다 낮은 5V까지의 영역)에서도 구동이 가능하게 된다.
전류 미러 회로(M)는 전류 셋 저항(40)과 미러용 회로(136)을 포함하여 제 1 FET(132)의 게이트와 연결되는 전류 미러 회로(M)를 구성한다. 전류 미러 회로(M)는 구동회로(13)의 제어부(131)에 의하여 제어 전압을 입력받되, 구체적으로 보면 제어부(131)는 제 1 기준값 생성회로(138)가 상기 제어 전압을 출력할 수 있도록 제어 전압 정보를 제 1 기준값 생성회로(138)에 대하여 제공할 수 있다. 그리고 전류 미러 회로(M)는 전류 셋 저항(40)에 흐르는 전류의 미러 전류가 제 1 FET(132)를 통하여 흐르도록 제 1 FET(132)의 게이트 전압을 제어한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용될 수 있는 전류 미러 회로(M)의 예를 도시한 회로도이다.
도 3의 예에서 도시된 전류 미러 회로(M)는 공지된 기술이므로 구체적인 설명을 생략한다. 다만, 전류 미러 회로(M)에 입력되는 제어 전압(VREF)('제 1 제어 전압')과 전류 셋 저항(RS)의 값에 따라 전류 셋 저항(RS)에 흐르는 1차 전류가 결정되며, 1차 전류에 대하여 고정된 비율을 가진 2차 전류(IOUT)(상기한 '제 1 정전류'가 된다)가 제 1 FET(132)의 드레인-소스 경로로 흐르게 한다.
한편, 입력 전압이 높은 전압 영역에 도달하면, 제어부의 제어(제어 정보)에 의해서 제 2 기준값 생성회로(135)는 제 2 제어 전압을 비교기(143)의 +입력으로 제공하며, 전류가 전류 센싱 저항(30)에 흐르면서 전류 센싱 저항(30)에 걸리는 전압은 비교기(134)의 -입력이 되며, 비교기(143)는 이들을 비교한 결과를 출력한다. 비교기(143)의 출력에 따라 외부 트랜지스터 구동 게이트 드라이버(137)는 외부 트랜지스터(20)의 게이트 전압을 올리거나 내리게 되며, 이에 따라 외부 트랜지스터(20)에 흐르는 전류를 증가시키거나 낮추는 동작을 하게 되며, 이러한 전류의 증감과 그에 따른 전류 센싱 저항에 걸리는 전압의 변동은 다시 비교기의 입력에 반영됨으로써 피드백 루프를 구성하게 된다. 이러한 피드백 작용에 따라 전류 센싱 저항에 걸리는 전압은 제 2 제어 전압으로 수렴하게 되며, 결국 전류 센싱 저항이 결정된 상태에서 제 2 구동 전류는 제 2 제어 전압에 의해 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 전압 영역의 구동에서는 저항(즉, 전류 센싱 저항)을 통과하는 경로로 전류(제 2 정전류)가 흐르지만, 낮은 전압 영역의 구동에서는 저항(즉, 전류 셋 저항)을 통과하지 않는 경로로 전류(제 1 정전류)가 흐르도록 한다.
높은 전압 영역의 구동에서는 전류 센싱 저항이 약간의 열분배 저항 역할과 전압 분배 효과를 가지도록 하는 반면, 낮은 전압 영역에서는 전류 경로에 저항을 없애서 보다 낮은 전압에서도 LED(LED1)의 구동이 가능하도록 하는 효과를 가진다.
본 발명의 또다른 특징은 LED 패키지의 온도에 따라 기준전압을 가변하는 점이다. 구동회로(13)는 온도 센서(139)가 센싱한 온도값에 따라 기준전압을 변동시키되, 온도값이 올라갈수록 상기한 기준전압을 낮춘다. 본 발명에서는 입력 전압에 있어서 낮은 전압 영역과 높은 전압 영역을 가르는 기준 전압을 온도 센서의 입력을 이용하여 가변시키는 데, 예를 들어 보통의 온도 범위에서는 기준전압이 9V가 되도록 하지만, LED 패키지의 온도가 일정 온도이상으로 높아지면 기준전압을 8V로 낮추는 것과 같이 동작한다. 이에 따라 더 낮은 기준전압에서 LED1 + LED2 + 외부FET 구동이 시작되도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 동일 전력이 되도록 제어 방법에서는 LED PKG 내 LED1/LED2의 전기적 특성에 맞게 각 제어전압이 고정값을 갖도록하고 RS/CS 저항을 설정하여 P1=P2가 동일하도록 할 수 있다. 다른 제어 방법에서는, 내부 구동회로에 의해 자동으로 P1=P2가 되도록 구현하는 방법으로서, 한쪽의 정전류가 결정되면 자동으로 다른 쪽의 정전류가 결정되도록 계산되며, 이때 센싱되는 전압들값들이 이용될 수 있다. 예를 들어 제 1 제어 전압은 제 2 제어 전압과 제어부로 입력되는 전압값들로부터 계산될 수 있다.
도 4는 제 1 실시예를 변형한 변형예에 따른 차량 조명용 LED 시스템을 도시한 블럭도이다.
변형예에서는 전류 셋 저항이 없어지고 EN/PWM 기능이 추가된 형태로 구성된다. 낮은 입력 전압 영역에서 제 1 실시예는 LED 패키지의 RS 단자에 연결되는 외부 저항을 이용하여 LED1의 기본 정전류(제 1 정전류)를 설정하였으나, 변형예에서는 내부 퓨징을 통하여 설정하도록 변형되었다(미도시). 예를 들면, 복수의 저항을 직·병렬로 구성하거나 저항 네트워크를 구성한 다음 퓨징을 통하여 제 1 실시예에 개시된 전류 셋 저항의 역할을 하는 실효 저항을 설정한 후 이용하는 방식이다.
한편, 변형예에서는 외부 EN/PWM신호 입력시 LED1 구동 혹은 LED1 + LED2 구동할때 On/Off 구동 및 PWM 구동을 하는 것이 제 1 실시예와 다르다. 이때도 전 입력 전압 영역에서 EN/PWM신호에 맞는 LED 전체 Power는 일정하며, 고효율 및 고신뢰성 구동을 하는 것은 동일하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템의 전기적 특성을 도시한 그래프로서, 도 5(a)는 입력전압에 따른 전류 특성을 도시한 것이고 도 5(b)는 입력전압에 따른 전력 특성을 도시한 것이다.
도 5 에 되시된 것과 같이 입력전압이 LED1 구동전압 영역(VLED1 ~ V1)에서는 LED1만 구동하게 만들고 더 높은 전압이 인가되어 LED2 까지 구동가능한 영역(V1 ~ )에서는 직렬의 LED1 및 LED2와 연결된 외부 트랜지스터에 의하여 정전류 구동을 한다. 이때 LED1 / LED2의 전압 감지 및 정전류 설정 값을 변경함으로써 입력전압이 가변되더라도, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 LED 전체의 Power[P(LED Total Power)]는 일정하게 만들어 동일 광량을 유지한다.
LED1만 구동이 되는 영역에서는 내부의 구동 회로를 통하는 경로로 흐르는 정전류(ILED1)에 의해서 LED 전체 Power를 일정하게 하고 그 이외의 높은 전압 영역, 즉 LED2 까지 구동가능한 영역에서는 외부 트랜지스터를 통하는 경로로 흐르는 정전류(ILED1+LED2+FET)에 의해서 LED 전체 Power를 일정하게 만들어서 고전압 입력 영역에서 구동회로의 발열 문제를 해결 할 수 있다.
외부 트랜지스터 구동을 통하여 종래 방식에 따른 열분배 저항의 문제점인 구동영역 제한을 해결 할 수 있다. 이에 따라 LED1+LED2의 구동 전압을 최대 효율이 가능한 LED Vf 값으로 설정할 수 있게 하며, 고효율 및 발열 문제를 해결한 고신뢰성 시스템 구현이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템의 주요 구성을 도시한 도면이다.
이하에서는 제 1 실시예와 비교하여 서로 다른 점을 중심으로 설명하며 동일 또는 유사한 내용에 대해서는 생략될 수 있다.
LED 시스템은 LED 패키지(10)와 그 외부에 구성되는 열분배 저항(50) 등을 포함하여 구성된다.
LED 패키지(10)는 서로 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과, 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 구동을 제어하기 위한 구동회로(13)를 포함하여 구성되며, 열분배 저항(50)은 LED 패키지(10)의 외부에서 LED 패키지(10)의 단자(Cathode)를 통하여 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 일단이 직렬 연결되고 타단은 LED 패키지(10)의 단자(DR)에 연결된다. 즉, 열분배 전항의 양단은 LED 패키지에 모두 연결된다.
구동회로(13)는, 입력전압의 크기가 제 1 기준전압 보다 작을 때(제 1 전압 범위)에는 제 1 LED 칩(11)과 제 1 FET(141)를 지나 접지로 가는 경로로 제 1 정전류가 흐르도록 구동하며, 입력전압의 크기가 제 1 기준전압 보다 크고 제 2 기준전압 보다 작을 때(제 2 전압 범위)에는 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 제 2 FET(142)를 지나 접지로 가는 경로로 제 2 정전류가 흐르도록 구동하며, 입력전압의 크기가 제 2 기준전압 보다 클 때(제 3 전압 범위)에는 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)와 열분배 저항(50)을 통하고 제 3 FET(143)를 지나는 경로로 동일한 제 2 정전류(제 2 전압 범위일 때의 전류와 동일함)가 흐르도록 구동한다.
구동회로(13)는, 제 1 LED 칩(11)만이 구동될 때(입력전압이 제 1 전압 범위일때) 제 1 LED 칩(11)의 파워와, 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)를 지나 접지로 가는 경로로 구동될 때(입력전압이 제 2 전압 범위일때) 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 파워와, 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)와 열분배 저항(50)을 통한 경로로 구동될 때(입력전압이 제 3 전압 범위일때) 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 파워는 동일하게 되도록 제어한다.
구동회로(13)는 제 1 FET(141), 제 2 FET(142) 및 제 3 FET(143)을 포함하며, 그리고 구동회로(13)는, 구동회로의 각 부분에 전원을 공급하는 전원 생성 회로(133)와, LED 패키지(10)의 온도를 센싱하는 온도 센서(139)와, 구동회로의 각 부분으로부터 전압이나 센싱신호를 입력받아 구동회로의 각 부분을 제어하는 제어부(131) 등을 포함하여 구성된다.
제 1 FET(141)는 제 1 LED 칩(11)과 제 2 LED 칩(12)이 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되고 제 1 전류 미러 회로(M1)에 의해 게이트 전압이 컨트롤된다. 제 2 FET(142)는 제 2 LED 칩(12)과 열분배 저항(50)이 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되며 제 2 전류 미러 회로(M2)에 의해 게이트 전압이 컨트롤된다. 제 3 FET(143)는 열분배 저항(50)의 타단이 드레인에 연결되고 접지에 소스가 연결되며 제 2 전류 미러 회로(M2)에 의해 게이트 전압이 컨트롤된다.
구동회로(13)는, 입력전압의 크기가 제 1 기준전압 보다 작을 때(제 1 전압 범위)에는 제 2 FET(142) 및 제 3 FET(143)를 OFF 하도록 하고 제 1 FET(141)을 통하여 제 1 정전류가 흐르도록 제어하며, 입력전압의 크기가 제 1 기준전압 보다 크고 제 2 기준전압 보다 작을 때(제 2 전압 범위)에는 제 1 FET(141) 및 제 3 FET(143)를 OFF 하도록 하고 제 2 FET(142)를 통하여 제 2 정전류가 흐르도록 제어하고, 입력전압의 크기가 제 2 기준전압 보다 클 때(제 3 전압 범위)에는 제 1 FET(141) 및 제 2 FET(142)를 OFF 하도록 하고 제 3 FET(143)을 통하여 제 2 정전류가 흐르도록 제어한다.
제 1 전류 셋 저항(41)은 LED 패키지(10)의 외부에서 LED 패키지(10)의 단자(RS1)를 통하여 구동회로(13)에 연결되며, 구동회로(13)에 대하여 제 1 정전류를 세팅한다. 제 2 전류 셋 저항(42)은 LED 패키지(10)의 외부에서 LED 패키지의 단자(RS2)를 통하여 구동회로(13)에 연결되며, 구동회로(13)에 대하여 제 2 정전류를 세팅한다.
제 1 전류 셋 저항(41)을 포함하여 제 1 FET(141)의 게이트와 연결되는 제 1 전류 미러 회로(M1)를 구성하는 데, 예를 들면 도 3에 도시된 전류 미러 회로(M)와 동일하게 구성된다. 제 1 전류 미러 회로(M1)는 구동회로(13)의 제어부(131)에 의하여 제 1 제어 전압을 입력받는 데, 예를 들면 제어부(131)는 제 1 제어 전압 정보를 제 1 기준값 생성회로(136)에 제공하며 제 1 기준값 생성회로(136)는 제 1 제어 전압을 출력한다. 그리고 제 1 미러 회로는 제 1 전류 셋 저항(41)에 흐르는 전류의 미러 전류가 제 1 FET(141)를 통하여 흐르도록 제 1 FET(141)의 게이트 전압(VC1)을 제어한다.
제 2 전류 셋 저항(42)을 포함하여 제 2 FET(142)의 게이트 및 제 3 FET(143)의 게이트와 연결되는 제 2 전류 미러 회로(M2)를 구성한다. 제 2 전류 미러 회로(M2)는, 구동회로(13)의 제어부(131)에 의하여 제어 전압을 입력받는 데, 예를 들면 제어부(131)는 제 2 제어 전압 정보를 제 2 기준값 생성회로(144)에 제공하며 제 2 기준값 생성회로(144)는 제 2 제어 전압을 출력한다. 그리고 제 2 미러 회로는 제 2 전류 셋 저항(42)에 흐르는 전류의 미러 전류가 제 2 FET(142) 또는 제 3 FET(142)를 통하여 흐르도록 제 2 FET(142) 및 제 3 FET(143)의 게이트 전압을 각각 제어하되, 전압 범위에 따라 제 2 FET(142) 또는 제 3 FET(143)가 동작되도록 한다. 이러한 형태의 전류 미러 회로는 예를 들어 도 3에 도시된 전류 미러 회로에서 오른쪽 부분의 회로 또는 제 2 FET(142) 및 제 3 FET(143)의 게이트가 2개 병렬로 연결된 것일 수 있다. 한편, 제 2 FET(142) 또는 제 3 FET(143)를 선택적으로 동작시키기 위하여 두 병렬 접속 경로에 스위칭 트랜지스터를 구성하고 제어부의 제어에 따라 선택하도록 할 수 있다.
온도 센서(139)는 LED 패키지(10)의 내부에 구성되어 LED 패키지(10)의 온도를 센싱한다. 구동회로(13)는 온도 센서(139)가 센싱한 온도값에 따라 상기한 1 기준전압 및 제 2 기준전압을 변동시키되, 온도값이 올라갈수록 제 1 기준전압 및 제 2 기준전압을 낮춘다.
열분배저항을 사용한 제 2 실시예에서 구동회로는 LED chip 2EA 구동의 형태가 변화하더라도(예를 들어, LED1만 구동, LED1+LED2 동시구동, LED1+LED2+열분배저항 동시구동), LED 전체의 Power를 일정하게 유지한다. 또한 입력전압의 변화에 따라 LED 전체 Power(동일 광량)가 동일하도록 LED chip의 구동을 변화시키며, 높은 입력 전압에서도 LED의 발열을 낮추기 위해 외부 열분배저항을 이용해 구동이 되도록 컨트롤 한다. 이에 따라 높은 입력전압에서 외부의 열분배 저항이 발열되므로 LED 패키지의 온도 상승이 저감된다.
낮은 입력 전압 범위에서는 LED 패키지의 RS1 단자(pin)의 외부 저항을 통하여 LED1의 기본 정전류 설정 값을 설정하며 LED1을 정전류(제 1 정전류) 구동을 한다. 입력전압이 높아져서 LED1과 LED2의 직렬 구동이 가능한 전압 범위가 되면, LED 패키기의 RS2 단자(pin)의 외부 저항을 통하여 LED1 + LED2의 기본 정전류 설정 값을 설정하여 LED1 + LED2를 정전류(제 2 정전류)로 직렬 구동을 하게 만든다.
또한 LED 패키지에 높은 발열이 발생하는 보다 더 높은 전압이 인가되면 LED 패키지의 RS2 단자(pin)에 의한 정전류 설정 값(제 2 정전류)을 기준으로 열분배저항까지 포함된 회로, 즉 LED1 + LED2 + 열분배저항을 정전류로 직렬 구동 하게 만든다. 이에 따라 보다 높은 전압 영역에서는 LED1 + LED2의 구동 Power 이외에도 열분배저항의 Power도 소모되게 함으로써, 넓은 구동 범위와 발열 안정성을 확보 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 차량 조명용 LED 시스템의 전기적 특성을 도시한 그래프로서, 도 7(a)는 입력전압에 따른 전류 특성을 도시한 것이고 도 7(b)는 입력전압에 따른 전력 특성을 도시한 것이다.
도 7과 같이 LED1 구동전압 영역에서는 LED1만 구동하게 만들고 더 높은 전압이 인가되어 LED1 + LED2가 구동가능한 영역에서는 LED1 + LED2를 직렬 연결하여 LED1 + LED2를 구동한다. 또한 LED 발열 문제가 발생할 더 높은 전압이 인가되면 외부 열분배저항과 함께 구동한다. 즉 LED1 + LED2 + 열분배저항을 정전류로 직렬 구동한다.
제어부는 LED1/LED2/열분배저항의 전압 감지 및 정전류 설정 값을 변경함으로써 도 7과 같이 입력전압이 가변되어도 LED 전체 Power는 일정하게 만들어 동일 광량을 유지하는 것이 가장 큰 특징이다. 이때 입력 전압이 올라 갈수록 입력 Power는 올라간다.
본 발명의 제 2 실시에에 따라 열분배저항을 사용한 저가 구동 방식의 시스템 형태는 LED 내부의 LED1만 구동할때나, LED1 + LED2, 혹은 LED1 + LED2 + 열분배저항이 구동되는 영역에서나, 모두 내부 회로를 통하여 LED 전체 Power를 일정하게 만든다. 특히 본 발명의 제 2 실시예에서는 LED1 혹은 LED1+LED2 형태 나아가 LED1 + LED2 + 열분배저항 형태로 선택적으로 구동이 가능함으로써, 낮은 입력 전압에서도 구동이 가능하고 LED1 + LED2 의 구동 전압을 최대 효율이 가능한 LED Vf 값으로 설정할 수 있다. 이를 통하여 종래 방식의 열분배저항의 문제 점인 구동영역 제한을 해결 할 수 있으며, 고효율 특성에 의하여 발열 문제를 해결한 고신뢰성 시스템 구현이 가능하다.
도 8은 실제 자동차에서 사용 중인 기존 구동 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 방식을 비교 Test한 결과를 도시한 그래프이다.
기존 방식은 낮은 입력 전압(7V ~ 9V)에서 LED Total Power가 낮아 균일한 광량을 나타낼 수 없으며, 높은 입력전압(16V ~ 24V)에서는 시스템의 발열 문제로 LED Total Power를 낮추는 구동 방식을 채택하고 있다. 기존 방식에서는 낮은 입력 전압(7V ~ 9V)에서는 열분배 저항에 걸리는 전압에 의해서 LED에 균일한 광량을 낼수 있는 전압이 인가되지 못하며, 이로 인해 낮은 입력 전압(7V ~ 9V)에서 LED Total Power가 낮아 균일한 광량을 나타낼 수 없다.
만약 열분배 저항에 걸리는 전압을 낮추면 아래와 같이 시스템에 걸리는 Power 공식에 의해 구동회로에 걸리는 Power가 높아져서 도 8에 도시된 것과 같이 예를 들면 16V 이상에서는 균일한 광량을 나타낼 수 없다.
P(total) = P(열분배저항) + P(total LED) + P(구동회로)
높은 입력 전압(16V ~ 24V)에서는 P(열분배저항)과 P(total LED) 값은 일정한 값을 나타내는 상수 값이므로, 전압이 높아질수록 구동회로에 걸리는 Power는 높아 진다. 이로 인해서 기존 구동 방식은 구현하고자 하는 최대의 LED Total power를 낮추던지, 아니면 고전압 영역에서 전압이 높아질수록 기존 구동 방식과 같이 LED Total Power를 낮추는 구동 방식을 채택하고 있다.
따라서 LED 구동과 시스템 발열 안정성 문제로 인하여 낮은 구동영역에서는 정전력 LED구동을 포기하던지 높은 입력전압 영역에서 정전력 LED구동을 포기해야 하는 문제점이 있는 것이다.
본 발명은 위에 상세하게 설명한 것과 같이 전영역의 전압에서 동일한 Total LED Power를 구현 할 수는 있는 방식이므로 도 8에 도시된 것과 같이 전 시간영역 및 전 입력전압 영역에서 동일한 Total LED Power를 구현한다.
또한, 본 발명은 높은 효율로 인하여 기존 구동방식의 LED Total Power보다 높은 LED Total Power를 구현 할 수 있음에도 더 작은 IC Package로 구현 할 수 있는 장점이 있다. 또한 핵심 구동 IC 및 주변 부품의 온도도 낮출 수 있어 시스템 신뢰성도 높이는 장점이 있다.
상기한 본 발명의 설명에서, 제 1 LED 칩 및 제 2 LED 칩의 각각은 편의상 단일의 LED 소자로 도시되어 있으나, 복수의 LED 소자로써 제 1 LED 칩 및/또는 제 2 LED 칩을 구성할 수 있음은 당연하므로 본 발명은 이와 같이 복수의 LED 소자로써 LED 칩을 구성하는 형태를 포함한다. 또한, 상기한 본 발명의 설명에서는 LED 패키지가 2개의 LED 칩을 포함하여 구성되는 것으로 도시되어 있으나, 3개 이상의 LED 칩을 포함하여 구성될 수 있음도 당연하며 이러한 형태도 본 발명의 범주에 포함된다. 예를 들어, 3개의 LED 칩을 포함하는 경우에는 기준전압 및 입력 전압의 범위가 추가로 정의될 수 있다.
10 : LED 패키지 11, 12 : LED 칩
13 : 구동 회로 131 : 제어부
132, 141, 142, 143 : 내부 FET
134 : 비교기 135 : 제 2 기준값 생성회로
136 : 미러용 회로 137 : 외부 트랜지스터 구동 게이트 드라이버
138 : 제 1 기준값 생성회로 20 : 외부 트랜지스터
30 : 전류 센싱 저항 40, 41, 42 : 전류 셋 저항

Claims (12)

  1. 서로 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과, 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)의 구동을 제어하기 위한 구동회로(13);를 포함하여 구성되는 LED 패키지(10);
    상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)과 연결되되, 주전류 채널이 직렬 연결되는 외부 트랜지스터(20);를 포함하여 구성되며,
    상기 구동회로(13)는,
    입력전압의 크기가 기준전압 보다 작을 때에는 제 1 정전류로 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12) 중에서 상기 제 1 LED 칩(11)만을 구동하며, 상기 입력전압의 크기가 상기 기준전압 보다 클 때에는 제 2 정전류로 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)과 상기 외부 트랜지스터(20)를 구동하되,
    상기 제 1 LED 칩(11)만이 구동될 때 상기 제 1 LED 칩(11)에서의 파워와, 상기 직렬연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 상기 외부 트랜지스터(20)의 모두가 구동될 때 상기 상기 제 1 LED 칩(11) 및 상기 제 2 LED 칩(12)에서의 파워가 동일하게 되도록 상기 제 1 정전류 및 상기 제 2 정전류를 제어하며,
    상기 제 2 정전류가 상기 제 1 LED 칩, 상기 제 2 LED 칩 및 상기 외부 트랜지스터를 통하여 흐르도록 상기 외부 트랜지스터(20)의 게이트 전압을 컨트롤하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 트랜지스터(20)의 주전류 채널과 직렬 연결되는 전류 센싱 저항(30);를 더 포함하며,
    상기 구동회로는,
    상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 전류 센싱 저항(30)에 걸리는 전압를 입력받으며, 상기 전류 센싱 저항(30)에 걸리는 전압과 상기 구동회로가 상기 제 2 정전류의 결정에 따라 설정되는 전압을 비교한 결과로써 상기 외부 트랜지스터(20)의 게이트를 제어하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동회로(13)는, 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)가 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 1 FET(132)를 더 포함하며,
    상기 구동회로(13)는,
    입력전압의 크기가 기준전압 보다 작을 때에는 상기 제 1 FET(132)를 통하여 상기 제 1 정전류가 흐르도록 상기 제 1 FET(132)의 게이트를 제어하며,
    상기 입력전압의 크기가 상기 기준전압 보다 클 때에는 상기 제 1 FET(132)가 OFF 되도록 상기 제 1 FET(132)의 게이트를 제어하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 구동회로(13)에 연결되며 상기 제 1 정전류를 세팅하는 전류 셋 저항(40);를 더 포함하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류 셋 저항(40)을 포함하여 상기 제 1 FET(132)의 게이트와 연결되는 전류 미러 회로(M)를 구성하며,
    상기 전류 미러 회로(M)는,
    상기 구동회로(13)의 제어부(131)에 의하여 제어 전압을 입력받고 상기 전류 셋 저항(40)에 흐르는 전류의 미러 전류가 상기 제 1 FET(132)를 통하여 흐르도록 상기 제 1 FET(132)의 게이트 전압을 제어하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 LED 패키지(10)의 내부에 구성되며, 상기 LED 패키지(10)의 온도를 센싱하는 온도 센서(139);를 더 포함하며,
    상기 구동회로(13)는,
    상기 온도 센서(139)가 센싱한 온도값에 따라 상기 기준전압을 변동시키되, 온도값이 올라갈수록 상기 기준전압을 낮추는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  7. 서로 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과, 상기 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 구동을 제어하기 위한 구동회로(13);를 포함하여 구성되는 LED 패키지(10);
    상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)과 일단이 직렬 연결되는 열분배 저항(50);을 포함하여 구성되며,
    상기 구동회로(13)는,
    입력전압의 크기가 제 1 기준전압 보다 작을 때에는 상기 제 1 LED 칩(11)을 지나 접지로 가는 경로로 제 1 정전류가 흐르도록 구동하며,
    상기 입력전압의 크기가 상기 제 1 기준전압 보다 크고 제 2 기준전압 보다 작을 때에는 상기 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)를 지나 접지로 가는 경로로 제 2 정전류가 흐르도록 구동하며,
    상기 입력전압의 크기가 상기 제 2 기준전압 보다 클 때에는 상기 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)와 상기 열분배 저항(50)을 통한 경로로 상기 제 2 정전류가 흐르도록 구동하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 구동회로(13)는,
    상기 제 1 LED 칩(11)만이 구동될 때 상기 제 1 LED 칩(11)의 파워와, 상기 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)를 지나 접지로 가는 경로로 구동될 때 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 파워와, 상기 직렬 연결된 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)와 상기 열분배 저항(50)을 통한 경로로 구동될 때 제 1 LED 칩(11) 및 제 2 LED 칩(12)의 파워는 동일하게 되도록 제어하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 구동회로(13)는,
    상기 제 1 LED 칩(11)과 상기 제 1 LED 칩(12)이 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 1 FET(141);
    상기 제 2 LED 칩(12)과 상기 열분배 저항(50)이 연결된 노드에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 2 FET(142);
    상기 열분배 저항(50)의 타단이 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되는 제 3 FET(143);를 더 포함하며,
    상기 구동회로(13)는,
    상기 입력전압의 크기가 상기 제 1 기준전압 보다 크고 상기 제 2 기준전압 보다 작을 때에는 상기 제 1 FET(141) 및 상기 제 3 FET(143)를 OFF 하도록 하고 상기 제 2 FET(142)을 통하여 상기 제 2 정전류가 흐르도록 제어하고,
    상기 입력전압의 크기가 상기 제 2 기준전압 보다 클 때에는 상기 제 1 FET(141) 및 상기 제 2 FET(142)를 OFF 하도록 하고 상기 제 3 FET(143)을 통하여 상기 제 2 정전류가 흐르도록 제어하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 구동회로(13)에 연결되며, 상기 구동회로(13)에 대하여 상기 제 1 정전류를 세팅하는 제 1 전류 셋 저항(41);
    상기 LED 패키지(10)의 외부에서 상기 LED 패키지(10)의 단자를 통하여 상기 구동회로(13)에 연결되며, 상기 구동회로(13)에 대하여 상기 제 2 정전류를 세팅하는 제 2 전류 셋 저항(42);을 더 포함하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1 전류 셋 저항(40)을 포함하여 상기 제 1 FET(141)의 게이트와 연결되는 제 1 전류 미러 회로(M1)를 구성하며,
    상기 제 1 전류 미러 회로(M1)는,
    상기 구동회로(13)의 제어부(131)에 의하여 제 1 제어 전압을 입력받고 상기 제 1 전류 셋 저항(41)에 흐르는 전류의 미러 전류가 상기 제 1 FET(141)를 통하여 흐르도록 상기 제 1 FET(141)의 게이트 전압을 제어하는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 LED 패키지(10)의 내부에 구성되며, 상기 LED 패키지(10)의 온도를 센싱하는 온도 센서(139);를 더 포함하며,
    상기 구동회로(13)는,
    상기 온도 센서(139)가 센싱한 온도값에 따라 상기 1 기준전압 및 상기 제 2 기준전압을 변동시키되, 온도값이 올라갈수록 상기 제 1 기준전압 및 상기 제 2 기준전압을 낮추는,
    것을 특징으로 하는 차량 조명용 LED 시스템.
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