KR102315491B1

KR102315491B1 - 2차측 전해 커패시터가 제거된 led 조명등의 구동장치

Info

Publication number: KR102315491B1
Application number: KR1020210081865A
Authority: KR
Inventors: 박기주; 이승희
Original assignee: 주식회사 엘파워
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2021-10-21

Abstract

본 발명은 LED 조명등의 구동장치에 관한 것으로서, 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하여 공급하는 LED 전원부와, 상기 LED 전원부의 교류 전원을 공급받아 구동하는 LED 조명등과, 상기 LED 전원부에 1차측이 연결되고 LED 조명등에 2차측이 연결되어 LED 조명등을 구동하는 트랜스포머와, 상기 LED 전원부를 통해 입력된 상용 교류 전압을 기준전압으로 생성하여 출력하는 기준전압 생성부와, 상기 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압을 입력으로 받아 구동신호를 출력하는 스위칭 제어부와, 상기 트랜스포머의 1차측과 접지단 사이에 연결되고 게이트가 상기 스위칭 제어부에 각각 연결되는 제1, 제2 파워 트랜지스터와, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터의 전단에 각각 연결되고 게이트에 상기 스위칭 제어부의 구동신호를 받아 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터의 게이트에 상기 구동신호를 인가하여 제어하는 제1, 제2 구동 트랜지스터와, 상기 트랜스포머와 LED 조명등 사이에 구성되어 상기 LED 조명등으로 입력되는 전원을 정류하여 출력하는 전파 정류기와, 상기 트랜스포머의 1차측에 입력되는 전류 값을 감지하여 상기 스위칭 제어부에 출력하는 전류 감지부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

2차측 전해 커패시터가 제거된 LED 조명등의 구동장치{APPARATUS FOR DRIVING LED LIGHTING WITH SECONDARY ELECTROLYTIC CAPACITOR REMOVED}

본 발명은 LED 조명등의 구동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 특히 구동 용량의 증대(최대 200W)와 더불어 트랜스포머의 스위칭 속도를 일정하게 구동하여 제품의 효율을 증대시킬 수 있도록 한 LED 조명등의 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로, 엘이디(LED) 조명에서 빛의 밝기는 엘이디에 걸리는 전압과 전류에 의해 결정된다.

한편, 가정용 또는 상업용으로 사용되는 저압의 AC(Alternating Current) 전압은 통상적으로 기준 전압에 플러스마이너스 20%의 가변 범위를 두게 된다. 즉, 기준 전압이 110볼트라면 실제 사용되는 전압 범위는 88∼132볼트이고, 기준 전압이 220볼트라면 실제 사용되는 전압 범위는 176∼264볼트까지 가변될 수 있다.

따라서, AC 입력 전압이 변화하여 엘이디의 빛의 밝기가 변하게 되면 엘이디에 과부하가 걸리게 되어 엘이디의 수명이 단축될 수도 있고, 엘이디의 조명이 어두워지는 경우가 발생할 수도 있다.

구체적으로, 종래의 엘이디 구동 장치는 트랜스포머(transformer)의 1차 권선에 파워 모스(MOS; Metal Oxide Semiconductor) 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET)(이하, 파워 트랜지스터라고 함)가 연결되고, 트랜스포머의 2차 권선에 엘이디가 연결되며, 상기 파워 트랜지스터의 게이트에는 스위칭 회로가 연결되어 상기 파워 트랜지스터를 제어 및 구동함으로써, 엘이디의 밝기를 제어한다.

이를 위해, 상기 트랜스포머의 1차 권선 및 상기 스위칭 회로에는 AC 전압이 인가되는데, 상기 AC 전압이 증가하면 상기 스위칭 회로의 출력 전압이 증가하여 상기 파워 트랜지스터가 턴온(turn-on)되고, 그에 따라 상기 트랜스포머의 1차측 전류가 증가하여 상기 파워 트랜지스터의 턴온 시간이 길어지면, 상기 트랜스포머의 1차 권선에 많은 에너지가 축적된다. 이와 같이, 1차 권선에 누적된 많은 에너지는 2차 권선으로 유기되어 상기 엘이디에 많은 전류를 흐르게 한다.

반대로 상기 AC 전압이 감소하면, 상기 스위칭 회로의 출력 전압이 감소하여 상기 파워 트랜지스터의 턴온 시간이 짧아지고, 결과적으로, 상기 트랜스포머의 1차 권선에 적은 에너지가 축적된다. 이와 같이, 1차 권선에 적은 에너지가 축적되면 2차 권선으로 유기되는 에너지는 감소하여 상기 엘이디에 적은 전류를 흐르게 한다.

따라서 엘이디 구동 장치의 AC 입력 전압이 110볼트로 설계된 제품을 220볼트에 연결시 상기 엘이디 구동 장치의 파손이 발생한다. 반대로, 엘이디 구동 장치의 AC 입력 전압이 220볼트로 설계된 제품을 110볼트에 연결시 상기 엘이디가 켜지지 않거나 밝기가 어두워지는 문제점이 발생한다.

또한 상용 전원이 220볼트이더라도, 전원의 상황에 따라 상기 가변 범위 내에서 사용 전압이 가변될 경우, 엘이디가 어두워지거나 밝아지는 문제점이 발생한다.

또한 종래의 엘이디 구동장치는 단일 파워 트랜지스터를 사용하기 때문에 벅-부스트(Buck-boost) 방식과 기본 동작이 동일하다.

먼저, 파워 트랜지스터가 도통하면 트랜스포머의 2차 권선에는 1차와 반대 극성의 전압이 유도되므로, 다이오드는 역 바이어스되어 차단되고, 이로 인해, 상기 2차 권선에는 전류가 흐르지 않고 1차 권선으로만 전류가 흘러 자화 인덕턴스에 의해 에너지가 축적된다.

그리고, 파워 트랜지스터가 차단되면 트랜스포머의 2차 권선에는 전상태와 반대 극성의 전압이 유도되어 다이오드를 도통시킴으로써 트랜스의 자화 인덕턴스에 축적된 에너지를 부하에 공급한다.

플라이 백(Fly back) 방식은 50W 이하의 낮은 출력에 적용하기에 적합하며, 회로가 간단하고 경제적인 반면, 출력 커패시턴스의 리플 전류가 크다.

즉, 종래에 전해 커패시터를 제거한 구동장치는 소용량 (5 ~ 50W 까지)으로만 설계되어 용량이 큰 옥외용 조명에 적용할 때, 50W + 50W = 100W까지만 가능하기 때문에 제품의 부피가 커지고 등기구에 안착이 불가하여 제품의 설계를 할 수가 없는 문제가 있었다.

한국 등록특허 제 10-1651508 호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 전해캐패시터를 제거한 구동장치의 소용량 설계 문제점을 해결하기 위한 것으로, 듀얼 파워 트랜지스터를 사용하여 구동 용량을 증대시킴과 더불어 구동용 트랜지스터를 이용하여 게이트 입력신호의 파형 변경없이 전압과 전류의 크기만을 증폭하여 트랜스포머의 스위칭 속도를 일정하게 구동할 수 있도록 한 LED 조명등의 구동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 1차측 입력 전압 정보만을 센싱하고 2차측의 출력전압 및 출력전류 정보 센싱에 필요한 전해 커패시터를 제거함으로써 수명을 향상시키도록 한 LED 조명 등의 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 LED 조명등의 구동장치는 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하여 공급하는 LED 전원부와, 상기 LED 전원부의 교류 전원을 공급받아 구동하는 LED 조명등과, 상기 LED 전원부에 1차측이 연결되고 LED 조명등에 2차측이 연결되어 LED 조명등을 구동하는 트랜스포머와, 상기 LED 전원부를 통해 입력된 상용 교류 전압을 기준전압으로 생성하여 출력하는 기준전압 생성부와, 상기 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압을 입력으로 받아 구동신호를 출력하는 스위칭 제어부와, 상기 트랜스포머의 1차측과 접지단 사이에 연결되고 게이트가 상기 스위칭 제어부에 각각 연결되는 제1, 제2 파워 트랜지스터와, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터의 전단에 각각 연결되고 게이트에 상기 스위칭 제어부의 구동신호를 받아 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터의 게이트에 상기 구동신호를 인가하여 제어하는 제1, 제2 구동 트랜지스터와, 상기 트랜스포머와 LED 조명등 사이에 구성되어 상기 LED 조명등으로 입력되는 전원을 정류하여 출력하는 전파 정류기와, 상기 트랜스포머의 1차측에 입력되는 전류 값을 감지하여 상기 스위칭 제어부에 출력하는 전류 감지부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 LED 조명등의 구동장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 단일 파워 트랜지스터 대신에 듀얼 파워 트랜지스터를 사용하여 최대 200W로 구동 용량을 증대시킬 수 있다.

둘째, 램프 구동용 트랜지스터를 이용하여 게이트 입력신호의 파형 변경없이 전압과 전류의 크기만을 증폭하여 트랜스포머의 스위칭 속도를 일정하게 구동할 수 있다.

셋째, 엘이디 구동 장치로 입력되는 전압이 변동하더라도 엘이디에 인가되는 전류를 일정한 범위내로 제어함에 따라 엘이디의 빛의 밝기는 항상 일정하게 유지될 수 있다.

넷째, 트랜스포머의 2차측에서 1차측으로 전압이나 전류를 피드백(feedback)시키는 장치 없이도 엘이디에 인가되는 전류를 항상 일정하게 유지할 수 있기 때문에 상기 휘드백 장치를 사용하지 않기 때문에 구성이 간단하고, 그에 따라 제조 비용도 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 LED 조명등의 구동장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 스버너의 회로도 및 이에 연결된 트랜스포머를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 전압 분배기를 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 1의 전파 정류기를 개략으로 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 4의 전파 정류기의 입력과 출력을 나타낸 파형도이다.
도 6은 도 1의 기준전압 생성부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 7은 도 6의 기준전압 생성부에서 입력 전압에 대한 기준전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 6의 기준전압 생성부에서 입력 전압과 기준전압의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1의 스위칭 제어부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 10은 도 1의 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압의 파형과 파워 트랜지스터의 게이트에 입력되는 구동 파형을 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 1에 도시된 파워 트랜지스터의 스위칭 블록 다이어그램이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명등의 구동장치를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 LED 조명등의 구동장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

본 발명에 의한 LED 조명등의 구동장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 상용 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하여 공급하는 LED 전원부(110)와, 상기 LED 전원부의 교류 전원을 공급받아 구동하는 LED 조명등(100)과, 상기 LED 전원부(110)에 1차측이 연결되고 LED 조명등(100)에 2차측이 연결되어 LED 조명등(100)을 구동하는 트랜스포머(transformer)(120)와, 상기 LED 전원부(110)를 통해 입력된 상용 교류 전압을 기준전압으로 생성하여 출력하는 기준전압 생성부(130)와, 상기 기준전압 생성부(130)에서 생성된 기준전압을 입력으로 받아 구동신호를 출력하는 스위칭 제어부(140)와, 상기 트랜스포머(120)의 1차측과 접지단(GND) 사이에 연결되고 게이트가 상기 스위칭 제어부(140)에 각각 연결되는 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)와, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 전단에 각각 연결되고 게이트에 상기 스위칭 제어부(140)의 구동신호(OUT)를 받아 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 게이트에 상기 구동신호를 인가하여 제어하는 제1, 제2 구동 트랜지스터(153, 154)와, 상기 트랜스포머(120)와 LED 조명등(100) 사이에 구성되어 상기 LED 조명등(100)으로 입력되는 전원을 정류하여 출력하는 전파 정류기(160)와, 상기 트랜스포머(120)의 1차측에 입력되는 전류 값을 감지하여 상기 스위칭 제어부(140)에 출력하는 전류 감지부(170)를 포함하여 이루어진다.

상기 LED 전원부(110)는 정류기(111), 스너버(112) 및 전압 분배기(113)로 구성된다.

여기서, 상기 정류기(111)는 상용 교류 전압(AC Voltage), 예컨대 110 또는 220볼트를 직류 전압(VIN)으로 변환하여 출력하기 위해 정류기(도시되지 않음)를 포함한다. 상기 정류기는 다양한 정류기를 구비할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 브리지(bridge) 정류기를 사용하고 있다.

상기 스너버(112)는 상기 트랜스포머(120)와 정류기(111) 사이에 연결된다. 상기 스너버(112)는 상기 트랜스포머(120)가 온(on)/오프(off)될 때 발생하는 과도 전압을 억제한다.

도 2는 도 1의 스버너의 회로도 및 이에 연결된 트랜스포머를 나타낸 도면이다.

도 2에서와 같이, 스너버(112)는 저항(112a), 캐패시터(112b) 및 다이오드(112c)를 구비한다. 상기 저항(112a)과 캐패시터(112b)는 서로 병렬로 연결되며, 그 일단들이 정류기(111)와 트랜스포머(120)의 1차측에 연결된다. 상기 다이오드(112c)는 저항(112a)과 캐패시터(112b)에 대해 직렬로 연결된다. 즉, 상기 다이오드(112c)의 애노드는 상기 트랜스포머(120)의 1차측에 연결되고, 다이오드(112c)의 캐소드는 저항(112a)과 캐패시터(112b)에 연결된다.

따라서, 상기 트랜스포머(120)로부터 과도 전압이 발생하면 이는 다이오드(112c)를 통해서 저항(112a)으로 전달되어 제거된다.

도 3은 도 1의 전압 분배기를 나타낸 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전압 분배기(113)는 2개의 직렬 연결된 저항(113a, 113b)을 구비한다. 상기 2개의 직렬 연결된 저항(113a, 113b)들은 상기 정류기(111)의 출력단과 접지단(GND) 사이에 연결된다. 상기 2개의 저항들(113a, 113b) 사이에서 전압 분배기(113)의 출력 전압(VSEN) 즉, 상기 정류기(111)의 출력 전압(VIN)보다 강하된 전압을 출력한다.

상기 전압 분배기(113)의 출력 전압(VSEN)은 기준전압 생성부(130)로 전달된다. 상기 저항들(113a, 113b)의 수가 증가하면, 전압 분배기(113)의 출력 전압(VSEN)의 수가 늘어난다. 따라서, 전압 분배기(113)는 다양한 레벨의 전압들을 출력할 수가 있다.

여기서, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)는 상기 트랜스포머(120)의 1차측과 접지단(GND) 사이에 연결된다. 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)는 파워 NMOS(N channel Metal Oxide Semiconductor) FET(Field Effect Transistor)로 구성될 수 있다. 상기 파워 NMOS FET의 드레인은 상기 트랜스포머(120)의 1차측에 연결되고, 상기 파워 NMOS FET의 소오스는 접지단(GND)에 연결되며, 상기 파워 NMOS FET의 게이트는 스위칭 제어부(140)에 연결된다.

따라서, 상기 스위칭 제어부(140)에서 출력되는 구동신호(OUT)가 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 문턱 전압보다 높으면, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)는 턴온되고, 그에 의해 트랜스포머(120)를 활성화 상태 즉, 온(on)시킨다. 만일, 상기 스위칭 제어부(140)에서 출력되는 구동신호가 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 문턱 전압보다 낮으면, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)는 턴오프되고, 그에 의해 트랜스포머(120)는 비활성화 상태 즉, 오프(off)된다. 이와 같이, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)는 트랜스포머(120)의 동작을 제어한다.

여기서, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 온 시간이 길어지면, 트랜스포머(120)의 1차측에서 2차측으로 전달되는 에너지가 많아지게 되고, 그로 인하여 LED 조명등(100)의 밝기가 과도해진다. 반대로, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 오프 시간이 길어지면, 상기 트랜스포머(120)의 1차측에서 2차측으로 전달되는 에너지가 적어지게 되고, 그로 인하여 LED 조명등(100)의 밝기는 약해진다. 이 때문에, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 온 시간과 오프 시간을 적절히 조정함으로써 상기 LED 조명등(100)의 밝기를 적절히 제어할 수가 있다.

상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)와 접지단(GND) 사이에 전류 감지부(170)가 연결될 수 있다. 상기 전류 감지부(170)는 저항으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)로부터 출력되는 전류는 전류 감지부(170)를 통하여 접지단(GND)으로 흐른다. 따라서, 상기 전류 감지부(170)로 흐르는 전류를 감지함으로써, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 출력 전류를 파악할 수 있다.

여기서, 상기 스위칭 제어부(140)는 상기 기준전압 생성부(130)로부터 기준전압을 입력으로 받아 상기 전류 감지부(170)에서 감지된 전류 값에 따라 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)를 구동한다.

상기 LED 전원부(110), 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152), 기준전압 생성부(130) 및 스위칭 제어부(140)는 상기 트랜스포머(120)의 1차측에 연결되고, 상기 트랜스포머(120)의 2차측에 전파 정류기(160) 및 LED 조명등(100)이 병렬 연결되어 있다.

본 발명에 의한 LED 조명등의 구동장치는 기존의 FET용량 한 개를 극복하기 위하여 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)와 제1, 제2 구동 트랜지스터(153, 154)를 이용하여 게이트 입력신호의 파형을 바꾸지 않고 그 전압과 전류의 크기만을 증폭하여 트랜스포머(120)의 스위칭 속도를 일정하게 구동 할 수 있도록 한다.

따라서 본 발명은 단일 파워 트랜지스터 대신에 듀얼 파워 트랜지스터 및 PNP 구동 트랜지스터를 구성하고 각 게이트(Gate) 신호를 증폭하여 트랜스포머(120)의 1차측의 구동능력 증대와 함께 2차측에 다이오드를 반파 정류기에서 전파 정류기(160)로 구성하여 다이오드의 손실과 제품의 효율을 증대하여 싱글 기준 100W, 두 개를 사용하여 200W 까지 증대할 수 있다.

한편, 상기 전파 정류기(160)는 교류를 직류로 변환시키는 더욱 유용하고 효율적인 방법으로 정-부 영역을 모두 활용하는 것이다. 이를 위해 사용되는 두 가지 회로가 있는 그 중 한가지가 입력파형 전부를 직류 출력으로 이용하는 전파 정류이다.

도 4는 도 1의 전파 정류기를 개략으로 나타낸 회로도이고, 도 5는 도 4의 전파 정류기의 입력과 출력을 나타낸 파형도이다.

도 4에서와 같이, 중간탭 전파 정류기는 중간탭이 있는 2차 권선을 이용한다. 어떤 순간에 전압의 극성이 도 4와 같다면, 양극이 음극에 대하여 정의 극성을 가지므로 다이오드 D1은 순방향 바이어스가 되어 전도 상태가 되며, 이에 반하여 다이오드 D2는 역방향 바이어스가 되어 비전도 상태가 된다. 그러므로 단지 다이오드 D1만이 부하에 전류를 공급하게 된다.

이를 위한 출력파형은 도 5에서와 같이, 실질적으로 주파수가 2배로 증가하는 현상이 출력에서 나타날 수 있다. 이는 출력파형의 주기 T가 교류 입력신호의 1/2이 되기 때문이다. 주파수는 주기의 역수이다(f=1/T).

대부분의 직류전원장치에서 진공관 다이오드가 실리콘 다이오드로 대치되었을 때까지 중간탭 회로는 가장 보편적인 전파 정류기이다. 그러나 현재는 저렴한 가격, 높은 신뢰도 및 작은 크기의 실리콘 다이오드의 출현으로 브리지회로가 가장 보편적인 형태가 되었다.

한편, 상기 트랜스포머(120)의 2차측에 교류성분을 제거하기 위해 두 개의 다이오드(D1, D2)로 구성된 전파 정류기(160)가 구비된다. 상기 전파 정류기(160)는 상기 트랜스포머(120)의 2차측에서 출력되어 LED 조명등(100)에 인가되는 직류 신호에 포함된 교류 성분을 제거한다. 상기 전파 정류기(160)는 상기 트랜스포머(120)의 2차측에서 출력되는 직류 전류를 통과시키면서, 상기 다이오드(161, 162)를 통과하는 직류 전류에 포함된 교류 신호를 흡수하여 제거한다.

따라서, 상기 트랜스포머(120)의 2차측에서 출력되는 직류 전류에 포함된 교류 성분이 제거되어 순수한 직류 전류 또는 직류 전압이 LED 조명등(100)에 전달된다. 상기 기준전압 생성부(130)는 상기 LED 전원부(110)와 스위칭 제어부(140)에 연결된다. 상기 기준전압 생성부(130)는 상기 LED 전원부(110)에서 출력되는 직류 전압(VSEN)을 입력으로 받고, 상기 직류 전압(VSEN)의 변동 레벨을 감지하여 기준전압을 생성한다.

상기 스위칭 제어부(140)는 상기 기준전압 생성부(130)와 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)에 연결된다. 상기 스위칭 제어부(140)는 상기 기준전압 생성부(130)의 출력을 받아서 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)를 구동한다. 상기 스위칭 제어부(140)의 출력단은 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 게이트에 연결된다.

따라서, 상기 스위칭 제어부(140)의 출력 신호(OUT)의 크기에 따라서 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 동작이 제어된다. 즉, 상기 스위칭 제어부(140)는 상기 기준전압 생성부(130)의 출력 신호가 크면 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)를 길게 온(on)시키고, 상기 기준전압 생성부(130)의 출력 신호가 작으면 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)를 짧게 온시킨다.

한편, 상기 스위칭 제어부(140)와 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152) 사이에는 제1, 제2 구동 트랜지스터(153, 154)가 각각 직렬로 연결되어 있다.

상기 전파 정류기(160)는 상기 트랜스포머(120)의 1차측과 상기 LED 조명등(100)의 일측 및 상기 트랜스포머(120)의 2차측과 상기 LED 조명등(100)의 타측에 각각 연결되는 제1, 제2 다이오드(161, 162)로 이루어진다.

또한, 상기 전파 정류기(160)는 중간탭이 있는 2차 권선을 이용하고, 상기 트랜스포머(120)는 직렬로 권선을 2회 감아 이루어진다.

도 6은 도 1의 기준전압 생성부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기준전압 생성부(130)는 상기 LED 전원부(110)를 구성하는 전압 분배기(113)의 출력 전압(VSEN)에 포함된 피크전압을 감지하는 피크전압 감지부(131)와, 상기 피크전압 감지부(131)의 출력신호에 응답하여 기준전압을 생성하는 출력하는 차동 증폭기(132)와, 상기 전압 분배기(113)의 출력 전압을 받아 전파전류를 생성하는 전파전류 생성부(133)와, 상기 전파전류 생성부(133)의 출력단에 연결되어 전파전류를 전달하는 제1 전류 미러부(134)를 포함하여 이루어진다.

상기 피크전압 감지부(131)는 상기 전압 분배기(113)에 연결된다. 상기 피크전압 감지부(131)는 상기 전압 분배기(113)에서 출력되는 직류전압(VSEN)의 피크 전압과 최저 전압을 검출한다. 상기 전압 분배기(113)에서 출력되는 직류 전압(VSEN)은 상기 LED 전원부(110)로 입력되는 전압이 변동되면 따라서 변동된다.

즉, 상기 LED 전원부(110)로 입력되는 전압의 변동량만큼 상기 직류 전압(VSEN)도 변동된다. 상기 피크전압 감지부(131)는 상기 직류 전압(VSEN)의 최고값 즉, 피크전압과 상기 직류 전압의 최저값 즉, 최저 전압을 검출한다.

상기 차동 증폭기(132)는 상기 피크전압 감지부(131)로부터 출력되는 신호에 응답하여 기준전압을 출력한다. 즉, 상기 차동 증폭기(132)는 피크전압 감지부(131)로부터 상기 피크 전압이 출력되면 기준전압의 출력 신호(OUT)를 감소시키고, 상기 피크전압 감지부(131)로부터 상기 최저 전압이 출력되면 기준전압의 출력 신호(OUT)를 증가시켜서 출력한다.

상기 차동 증폭기(132)는 상기 피크전압 감지부(131)의 출력 신호(V1)가 게이트에 인가되는 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)와 기준 전압(V2)이 게이트에 인가되는 제2 NMOS 트랜지스터(NM2) 및 저항들(Ra1,Ra2)을 구비하는 차동부(135)와, 상기 제1 NMOS트랜지스터(NM1)의 드레인에 연결된 제1 PMOS 트랜지스터(PM1), 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)의 드레인에 연결된 제2 전류 미러부(136)와, 상기 차동부(135)에 연결되어 차동부(135)로부터 출력되는 전압을 전류로 변환하는 전압전류 변환기(NM3)와, 상기 제2 전류 미러부(136)로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 기준전압 생성부(130)의 출력 신호(OUT)로써 출력하는 전류전압 변환기(Ra3)를 포함하여 구성된다.

상기 제1, 제2 전류 미러부(134, 136)는 2개의 PMOS 트랜지스터들(PM2, PM3)을 구비한다.

여기서, 상기 차동 증폭기(132)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 상기 피크전압 감지부(131)의 출력 신호(V1)가 피크 전압으로써 출력되면 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)가 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)보다 많은 전류를 흘려준다. 그러면 상기 제2 전류 미러(136)의 출력 전류가 감소하고, 그에 따라 상기 차동 증폭기(132)의 출력 신호(OUT)의 전압 레벨이 감소한다.

반대로, 상기 피크전압 감지기(131)의 출력 신호(V1)가 최저 전압으로써 출력되면 제2 NMOS 트랜지스터(NM2)가 제1 NMOS 트랜지스터(NM1)보다 많은 전류를 흘려준다. 그러면 상기 제2 전류 미러부(136)의 출력 전류가 증가하고, 그에 따라 차동 증폭기(132)의 출력 신호(OUT)의 전압 레벨이 증가한다.

이와 같이, 상기 기준전압 생성부(130)로 입력되는 전압(VSEN)이 증가하면, 즉, 상기 LED 전원부(110)로 입력되는 전압이 증가하면, 상기 피크전압 감지부(131)는 피크 전압을 출력하고, 그에 따라 차동 증폭기(142)의 출력 신호(OUT) 즉, 상기 기준전압 생성부(130)의 출력 신호(OUT)의 전압은 감소한다. 반대로, 상기 기준전압 생성부(130)로 입력되는 전압(VSEN)이 감소하면, 즉, LED 전원부(110)로 입력되는 전압(VAC)이 감소하면, 상기 피크전압 감지부(131)는 최저 전압을 출력하고, 그에 따라 차동 증폭기(142)의 출력 신호(OUT) 즉, 상기 기준전압 생성부(130)의 출력 신호(OUT)의 전압 레벨은 증가한다.

도 7은 도 6의 기준전압 생성부에서 입력 전압에 대한 기준전압의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 8은 도 6의 기준전압 생성부에서 입력 전압과 기준전압의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

한편, 상기 전압전류 변환기(NM3)의 I3을 결정하는 값은 전파전류 생성부(133)에서 생성된 전파전류의 값을 따라간다. 도 7에서와 같이, 110AC 입력시 I1은 작아지고 Ia는 커진다. 220VAC 입력시 I1은 커지고 Ia는 작아진다. 이 값에 의하여 기준전압(Vref)의 파형 값이 변경된다(Vin 대 Vb는 반비례 측정)(도 6).

여기서, I1, Ia, Ib, I3 Wave = Vin, Wave = Va Sinθ이다.

따라서 Va는 입력전압의 변동에 의하여 Vref가 변동됨을 알 수 있다.

본 발명은 Va의 변화에 따라(입력전압 Vin 전파정류파형) Vref를 반비례로 변화하여 소비전력을 일정하게 유지하는데 있다.

도 9는 도 1의 스위칭 제어부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 9에서와 같이, 상기 스위칭 제어부(140)는 상기 기준전압 생성부(130)에서 생성된 기준전압과 전류 감지부(170)에서 측정된 트랜스포머(120)의 1차측 전류 값을 비교하는 비교부(141)와, 상기 비교부(141)에서 비교된 신호에 응답하여 동작하는 SR 래치부(142)를 포함하여 이루어진다.

상기 RS 래치부(142)는 상기 비교부(141)의 출력 신호가 전원 전압 레벨이면 상기 RS 래치부(142)는 출력 신호를 리셋(reset)시키고, 상기 비교부(141)의 출력 신호가 접지 전압(GND) 레벨이면 상기 RS 래치부(142)는 셋(set)되어 신호를 출력한다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 상기 트랜스포머(120)의 2차측에서 1차측으로 전압이나 전류를 피드백(feedback)시키는 장치 없이도 LED 조명등(100)에 인가되는 전류를 항상 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 본 발명은 피드백 장치를 사용하지 않기 때문에 구성이 간단하고, 그에 따라 제조 비용도 감소된다.

도 10은 도 1의 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압의 파형과 파워 트랜지스터의 게이트에 입력되는 구동 파형을 나타낸 그래프이다.

도 10에서와 같이, 상기 스위칭 제어부(140)에 입력된 기준전압의 파형과 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 온/오프 파형을 동일한 파형으로 유지하여 소비전력을 일정하게 유지하면서, 전압전류 파형의 위상차를 일치화하고 전류 정형파를 형성할 수 있다.

이와 같이 기준전압과 구동전압을 동기화함으로써 LED 조명등(100)을 일정한 소비전력을 유지하면서 높은 역률(Power Factor)과 낮은 THD를 구현할 수가 있다.

여기서, 상기 역률은 교류전원의 전압과 전류의 파형이 이루어내는 흐름에서 위상 시간의 코스(cos)차를 의미하고, 상기 THD는 상용전원의 기본파(60Hz)에 대한 정수배인 주파수 성분의 성분으로 분석되며 기본파 전류에 대한 전체 고조파 성분의 전류를 전류고조파 함유율이라고 한다.

도 11은 도 1에 도시된 파워 트랜지스터의 스위칭 블록 다이어그램이다.

도 11에서와 같이, 제1, 제2 파워 트랜지스터(151, 152)의 스위칭 ON시 기준전압(Vref)에 의하여 FET 전류 기울기가 결정되고 OFF시 fixed off time에 의하여 FET 스위칭 주파수가 고정이 된다. 즉 duty가 고정된다.

별도로 2차측 Vout의 정보 필요없이 1차측에서 정보 감지만으로 소비전력의 셋팅이 가능하다. 이로 인하여 입력소비 전력의 셋팅에 의한 부하의 출력전압 변동에도 출력전력의 고정이 가능하게 된다.

한편, 시간이 지나면서 LED 부하의 Vf가 감소되어 LED 조명의 초기 광속유지가 되지 않았던 것을 Vf가 감소되더라도 출력전류를 상승시키어 LED 조명의 초기 광속을 지속적으로 유지할 수가 있다.

여기서, Ton는 제 1, 제 2 파워 트랜지스터의 스위칭 on time이고, Toff는 스위칭 off time이다.

여기서, Ip는 1차측 스위치 전류로서 감지 저항 값(Ra)에 의해 정해진다.

여기서, Toff는 constant, Vo는 Ton time을 조정하면 제어 가능하다.

소비전력은 다음의 수학식 11과 같이 구해진다.

여기서, Pin는 소비전력, Vout는 출력전압, Iout는 출력전류를 각각 나타내고 있다. 한편, PSR & SSR 방식은 Vout의 변동과 Iout의 고정의 값에 따라 소비전력이 정해진다. 본 발명은 소비전력(고정)을 기준으로 Vout 변동에 따라 Iout가 변동되어 역으로 소비전력을 따라간다.

한편, 이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

100: LED 조명등 110: LED 전원부
120: 트랜스포머 130: 기준전압 생성부
140: 스위칭 제어부 151, 152: 제1, 제2 파워 트랜지스터
153, 154: 제1, 제2 구동 트랜지스터 170: 전류 감지부

Claims

교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하여 공급하는 LED 전원부와,
상기 LED 전원부의 교류 전원을 공급받아 구동하는 LED 조명등과,
상기 LED 전원부에 1차측이 연결되고 LED 조명등에 2차측이 연결되어 LED 조명등을 구동하는 트랜스포머와,
상기 LED 전원부를 통해 입력된 상용 교류 전압을 기준전압으로 생성하여 출력하는 기준전압 생성부와,
상기 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압을 입력으로 받아 구동신호를 출력하는 스위칭 제어부와,
상기 트랜스포머의 1차측과 접지단 사이에 연결되고 게이트가 상기 스위칭 제어부에 각각 연결되는 제1, 제2 파워 트랜지스터와,
상기 제1, 제2 파워 트랜지스터의 전단에 각각 연결되고 게이트에 상기 스위칭 제어부의 구동신호를 받아 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터의 게이트에 상기 구동신호를 인가하여 제어하는 제1, 제2 구동 트랜지스터와,
상기 트랜스포머와 LED 조명등 사이에 구성되어 상기 LED 조명등으로 입력되는 전원을 정류하여 출력하는 전파 정류기와,
상기 트랜스포머의 1차측에 입력되는 전류 값을 감지하여 상기 스위칭 제어부에 출력하는 전류 감지부를 포함하되,
상기 트랜스포머는
1차측에 상기 LED 전원부, 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터, 상기 기준전압 생성부 및 상기 스위칭 제어부가 연결되고,
2차측에 상기 전파 정류기 및 LED 조명등이 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
상기 기준전압 생성부로부터 기준전압을 입력으로 받아 상기 전류 감지부에서 감지된 전류 값에 따라 상기 제1, 제2 파워 트랜지스터를 구동하는 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 LED 전원부는
교류전압을 정류하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 교류전압을 분배하는 전압 분배기와, 상기 트랜스포머에 연결되며 상기 트랜스포머의 온/오프될 때 발생하는 과도전압을 억제하는 스버너를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제4항에 있어서, 상기 기준전압 생성부는
상기 LED 전원부를 구성하는 전압 분배기의 출력 전압에 포함된 피크전압을 감지하는 피크전압 감지부와, 상기 피크전압 감지부의 출력신호에 응답하여 기준전압을 생성하는 출력하는 차동 증폭기와, 상기 전압 분배기의 출력 전압을 받아 전파전류를 생성하는 전파전류 생성부와, 상기 전파전류 생성부의 출력단에 연결되어 전파전류를 전달하는 제1 전류 미러부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제5항에 있어서, 상기 차동 증폭기는
상기 피크전압 감지부의 출력 신호가 게이트에 인가되는 제1 NMOS 트랜지스터와 기준 전압이 게이트에 인가되는 제2 NMOS 트랜지스터 및 저항들을 구비하는 차동부와, 상기 제1 NMOS트랜지스터의 드레인에 연결된 제1 PMOS 트랜지스터, 제2 NMOS 트랜지스터의 드레인에 연결된 제2 전류 미러부와, 상기 차동부에 연결되어 차동부로부터 출력되는 전압을 전류로 변환하는 전압전류 변환기와, 상기 제2 전류 미러부로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 기준전압 생성부의 출력 신호를 출력하는 전류전압 변환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제5항에 있어서, 상기 전압 분배기는
복수개의 저항들이 직렬로 연결되어 구성되며, 상기 정류기의 출력 전압을 강하시켜서 출력하는 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는
상기 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압과 전류 감지부에서 측정된 트랜스포머의 1차측 전류 값을 비교하는 비교부와, 상기 비교부에서 비교된 결과 값에 따라 상기 파워 트랜지스터의 온/오프 값을 제어하는 SR 래치부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 전파 정류기는
상기 트랜스포머의 1차측과 상기 LED 조명등의 일측 및 상기 트랜스포머의 2차측과 상기 LED 조명등의 타측에 각각 연결되는 제1, 제2 다이오드로 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 전파 정류기는
중간탭이 있는 2차 권선을 이용하는 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 트랜스포머는
직렬로 권선을 2회 감아 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 전파 정류기는
상기 트랜스포머의 1차측 및 2차측에서 출력되어 LED 조명등에 인가되는 직류 신호에 포함된 교류 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 하는 LED 조명등의 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 LED 조명등의 구동장치는
상기 제1, 제2 파워 트랜지스터의 전단에 연결된 상기 제1, 제2 구동 트랜지스터를 이용하여 게이트 입력신호의 파형을 바꾸지 않고 그 전압과 전류의 크기만을 증폭하여 제1, 제2 파워 트랜지스터의 스위칭을 일정하게 구동하는 것을 특징으로 하는 LED 조명등의 구동장치.