KR102490634B1

KR102490634B1 - 과열방지 기능 및 디밍시 역률보정 기능을 갖는 led 램프용 컨버터 회로

Info

Publication number: KR102490634B1
Application number: KR1020220106518A
Authority: KR
Inventors: 배형구; 이종현
Original assignee: 배형구; (주)유니온전자통신
Priority date: 2022-08-24
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2023-01-20

Abstract

본 발명은, 컨버터 회로의 과열시 다른 회로부에 악영향을 주지 않으면서 디밍 제어를 통하여 출력을 제어하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로를 제공하기 위한 것으로, 특히 디밍시 역률 보정기능을 갖되, 디밍 제어 및 디밍시 역률 제어도, 2-스테이지 방식을 사용하면서 게다가 입력단의 커패시터와 스위칭소자로 이루어지는 역률개선부를 추가하여, 부분적으로는 역률 제어용 칩에 의해, 크게는 합성 커패시터 변경에 의해 역률제어가 이루어지도록 함으로써, 어느 한쪽에 치우치지 않도록 조화롭게 컨버터의 시스템 전체로서 디밍 제어 및 역률 보정이 가능하도록 하는, 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로를 제공하기 위한 것이다.

Description

과열방지 기능 및 디밍시 역률보정 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로{A Converter Circuit for LED Lamps Having Power Factor Correction Function with Dimming and Overheat-Preventng Function}

본 발명은 LED 램프용 컨버터 회로에 관한 것으로, 특히 과열방지 기능 및 저(低) 디밍시 추가적인 역률보정 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로에 관한 것이다.

조명기구의 광원으로서 최근 많이 사용되는 LED는, 조도는 높으면서도 소비전력은 적고, 반영구적인 수명을 갖고, 친환경적, 감성적 조명 등의 다양한 장점을 가져, 최근 조명기구의 광원으로 대세를 형성하고 있다.

그런데, 이러한 LED 조명장치는, 장시간 LED 조명장치를 켜두었을 경우 LED 조명장치에 과도한 전류의 도통으로 인하여 회로기판에 발열 온도가 상승하게 되었다. 이는 곧 LED 조명의 조도가 변하게 되고, LED 조명장치의 부품 수명이 단축되어 불필요한 전력의 손실을 가져오는 문제점이 발생 되었다.

따라서, LED 조명장치용 회로기판의 발열온도 상태를 감지하여 일정온도 이상이면 출력전력을 감소시켜 전류의 안정적인 공급에 의해 부품 수명이 단축되는 것을 미연에 방지할 필요성이 있었다.

한편, LED의 점등을 위해서는 상용전원을 입력받아 점등에 필요한 정격전원으로 변환하여 공급하는 전원공급장치인 컨버터가 필요한바, 이러한 컨버터는, 눈부심 제거, 쾌적한 분위기 연출, 에너지 절감 등을 위해, 대개 밝기 조절 기능, 즉 디밍(Dimming) 기능을 갖는 컨버터가 사용된다.

다른 한편, 조명 장치의 품질을 결정하는 요소 중 하나로서 컨버터의 역률(Power Factor)을 들 수 있는바, 역률은 교류 회로에서 유효전력(실제로 사용된 전력)을 피상전력(전원에서 공급된 총 전력)으로 나눈 값으로, 조명 장치에 실제로 걸리는 전압과 전류가 얼마나 유효하게 일했는지를 나타내는 비율이다. 역률이 높을수록 피상전력과 유효전력의 차이가 없어져 전력 낭비를 최소화할 수 있다.

그런데, 디밍 기능을 갖는 컨버터를 이용하여 조명 장치의 밝기가 조절될 때, 입력단 전류 변화에 기인한 PWM IC의 스위칭 주파수 변화로 인한 시정수의 불일치 및 위상 변이로 역률이 저하되는 현상을 피할 수 없으며, 컨버터의 역률 저하 현상은 전력 효율 저하로 이어지므로, 컨버터를 이용하여 조명 장치의 밝기가 조절될 때 필요 이상의 전력이 소모되는 문제가 발생한다.

즉, LED 조명용 컨버터 중 디밍컨버터는 LED 부하의 전류를 제어하여 밝기를 조정하는데, 100% 출력에서는 역률(PF)이 유지되나 출력전류를 제어하여 밝기를 줄이면 역률(PF)이 낮아지게 된다. 이때 일반적으로 LED조명의 역률(PF)은 일정 이상을 넘어야 하나 출력이 낮아지면 역률도 낮아져 (일례로 출력이 20% 정도로 낮아지게 되면 역률(PF)은 0.7~0.6 이하로 낮아져) 전력손실이 커진다. 그러므로 LED 조명용 디밍컨버터에서 낮은 출력에서도 역률(PF)이 좋은 컨버터가 개발될 필요가 있었다.

이러한 과열방지를 위한 LED 조명장치용 회로기판에 관한 제1 종래기술로서, 대한민국 특허 제1269654호 (디밍 제어 기능을 갖는 엘이디 조명 등기구) 가 개시되어 있다.

상기 제1 종래기술은, 도 1에 도시된 바와 같이, 트라이악(TRIAC) 기반의 디밍(dimming) 회로로써 전원부, 블리더부(bleeder)(110), 댐퍼부(damper)(120), 전력 컨버터부(converter)(130) 및 디밍(dimming) 제어부(140)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 디밍 제어회로는 RC 회로를 이용하여 트라이악(TRIAC) 디머 기능에 의해 듀티(duty)를 갖는 AC전압을 DC전압으로 변환하고, 이를 디밍 제어부(140)의 DIM 핀(Pin)으로 인가한다. 이때, 디밍 제어부(140)는 인가된 입력신호에 따라 LED 조명 등기구 광원의 디밍을 조절하게 되는데, DIM 핀으로 인가되는 서미스터(TH)의 발열온도 감지에 따라 LED 조명 등기구 광원의 최대 출력전압을 조절하게 된다.

즉, 상기 제1 종래기술의 디밍 제어회로는 교류 입력전압을 공급하는 전원부; 상기 전원부의 교류 입력전압으로부터 발생되는 스파이크성 전압을 필터링하며, 홀딩 전류가 유지되도록 하는 블리더부(110); 상기 블리더부(110)의 교류 입력전압을 정류하며, 홀딩 전류가 유지되도록 하는 댐퍼부(120); 상기 댐퍼부(120)의 교류전압을 직류전압으로 변환하며, LED 조명 등기구 광원의 디밍 제어에 필요한 출력신호를 발생시키는 전력컨버터(130); 및 상기 댐퍼부(120) 및 상기 전력컨버터(130)로부터 입력되는 전압에 따라 LED 조명 등기구 광원의 디밍을 제어함과 더불어, 온도감지센서에 의해 회로기판의 발열온도 상태를 감지하여 출력전력을 제한하는 디밍제어부(140)를 포함되어 구성된다.

한편, 블리더부(110)와 연결된 디밍 제어부(140)는 인가되는 입력신호에 따라 LED 등기구 조명의 디밍을 제어하게 되는데, CS, GATE, GND, VDD, DIM, VS, COM, NC 의 핀(Pin)을 구비한다.

디밍 제어부(140)의 DIM 핀에는 저항(R4)과 제너다이오드(ZDF)가 병렬로 연결됨과 더불어 저항(R5), 저항(R6), 서미스터(TH), 콘덴서(C5)가 연결되고, VS 핀에는 저항(R7) 과 저항(R8)이 병렬 연결되며, COM 핀에는 콘덴서(C6)가 연결되어 있다.

이때, 디밍 제어부(140)의 DIM 핀과 연결된 서미스터(TH)는 회로기판의 발열온도를 감지하게 되는데, 디밍 제어부(140)에서 서미스터(TH)에 의해 감지된 발열온도 상태를 이용하여 기 설정된 기준 발열감지 온도의 초과 여부에 따라 LED 조명 등기구의 광원 출력전압을 제한하게 된다 (도 2 참조).

또한, 디밍 제어부(140)의 VDD 핀에는 저항(R14) 및 다이오드(D4)와 저항(R14)이 전력컨버터(130)의 트랜스(T)의 1차측 제2 코일(4-5번)에 의해 연결되고, 그 VDD 핀과 GND 핀 사이에 콘덴서(C7) 가 연결되며, 전력컨버터(130)의 GATE 핀에는 저항(R12)과 스위치(Q3)가 연결되어 있다. 스위치(Q3)의 소스단에는 저항(R9) 및 저항(R10)과 저항(R11)이 직병렬로 연결되어 있다. 이때, 스위치(Q3)는 온/오프 동작함에 따라 트랜스가 승압 또는 강압작용을 하게 된다.

이때, 트랜스의 1차측 제2 코일(4-5번)의 역할은 트랜스 제 2차측 코일(6-9번)에서 출력되는 전압의 크기를 센싱하여 디밍 제어부(140)의 전원(VDD)으로 전력을 공급함으로써, 디밍 제어부(140)가 출력전압의 크기에 적합하게 Q3의 스위칭 주기를 제어하여 일정 전압의 출력을 유지하게 하기 위함이다.

이상과 같이 상기 제1 종래기술에 따르면, LED 조명 등기구 회로기판의 발열온도 상태를 감지하여 일정온도 이상이면 최대 출력전력을 감소시킬 수 있다. 즉, LED 조명 등기구 회로기판의 발열온도 감지상태에 따라 LED 등기구 조명의 최대 출력전력이 가변되도록 제어함으로써 회로기판의 발열온도 상태에 의한 주변 부품 손상을 방지하여 안정적인 전압 공급에 의해 LED 조명 등기구 부품의 수명을 연장하는 효과가 있다.

그러나, 상기 제1 종래기술의 경우, 디밍레벨이나 출력단에서의 이상 유무와 무관하게 입력단에서 순전히 과열 여부만으로 출력을 제한하기 때문에, LED 등기구 컨버터 회로 전체의 이상 유무를 파악하여 대처할 수 없으며, 출력 전원 조절에 있어서도 단순히 1-스테이지 방식만으로 이루어지므로, 특히 역률개선에도 한계가 있는 방식이다.

한편, 과열방지를 위한 LED 조명장치용 회로기판에 관한 제2 종래기술로서, 대한민국 특허공개 제2014-0126631호 (ＬＥＤ 램프용 원격 제어 대전력 디밍 시스템 및 방법) 가 개시되어 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제2 종래기술에서의 대전력 자동 디밍기(150)는 무선 모듈(151), 온도 센서(152), 조도 센서(153), 전류 센서(154), CPU(155), MOSFET 모듈(156) 및 필터(157)를 포함하도록 구성될 수 있다.

무선 모듈(151)은 로컬 컨트롤러(140)로부터 디밍 제어 신호를 무선 수신하도록 구성될 수 있다. 무선 모듈(151)은 지그비, 블루투스, 와이파이 등의 무선 방식에 따라 구성될 수 있다.

온도 센서(152)는 주변 온도를 감지하도록 구성될 수 있다. 주변 온도에 따라 LED 디밍 제어를 하기 위함이다. 그리고 온도 피크치를 넘어서는 경우 실시간으로 전력을 차단하는 등의 조치를 통해 고장이나 오류를 방지하는 데 이용될 수 있다.

조도 센서(153)는 주변 조도를 감지하도록 구성될 수 있다. 조도 역시 피크치를 넘어서는 경우 실시간으로 전력을 차단하는 등의 조치를 통해 고장이나 오류를 방지하는 데 이용될 수 있다.

전류 센서(current transformer, CT)(154)는 다수의 LED 램프(160)로 입력되는 전류량을 감지하여 출력하도록 구성될 수 있다. 전류 센서(154)는 LED 램프(160)의 과도한 전류 방사라든가 누전과 같은 피해를 미리 감지하기 방지하기 위해 필요한 구성이다. 기존의 디머는 자가 진단 장치가 없었으나, 본 발명은 대전력 원격 기능과 더불어 자가 진단 기능을 구비한다.

CPU(central processing unit)(155)는 온도 센서(152)에 의해 감지된 주변 온도, 조도 센서(153)에 의해 감지된 주변 조도, 전류 센서(154)에 의해 출력된 전류량을 고려하여 로컬 컨트롤러(140)에 의해 무선 수신된 디밍 제어 신호를 PWM(pulse width modulation) 신호로 변환하여 출력하도록 구성될 수 있다. PWM 신호는 조명등의 제어용으로 적합하다. CPU(155)는 20 ㎲ 내지 40 ㎲ 주기를 가지며 펄스폭에 따라 디밍 출력을 결정하도록 하는 PWM 신호를 출력할 수 있다. 이와 같이, PWM 신호는 펄스폭을 이용한 디밍 제어에 매우 적합하다.

한편, CPU(155)는 전류 센서(154)에 의해 감지된 전류량이 소정 피크치 이상인 경우, 다수의 LED 램프(160)를 턴오프 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, CPU(155)는 서버(110)로 이를 통지하도록 구성될 수 있다. 이에, 서버(110)는 과도 전류를 실시간 모니터링할 수 있다.

다른 한편, CPU(155)는 온도 센서(152)에 의해 감지된 주변 온도 및 조도 센서(153)에 의해 감지된 주변 조도가 각각 소정 피크치 이상인 경우, 다수의 LED 램프(160)를 턴오프 제어하도록 구성될 수 있다. 그리고 이를 서버(110)로 통지하도록 구성될 수 있다. 주변 온도의 이상 고온을 감지하여 화재나 기타 문제를 파악할 수 있으며, 이때 전류를 차단하는 것이 바람직하다.

또 다른 한편, CPU(155)는 다수의 LED 램프(160)를 3개 그룹으로 구분하여 디밍 제어할 수 있도록 하기 위해, 디밍 제어 신호를 3상 제어 PWM 신호로 변환하여 출력하도록 구성될 수 있다. 즉, CPU(155)는 3상 신호에 의해 각 LED 램프(160)의 조도를 다르게 제어하는 것이 가능하다. 하나의 대전력 디밍 제어기(150)에는 하나의 PWM 제어 신호가 출력되어 이에 연결된 모든 LED 램프(160)는 동일한 조도로 제어되는 것이 일반적이나, PWM 신호가 3상 제어 신호로 구성되는 경우에는 3가지의 조도로 나뉘어 제어하는 것이 가능해진다.

이에, 일례로 CPU(155)는 다수의 LED 램프(160) 중 상대적으로 조도가 높은 창가의 LED 램프 그룹에는 상대적으로 낮은 출력의 3상 제어 PWM 신호를 출력하고, 창가로부터 멀어지는 LED 램프 그룹일수록 상대적으로 높은 출력의 3상 제어 PWM 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.

이처럼 CPU(155)가 필요에 따라 여러 가지의 3상 제어를 할 수 있는데, 다른 일례로서 방안의 LED 램프(160) 중 중앙 회의 탁자 바로 위의 LED 램프(160)들에는 높은 조도 제어를 하고, 그 외 양 벽 주위의 LED 램프(160)에는 낮은 조도 제어를 하는 것도 가능하다.

MOSFET(metal oxide silicon field effect transistor) 모듈(156)은 CPU(155)에서 출력된 PWM 신호에 의해 AC 220V 교류 전력을 PWM 제어하여 120 Hz의 전력 파형으로 증폭하여 출력하도록 구성될 수 있다. MOSFET 모듈(156)은 최대 5개가 구비될 수 있는데, 최대 1.5 kW 이상의 출력을 내도록 구성될 수 있다. 이때, 1%, 5%, 10% 단위 별로 출력을 세밀하게 제어하여 디밍 제어하도록 구성될 수 있다.

필터(157)는 MOSFET 모듈(156)에 의해 PWM 제어된 AC 220V 교류 전력의 PWM 노이즈를 제거하여 다수의 LED 램프(160)로 출력하도록 구성될 수 있다.

그럼에도 불구하고, 상기 제2 종래기술은 원격제어 가능한 대전력용으로서, 대기전력이 필요한 복잡하고 고가의 CPU나 원격제어용 무선모듈을 사용하는바, 일반적인 LED 점등용으로는 부적합하며, 특히 경부하에서도 역률을 0.9 이상으로 유지하는 목적을 달성하기에는 미흡하다.

다른 한편, 과열방지를 위한 LED 조명장치용 회로기판에 관한 제3 종래기술로서, 대한민국 특허 제1470379호 (컨버터 디밍 기능을 사용하는 과전류 및 과열 방지가 가능한 엘이디등) 가 개시되어 있다.

도 5를 참조하면, 상기 제3 종래기술에서의 엘이디등(100)은, 교류전류를 입력받아서 직류전류로 변환하는 컨버터(110)가 구성되고, 상기 컨버터(110)에 구성되어 전류량을 조정하는 디밍 회로(150)가 구성된다. 상기 컨버터(110)와 디밍 회로(150)는 일체로 구성된다. 또한, 상기 디밍 회로(150)에 접속되어 직류전류를 입력받아서 발광하는 엘이디 모듈(120)을 포함한다.

또한, 상기 디밍회로(150)는 원격으로도 조정할 수 있도록 수신부가 구성되어 온라인으로 전류량을 조절하여 엘이디의 밝기를 조정할 수도 있다. 또는 로터리 스위치가 연결되어 오프라인으로 전류량을 조절하여 엘이디의 밝기를 조정할 수도 있다. 상기 수신부는 무선으로 송신된 신호를 받아서 디밍회로(150)에 입력하므로 전류량을 조절할 수 있도록 구성된 것이다.

상기 제3 종래기술은 상기 디밍회로(150)와 상기 컨버터(110)에 접속되어, 상기 컨버터(110)로부터 입력되는 직류전류가 이상전류이면 상기 디밍회로(150)에 전류량을 조절하도록 신호를 발신하는 제어부(130)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 엘이디 모듈(120)의 온도를 감지하도록 구성된 온도센서(140)를 포함하고, 상기 제어부(130)는 상기 온도센서(140)에 접속되어, 상기 온도센서(140)로부터 이상온도가 신호로 감지되면 상기 디밍회로(150)에 전류량이 조정되도록 구성된다.

상기 제어부(130)는 이상전류, 이상온도를 신호로 감지하게 되면 상기 디밍회로(150)에 전류량을 줄이도록 신호를 보내게 되고 이로 인해서 정상전류가 흐르게 되고 정상온도가 감지되면 디밍회로(150)에 신호를 보내어 전류량을 증가시키게 되는데 이때의 전류량은 처음에 셋팅된 정격전류량을 초과하지 않도록 구성된다.

상기 구성에 의한 상기 제3 종래기술의 작동례를 살펴보면, 먼저, 상기 컨버터(110)를 통해서 제어된 정격 직류 전류가 상기 디밍회로(150)를 통해서 엘이디 모듈(120)로 공급된다. 또한, 상기 정격 직류 전류는 상기 제어부(130)를 통해서도 입력된다. 이때, 제어부(130)에서 전압을 감지하여 이상 전압 즉 과전압(과전류)이 감지되면 디밍회로(150)에 신호를 전송하여 공급되는 전류량을 줄여서 정상 전압으로 상기 엘이디 모듈(120)에 공급되도록 한다. 물론, 이때 엘이디의 밝기는 어두워진다.

그런데, 이 경우 상기 엘이디 모듈(120)에 지속적으로 일정 전압의 전류가 흐를 경우, 열이 축적되어 온도가 상승하게 된다. 이뿐만 아니라, 여름철 대기의 온도에 의해서도 열이 축적될 수 있다. 이때, 상기 온도센서(140)에서 설정된 온도 이상이면 상기 제어부(130)에 전기 신호를 발신하게 된다. 그러면, 제어부(130)는 상기 전기 신호를 디밍 회로(150)에 발신하여 전류량을 줄여서 과열이 방지되도록 한다. 물론, 이때 엘이디의 밝기는 어두워진다. 즉, 설정 온도 이상이 되면 전류량을 줄여서 엘이디의 발광 조도를 낮추게 되고 설정 온도가 되면 다시 정상 전류량을 도통하도록 하여 엘이디의 발광 조도를 높이게 된다.

또한, 전력을 절약하기 위해서 엘이디의 조도를 낮출 필요가 있을 때에는 상기 디밍회로(150)를 통해서 의도적으로 전류량을 조절하여 조도를 조정할 수 있다.

이처럼 상기 제3 종래기술에 의하면, 방열블록이나 냉매 튜브 등의 부대 장치 없이도 과전류 및 과열을 효율적으로 방지할 수 있고, 소형경량의 컴팩트한 디자인이 가능하며, 디밍회로(150)를 통해서 의도적으로 엘이디의 조도를 조정할 수 있는 효과가 있다.

그러나, 상기 제3 종래기술은, 블록도 정도의 너무 개략적인 개념 정도만 기재되어 있고, 또한 온도 센서가 LED 모듈의 온도를 센싱하여 제어하는바, 컨버터 회로 자체에서의 과열 방지 기능을 갖는 컨버터의 개선에서는 참작할만한 내용이 미흡하다.

또다른 한편, 과열방지를 위한 LED 조명장치용 회로기판에 관한 제4 종래기술로서, 대한민국 특허 제1616715호 (LED 조명기구의 과열방지 장치 및 그 방법) 가 개시되어 있다.

도 6을 참조하면, 상기 제4 종래기술에서의 과열방지 장치(100)는 입력된 AC전원으로부터 LED를 구동하기 위한 DC전압을 출력해주는 전원변환부(110)와 LED를 구동하기 위한 정전압과 정전류를 공급하는 LED 구동부(120)와 상기 LED 광원(200)에서 피드백되어 입력되는 LED 모듈의 온도와 전류에 따라 상기 LED 구동부(120)를 제어하는 과열방지 제어부(130)를 포함하여 구성된다. 또한 상기 LED 광원(200)은 적어도 하나 이상의 LED 모듈(210)과 각 LED 모듈(210)에 부착되어 LED 모듈(210)의 온도를 측정하는 온도센서(220)를 포함하여 구성된다.

상기 전원변환부(110)는 상용 AC100V~AC250V 내외의 AC전압을 정류하여 DC로 변환한다. 이를 위해 전원변환부(110)는 내부에 정류회로와, 정류된 전기의 고주파성분을 제거하기 위한 저역통과필터, 저역통과필터를 통과한 DC를 이용하여 부하측과 절연을 유지하도록 하는 DC-DC컨버터로 구성되어 있다. 그리고 상기 정류회로와 저역통과필터, DC-DC컨버터로 구성되는 전원변환부(110)는 일반적인 AC-DC컨버터 이며 세부의 상세한 회로방식 및 구성은 특별한 형태로 제한하지 않는다.

상기 LED 구동부(120)는 상기 과열방지 제어부(130)의 제어 신호에 따라 LED 광원(200)의 상태를 피드백 받아 LED 광원(200)을 구동하기 위한 정전압과 정전류를 제공한다. 이를 위해 내부에 PWM회로를 구비하여 고주파의 ON/OFF의 스위칭을 통해 정교한 Duty Cycle을 조절할 수 있다. 또한 상기 LED 구동부(120)는 상기 LED 광원(200)을 이루는 복수의 LED 모듈(210) 각각에 대한 복수의 구동회로의 복합체로 구성됨으로써 앞서 언급한 바와 같이 LED 모듈(210)을 개별적으로 혹은 그룹단위로 구동할 수 있다.

상기 과열방지 제어부(130)는 상기 LED 광원(200)을 이루는 하나 이상의 LED 모듈(210)에 장착된 온도센서(220)를 통해 각각의 LED 모듈(210)에 대한 실시간 온도 데이터를 수집하여 시간 t에 대한 온도(T)의 함수 F(t)를 생성한다. 또한 이렇게 생성된 온도(T)의 함수 F(t)를 시간 t에 대해서 미분처리하여 F'(t)값을 구한다. 특정시간에서 미분값은 LED소자(210)의 온도가 증가추세인지 감소추세인지 예측할 수 있는 데이터를 제공하는 것으로, 이 값을 이용하여 온도 변화 양상을 관찰함으로써 LED 광원(200)이 과도하게 과열되어 손상되기 전에 미리 LED 광원(200)에 공급되는 전류를 능동적으로 자동 조절하도록 상기 LED 구동부(120)를 제어한다. 또한 상기 과열방지 제어부(130)는 LED소자(210)의 현재온도 F(t), LED소자(210)의 온도 증감추세 F'(t), LED 광원(200)이 설치된 주변환경의 온도를 종합 분석하여 LED 모듈(210)에 공급되는 전류를 조절하도록 상기 LED 구동부(120)를 제어한다. 즉, 상기 과열방지 제어부는 적어도 하나 이상의 LED소자를 포함하는 LED 모듈에 대해서 적어도 하나 이상의 온도 센서로 온도를 측정한 결과로부터, 상기 측정한 온도의 증가나 감소를 예측하여 상기 LED 모듈로 흐르는 전류를 제어하는 역할을 한다.

또한 상기 과열방지 제어부(130)는 상기 LED 광원(200)을 구성하는 각 LED 모듈(210)의 배열과 관한 정보를 수집하여 각 LED 모듈(210) 별로 과열여부나 고장여부를 판단하고 또한 각 LED 모듈(210) 별로 공급되는 전류를 측정하여 과열된 LED 모듈(210)에는 전류를 감소시키거나, 고장난 LED소자나 LED 모듈(210)로는 전류를 차단하도록 하여 전류의 손실을 방지하고, 고장난 LED소자나 LED 모듈(210)이 있어도 전체적인 LED 광원(200)의 밝기는 일정이상 유지될 수 있도록 상기 LED 구동부(120)를 제어한다.

또한 상기 과열방지 제어부(130)는 각 LED 모듈(210)의 배열에 관한 정보를 바탕으로 최대한 서로 인접하지 않은 LED 모듈이나 LED소자를 하나 이상의 그룹을 이루도록 하여 그룹별로 LED소자나 LED 모듈로의 전류를 제어할 수 있도록 한다.

상기 메모리(140)는 최소 제어 설정온도(Tmin), LED 모듈(210)의 최대 허용전압, 최소 구동 전압, 최대 허용 전류, 정상동작 온도 범위, 입력전류에 따른 밝기값, LED 모듈(210)의 배열정보 등 LED 조명기구를 운용하는데 필요한 설정치를 저장한다. 과열방지 제어부(130)는 이 설정치를 읽어들여 과열방지를 동작의 기준치로 사용한다.

또한 상기 설정치는 사용자가 원격에서도 변경 가능하도록 하여 LED 광원(200)의 설치 환경에 따라 다르게 설정 가능하다.

상기 LED 광원(200)은 적어도 하나 이상의 LED 모듈(210)과 각 LED 모듈(210)에 장착된 온도 센서(220)를 포함하여 구성된다. LED 모듈(210)은 상기 LED 구동부(120)에 각각 병렬로 연결되거나, 일정 그룹별로 직렬로 연결되어 각 LED 모듈(210)이나 그룹별로 발열상태에 따라 전류의 양이 다르게 공급되는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 LED 모듈(210)에 부착된 온도센서(220)는 각 LED 모듈(210) 별로 온도를 실시간 측정하여 상기 과열방지 제어부(130)에 전송하여, 보다 정밀하게 각 LED 모듈(210)의 온도를 제어할 수 있도록 한다.

그러나, 상기 제4 종래기술 역시, 블록도 정도의 너무 개략적인 개념 정도만 기재되어 있고, 또한 온도 센서가 LED 모듈의 온도를 센싱하여 제어하며, 별도의 과열방지제어부를 갖는바, 컨버터 회로 자체에서의 과열 방지 기능을 갖는 컨버터의 개선에서는 참작할만한 내용이 미흡하다.

대한민국 특허 제1269654호 (디밍 제어 기능을 갖는 엘이디 조명 등기구) 대한민국 특허공개 제2014-0126631호 (ＬＥＤ 램프용 원격 제어 대전력 디밍 시스템 및 방법) 대한민국 특허 제1470379호 (컨버터 디밍 기능을 사용하는 과전류 및 과열 방지가 가능한 엘이디등) 대한민국 특허 제1616715호 (LED 조명기구의 과열방지 장치 및 그 방법) 대한민국 특허 제1455146호 (고효율 ＬＥＤ 디밍 컨버터) 대한민국 특허 제2033953호 (LED 조명용 컨버터의 역률 개선 장치 및 방법) 대한민국 특허 제2333323호 (저출력에서 역률이 향상된 디밍기능이 있는 LED 모듈 전원공급용 컨버터) 대한민국 특허 제2350568호 (역률 보정형 디밍 컨버터)

본 발명은, 상기 제1 내지 제4 종래기술의 문제점에 대한 대책으로서, 컨버터 회로의 과열시 다른 회로부에 악영향을 주지 않으면서 디밍 제어를 통하여 출력을 제어하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로를 제공하기 위한 것이다.

더욱이, 본 발명은, 디밍시 역률 보정기능을 갖되, 디밍 제어 및 디밍시 역률 제어도, 2-스테이지 방식을 사용하면서 게다가 입력단의 커패시터와 스위칭소자로 이루어지는 역률개선부를 추가하여, 부분적으로는 역률 제어용 칩에 의해, 크게는 합성 커패시터 변경에 의해 역률제어가 이루어지도록 함으로써, 어느 한쪽에 치우치지 않도록 조화롭게 컨버터의 시스템 전체로서 디밍 제어 및 역률 보정이 가능하도록 하는, 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로를 제공하기 위한 것이다.

아울러, 본 발명의 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로는, 인터페이스를 통해 지정되는 디밍 레벨과 현재 부하 상태를 고려한 피드백 제어 기능을 갖도록 하면서도, 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로를 제공하기 위한 것이다.

추가적으로, 본 발명의 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로는, 내부 온도가 이상 과열일 경우에도 디밍 제어를 하면서 동시에 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로를 제공하기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 과열방지 기능 및 디밍시 역률보정 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로는, 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로로서, 상용 교류 전원을 입력받아 필터링하여 안전하게 공급하는 전원공급부(100); 상기 전원공급부에 의해 필터링된 교류 전원을 정류하는 정류부(200); 상기 정류부(200)에 의해 정류된 직류 전원을 인버팅하면서 주파수 변조를 행하는 스위칭컨버터부(400); 상기 정류부(200)에 의해 정류된 직류 전원의 역률을 보정하는 역률보정회로부(300); 상기 정류부에 의해 정류된 직류 전원을 공급받아 상기 역률보정회로부(300)와 스위칭컨버터부(400)에 의해 인버팅 및 역률보정되면서 LED 램프의 점등부의 전압 크기로 변환하는 변압기(T1); 상기 변압기(T1)의 2차측에서 알맞게 변압된 교류를 직류로 변환하는 동기식 정류회로부(500); 상기 정류회로부(500)의 맥류를 평활화하고 고주파 차단식 필터링하여 안정된 직류전원을 LED로 공급하는 전원출력부(600); 및 상기 전원출력부(600)에서 출력 전류 및 전압을 감지하고 상기 스위칭컨버터부(400)로 디밍제어신호를 출력하여 피드백 제어하는 피드백제어부(700); 를 포함하며, 상기 피드백제어부(700)는, 출력전류의 크기를 센싱하여 정전류제어를 행하는 전류피드백부(710)를 포함하되, 상기 전류피드백부(710)는, 2이상의 분압저항들로 이루어지며, 상기 2이상의 분압저항들의 합성저항이 정전류모드의 기준값을 형성하게 되며, 상기 2이상의 분압저항들 중의 일측 분압저항(R67)이 서미스터(THS1)를 통해 연결되어 있어, 정상온도에서는 상기 서미스터(THS1)가 연결상태에 있게 되나, 컨버터 회로의 과열시에는 상기 서미스터(THS1)가 개방상태로 되어, 전체 합성저항에 따른 분압전압의 변화로 정전류모드의 기준값이 변화되어, 디밍제어를 하게 되며, 상기 전류피드백부(710)는, 상기 전원출력부(600)의 일측 연결부(P9)에 접속된 제1 분압저항(R58); 상기 제1 분압저항(R58)과 제5 접속점(P5)에서 연결되는 제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로; 및 상기 "제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로"와 제4 접속점(P4)에서 연결되는 제3 분압저항(R67) 및 제4 분압저항(R71)의 병렬회로; 로 이루어지며, 상기 제3 분압저항(R67)은 서미스터(THS1)를 통해 상기 제4 접속점(P4)에 접속되는 것을 특징으로 한다.

삭제

더욱 바람직하게는, 상기 컨버터 회로의 외부에서 디밍레벨을 부여하고 부여된 디밍레벨에 따라 저디밍 조건에서 역률개선 제어신호를 발하는 디밍/역률제어부(800); 및 상기 디밍/역률제어부(800)로부터의 상기 역률개선 제어신호에 응하여 저디밍 조건에서 상기 정류부(200)의 출력단의 리액턴스를 변경함으로써 저디밍에서의 역률을 개선하는 역률개선부(900); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한층 더 바람직하게는, 상기 피드백제어부(700)는, 상기 전원출력부(600)의 센싱된 전기신호를 증폭하는 증폭기(U3)를 포함하되, 상기 "제3 분압저항(R67) 및 제4 분압저항(R71)의 병렬회로"의 타측 제3 접속점(P3)은 상기 디밍/역률제어부(800)의 디밍인터페이스부(810)의 디밍보드(813)의 CS단자에 연결되며, 상기 제1 분압저항(R58)과 상기 "제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로"의 제5 접속점(P5)은 상기 피드백제어부(700)의 증폭기(U3)의 전류기준 입력단(5번핀)에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 피드백제어부(700)는, 상기 전원출력부(600)에서 센싱된 전압 및 전류에 의해 상기 스위칭컨버터부(400)로 피드백신호를 출력함으로써, 저출력을 위해서는 고출력에서의 주파수보다 더 높은 고주파로 스위칭을 행하도록 하여, 정전류 및 정전압으로 피드백 제어를 행하되, 상기 전원출력부(600) 중의 평활회로부(610)의 출력단(P2)의 출력전압을 분압저항을 통하여 감지하여 전압센싱신호를 발하는 전압피드백부(720)와, 상기 전원출력부(600)에서 센싱된 전압 및 전류 신호의 레벨에 따라서 상기 스위칭컨버터부(400)로 디밍제어신호를 발하는 디밍제어신호발생부(740)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 디밍/역률제어부(800)는, 상기 컨버터 회로의 외부에서 디밍레벨을 부여하는 디밍인터페이스부(810)와 디밍인터페이스부(810)로부터 입력되는 디밍레벨을 검출하여 상기 역률개선부(900)를 제어하는 디밍레벨검출부(820)로 구성되며, 상기 디밍인터페이스부(810)의 입력단(DIM+, DIM-)을 통해 기준값 이하의 디밍레벨에 대응되는 전압을 입력하게 되면, 상기 전류피드백부(710)에도 상기 기준값 이하의 디밍레벨에 대응되는 전압의 기준전압이 인가되어 상기 스위칭컨버터부(400)의 스위칭에 의해 LED점등부로의 출력이 디밍제어됨과 동시에, 한편으로는, 상기 디밍레벨검출부(820)에도 상기 기준값 이하의 디밍레벨에 대응되는 전압이 인가되면서, 저조도 디밍에서 상기 역률개선부(900)의 리액턴스 조정용 커패시터(CX4)의 스위칭 소자(Q8)를 전환하는 신호가 발하여지도록 동작하는 것을 특징으로 한다.

가장 바람직하게는, 상기 전류피드백부(710)와 상기 스위칭컨버터부(400) 간의 제어는 제2 포토커플러(PC2)에 의하여 이루어지며, 상기 디밍레벨검출부(820)와 상기 역률개선부(900) 간의 제어는 제2 포토커플러(PC2)에 의하여 이루어지며, 상기 역률개선부(900)는, 상기 제2 포토커플러(PC2)의 발광다이오드(PC2A)가 발광되면서, 저조도 디밍에서 역률개선부(900)의 상기 제2 포토커플러(PC2)의 수광부(PC2B)가 턴온되기 때문에, 상기 스위칭소자(Q8)가 오프되어 상기 리액턴스 조정용 커패시터(CX4)가 오픈되면서 합성 커패시턴스 값이 저하되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 컨버터 회로의 과열시 다른 회로부에 악영향을 주지 않으면서 디밍 제어를 통하여 출력을 제어하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로가 가능하다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 복수개의 역률 제어 방식을 병행하여 부분적으로는 역률 제어용 칩에 의해, 크게는 합성 커패시터 변경에 의해 역률제어가 이루어지도록 함으로써, 어느 한쪽에 치우치지 않도록 조화롭게 컨버터의 시스템 전체로서 디밍 제어 및 역률 보정이 가능하다.

아울러, 본 발명의 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로에 의하면, 인터페이스를 통해 지정되는 디밍 레벨과 현재 부하 상태를 고려한 피드백 제어 기능을 갖도록 하면서도, 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로를 제공하게 된다.

추가적으로, 본 발명의 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로에 의하면, 내부 온도가 이상 과열일 경우에도 디밍 제어를 하면서 동시에 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로를 제공할 수 있다.

상기 목적 및 효과 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

도 1은 제1 종래기술에 따른 디밍 제어회로의 회로 구성도.
도 2는 제1 종래기술에 따른 디밍 제어회로의 동작 흐름도.
도 3은 제2 종래기술에 따른 대전력 자동 디밍기의 세부 구성도.
도 4는 제2 종래기술에 따른 LED 램프용 원격 제어 대전력 디밍 시스템의 회로도.
도 5는 제3 종래기술에 따른 컨버터 디밍 기능을 사용하는 과전류 및 과열 방지가 가능한 엘이디등을 도시한 회로도.
도 6은 제4 종래기술에 따른 LED 조명기구의 과열방지 장치에 대한 구성도.
도 7은 본 발명의 최적 실시예에 따른 LED 램프용 컨버터 회로의 블럭도.
도 8은 도 7의 입력단에 대한 상세회로도.
도 9는 도 7의 출력단에 대한 상세회로도.
도 10은 도 7의 디밍/역률제어부에 대한 상세회로도.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

(실시예)

먼저, 본 발명의 최적 실시예에 따른 고압 및 고주파 LED 램프용 컨버터 회로에 대하여 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 최적 실시예에 따른 LED 램프용 컨버터 회로의 블럭도아고, 도 8은 도 7의 입력단에 대한 상세회로도이고, 도 9는 도 7의 출력단에 대한 상세회로도이며, 도 10은 도 7의 디밍/역률제어부에 대한 상세회로도이다.

먼저, 본 발명의 최적 실시예의 LED 램프용 컨버터 회로는, 도 7에서 보는 바와 같이, 상용 교류 전원을 입력받아 필터링하여 안전하게 공급하는 퓨즈, 라인필터, 바리스터 및 콘덴서들로 이루어지는 전원공급부(100); 상기 전원공급부에 의해 필터링된 교류 전원을 정류하는 정류부(200); 상기 정류부(200)에 의해 정류된 직류 전원을 인버팅하면서 주파수 변조를 행하는 스위칭컨버터부(400); 상기 정류부(200)에 의해 정류된 직류 전원의 역률을 보정하는 역률보정회로부(300); 상기 정류부에 의해 정류된 직류 전원을 공급받아 상기 역률보정회로부(300)와 스위칭컨버터부(400)에 의해 인버팅 및 역률보정되면서 LED 램프의 점등부의 전압 크기로 변환하는 변압기(T1); 상기 변압기(T1)의 2차측에서 알맞게 변압된 교류를 직류로 변환하는 동기식 정류회로부(500); 상기 정류회로부(500)의 맥류를 평활화하고 고주파 차단식 필터링하여 안정된 직류전원을 LED로 공급하는 전원출력부(600); 상기 전원출력부(600)에서 출력 전류 및 전압을 감지하고 상기 스위칭컨버터부(400)로 디밍제어신호를 출력하여 피드백 제어하는 피드백제어부(700); 상기 컨버터 회로의 외부에서 디밍레벨을 부여하고 부여된 디밍레벨에 따라 저디밍 조건에서 역률개선 제어신호를 발하는 디밍/역률제어부(800); 및 상기 디밍/역률제어부(800)로부터의 상기 역률개선 제어신호에 응하여 저디밍 조건에서 상기 정류부(200)의 출력단의 리액턴스를 변경함으로써 저디밍에서의 역률을 개선하는 역률개선부(900); 를 포함하여 이루어진다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 각 구성요소들을 더욱 상세히 설명하면, 상기 역률보정회로부(300)는, 역률컨트롤러용 IC인 PFC(Power Factor Controller)(U1) 및 그 주변회로를 중심으로 구성되는바, 추가적으로, PFC(U1)의 스타트RC 회로(R13~R15,C9), 정류부로부터 출력되는 맥류전압감지회로(R37~R40,C14), 쵸크트랜스(L1), 역률보정을 위한 제1 스위칭소자(Q1)와 주변회로, NTC(TH1)와 스너버회로(R22~R24,R141~R143, C5), 스위칭컨버터부(400)로의 결합저항(R25~R27) 등의 회로를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 역률보정회로부(300)의 전원단(Vcc)에는, 상기 쵸크트랜스(L1)와 자속결합된 보조코일(L1-1)과 콘덴서(C4,C5) 등으로 이루어지는 제1 보조전원부(350)가 연결되는 것이 바람직하다.

상기 스위칭컨버터부(400)는, LC공진형 스위칭컨버터 컨트롤러용 IC인 PFM(U2)과 스위칭소자(Q2,Q3) 및 그들의 주변회로들로 구성되는바, 상기 PFM(Pulse Frequency Modulator)(U2)에 의해 제어되는 주파수로 교호로 스위칭되는 제2 및 제3 스위칭소자(Q2,Q3) 및 1차 코일(T1-1)과 커패시터(C8)에 의해 발진되는바, 이러한 발진된 교류전원이 변압기(T1)에 의해 변압되는바, 특히 상기 PFM(U2)의 STBY 단자(5번)에는 상기 피드백제어부(700)의 제어신호에 의해 부하(LED) 상태를 제1 포토커플러(PC1)의 수광부(PC1B)에 의해 읽어서, 저출력으로 디밍제어를 하고자 할 경우에는 더 높은 주파수로 발진하게 된다.

이때, 상기 스위칭컨버터부(400)의 전원단(Vcc)에는, 상기 변압기(T1)와 자속결합된 보조코일(L1-5)과 콘덴서(C7) 등으로 이루어지는 제2 보조전원부(450)가 연결되는 것이 바람직하다.

계속해서, 도 7 및 도 9를 참조하면, 상기 정류회로부(500)는, 상기 변압기(T1)의 2차측에서 유도결합된 제2 및 제3 코일(T1-2, T1-3)과 이들에 각각 결합된 제20 및 제21 스위칭소자(Q20,Q21), 그리고 이들을 제어하는 동기식 정류기 컨트롤러(U4)로 이루어지는바, 상기 정류기 컨트롤러(U4)에 의해 정류된 출력전압이 다음 단의 전원출력부(600)로 출력되어진다.

상기 전원출력부(600)는, 평활용 콘덴서(C31~C33)들로 이루어지는 평활회로(610) 및 고주파 차단용 라인필터(LF5)로 이루어지는 EMI 필터부(620)를 거쳐, 안정화된 직류전압이 LED 점등부로 출력되어진다.

이때, 상기 평활회로부(610)의 일측에는 2차측 전압을 센싱하는 센싱회로부(630) 및 상기 평활회로부(610)의 출력단에는 출력전압을 센싱하는 별도의 센싱부가 구비되는바, 다음 단의 피드백제어부(700)에서는, 상기 전원출력부(600)에서 센싱된 전압 및 전류에 의해 상기 스위칭컨버터부(400)로 피드백신호를 출력함으로써, 저출력을 위해서는 고출력에서의 주파수보다 더 높은 고주파로 스위칭을 행함으로써, 정전류 및 정전압으로 피드백 제어를 행하게 된다.

이에 대해서, 도 8 및 도 9를 참조하여 더 상술하면, 상기 평활회로부(610)의 출력단(P2)의 출력전압을 분압저항을 통하여 감지하는 전압피드백부(720)가, 증폭기(일례로 LM258A)(U3)의 센싱전압입력단(2번단자)으로 출력전압을 보내게 된다. 그리하여, 기준전압 입력단(3번단자)의 기준전압(Vcc의 분압저항(R64 및 R65)에 의한 분압전압)과 비교 및 증폭하여 증폭된 전압을 1번단자로 출력한다.

유사하게, 전류피드백부(710)는, 상기 센싱회로부(630)의 센싱저항(SH3)의 양 단(P6, P9)의 전류를 센싱하기 위해, 기준전류에 해당하는 전위(P5의 전위)를 상기 증폭기(U3)의 5번 단자로 보내게 되고, P6 점의 전위를 전류피드백부(710)에 의해 감지하여 센싱전류를 6번 단자로 보내게 되는바, 이들 간의 전위차를 반전증폭하여, 증폭된 전압을 7번단자로 출력한다.

이제, 상기 전류피드백부(710)에 대해서 상술하면, 상기 센싱회로부(630)의 일측 연결부(P9)에 접속된 제1 분압저항(R58); 상기 제1 분압저항(R58)과 제5 접속점(P5)에서 연결되는 제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로; 및 상기 "제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로"와 제4 접속점(P4)에서 연결되는 제3 분압저항(R67) 및 제4 분압저항(R71)의 병렬회로; 로 이루어지며, 이때 상기 "제3 분압저항(R67) 및 제4 분압저항(R71)의 병렬회로"의 타측 제3 접속점(P3)은 상기 디밍인터페이스부(810)의 디밍보드(813)의 CS단자에 연결되며, 상기 제3 분압저항(R67)은 서미스터(THS1)를 통해 상기 제4 접속점(P4)에 접속되어진다. 아울러, 상기 제1 분압저항(R58)과 상기 "제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로"의 제5 접속점(P5)은 상기 증폭기(U3)의 전류기준 입력단(5번핀)에 연결된다.

그리하여, 상기 제1 분압저항(R58)과 상기 "제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로" 및 상기 "제3 분압저항(R67) 및 제4 분압저항(R71)의 병렬회로"의 통합 합성저항이 정전류모드의 기준값을 형성하게 된다. 이때 세부 전항 조정은 상기 가변저항(VR1)에 의해 이루어질 수 있다.

한편, 상기 서미스터(THS1)는, 온도가 상승함에 따라 저항값이 증가하는 일종의 PTC형 서미스터(Positive Temperature Coefficient Thermistor)(THS1)인바, 정상온도에서는 상기 서미스터(THS1)의 저항값이 작아서 상기 제4 접속점과 상기 제3 분압저항(R67)이 연결상태에 있게 되나, 컨버터 회로의 과열시에는 (일례로 80℃ 이상에서는) 상기 서미스터(THS1)의 저항값이 대단히 커져서 상기 제4 접속점과 상기 제3 분압저항(R67)은 개방상태에 있게 되는 것으로 해석된다.

따라서, 본 발명의 과열 제어기능을 설명하면, 일례로 외부 디밍을 100%로, 즉 CS단자(P3)의 전압이 10V일 때, 컨버터회로의 과열로 (일례로 80℃ 이상) 전류피드백부(710)의 상기 서미스터(THS1)가 오픈되면, 상기 서미스터(THS1)의 일측 접점(P4)과 CS단(P3) 간의 저항이 (R67//R71)에서 (R71)로 증가하게 되고, 상기 센싱회로부(63)의 일측 접속점(P9)과 상기 제5 접속점(P5) 간의 일측 분압저항은 (R58)로 그대로이나, 상기 센싱회로부(63)의 타측 합성 분압저항은 (Req = R84//VR1 + R67//R71) 에서 (Req' = R84//VR1 + R71) 로 증가하게 되는바, 따라서 상기 제5 접속점(P5)의 분압전압 (즉, 증폭기(U3) 5번핀의 기준전압) 은 감소하게 된다. 따라서, 상기 증폭기(U3)의 출력전압인 5번핀의 전압이 "High'에서 'Low'로 바뀌게 되면서, 100% 디밍 조건임에도 불구하고, 제1 상기 디밍제어신호발생부(740)의 제1 포토커플러(PC1A, PC1B)가 동작하여, 디밍제어용 중간 주파수로 상기 스위칭컨버터부(400)가 발진하도록 상기 PFM(U2)이 동작하게 되면서, 결국 LED 점등부로의 출력전류를 낮추게 되는 디밍제어가 이루어지게 되어, 전체 회로를 보호하게 되는 것이다.

물론, 온도가 떨어져서 상기 전류피드백부(710)의 서미스터(THS1)가 원위치되면, 당연히 상기 디밍제어는 중단되고, 100% 풀 동작으로 되돌아가게 될 것이다.

상기 피드백제어부(700)의 구동 전원(Vcc)은, 상기 변압기(T1)의 3차측 제4 코일(T1-4) 및 콘덴서(C49,C50) 들로 이루어지는 제3 보조전원부(750)에 의해 공급되어지며, 이제, 상기 Vcc에 애노드측이 접속된 디밍제어신호발생부(740)의 제1 포토커플러(PC1)의 발광다이오드(PC1A)의 캐소드측은, 제1 및 제2 역류방지 다이오드(D25,D27) 및 결합저항들에 의해, 상기 증폭기(U3)의 7번 및 1번 단자에 접속되어진다. 따라서, 컨버터 회로의 정상 동작시에는, 상기 증폭기(U3)의 7번핀이 Vcc에 가깝게 되어, 제1 역류방지 다이오드(D25)는 통전되지 않고, 제2 역류방지 다이오드(D27)는 통전되어, 정전압모드로 동작하게 되며, 상기 센싱회로부(630)의 센싱저항(SH3)에 특정전압이 걸리게 되면, 7번단자의 전압이 Vcc에서 (일례로 'Vcc/2'로) 더 떨어지게 되므로, 제1 포토커플러(PC1)의 발광다이오드(PC1A)의 캐소드측 저항(R77)에 걸리는 전압이 더 커서, 제1 역류방지 다이오드(D25)를 통해 전류가 흐르게 되면서, 정전류 모드로 동작하게 되는 것이다. 결국, 상기 제1 포토커플러(PC1)의 발광다이오드(PC1A)의 전위 레벨에 따라서, 상기 스위칭컨버터부(400)의 상기 제1 포토커플러(PC1)의 수광부(PC1B)가 경부하인지 중부하인지를 피드백제어하게 되며, 상기 스위칭컨버터부(400)는 그에 따라 공진 스위칭 주파수를 변경함으로써, 부하 출력을 변경하는 디밍 제어를 행하게 되는 것이다.

이제, 도 10을 주로 참조하고 도 7 내지 도 9를 보조적으로 참조하면, 상기 디밍/역률제어부(800)는, 상기 컨버터 회로의 외부에서 디밍레벨을 부여하는 디밍인터페이스부(810)와 디밍인터페이스부(810)로부터 입력되는 디밍레벨을 검출하여 상기 역률개선부(900)를 제어하는 디밍레벨검출부(820)로 구성되며, 먼저, 상기 디밍인터페이스부(810)의 입력단(DIM+, DIM-)에서 유저가 0~100% (여기서는, 0~10Vdc) 중의 어느 디밍값을 입력하면, 필터(812)를 거쳐, 디밍보드(813)의 CS단자로 해당 전압이 출력되어진다. 참고로, 입력단(DIM+, DIM-)을 통해 10V를 입력하게 되면, CS 단자에도 10V가 출력되며, 따라서 이 경우에는 100% 밝기로 풀 동작하게 된다.

그러나, 입력단(DIM+, DIM-)을 통해 1.5V를 입력하게 되면, CS 단자에도 1.5V가 출력되며, 따라서 이 경우에는 도 9의 전류피드백부(710)의 CS 단자에도 1.5V가 인가되고, 따라서 전류피드백부(710)의 CS 단자(P3) 전압과 상기 평활회로부(610)의 P9 지점의 전압의 전압차가 분압되어 P5 지점에 나타나게 되며 (세부적인 기준전압 조정은 가변저항(VR1)의 조정으로 이루어짐), 결국 상기 변압기 출력 및 제1 포토커플러(PC1), 그리고 상기 스위칭컨버터부(400: 도 8 참조)의 스위칭에 의해 LED점등부로의 출력이 15% 밝기로 디밍제어됨과 동시에, 한편으로는, 상기 디밍레벨검출부(820)의 비교기(U5)의 비반전입력단에도 1.5V에 준하는 전압이 인가되므로 (상기 비교기(U5)의 반전입력단에는 2V의 기준전입이 설정된 것으로 가정함), 상기 비교기의 출력이 'Low'로 되므로, 상기 제2 포토커플러(PC2)의 발광다이오드(PC2A)가 발광되면서, 저조도(20% 미만의) 디밍에서 역률개선부(900: 도 8 참조)의 상기 제2 포토커플러(PC2)의 수광부(PC2B)가 턴온되기 때문에, 결국 제8 스위칭소자(Q8)가 오프되어 합성 커패시턴스 값이 (CX3+CX4) 에서 (CX3)으로 저하되고, 저조도 디밍에서도 역률을 0.9 이상으로 유지할 수 있게 된다.

이제 마지막으로 본 발명의 전체적인 동작을 상술한다.

본 발명에 관한 디밍시 역률 보정기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로가 100% 풀 동작모드로 동작하는 상태에서, 일례로, 디밍인터페이스부(810)의 입력단(DIM+, DIM-)을 통해 디밍레벨을 5V로 입력하게 되면 (도 10 참조), 도 9의 CS 단자에도 5V가 뜨게 되고, CS 단자(P3)의 5V와 상기 센싱회로부(63)의 P9 접속점의 전압에 대한 일측 분압저항(R58)과 타측 합성 분압저항(Req = R84//VR1 + R67//R71)의 분압전압이 P5 단자에 걸리고, 이 분압전압이 상기 피드백제어부(700)의 증폭기(U3)의 전류증폭부 기준전압으로 5번단자에 인가된다.

이제, 센싱전류신호로서 상기 센싱회로부(630)의 출력단(P6)의 단자 전압이, 상기 피드백제어부(700)의 증폭기(U3)의 전류증폭부 센싱전압으로 6번단자에 인가되는바, 상기 출력단자(7번핀)에 'Low'가 출력되므로, 상기 디밍제어신호발생부(740)의 제1 포토커플러(PC1A, PC1B)가 동작하여, 5V에 해당되는 디밍제어용 중간 주파수로 상기 스위칭컨버터부(400)가 발진하도록 상기 PFM(U2)이 동작하게 되면서, 결국 LED 점등부에는 50%의 디밍제어가 이루어지게 된다. 다만, 이때는, 도 10의 디밍레벨검출부(820)의 제2 포토커플러(PC2)는, 기준전압(2V) 보다 높으므로 아직 동작하지 않고, 따라서 도 8의 역률개선부(900)의 제8 스위칭소자(Q8)는 계속해서 'On' 상태이므로, 중(重)부하용 상대적으로 높은 제1 커패시턴스값(CX3+CX4)으로 유지되고, 역률제어는 PFC(U1)를 포함한 역률보정회로부(300)에 의하여 조절된다.

한편, 디밍인터페이스부(810)의 입력단(DIM+, DIM-)을 통해 디밍레벨을 1.5V로 입력하게 되면 (도 10 참조), 도 9의 CS 단자에도 1.5V가 뜨게 되고, CS 단자(P3)의 1.5V와 상기 센싱회로부(63)의 P9 접속점의 전압에 대한 일측 분압저항(R58)과 타측 합성 분압저항(Req = R84//VR1 + R67//R71)의 분압전압이 P5 단자에 걸리고, 이 분압전압이 상기 피드백제어부(700)의 증폭기(U3)의 전류증폭부 기준전압으로 5번단자에 인가된다.

이제, 센싱전류신호로서 상기 센싱회로부(630)의 출력단(P6)의 단자 전압이, 상기 피드백제어부(700)의 증폭기(U3)의 전류증폭부 센싱전압으로 6번단자에 인가되는바, 상기 출력단자(7번핀)에 'Low'가 출력되므로, 상기 디밍제어신호발생부(740)의 제1 포토커플러(PC1A, PC1B)가 동작하여, 5V에 해당되는 디밍제어용 중간 주파수로 상기 스위칭컨버터부(400)가 발진하도록 상기 PFM(U2)이 동작하게 되면서, 결국 LED 점등부에는 50%의 디밍제어가 이루어지게 된다. 다만, 이때는, 도 10의 디밍레벨검출부(820)의 제2 포토커플러(PC2)는, 디밍레벨값(5V)이 기준전압(2V) 보다 높으므로 아직 동작하지 않고, 따라서 도 8의 역률개선부(900)의 제8 스위칭소자(Q8)는 계속해서 'On' 상태이므로, 중(重)부하용 상대적으로 높은 제1 커패시턴스값(CX3+CX4)으로 유지되고, 세부적인 역률제어는 PFC(U1)를 포함한 역률보정회로부(300)에 의하여 조절된다.

그런데, 디밍인터페이스부(810)의 입력단(DIM+, DIM-)을 통해 디밍레벨을 1.5V로 입력하게 되면, CS 단자에도 1.5V가 출력되며, 따라서 이 경우에는 도 9의 전류피드백부(710)의 CS 단자에도 1.5V가 인가되고, 따라서 전류피드백부(710)의 CS 단자(P3) 전압과 상기 평활회로부(610)의 P9 지점의 전압의 전압차가 분압되어 P5 지점에 1.5V에 대응되도록 기준전압이 나타나게 되며, 결국 상기 변압기 출력 및 제1 포토커플러(PC1), 그리고 상기 스위칭컨버터부(400: 도 8 참조)의 스위칭에 의해 LED점등부로의 출력이 15% 밝기로 디밍제어됨과 동시에, 한편으로는, 상기 디밍레벨검출부(820)의 비교기(U5)의 비반전입력단에도 1.5V에 준하는 전압이 인가되므로, 상기 비교기(U5)의 반전입력단에는 2V의 기준전입이 설정된 것으로 가정하였을 경우, 상기 비교기의 출력이 'Low'로 되므로, 상기 제2 포토커플러(PC2)의 발광다이오드(PC2A)가 발광되면서, 저조도(20% 미만의) 디밍에서 역률개선부(900: 도 8 참조)의 상기 제2 포토커플러(PC2)의 수광부(PC2B)가 턴온되기 때문에, 결국 제8 스위칭소자(Q8)가 오프되어 합성 커패시턴스 값이 (CX3+CX4) 에서 (CX3)으로 저하되고, 저조도 디밍에서도 계속해서 역률을 0.9 이상으로 유지할 수 있게 된다.

즉, 본 발명은, 제4 종래기술의 1-스테이지(STAGE) 방식과 달리, 2-스테이지(STAGE) 방식으로서, 능동 PFC (ACTIVE PFC)(U1)와 그 주변장치들로 이루어지는 역률보정회로부(300)와 PWM 이나 PFM(U2)과 그 주변장치들로 이루어지는 스위칭컨버터부(400)의 두 블럭의 회로로 별도로 구성되는바, 상기 능동 PFC(U1)는 AC 입력이 브릿지 다이오드(BD1)를 통해 정류된 상태의 맥류파를 입력되는 AC 전압의 피크치 이상으로 승압하는 동작을 하므로, AC 입력 전압의 모든 위상에서 전류가 흐르게 하여 유효전력이 극대화 (역률이 1에 가깝게 역률보정) 되게 하는 장점이 있으며, PWM 이나 PFM(U2)은, 절연형태/비절연형태를 떠나 펄스폭 또는 주파수를 변조하여 LED 구동을 위한 저전압으로 강압하는 형태의 회로인바, 여기에 저전압 (20% 미만의 디밍값) 으로 출력하는 경(輕)부하의 경우에는, 특히 역률개선부(900)를 추가하여, 경부하에서도 플리커 현상 및 EMI 문제가 없으면서도 역률이 0.9 이상이 되도록 하는 우수한 기술이다, [표 1]은, 상기 본 발명의 최적 실시예에 따른 각 부하량에서 역률(PF) 값을 나타내는바, 10% 디밍까지는 고려하지 않은 것이나, 역률개선부(900)를 2단으로 구성한다면, 10% 디밍에서도 만족스러운 역률을 나타낼 수 있다.

역률
디밍전압(V)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
부하량(%)	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
역률(PF)	-	0.9	0.91	0.93	0.95	0.95	0.96	0.97	0.975	0.98

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 점등부를 3개 이상으로 하는 경우와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.

(제1 종래기술)(도 1, 도 2)
110: 블리더부 120: 댐퍼부
130: 전력컨버터부 140: 디밍 제어부
(제2 종래기술)(도 3, 도 4)
150: 대전력 자동 디밍기 151: 무선 모듈
152: 온도 센서 153: 조도 센서
154: 전류 센서 155: CPU
156: MOSFET 모듈 157: 필터
160: LED 램프
(제3 종래기술)(도 5)
100: 컨버터 디밍 기능을 사용하는 과전류 및 과열 방지가 가능한 엘이디등
110: 컨버터 120: 엘이디 모듈
130: 제어부 140: 온도센서
150: 디밍회로
(제4 종래기술)(도 6)
100 : 과열방지 장치 110 : 전원변환부
120 : LED 구동부 130 : 과열방지 제어부
140 : 메모리 200 : LED 광원
210 : LED 모듈 220 : 온도센서
(본 발명)(도 7 ~ 도 11)
100 : 전원공급부 200 : 정류부
300 : 역률보정회로부 350 : 제1 보조전원부
400 : 스위칭컨버터부 450 : 제2 보조전원부
500 : 정류회로부 600 : 전원출력부
610 : 평활회로부 620 : 필터부
700 : 피드백제어부 710 : 전류피드백부
720 : 전압피드백부 730 : 증폭부
740 : 디밍제어신호발생부 750 : 제3 보조전원부
800 : 디밍/역률제어부 810 : 디밍인터페이스부
820 : 디밍레벨검출부 900 : 역률개선부

Claims

과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로로서,
상용 교류 전원을 입력받아 필터링하여 안전하게 공급하는 전원공급부(100);
상기 전원공급부에 의해 필터링된 교류 전원을 정류하는 정류부(200);
상기 정류부(200)에 의해 정류된 직류 전원을 인버팅하면서 주파수 변조를 행하는 스위칭컨버터부(400);
상기 정류부(200)에 의해 정류된 직류 전원의 역률을 보정하는 역률보정회로부(300);
상기 정류부에 의해 정류된 직류 전원을 공급받아 상기 역률보정회로부(300)와 스위칭컨버터부(400)에 의해 인버팅 및 역률보정되면서 LED 램프의 점등부의 전압 크기로 변환하는 변압기(T1);
상기 변압기(T1)의 2차측에서 알맞게 변압된 교류를 직류로 변환하는 동기식 정류회로부(500);
상기 정류회로부(500)의 맥류를 평활화하고 고주파 차단식 필터링하여 안정된 직류전원을 LED로 공급하는 전원출력부(600); 및
상기 전원출력부(600)에서 출력 전류 및 전압을 감지하고 상기 스위칭컨버터부(400)로 디밍제어신호를 출력하여 피드백 제어하는 피드백제어부(700);
를 포함하며,
상기 피드백제어부(700)는, 출력전류의 크기를 센싱하여 정전류제어를 행하는 전류피드백부(710)를 포함하되, 상기 전류피드백부(710)는, 2이상의 분압저항들로 이루어지며, 상기 2이상의 분압저항들의 합성저항이 정전류모드의 기준값을 형성하게 되며, 상기 2이상의 분압저항들 중의 일측 분압저항(R67)이 서미스터(THS1)를 통해 연결되어 있어, 정상온도에서는 상기 서미스터(THS1)가 연결상태에 있게 되나, 컨버터 회로의 과열시에는 상기 서미스터(THS1)가 개방상태로 되어, 전체 합성저항에 따른 분압전압의 변화로 정전류모드의 기준값이 변화되어, 디밍제어를 하게 되며,
상기 전류피드백부(710)는,
상기 전원출력부(600)의 일측 연결부(P9)에 접속된 제1 분압저항(R58);
상기 제1 분압저항(R58)과 제5 접속점(P5)에서 연결되는 제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로; 및
상기 "제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로"와 제4 접속점(P4)에서 연결되는 제3 분압저항(R67) 및 제4 분압저항(R71)의 병렬회로; 로 이루어지며,
상기 제3 분압저항(R67)은 서미스터(THS1)를 통해 상기 제4 접속점(P4)에 접속되는 것을 특징으로 하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 컨버터 회로의 외부에서 디밍레벨을 부여하고 부여된 디밍레벨에 따라 저디밍 조건에서 역률개선 제어신호를 발하는 디밍/역률제어부(800); 및
상기 디밍/역률제어부(800)로부터의 상기 역률개선 제어신호에 응하여 저디밍 조건에서 상기 정류부(200)의 출력단의 리액턴스를 변경함으로써 저디밍에서의 역률을 개선하는 역률개선부(900);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로.
제 3 항에 있어서,
상기 피드백제어부(700)는, 상기 전원출력부(600)의 센싱된 전기신호를 증폭하는 증폭기(U3)를 포함하되,
상기 "제3 분압저항(R67) 및 제4 분압저항(R71)의 병렬회로"의 타측 제3 접속점(P3)은 상기 디밍/역률제어부(800)의 디밍인터페이스부(810)의 디밍보드(813)의 CS단자에 연결되며, 상기 제1 분압저항(R58)과 상기 "제2 분압저항(R84) 및 가변저항(VR1)의 병렬회로"의 제5 접속점(P5)은 상기 피드백제어부(700)의 증폭기(U3)의 전류기준 입력단(5번핀)에 연결되는 것을 특징으로 하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로.
과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로로서,
상용 교류 전원을 입력받아 필터링하여 안전하게 공급하는 전원공급부(100);
상기 전원공급부에 의해 필터링된 교류 전원을 정류하는 정류부(200);
상기 정류부(200)에 의해 정류된 직류 전원을 인버팅하면서 주파수 변조를 행하는 스위칭컨버터부(400);
상기 정류부(200)에 의해 정류된 직류 전원의 역률을 보정하는 역률보정회로부(300);
상기 정류부에 의해 정류된 직류 전원을 공급받아 상기 역률보정회로부(300)와 스위칭컨버터부(400)에 의해 인버팅 및 역률보정되면서 LED 램프의 점등부의 전압 크기로 변환하는 변압기(T1);
상기 변압기(T1)의 2차측에서 알맞게 변압된 교류를 직류로 변환하는 동기식 정류회로부(500);
상기 정류회로부(500)의 맥류를 평활화하고 고주파 차단식 필터링하여 안정된 직류전원을 LED로 공급하는 전원출력부(600); 및
상기 전원출력부(600)에서 출력 전류 및 전압을 감지하고 상기 스위칭컨버터부(400)로 디밍제어신호를 출력하여 피드백 제어하는 피드백제어부(700);
를 포함하며,
상기 피드백제어부(700)는, 출력전류의 크기를 센싱하여 정전류제어를 행하는 전류피드백부(710)를 포함하되, 상기 전류피드백부(710)는, 2이상의 분압저항들로 이루어지며, 상기 2이상의 분압저항들의 합성저항이 정전류모드의 기준값을 형성하게 되며, 상기 2이상의 분압저항들 중의 일측 분압저항(R67)이 서미스터(THS1)를 통해 연결되어 있어, 정상온도에서는 상기 서미스터(THS1)가 연결상태에 있게 되나, 컨버터 회로의 과열시에는 상기 서미스터(THS1)가 개방상태로 되어, 전체 합성저항에 따른 분압전압의 변화로 정전류모드의 기준값이 변화되어, 디밍제어를 하게 되며,
상기 피드백제어부(700)는, 상기 전원출력부(600)에서 센싱된 전압 및 전류에 의해 상기 스위칭컨버터부(400)로 피드백신호를 출력함으로써, 저출력을 위해서는 고출력에서의 주파수보다 더 높은 고주파로 스위칭을 행하도록 하여, 정전류 및 정전압으로 피드백 제어를 행하되,
상기 전원출력부(600)의 평활회로부(610)의 출력단(P2)의 출력전압을 분압저항을 통하여 감지하여 전압센싱신호를 발하는 전압피드백부(720)와,
상기 전원출력부(600)에서 센싱된 전압 및 전류 신호의 레벨에 따라서 상기 스위칭컨버터부(400)로 디밍제어신호를 발하는 디밍제어신호발생부(740)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로.
제 3 항에 있어서,
상기 디밍/역률제어부(800)는, 상기 컨버터 회로의 외부에서 디밍레벨을 부여하는 디밍인터페이스부(810)와 디밍인터페이스부(810)로부터 입력되는 디밍레벨을 검출하여 상기 역률개선부(900)를 제어하는 디밍레벨검출부(820)로 구성되며,
상기 디밍인터페이스부(810)의 입력단(DIM+, DIM-)을 통해 기준값 이하의 디밍레벨에 대응되는 전압을 입력하게 되면,
상기 전류피드백부(710)에도 상기 기준값 이하의 디밍레벨에 대응되는 전압의 기준전압이 인가되어 상기 스위칭컨버터부(400)의 스위칭에 의해 LED점등부로의 출력이 디밍제어됨과 동시에,
한편으로는, 상기 디밍레벨검출부(820)에도 상기 기준값 이하의 디밍레벨에 대응되는 전압이 인가되면서, 저조도 디밍에서 상기 역률개선부(900)의 리액턴스 조정용 커패시터(CX4)의 스위칭 소자(Q8)를 전환하는 신호가 발하여지도록 동작하는 것을 특징으로 하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로.
제 6 항에 있어서,
상기 전류피드백부(710)와 상기 스위칭컨버터부(400) 간의 제어는 제2 포토커플러(PC2)에 의하여 이루어지며,
상기 디밍레벨검출부(820)와 상기 역률개선부(900) 간의 제어는 제2 포토커플러(PC2)에 의하여 이루어지며,
상기 역률개선부(900)는, 상기 제2 포토커플러(PC2)의 발광다이오드(PC2A)가 발광되면서, 저조도 디밍에서 역률개선부(900)의 상기 제2 포토커플러(PC2)의 수광부(PC2B)가 턴온되기 때문에, 상기 스위칭소자(Q8)가 오프되어 상기 리액턴스 조정용 커패시터(CX4)가 오픈되면서 합성 커패시턴스 값이 저하되는 것을 특징으로 하는 과열방지 기능을 갖는 LED 램프용 컨버터 회로.