KR102597658B1 - 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 광원 구동 장치 - Google Patents
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Abstract
실시 예에 따른 직류-직류 컨버터는 제 1 스위치소자에 인가되는 펄스 제어 신호에 따라 입력 전압의 레벨을 조절하여 제 1 출력 전압을 발생하는 제 1 컨버터부; 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치된 제 1 발광부; 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 연결되고, 제 2 스위치소자에 인가되는 펄스 제어 신호에 따라 상기 입력 전압 또는 상기 제 1 출력 전압의 레벨을 조절하여 제 2 출력 전압을 발생하는 제 2 컨버터부; 상기 제 2 컨버터부의 출력단에 배치된 제 2 발광부; 및 상기 제 1 및 2 발광부의 구동 모드에 따라 상기 제 1 스위치소자 및 상기 제 2 스위치소자에 인가될 펄스 제어 신호를 각각 생성하고, 상기 생성된 펄스 제어 신호에 따라 상기 제 1 및 2 스위치소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제 1 출력 전압은, 상기 입력 전압보다 크고, 상기 제 2 출력 전압은, 상기 제 1 출력 전압 및 상기 입력 전압보다 작다.
Description
본 발명은 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 특히 서로 다른 전압이 요구되는 복수의 발광부를 포함하는 발광소자 어레이에서 상기 발광소자 어레이를 안정적으로 구동시킬 수 있는 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 광원 구동 장치에 관한 것이다.
광원으로 발광다이오드(LED)가 널리 사용되고 있다. 특히, 발광 다이오드는 차량 및 조명 업계에서 유망 시장으로 부상하고 있다. 발광다이오드는 반영구적으로 사용 가능하고 고휘도와 고출력이 구현되므로, 최근 들어 차량용 광원으로 활발하게 개발되고 있다.
차량용 광원으로 발광다이오드가 사용되기 위해서는 일정한 휘도로 발광다이오드가 발광해야 한다. 이때, 발광다이오드가 일정한 휘도로 발광하기 위해서는 IC(Integrated Circuit) 형태로 설계된 정전류회로가 구비된다.
또한, 최근에는 차량의 전장화가 심화되고 각국의 배출규제가 엄격해지면서 48V 전기시스템이 주목받고 있다. 이는, 증가하고 있는 차량 내부의 전력 수요를 충당하고 연료 효율 개선에 기여할 수 있기 때문이다. 여기에서, 상기 48V는 차 내부의 전압을 의미한다. 다시 말해서, 기존 전자 장치들이 대부분 12V 전압을 쓰는 것과 비교해 4배 높은 전압을 사용하는 것을 의미한다.
따라서, 동일 전력을 내더라도 전압의 크기에 비해 전류는 반비례하며, 이에 따라, 상기 차량 내부의 전압을 12V에서 48V로 증가시킴에 따라 동일 전력을 발생하는 조건에서 전류의 크기는 1/4로 감소하게 된다. 또한, 전류가 감소할수록 전선 굵기가 얇아지며, 이는 차량 전장품의 무게를 줄일 수 있음과 동시에 전류가 감소하면서 동력 손실을 줄일 수 있어 전자장치의 효율도 높일 수 있다.
한편, 차량용이나 조명용으로 사용되는 발광다이오드는 다수의 어레이가 서로 병렬로 연결된 구조의 다채널로 구성되며, 이에 따라 상기 다채널의 발광 다이오드의 개별적 제어를 위해서는 추가적인 IC 형태의 소자가 구비되어야만 한다.
상기와 같이, 다채널 발광 다이오드를 개별적으로 제어하기 위해서는, 구동 회로의 채널 수 및 필요 부품이 증가하고, 이에 따른 구동회로의 점유 면적이 커지면서 구동이 복잡해지는 문제가 있다.
또한, 차량에 적용되는 발광 다이오드는 12V 또는 48V의 양방향 전력을 이용하여 구동하는 방식이 극히 제한되어 있으며, 이에 따라 12V 시스템에 48V의 배터리 시스템을 결합하는 배터리 하이브리드 방식에서 상기 발광다이오드를 효율적으로 구동시킬 수 있는 방식이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명에 따른 실시 예에서는, 서로 다른 전압을 요구하는 발광다이오드를 안정적으로 구동시킬 수 있는 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 광원 구동 장치를 제공하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는, 벅 타입의 컨버터 및 부스트 타입의 컨버터를 하나로 통합한 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 광원 구동 장치를 제공하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는, 부동 접지를 사용하여 높은 입력 전압과 낮은 순방향 전압을 가진 부하를 안정적으로 구동시킬 수 있는 직류-직류 컨버터 및 이를 포함하는 광원 구동 장치를 제공하도록 한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 직류-직류 컨버터는 제 1 스위치소자에 인가되는 펄스 제어 신호에 따라 입력 전압의 레벨을 조절하여 제 1 출력 전압을 발생하는 제 1 컨버터부; 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치된 제 1 발광부; 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 연결되고, 제 2 스위치소자에 인가되는 펄스 제어 신호에 따라 상기 입력 전압 또는 상기 제 1 출력 전압의 레벨을 조절하여 제 2 출력 전압을 발생하는 제 2 컨버터부; 상기 제 2 컨버터부의 출력단에 배치된 제 2 발광부; 및 상기 제 1 및 2 발광부의 구동 모드에 따라 상기 제 1 스위치소자 및 상기 제 2 스위치소자에 인가될 펄스 제어 신호를 각각 생성하고, 상기 생성된 펄스 제어 신호에 따라 상기 제 1 및 2 스위치소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제 1 출력 전압은, 상기 입력 전압보다 크고, 상기 제 2 출력 전압은, 상기 제 1 출력 전압 및 상기 입력 전압보다 작다.
또한, 상기 입력 전압이 인가되는 상기 제 1 컨버터부의 입력단 및 상기 제 2 발광부의 출력단 사이에 배치되는 제 3 스위칭 소자를 더 포함한다.
또한, 상기 제 1 컨버터부는, 일 단자를 통해 상기 입력전압이 인가되는 제 1 인덕터와, 상기 제 1 인덕터의 타 단자에 제 1 단자가 연결되고, 상기 제 1 발광부의 출력단에 제 2 단자가 연결되며, 상기 제어부에 제 3 단자가 연결되는 상기 제 1 스위치소자와, 상기 인덕터의 타 단자 및 상기 제 1 스위치소자의 제 1 단자에 애노드 단자가 연결되는 제 1 다이오드와, 상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자에 일 단자가 연결되는 제 1 커패시터를 포함한다.
또한, 상기 제 2 컨버터부는, 상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자 및 상기 제 1 커패시터의 일 단자에 제 1 단자가 연결되고, 상기 제어부에 제 3 단자가 연결되는 상기 제 2 스위치소자와, 상기 제 2 스위치소자의 제 2 단자에 캐소드 단자가 연결되고, 상기 제 1 커패시터의 타 단자에 애노드 단자가 연결되는 제 2 다이오드와, 상기 제 2 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제 2 스위치소자의 제 2 단자에 일 단자가 연결되는 제 2 인덕터와, 상기 제 2 인덕터의 타 단자에 일 단자가 연결되고, 상기 제 2 다이오드의 애노드 단자에 타 단자가 연결되는 제 2 커패시터를 포함한다.
또한, 상기 구동 모드는, 상기 제 1 및 2 발광부가 모두 온 동작하는 제 1 구동 모드와, 상기 제 1 발광부가 온 동작하고, 상기 제 2 발광부가 오프 동작하는 제 2 구동 모드와, 상기 제 1 발광부가 오프 동작하고, 상기 제 2 발광부가 온 동작하는 제 3 구동 모드를 포함한다.
또한, 상기 제 3 스위치소자는, 상기 제 1 구동 모드에서의 구간에 따라 턴온 상태 및 턴오프 상태로 동작하고, 상기 제 2 및 3 구동 모드에서 턴오프 상태가 유지된다.
한편, 실시 예에 따른 광원 구동 장치는 제 1 입력 전압을 공급하는 제 1 배터리 및 제 1 입력 전압보다 작은 제 2 입력 전압을 공급하는 제 2 배터리를 포함하는 배터리부; 상기 배터리부로부터 상기 제 1 및 2 입력 전압 중 어느 하나의 입력 전압을 인가받고, 구동 모드에 따라 상기 인가된 입력 전압을 토대로 제 1 발광부에 공급될 제 1 출력 전압을 출력하고, 상기 출력되는 제 1 출력 전압 및 상기 인가된 입력 전압 중 어느 하나의 전압을 토대로 제 2 발광부에 공급될 제 2 출력 전압을 출력하는 직류-직류 컨버터; 및 상기 배터리부와 상기 직류-직류 컨버터 사이에 배치되고, 상기 제 1 및 2 배터리 중 어느 하나의 배터리와 상기 직류-직류 컨버터 사이를 연결하는 스위치를 포함하며, 상기 직류-직류 컨버터는, 상기 배터리부와 상기 제 1 발광부 사이에 배치되고, 제 1 스위치소자의 스위칭 동작에 따라 상기 인가된 입력 전압을 승압하여 상기 제 1 출력 전압을 출력하는 부스트 컨버터와, 상기 부스트 컨버터의 출력단과 상기 제 2 발광부 사이에 배치되고, 제 2 스위치소자의 스위칭 동작에 따라 상기 인가된 입력 전압 또는 상기 부스트 컨버터를 통해 출력되는 상기 제 1 출력 전압을 강압하여 제 2 출력 전압을 출력하는 벅 컨버터를 포함한다.
또한, 상기 제 1 출력 전압은, 상기 제 1 및 2 입력 전압보다 크고, 상기 제 2 출력 전압은, 상기 제 1 출력 전압, 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압보다 작다.
또한, 상기 제 1 또는 2 입력 전압이 인가되는 상기 부스트 컨버터의 입력단 및 상기 제 2 발광부의 출력단 사이에 배치되고, 상기 구동 모드에 따라 선택적으로 턴온 동작을 하여 상기 제 2 발광부의 출력단을 상기 부스트 컨버터의 입력단에 연결하는 제 3 스위칭 소자를 더 포함한다.
또한, 상기 부스트 컨버터는, 일 단자가 상기 스위치와 연결되어 상기 제 1 또는 제 2 입력전압이 인가되는 제 1 인덕터와, 상기 제 1 인덕터의 타 단자에 제 1 단자가 연결되고, 상기 제 1 발광부의 출력단에 제 2 단자가 연결되며, 상기 제어부에 제 3 단자가 연결되는 상기 제 1 스위치소자와, 상기 인덕터의 타 단자 및 상기 제 1 스위치소자의 제 1 단자에 애노드 단자가 연결되는 제 1 다이오드와, 상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자에 일 단자가 연결되는 제 1 커패시터를 포함하고, 상기 벅 컨버터는, 상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자 및 상기 제 1 커패시터의 일 단자에 제 1 단자가 연결되고, 상기 제어부에 제 3 단자가 연결되는 상기 제 2 스위치소자와, 상기 제 2 스위치소자의 제 2 단자에 캐소드 단자가 연결되고, 상기 제 1 커패시터의 타 단자에 애노드 단자가 연결되는 제 2 다이오드와, 상기 제 2 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제 2 스위치소자의 제 2 단자에 일 단자가 연결되는 제 2 인덕터와, 상기 제 2 인덕터의 타 단자에 일 단자가 연결되고, 상기 제 2 다이오드의 애노드 단자에 타 단자가 연결되는 제 2 커패시터를 포함한다.
또한, 상기 구동 모드는, 상기 제 1 및 2 발광부가 모두 온 동작하는 제 1 구동 모드와, 상기 제 1 발광부가 온 동작하고, 상기 제 2 발광부가 오프 동작하는 제 2 구동 모드와, 상기 제 1 발광부가 오프 동작하고, 상기 제 2 발광부가 온 동작하는 제 3 구동 모드를 포함하고, 상기 제 3 스위치소자는, 상기 제 1 구동 모드에서의 구간에 따라 턴온 상태 및 턴오프 상태로 동작하고, 상기 제 2 및 3 구동 모드에서 턴오프 상태가 유지된다.
또한, 상기 스위치는 상기 제 1 및 2 구동 모드에서 상기 제 1 배터리와 상기 직류-직류 컨버터를 연결하고, 상기 제 3 구동 모드에서 상기 제 2 배터리와 상기 직류-직류 컨버터를 연결한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 서로 다른 전압이 요구되는 부하 조건에서, 복수의 부하를 각각 구동시킬 수 있는 통합된 직류-직류 컨버터를 제공할 수 있다. 즉, 직류-직류 컨버터는 전원 입력부와 연결되는 제 1 컨버터부와, 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 1 부하와, 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 2 컨버터부와, 상기 제 2 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 2 부하를 포함한다. 본 발명에서는 상기와 같이 복수의 컨버터부를 하나로 통합하고, 이에 따라 서로 다른 전압이 요구되는 복수의 부하를 안정적으로 구동시키도록 한다. 이에 따라, 본 발명에서는 복수의 컨버터부를 하나로 통합함에 따라 컨버터부가 배치되는 공간을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 제 1 컨버터부와 제 2 컨버터부의 적어도 일부를 상호 공용화함으로써, 필요 부품을 획기적으로 줄일 수 있으며, 이에 따른 제품 단가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 48V 배터리와 12V의 배터리에 연결되어, 입력 전압에 따라 각각의 부하에 안정적으로 구동 전압을 제공하는 직류-직류 컨버터를 제공한다. 더 나아가, 본 발명에서는 복수의 부하 중 구동될 부하에 따라 상기 입력 전압을 제공할 배터리를 선택하도록 한다. 즉, 본 발명에서의 직류-직류 컨버터는, 12V와 48V의 배터리를 모두 포함하는 양방향 배터리 시스템이나, 이 중 하나의 배터리만을 포함하는 분리 배터리 시스템에 모두 적용이 가능하다. 이에 따라, 본 발명에서는 부하 조건에 따라 상기 복수의 배터리 중 상기 입력 전압을 제공할 배터리를 선택함으로써, 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따른 전자장치의 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 부동 접지(Floating ground)를 사용함으로써, 높은 입력 전압과 낮은 순방향 전압을 가진 부하를 안정적으로 구동시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 높은 듀티 비를 토대로 스위칭 소자를 제어함으로써, 구동 회로의 안정성을 높일 수 있음과 동시에 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 L-C 출력 필터를 이용하여 출력 노이즈를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 높은 전압이 요구되는 부하에서의 L-C 필터를 강화할 수 있다.
도 1은 비교 예에 따른 광원 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 직류-직류 컨버터의 상세 회로도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 직류-직류 컨버터의 제 1 구동 모드 시의 스위칭 소자의 동작 상태를 보여주는 도면이다.
도 8 및 9는 본 발명의 직류-직류 컨버터의 제 3 구동 모드 시의 스위칭 소자의 동작 상태를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 장치의 광원 구동 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 직류-직류 컨버터의 상세 회로도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 직류-직류 컨버터의 제 1 구동 모드 시의 스위칭 소자의 동작 상태를 보여주는 도면이다.
도 8 및 9는 본 발명의 직류-직류 컨버터의 제 3 구동 모드 시의 스위칭 소자의 동작 상태를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 장치의 광원 구동 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 비교 예에 따른 광원 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 비교 예에 따른 광원 구동 장치는 입력 전원 및 출력 전원의 크기에 따라 (a)에서와 같이 제 1 타입의 컨버터로 구성될 수 있고, (b)에서와 같이 제 2 타입의 컨버터로 구성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 타입의 컨버터는 벅 타입의 컨버터일 수 있고, 제 2 타입의 컨버터는 부스트 타입의 컨버터일 수 있다.
도 1의 (a)를 참조하면, 광원 구동 장치는 배터리(10), 벅-컨버터(20) 및 제 1 발광 소자(30)를 포함한다.
그리고, 도 1의 (b)를 참조하면, 광원 구동 장치는 배터리(40), 부스트 컨버터(50) 및 제 2 발광 소자(60)를 포함한다.
상기 배터리(10, 40)는, 12V의 전압을 제공하는 12V 배터리일 수 있고, 48V의 전압을 제공하는 48V 배터리일 수 있다.
그리고, 제 1 발광 소자(30)는 상기 배터리(10, 40)에서 제공되는 전압보다 낮은 전압이 요구되는 부하일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 발광 소자(30)는 3V의 구동 전압이 요구되는 부하일 수 있다.
또한, 제 2 발광 소자(60)는 상기 배터리(10, 40)에서 제공되는 전압보다 높은 전압이 요구되는 부하일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 발광 소자(60)는 60V의 구동 전압이 요구되는 부하일 수 있다.
한편, 최근에는 12V의 배터리 시스템에 48V의 배터리 시스템을 결합하는 배터리 하이브리드 방식이 개발 또는 고안되고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 광원 구동 장치는, 12V의 배터리 및 48V의 배터리 중 어느 하나의 배터리에 대해서만 입력 전압을 제공받도록 설계되었기 때문에, 상기 하이브리드 방식에서는 동작이 제한될 수 있으며, 이에 따라 발광소자를 안정적으로 구동하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같이 제 1 부하와 제 2 부하는 서로 다른 조건을 요구하고 있으며, 이에 따라 상기 제 1 부하에는 벅 컨버터를 통해 구동 전압이 공급되고, 제 2 부하에는 부스트 컨버터를 통해 구동 전압이 공급된다.
따라서, 비교 예에 따르면, 상기 제 1 및 2 부하에 각각 구동 전압을 공급하기 위해서는 서로 분리되어 있는 벅 컨버터 및 부스트 컨버터가 각각 필요하다. 그리고, 비교 예에서는 상기 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 분리 배치에 따른 제품 차지 공간이 증가하며, 이에 따른 제품 부피가 커지는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 광원 구동 장치(100)는 배터리부(130) 및 직류-직류 컨버터를 포함한다. 그리고, 상기 직류-직류 컨버터는 제 1 발광부(110), 제 2 발광부(120), 스위치(160), 컨버터부(170) 및 제어부(180)를 포함한다.
제 1 발광부(110) 및 제 2 발광부(120)는 컨버터부(170)로부터 구동 전압을 공급받아 발광 동작을 한다.
상기 제 1 및 2 발광부(110, 120)는 차량의 제동등(Break Lamp), 미등(Tail Lamp), 후진등(Backup Lamp) 또는 방향지시등(Turn Signal Lamp)을 구성할 수 있다. 즉, 상기 제 1 및 2 발광부(110, 120)는 차량의 제동동, 미등, 후진등, 방향 지시등 중 적어도 2개의 광원이 상호 병렬로 연결된 구성을 가질 수 있다.
그리고, 상기 제 1 및 2 발광부(110, 120)를 구성하는 각 발광부는 제동등, 미등, 후진등 또는 방향지시등에서 요구되는 각각의 사이즈나 광 출력 세기에 따라 발광소자의 개수가 달라질 수 있다.
즉, 상기 제 1 및 2 발광부(110, 120)를 구성하는 각 발광부 중 어느 하나는 1개의 발광 소자만을 포함할 수 있고, 다른 하나의 발광부는 적어도 2개의 발광 소자를 포함할 수 있다. 이와 다르게 상기 제 1 및 2 발광부(110, 120)를 구성하는 각 발광부는 모두 1개의 발광 소자만을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 이와 다르게 상기 제 1 및 2 발광부(110, 120)를 구성하는 각 발광부는 모두 적어도 2개 이상의 발광소자를 포함할 수 있다.
배터리부(130)는 부하에 필요한 전원을 공급하기 위한 입력 전원을 제공한다. 상기 배터리부(130)는 상기 직류-직류 컨버터가 적용되는 제품에 따라 규격이 변경될 수 있다. 바람직하게, 직류-직류 컨버터는 차량에 적용될 수 있으며, 상기 배터리부(130)는 상기 차량 내에 구비된 배터리일 수 있다.
또한, 상기 배터리부(130)는 제 1 전압을 출력하는 배터리 A(140)와, 제 2 전압을 출력하는 배터리 B(150)를 포함할 수 있다. 여기에서, 상기 제 1 전압은 12V 및 48V 중 어느 하나일 수 있고, 상기 제 2 전압은 상기 12V 및 48V 중 다른 하나일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 상기 배터리 A(140)는 48V 배터리이고, 상기 배터리 B(150)는 12V 배터리로 구성되는 것으로 설명한다. 다만, 이는 본 발명의 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 배터리 A(140) 및 상기 배터리 B(150)의 규격은 변화할 수 있다.
스위치(160)는 상기 배터리부(130)를 구성하는 복수의 배터리 중 어느 하나의 배터리와 연결되고, 그에 따라 상기 연결된 배터리로부터 출력되는 전압을 상기 컨버터부(170)에 공급한다.
바람직하게, 상기 스위치(160)는 상기 배터리 A(140)와 연결되고, 그에 따라 상기 컨버터부(170)에 48V의 전압을 제공할 수 있다. 또한, 이와 다르게 상기 스위치(160)는 상기 배터리 B(150)와 연결되고, 그에 따라 상기 컨버터부(170)에 12V의 전압을 제공할 수 있다.
이때, 상기 제 1 발광부(110)는 상기 배터리 A(140) 및 상기 배터리 B(150)의 전압보다 높은 전압이 요구되는 부하이고, 상기 제 2 발광부(120)는 상기 배터리 A(140) 및 상기 배터리 B(150)의 전압보다 낮은 전압이 요구되는 부하일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 발광부(110)는 60V의 전압을 구동전압으로 발광 동작을 하는 발광소자를 포함할 수 있고, 상기 제 2 발광부(120)는 3V의 전압을 구동 전압으로 발광 동작을 하는 발광 소자를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제 1 발광부(110) 및 제 2 발광부(120) 각각은 적어도 하나의 발광 소자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 1 발광부(110) 및 제 2 발광부(120) 각각은 발광다이오드(LED)와 같은 반도체 발광소자나 그 반도체 발광소자가 채택된 발광소자패키지나 발광 디바이스를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
컨버터부(170)는 상기 스위치(160)를 통해 상기 배터리 A(140) 및 배터리 B(150) 중 어느 하나의 배터리와 연결되고, 그에 따라 상기 제 1 발광부(110) 및 제 2 발광부(120)에 선택적으로 구동 전압을 공급한다.
컨버터부(170)는 복수의 구동 모드 내에서 각각 동작할 수 있다.
상기 구동 모드는, 제 1 발광부(110) 및 제 2 발광부(120)가 모두 동작하는 제 1 구동 모드와, 상기 제 1 발광부(110)만이 동작하는 제 2 구동 모드와, 상기 제 2 발광부(120)만이 동작하는 제 3 구동 모드를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 컨버터부(170)는 상기 제 1 구동 모드 내에서, 상기 제 1 발광부(110) 및 상기 제 2 발광부(120)에 각각 구동 전압을 공급한다. 그리고, 상기 컨버터부(170)는 상기 제 2 구동 모드 내에서 상기 제 1 발광부(110)에만 선택적으로 구동 전압을 공급한다. 또한, 상기 컨버터부(170)는 제 3 구동 모드 내에서 상기 제 2 발광부(120)에만 선택적으로 구동 전압을 공급한다.
이를 위해, 상기 컨버터부(170)는 상기 스위치(160)와 연결되는 제 1 컨버터부(추후 설명)와, 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 연결되는 제 2 컨버터부를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제 1 컨버터부는 상기 스위치(160)를 통해 연결된 배터리의 출력 전압을 승압하여, 상기 제 1 발광부(110)에 공급할 수 있다. 또한, 상기 제 2 컨버터부는 상기 제 1 컨버터부의 출력단과 상기 제 1 발광부(110)의 캐소드 단자 사이의 노드에 연결되어, 상기 노드에 걸리는 전압을 강압하여 상기 제 2 발광부(120)에 공급할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 컨버터부 및 제 2 컨버터부 각각은 스위칭 소자를 포함하며, 상기 스위칭 소자의 동작에 따라 상기 제 1 컨버터부 및 제 2 컨버터부 각각의 동작이 제어될 수 있다. 이때, 상기 제 1 컨버터부는 부스트 타입으로 구성될 수 있고, 상기 제 2 컨버터부는 벅 타입으로 구성될 수 있다. 상기 부스트 타입의 컨버터는 출력 전압이 입력 전압보다 높게 나타나는 특성을 가지며, 상기 벅 타입의 컨버터는 출력 전압이 입력 전압보다 낮게 나타나는 특성을 가진다.
제어부(180)는 상기 제 1 발광부(110) 및 제 2 발광부(120)의 구동 조건에 따라 상기 배터리 A(140) 및 배터리 B(150) 중 어느 하나의 배터리와 상기 컨버터부(170)가 연결되도록 할 수 있다. 다시 말해서, 상기 제어부(180)는 상기 스위치(160)를 제어하여, 상기 컨버터부(170)에 연결되는 배터리를 선택할 수 있다. 상기 연결되는 배터리는 상기 구동 모드에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부(180)는 상기 제 1 구동 모드에서 상기 컨버터부(170)가 상기 배터리 A(140)와 연결되도록 상기 스위치(160)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(180)는 상기 제 2 구동 모드에서 상기 컨버터부(170)가 상기 배터리 A(140)와 연결되도록 상기 스위치(160)를 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부(180)는 상기 제 3 구동 모드에서 상기 컨버터부(170)가 상기 배터리 B(150)와 연결되도록 상기 스위치(160)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(180)는 상기 구동 모드에 따라 상기 제 1 컨버터부 및 제 2 컨버터부를 각각 제어할 수 있다. 바람직하게, 상기 제어부(180)는 상기 구동 모드에 따라 상기 제 1 컨버터부 및 제 2 컨버터부를 구성하는 각각의 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어한다.
상기와 같이 본 발명에서의 배터리부(130)는 배터리 A(140) 및 배터리 B(150)를 포함한다. 그리고, 상기 배터리 A(140) 및 배터리 B(150)의 출력단과 상기 컨버터부(170)의 입력단 사이에는 스위치(160)가 배치되어, 상기 컨버터부(170)에 전원을 공급할 입력전원을 선택할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에서는 상기와 같이 서로 다른 조건이 요구되는 제 1 발광부(110) 및 제 2 발광부(120)를 하나의 컨버터부(170)와 공통 연결되도록 하고, 그에 따라 각각의 발광부의 동작 조건에 따라 상기 컨버터부(170)의 구동 모드를 구분할 수 있도록 한다.
본 발명에서는 상기와 같이 복수의 컨버터부를 하나로 통합하고, 이에 따라 서로 다른 전압이 요구되는 복수의 부하를 안정적으로 구동시키도록 한다. 이에 따라, 본 발명에서는 복수의 컨버터부를 하나로 통합함에 따라 컨버터부가 배치되는 공간을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 제 1 컨버터부와 제 2 컨버터부의 적어도 일부를 상호 공용화함으로써, 필요 부품을 획기적으로 줄일 수 있으며, 이에 따른 제품 단가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 48V 배터리와 12V의 배터리에 연결되어, 입력 전압에 따라 각각의 부하에 안정적으로 구동 전압을 제공하는 직류-직류 컨버터를 제공한다. 더 나아가, 본 발명에서는 복수의 부하 중 구동될 부하에 따라 상기 입력 전압을 제공할 배터리를 선택하도록 한다. 즉, 본 발명에서의 직류-직류 컨버터는, 12V와 48V의 배터리를 모두 포함하는 양방향 배터리 시스템이나, 이 중 하나의 배터리만을 포함하는 분리 배터리 시스템에 모두 적용이 가능하다. 이에 따라, 본 발명에서는 부하 조건에 따라 상기 복수의 배터리 중 상기 입력 전압을 제공할 배터리를 선택함으로써, 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따른 전자장치의 효율을 높일 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 도 2에 도시된 직류-직류 컨버터의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 도 2에 도시된 직류-직류 컨버터의 상세 회로도이다.
도 3을 참조하면, 직류-직류 컨버터는 제 1 발광부(110), 제 2 발광부(120), 스위치(160), 컨버터부(170) 및 제어부(180)를 포함한다.
그리고, 상기 컨버터부(170)는 제 1 컨버터부(172) 및 제 2 컨버터부(174)를 포함한다.
상기 제 1 컨버터부(172)는 제 1 인덕터(L1), 제 1 스위치소자(Q1), 제 3 다이오드(D3), 제 1 커패시터(C1), 및 제 1 저항(R1)을 포함한다.
그리고, 제 2 컨버터부(174)는 제 2 스위치소자(Q2), 제 2 인덕터(L2), 제 2 커패시터(C2), 제 2 저항(R2) 및 제 3 스위치소자(Q3)를 포함한다.
한편, 스위치(160)는 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)를 포함한다.
상기 제 1 스위치(SW1)는 일 단자가 상기 배터리 A(140)의 출력 단자에 연결되고, 타 단자가 컨버터부(170)의 입력 단자에 연결된다.
또한, 제 2 스위치(SW2)는 일 단자가 상기 배터리 B(150)의 출력 단자에 연결되고, 타 단자가 상기 컨버터부(170)의 입력 단자에 연결된다.
여기에서, 상기 컨버터부(170)의 입력 단자는 도 3에 도시된 제 1 노드(N1)일 수 있다.
제어부(180)는 상기 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)의 온 오프 동작을 제어하고, 그에 따라 상기 컨버터부(170)에 입력 전압을 공급할 배터리를 선택할 수 있다.
이때, 상기 배터리의 선택에 대한 기본 조건은 상기 배터리 A(140) 및 배터리 B(150)의 충전 용량에 따라 결정될 수 있다. 또한, 상기 배터리 선택의 조건에는 상기 제 1 발광부(110) 및 제 2 발광부(120)의 구동 조건에 따라 결정될 수 있다. 바람직하게, 상기 배터리의 선택 조건은 상기 직류-직류 컨버터의 구동 모드에 따라 결정될 수 있다.
한편, 상기 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)는 상기 직류-직류 컨버터가 동작하는 조건 내에서 서로 상보적으로 동작할 수 있다. 다시 말해서, 상기 제 1 스위치(SW1)가 온 동작을 하면, 상기 제 2 스위치(SW2)는 오프 동작을 할 수 있다. 이와 반대로, 상기 제 1 스위치(SW1)가 오프 동작을 하면, 상기 제 2 스위치(SW2)는 온 동작을 할 수 있다. 또한, 상기 직류-직류 컨버터가 동작하지 않는 조건에서는 상기 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)가 모두 오프 동작을 할 수 있다.
바람직하게, 상기 제 1 스위치(SW1) 및 상기 제 2 스위치(SW2)와 상기 직류-직류 컨버터 사이에는 역방향으로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 다이오드가 추가로 배치될 수 있다.
즉, 상기 제 1 스위치(SW1)와 상기 직류-직류 컨버터 사이에는 제 1 다이오드(D1)가 배치되고, 상기 제 2 스위치(SW2)와 상기 직류-직류 컨버터 사이에는 제 2 다이오드(D2)가 배치될 수 있다.
상기 제 1 다이오드(D1)는 애노드 단자가 상기 제 1 스위치(SW1)의 타 단자와 연결되고, 캐소드 단자가 상기 직류-직류 컨버터의 입력 단자인 상기 제 1 노드(N1)에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 스위치(SW1)는 일 단자가 상기 배터리 A(140)의 출력 단자에 연결되고, 타 단자가 상기 제 1 다이오드(D1)의 애노드 단자에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제 2 다이오드(D2)는 애노드 단자가 상기 제 2 스위치(SW2)의 타 단자와 연결되고, 캐소드 단자가 상기 직류-직류 컨버터의 입력 단자인 상기 제 1 노드(N1)에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제 2 스위치(SW2)는 일 단자가 상기 배터리 B(150)의 출력 단자에 연결되고, 타 단자가 상기 제 2 다이오드(D2)의 애노드 단자에 연결될 수 있다.
상기 직류-직류 컨버터는 제 1 발광부(110, LED A) 및 제 2 발광부(120, LED B)를 구동시키기 위한 전원을 공급한다. 이를 위해, 직류-직류 컨버터는 크게 부하에 해당하는 상기 제 1 발광부(110, LED A) 및 제 2 발광부(120, LED B)와, 상기 부하에 전원을 공급하는 컨버터부(170)를 포함한다. 그리고, 상기 컨버터부(170)는 입력 전압을 승압한 출력 전압을 발생시키는 제 1 컨버터부(172)와, 입력 전압을 강압한 출력 전압을 발생시키는 제 2 컨버터부(174)를 포함한다.
다시 말해서, 상기 컨버터부(170)는 부스트 타입의 제 1 컨버터부(172)와, 벅 타입의 제 2 컨버터부(174)를 포함한다.
상기 제 1 컨버터부(172)는 제 1 인덕터(L1), 제 1 스위치소자(Q1), 제 3 다이오드(D3), 제 1 커패시터(C1), 및 제 1 저항(R1)을 포함할 수 있다.
제 1 인덕터(L1)는 일 단자가 제 1 노드(N1)에 연결되고, 타 단자가 제 2 노드(N2)에 연결될 수 있다.
그리고, 제 1 스위치소자(Q1)는 제 1 단자가 제 2 노드(N2)에 연결되고, 제 2 단자가 제 6 노드(N6)에 연결되며, 제 3 단자가 제어부(180)에 연결될 수 있다. 여기에서, 상기 제 1 스위치소자(Q1)의 제 1 단자는 드레인 단자일 수 있고, 제 2 단자는 소스 단자일 수 있으며, 제 3 단자는 게이트 단자일 수 있다. 바람직하게, 상기 제 1 스위치소자(Q1)는 N 채널의 FET(Field Effect Transistor)일 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 제 1 스위치소자(Q1)는 상기 N 채널의 FET를 제외한 다른 타입의 트랜지스터로 구현될 수 있을 것이다.
제 3 다이오드(D3)는 애노드 단자가 제 2 노드(N2)에 연결되고, 캐소드 단자가 제 3 노드(N3)에 연결될 수 있다.
그리고, 제 1 커패시터(C1)는 일 단자가 제 3 노드(N3)에 연결되고, 타 단자가 제 4 노드(N4)에 연결될 수 있다.
또한, 제 1 저항(R1)은 일 단자가 제 5 노드(N5)에 연결되고, 타 단자가 상기 제 1 발광부(110, LED A)의 입력 단자에 연결될 수 있다.
여기에서, 상기 제 1 컨버터부(172)를 구성하는 구성요소 중 상기 제 1 인덕터(L1), 제 1 스위치소자(Q1) 및 제 3 다이오드(D3)는 입력 전압을 승압하여 출력하는 전력 변환 기능을 하는 구성요소이고, 상기 제 1 커패시터(C1)는 출력 전압에 포함된 교류성분을 제거하는 필터 기능을 하는 구성요소이며, 상기 제 1 저항(R1)은 상기 제 1 발광부(110, LED A)에 공급되는 출력 전류를 제한하기 위한 보호 기능을 하는 구성요소이다.
또한, 상기 제 2 컨버터부(174)는 제 2 인덕터(L2), 제 2 스위치소자(Q2), 제 4 다이오드(D4), 제 2 커패시터(C2), 제 3 스위치소자(Q3) 및 제 2 저항(R2)을 포함할 수 있다.
제 2 스위치소자(Q2)는 제 1 단자가 제 5 노드(N5)에 연결되고, 제 2 단자가 제 7 노드(N7)에 연결되며, 제 3 단자가 제어부(180)에 연결될 수 있다. 여기에서, 상기 제 1 스위치소자(Q1)의 제 1 단자는 드레인 단자일 수 있고, 제 2 단자는 소스 단자일 수 있으며, 제 3 단자는 게이트 단자일 수 있다. 바람직하게, 상기 제 2 스위치소자(Q2)는 N 채널의 FET(Field Effect Transistor)일 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 제 2 스위치소자(Q2)는 상기 N 채널의 FET를 제외한 다른 타입의 트랜지스터로 구현될 수 있을 것이다.
제 2 인덕터(L2)는 일 단자가 제 7 노드(N7)에 연결되고, 타 단자가 제 8 노드(N8)에 연결될 수 있다.
제 4 다이오드(D4)는 애노드 단자가 제 4 노드(N4)에 연결되고, 캐소드 단자가 제 7 노드(N7)에 연결될 수 있다.
그리고, 제 2 커패시터(C2)는 일 단자가 제 4 노드(N4)에 연결되고, 타 단자가 제 8 노드(N8)에 연결될 수 있다.
또한, 제 2 저항(R2)은 일 단자가 제 8 노드(N8)에 연결되고, 타 단자가 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 입력 단자에 연결될 수 있다.
그리고, 제 3 스위치소자(Q3)는 제 1 단자가 제 9 노드(N9)에 연결되고, 제 2 단자가 제 2 노드(N2)에 연결되며, 제 3 단자가 제어부(180)에 연결될 수 있다. 여기에서, 상기 제 3 스위치소자(Q3)의 제 1 단자는 드레인 단자일 수 있고, 제 2 단자는 소스 단자일 수 있으며, 제 3 단자는 게이트 단자일 수 있다. 바람직하게, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 N 채널의 FET(Field Effect Transistor)일 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 일 실시 예에 불과할 뿐, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 상기 N 채널의 FET를 제외한 다른 타입의 트랜지스터로 구현될 수 있을 것이다.
여기에서, 상기 제 1 컨버터부(172)를 구성하는 구성요소 중 상기 제 2 인덕터(L2), 제 2 스위치소자(Q2) 및 제 4 다이오드(D4)는 입력 전압을 강압하여 출력하는 전력 변환 기능을 하는 구성요소이고, 상기 제 2 커패시터(C2)는 출력 전압에 포함된 교류성분을 제거하는 필터 기능을 하는 구성요소이며, 상기 제 2 저항(R2)은 상기 제 2 발광부(120, LED B)에 공급되는 출력 전류를 제한하기 위한 보호 기능을 하는 구성요소이며, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 상기 제 2 스위치소자(Q2)의 온-오프 동작의 신뢰성을 확보하기 위한 부동 접지 기능을 하는 구성요소이다.
여기에서, 상기 제 1 스위치소자(Q1) 및 제 2 스위치소자(Q2)는 제어부(180)로부터 공급되는 펄스 폭 변조신호(PWM)에 의해 온 또는 오프 동작을 반복함으로써, 제 1 인덕터(L1) 또는 제 2 인덕터(L2)로부터 상기 제 1 발광부(110, LED A) 및 제 2 발광부(120, LED B)에 공급되는 전류의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 상기 설명한 바와 같이, 제 1 스위치소자(Q1), 제 2 스위치소자(Q2) 및 제 3 스위치소자(Q3) 각각은 편의상 전력용 MOSFET으로 표기되어 있을 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 이는 전력 용량에 따라 온-오프 제어 가능한 소자로 구성될 수 있다.
직류-직류 컨버터는 배터리 A(140) 또는 배터리 B(150)로부터 입력 전압을 인가받는다. 그리고, 상기 제 1 컨버터부(172)는 상기 제 1 스위치소자(Q1)의 온-오프 동작에 따라 제 5 노드(N5)로 제 1 출력 전압을 발생할 수 있다.
또한, 상기 제 2 컨버터부(174)는 상기 제 2 스위치소자(Q2)의 온-오프 동작에 따라 상기 제 5 노드(N5)에 걸리는 제 1 출력 전압의 크기를 변화시켜 제 8 노드(N8)로 제 2 출력 전압을 발생할 수 있다.
이때, 상기 제 1 출력 전압은 상기 입력 전압(배터리 A(140) 또는 배터리 B(150)로부터 출력된 전압)보다 클 수 있고, 상기 제 2 출력 전압은 상기 입력 전압보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 상기 제 5 노드(N5)에 걸리는 전압에 따라 선택적으로 온 동작을 하여, 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 출력단을 부동 접지(Floating ground)시킨다.
즉, 상기 제 2 발광부(120, LED B)는 입력 전압보다 낮은 전압이 요구되는 조건에서 동작한다. 이때, 상기 입력 전압은 상기 제 1 컨버터부(172)를 통해 이미 승압될 수 있으며, 상기 제 2 컨버터부(174)는 상기 승압된 전압을 강압하여 상기 제 2 출력 전압을 발생한다. 이때, 상기 제 1 출력 전압과 상기 제 2 출력 전압 사이의 차이가 큰 경우, 상기 제 2 스위치소자(Q2)의 안정적인 구동이 힘들 수 있다. 따라서, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 상기 제 5 노드(N5)에 걸리는 전압에 따라 온 동작을 하며, 상기 제 3 스위치소자(Q3)가 온 동작을 함에 따라 상기 제 8 노드(N8)의 전위가 증가한다. 그리고, 상기 제 8 노드(N8)의 전위가 증가함에 따라 상기 제 2 스위치소자(Q2)에 공급되는 펄스 폭 변조 신호의 듀티 비(duty ratio)는 증가한다. 그리고, 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티 비의 증가에 따라 상기 제 2 스위치소자(Q2)는 안정적으로 구동될 수 있다. 이에 대해서는 하기에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
이하에서는 직류-직류 컨버터의 구동 모드에 따른 상기 제 1 스위치소자(Q1), 제 2 스위치소자(Q2) 및 상기 제 3 스위치소자(Q3)의 스위칭 동작에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에서의 상기 직류-직류 컨버터의 구동 모드는 크게 3개의 모드로 구분될 수 있다.
바람직하게, 상기 구동 모드는, 상기 제 1 발광부(110, LED A) 및 제 2 발광부(120, LED B)를 모두 구동시키기 위한 제 1 구동 모드와, 상기 제 1 발광부(110, LED A)만을 구동시키기 위한 제 2 구동 모드와, 상기 제 2 발광부(120, LED B)만을 구동시키기 위한 제 3 구동 모드를 포함할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 직류-직류 컨버터의 제 1 구동 모드 시의 스위칭 소자의 동작 상태를 보여주는 도면이다.
상기 직류-직류 컨버터는, 상기 제 1 구동 모드에서 상기 제 1 인덕터(L1)를 충전시키는 제 1 구간과, 상기 제 1 인덕터(L1)에 축적된 에너지가 출력되는 제 2 구간, 상기 제 2 인덕터(L2)를 충전시키는 제 3 구간, 및 상기 제 2 인덕터(L2)에 축적된 에너지가 출력되는 제 4 구간을 포함한다. 그리고, 상기 제 2 구간에서는 상기 제 1 발광부(110, LED A)에 구동 전류가 공급되어 상기 제 1 발광부(110, LED A)의 발광 동작이 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제 4 구간에서는 상기 제 2 발광부(120, LED B)에 구동 전류가 공급되어 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 발광 동작이 이루어질 수 있다.
도 4는 상기 제 1 구간에서의 스위치소자들의 동작 상태 및 이에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 제 1 구간 동안 상기 제 1 스위치소자(Q1)는 턴온되고, 제 2 스위치소자(Q2) 및 제 3 스위치소자(Q3)는 턴오프된다.
이때, 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2) 중 어느 하나는 온 되어 상기 직류-직류 컨버터에 입력 전압을 인가할 수 있다. 여기에서, 설명의 편의상 상기 제 1 스위치(SW1) 및 상기 제 2 스위치(SW2) 중 제 1 스위치(SW1)가 온 되고, 상기 제 2 스위치(SW2)가 오프된 것으로 설명하기로 한다. 이에 따라, 상기 직류-직류 컨버터의 입력 단자(바람직하게, 제 1 노드(N1))로는 48V의 입력 전압이 인가될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 구간에서의 전류는 제 1 스위치(SW1), 제 1 다이오드(D1), 제 1 노드(N1), 인덕터(L1), 제 1 스위치소자(Q1) 및 제 6 노드(N6)를 경유하여 흐르게 된다. 그리고, 상기 전류는 상기 제 1 인덕터(L1)를 충전함으로써, 상기 제 1 인덕터(L1)는 에너지를 축적하게 된다.
도 5는 상기 제 2 구간에서의 스위치소자들의 동작 상태 및 이에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 제 2 구간 동안 상기 제 1 스위치소자(Q1)는 턴오프되고, 상기 제 2 스위치소자(Q2) 및 제 3 스위치소자(Q3)는 턴 오프 상태를 유지한다. 즉, 상기 제 2 구간에서는 상기 제 1 구간에서 턴 온 상태였던 제 1 스위치소자(Q1)가 턴오프된다. 이에 따라, 상기 제 1 스위치소자(Q1)의 제 1 단자 측의 전압은 제로 전압이 된다. 그리고, 상기 제 1 인덕터(L1)에 축적된 에너지는 제 3 다이오드(D3)를 통해 제 1 커패시터(C1)에 충전되어 입력 전압보다 높은 전압을 형성한다.
또한, 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 에너지는 제 5 노드(N5)를 통해 제 1 발광부(110, LED A)에 공급된다.
즉, 상기 제 2 구간에서의 전류는 제 3 다이오드(D3), 제 3 노드(N3), 제 1 커패시터(C1), 제 5 노드(N5), 제 1 저항(R1)을 통해 상기 제 1 발광부(110, LED A)에 공급된다.
이때, 상기 제 5 노드(N5)에 걸리는 제 1 컨버터부(172)의 출력 전압은 상기 제 1 스위치소자(Q1)의 게이트 듀티 비에 의해 결정된다. 즉, 상기 출력 전압은 아래의 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.
이때, Vout은 상기 제 5 노드(N5)에 걸리는 상기 제 1 컨버터부(172)의 출력 전압이고, 상기 D는 상기 제 1 스위치소자(Q1)의 게이트 듀티 비이며, 상기 Vin은 배터리 A(140)로부터 출력되는 입력 전압이다.
이때, 상기 제 1 발광부(110, LED A)는 20개의 발광 소자가 직렬로 연결되어 있고, 각각의 발광 소자의 순방향 전압(Vf, Forward voltage)이 3V인 경우에, 상기 제 1 컨버터부(172)의 출력 전압은 60V가 필요하게 된다.
그리고, 상기와 같은 조건에서 상기 게이트 듀티 비는 0.7로 결정될 수 있으며, 상기 결정된 듀티 비에 대응하는 70%의 온 타임을 갖는 펄스 폭 변조 신호가 상기 제어부(180)를 통해 생성되어 상기 제 1 스위치소자(Q1)로 제공될 수 있다.
또한, 상기와 동일한 조건 내에서, 상기 배터리 A(140)가 아닌 배터리 B(150)로부터 12V의 입력 전압이 공급되는 경우, 상기 제 1 스위치소자(Q1)에 공급되는 펄스 폭 변조 신호의 듀티 비는 0.2로 결정될 수 있고, 이에 따라 상기 펄스 폭 변조 신호는 20%의 온 타임을 가질 수 있다.
도 6은 상기 제 3 구간에서의 스위치소자들의 동작 상태 및 이에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 제 3 구간 동안 상기 제 1 스위치소자(Q1)는 턴오프 상태를 유지하게 되며, 상기 제 2 스위치소자(Q2) 및 제 3 스위치소자(Q3)는 턴온 상태가 된다.
그리고, 상기 제 3 구간에서의 전류는 상기 제 1 컨버터부(172)를 통해 상기 제 5 노드(N5)를 통해 제공되며, 이는 상기 제 2 스위치소자(Q2), 제 2 인덕터(L2) 및 제 2 커패시터(C2)를 경유하여 흐르게 된다. 그리고, 상기 전류는 상기 제 2 인덕터(L2) 및 상기 제 2 커패시터(C2)를 충전함으로써, 상기 제 2 인덕터(L2) 및 제 2 커패시터(C2)는 에너지를 축적하게 된다.
이때, 상기 제 1 구동 모드에서의 제 3 구간에 상기 제 1 스위치소자(Q1)가 턴 오프 상태로 동작하지만, 상기 제 1 발광부(110, LED A)에는 지속적으로 전류가 공급된다. 즉, 상기 제 1 스위치소자(Q1)가 턴 오프 상태로 동작하는 상기 제 3 구간에서의 상기 제 1 발광부(110, LED A)는 상기 배터리 A(140)로부터 입력되는 배터리 전압과 상기 제 1 저항(R1)에 따른 전류 제한에 의해 구동될 수 있다.
도 7은 상기 제 4 구간에서의 스위치소자들의 동작 상태 및 이에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제 4 구간 동안 상기 제 1 스위치소자(Q1)는 턴오프 상태를 유지하게 되고, 제 3 스위치소자(Q3)는 턴온 상태를 유지하게 되며, 상기 제 2 스위치소자(Q2)는 턴 오프 상태가 된다. 이에 따라, 상기 제 3 구간에서 상기 제 2 커패시터(C2)에 축적된 에너지는 상기 제 2 발광부(120, LED B)로 방전되며, 이에 따라 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 발광 동작이 이루어질 수 있다.
한편, 상기와 같이 제 3 구간 및 제 4 구간 동안, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 턴온 상태가 된다. 이는, 상기 제 5 노드(N5)에 걸리는 상기 제 1 컨버터부(172)의 제 1 출력 전압을 상기 제 2 컨버터부(174)에서 제 2 출력 전압으로 안정적으로 변환하기 위해서이다.
예를 들어, 상기 제 2 발광부(120, LED B)는 1개의 발광 소자를 포함할 수 있고, 상기 발광 소자는 3V의 순방향 전압을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제 5 노드(N5)에는 60V의 전압이 걸리며, 이에 따라 상기 제 2 컨버터부(174)는 상기 60V의 전압을 3V의 전압으로 변환해야 한다.
그리고, 상기 변환은 상기 제 2 컨버터부(174)를 구성하는 제 2 스위치소자(Q2)의 제어에 의해 이루어진다. 다시 말해서, 상기 제 2 스위치소자(Q2)에 공급되는 펄스 폭 변조 신호의 듀티 비에 따라 상기 제 2 컨버터부(174)의 제 2 출력 전압이 결정된다. 이때, 상기 제 2 출력 전압은 아래의 수학식 2와 같을 수 있다.
여기에서, 상기 Vout은 상기 제 2 컨버터부(174)에서 출력되는 상기 제 2 출력 전압이고, 상기 D는 상기 제 2 스위치소자(Q2)에 공급되는 펄스 폭 신호의 듀티이고, 상기 Vin은 상기 제 1 컨버터부(172)의 제 1 출력 전압(다시 말해서, 이는 상기 제 2 컨버터부(174)에 입력되는 전압이라고도 할 수 있고, 또한 상기 제 5 노드(N5)에 걸리는 전압이라고도 표현할 수 있다)을 의미한다.
이때, 상기와 같이, 60V의 입력 전압을 3V의 출력 전압으로 변환하기 위해서는, 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티는 0.05를 가진다. 다시 말해서, 상기와 같은 변환을 위해서, 상기 제 2 스위치소자(Q2)에 공급되는 펄스 폭 변조 신호에서의 온 타임은 5%를 가진다.
그러나, 상기와 같이 5%의 온 타임을 가지는 펄스 폭 변조 신호를 가지고 상기 제 2 컨버터부(174)가 동작하는 경우, 상기 온 타임이 상대적으로 너무 짧기 때문에 에너지의 전달이 충분히 이루어지지 않게 되고 이에 따른 상기 제 2 컨버터부(174)의 안정적인 구동이 힘들다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 출력단에 제 3 스위치소자(Q3)를 배치하고, 상기 제 3 스위치소자(Q3)에 따라 부동 접지가 형성될 수 있도록 한다.
다시 말해서, 상기 제 2 컨버터부(174)의 동작 구간인 상기 제 3 구간 및 제 4 구간에서, 상기 제 3 스위치소자(Q3)가 턴온 상태가 되는 경우, 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 출력단의 전위는 증가하게 된다. 즉, 상기 제 3 스위치소자(Q3)가 턴온 상태가 되는 경우, 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 출력단의 전위는 배터리 전압만큼 증가하게 된다.
이는, 상기 제 3 스위치소자(Q3)가 턴온 상태가 되는 경우, 입력 전압의 전위만큼 부동 접지에 오프셋(offset)이 발생하는 것을 의미한다. 이때, 상기 제 1 스위치(SW1)가 온 상태이고, 그에 따라 배터리 A(140)로부터 입력 전압이 인가되는 경우, 상기 오프셋은 48V만큼 발생하게 된다.
따라서, 상기 제 2 컨버터부(174)는 상기 입력 전압에 해당하는 상기 제 1 컨버터부(172)의 제 1 출력 전압인 60V에서 상기 오프셋에 대응하는 48V를 뺀 나머지 전압을 기준으로 상기 변환 동작을 수행하게 된다. 다시 말해서, 상기 제 3 스위치소자(Q3)의 턴온 동작에 따라 상기 오프셋이 발생함에 따라 상기 제 2 컨버터부(174)는 상기 60V에서 상기 48V를 뺀 12V의 입력 전압을 3V로 변환하면 된다. 이와 같은 경우, 상기 제 2 스위치소자(Q2)에 공급되는 펄스 폭 변조 신호의 듀티는 0.25이며, 이에 따라 25%의 온 타임을 가지게 된다. 따라서, 상기 제 2 컨버터부(174)는 상기 25%의 온 타임을 가지는 펄스 폭 변조 신호를 토대로 스위칭 동작을 하게 되며, 이에 따라 상기 제 2 컨버터부(174)의 안정적인 구동 조건을 형성할 수 있다. 결론적으로, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 온오프 제어 또는 입력 배터리 전압에 따른 부동 접지의 오프셋 적용 유무를 결정하기 위해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 서로 다른 전압이 요구되는 부하 조건에서, 복수의 부하를 각각 구동시킬 수 있는 통합된 직류-직류 컨버터를 제공할 수 있다. 즉, 직류-직류 컨버터는 전원 입력부와 연결되는 제 1 컨버터부와, 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 1 부하와, 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 2 컨버터부와, 상기 제 2 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 2 부하를 포함한다. 본 발명에서는 상기와 같이 복수의 컨버터부를 하나로 통합하고, 이에 따라 서로 다른 전압이 요구되는 복수의 부하를 안정적으로 구동시키도록 한다. 이에 따라, 본 발명에서는 복수의 컨버터부를 하나로 통합함에 따라 컨버터부가 배치되는 공간을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 제 1 컨버터부와 제 2 컨버터부의 적어도 일부를 상호 공용화함으로써, 필요 부품을 획기적으로 줄일 수 있으며, 이에 따른 제품 단가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 48V 배터리와 12V의 배터리에 연결되어, 입력 전압에 따라 각각의 부하에 안정적으로 구동 전압을 제공하는 직류-직류 컨버터를 제공한다. 더 나아가, 본 발명에서는 복수의 부하 중 구동될 부하에 따라 상기 입력 전압을 제공할 배터리를 선택하도록 한다. 즉, 본 발명에서의 직류-직류 컨버터는, 12V와 48V의 배터리를 모두 포함하는 양방향 배터리 시스템이나, 이 중 하나의 배터리만을 포함하는 분리 배터리 시스템에 모두 적용이 가능하다. 이에 따라, 본 발명에서는 부하 조건에 따라 상기 복수의 배터리 중 상기 입력 전압을 제공할 배터리를 선택함으로써, 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따른 전자장치의 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 부동 접지(Floating ground)를 사용함으로써, 높은 입력 전압과 낮은 순방향 전압을 가진 부하를 안정적으로 구동시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 높은 듀티 비를 토대로 스위칭 소자를 제어함으로써, 구동 회로의 안정성을 높일 수 있음과 동시에 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 직류-직류 컨버터는 상기 제 1 발광부(110, LED A)만을 구동시키기 위한 제 2 구동 모드로 동작할 수 있다.
상기 직류-직류 컨버터는, 상기 제 2 구동 모드에서 상기 제 1 인덕터(L1)를 충전시키는 제 1 구간과, 상기 제 1 인덕터(L1)에 축적된 에너지가 출력되는 제 2 구간을 포함한다. 그리고, 상기 제 2 구간에서는 상기 제 1 발광부(110, LED A)에 구동 전류가 공급되어 상기 제 1 발광부(110, LED A)의 발광 동작이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제 2 구동 모드 내에서의 제 1 구간 및 제 2 구간은 상기 제 1 구동 모드에서의 제 1 구간 및 제 2 구간과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 도면의 도시는 생략하기로 한다.
상기 제 2 구동 모드에서의 제 1 구간에서는, 상기 제 1 스위치소자(Q1)는 턴온되고, 제 2 스위치소자(Q2) 및 제 3 스위치소자(Q3)는 턴오프된다.
이때, 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2) 중 어느 하나는 온 되어 상기 직류-직류 컨버터에 입력 전압을 인가할 수 있다. 여기에서, 설명의 편의상 상기 제 1 스위치(SW1) 및 상기 제 2 스위치(SW2) 중 제 1 스위치(SW1)가 온 되고, 상기 제 2 스위치(SW2)가 오프된 것으로 설명하기로 한다. 이에 따라, 상기 직류-직류 컨버터의 입력 단자(바람직하게, 제 1 노드(N1))로는 48V의 입력 전압이 인가될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 구간에서의 전류는 제 1 스위치(SW1), 제 1 다이오드(D1), 제 1 노드(N1), 인덕터(L1), 제 1 스위치소자(Q1) 및 제 6 노드(N6)를 경유하여 흐르게 된다. 그리고, 상기 전류는 상기 제 1 인덕터(L1)를 충전함으로써, 상기 제 1 인덕터(L1)는 에너지를 축적하게 된다.
또한, 상기 제 2 구동 모드에서의 제 2 구간에는, 상기 제 1 스위치소자(Q1)는 턴오프되고, 상기 제 2 스위치소자(Q2) 및 제 3 스위치소자(Q3)는 턴 오프 상태를 유지한다. 즉, 상기 제 2 구동 모드에서의 제 2 구간에서는 상기 제 1 구간에서 턴 온 상태였던 제 1 스위치소자(Q1)가 턴오프된다. 이에 따라, 상기 제 1 스위치소자(Q1)의 제 1 단자 측의 전압은 제로 전압이 된다. 그리고, 상기 제 1 인덕터(L1)에 축적된 에너지는 제 3 다이오드(D3)를 통해 제 1 커패시터(C1)에 충전되어 입력 전압보다 높은 전압을 형성한다.
또한, 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 에너지는 제 5 노드(N5)를 통해 제 1 발광부(110, LED A)에 공급된다.
즉, 상기 제 2 구간에서의 전류는 제 3 다이오드(D3), 제 3 노드(N3), 제 1 커패시터(C1), 제 5 노드(N5), 제 1 저항(R1)을 통해 상기 제 1 발광부(110, LED A)에 공급된다.
또한, 상기 직류-직류 컨버터는 상기 제 2 발광부(120, LED B)만을 구동시키기 위한 제 3 구동 모드로 동작할 수 있다.
상기 직류-직류 컨버터는, 상기 제 3 구동 모드에서 상기 제 2 인덕터(L2) 및 제 2 커패시터(C2)를 충전시키는 제 1 구간과, 상기 제 2 커패시터(C2)에 축적된 에너지가 출력되는 제 2 구간을 포함한다. 그리고, 상기 제 2 구간에서는 상기 제 2 발광부(120, LED B)에 구동 전류가 공급되어 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 발광 동작이 이루어질 수 있다.
도 8은 제 3 구동 모드의 제 1 구간에서의 스위치소자들의 동작 상태 및 이에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이고, 도 9는 제 3 구동 모드의 제 2 구간에서의 스위치소자들의 동작 상태 및 이에 따른 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 제 3 구동 모드에서의 제 1 구간에서는, 상기 제 1 스위치소자(Q1) 및 제 3 스위치소자(Q3)는 턴오프되고, 제 2 스위치소자(Q2)는 턴온된다.
이때, 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2) 중 어느 하나는 온 되어 상기 직류-직류 컨버터에 입력 전압을 인가할 수 있다. 여기에서, 설명의 편의상 상기 제 1 스위치(SW1) 및 상기 제 2 스위치(SW2) 중 제 1 스위치(SW1)가 온 되고, 상기 제 2 스위치(SW2)가 오프된 것으로 설명하기로 한다. 이에 따라, 상기 직류-직류 컨버터의 입력 단자(바람직하게, 제 1 노드(N1))로는 48V의 입력 전압이 인가될 수 있다.
그리고, 상기 제 3 구동 모드의 제 1 구간에서의 전류는 제 1 스위치(SW1), 제 1 다이오드(D1), 제 1 노드(N1), 제 1 인덕터(L1), 제 1 커패시터(C1), 제 3 노드, 제 5 노드, 제 2 스위치소자(Q2), 제 2 인덕터(L2), 제 8 노드(N8) 및 제 2 커패시터(C2)를 경유하여 흐르게 된다. 그리고, 상기 전류는 상기 제 2 인덕터(L2) 및 제 2 커패시터(C2)를 충전함으로써, 상기 제 2 인덕터(L2) 및 제 2 커패시터(C2)는 에너지를 축적하게 된다.
이때, 상기 제 1 구동 모드 및 제 2 구동 모드와는 다르게, 상기 제 3 구동 모드에서의 상기 제 5 노드(N5)에는 배터리의 입력 전압이 그대로 걸리게 된다. 그리고, 상기 제 1 컨버터부(172)의 제 1 스위치소자(Q1)는 실질적으로 동작을 하지 않게 된다. 여기에서, 상기 제 3 구동 모드에서의 상기 제 2 컨버터부(174)에는 상기 제 1 컨버터부(172)의 제 1 인덕터(L1) 및 제 1 커패시터(C1)를 경유하여 전류가 흐르게 된다. 이에 따라, 상기 제 3 구동 모드에서 상기 제 1 인덕터(L1) 및 제 1 커패시터(C1)는 L-C 필터 역할을 하게 되며, 이에 따라 입력 전압에 포함된 노이즈를 제거하게 된다.
이는, 차량의 구조상 와이어 하니스(wire harness)가 길어질 경우, 상기 제 1 컨버터부(172)의 상기 제 1 인덕터(L1) 및 제 1 커패시터(C1)가 상기 제 2 발광부(120, LED B)의 필터 역할을 하도록 하여, 상기 직류-직류 컨버터의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 상기 제 3 구동 모드에서의 제 2 구간에는, 상기 제 1 스위치소자(Q1)와 제 3 스위치소자(Q3)는 턴오프 상태를 유지하게 되고, 상기 제 2 스위치소자(Q2)는 턴 오프 상태가 된다. 이에 따라, 상기 제 2 커패시터(C2)에 축적된 에너지는 제 8 노드(N8)를 통해 제 2 발광부(120, LED B)에 공급된다.
즉, 상기 제 2 구간에서의 전류는 제 2 커패시터(C2), 제 8 노드(N8), 제 2 저항(R2)을 통해 상기 제 2 발광부(120, LED B)에 공급된다.
상기와 같이, 본 발명에서는 L-C 출력 필터를 이용하여 출력 노이즈를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 높은 전압이 요구되는 부하에서의 L-C 필터를 강화할 수 있다.
한편, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 상기와 같이 제 1 구동 모드에서 상기 제 2 컨버터부(174)가 동작하는 조건에서만 턴온 상태가 유지되고, 제 2 구동 모드 및 제 3 구동 모드에서는 턴오프 상태를 유지하게 된다. 즉, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 상기 제 2 컨버터부(174)가 동작하는 조건이면서, 입력 전압이 배터리 전압보다 높은 경우에 동작할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 상기 제 2 컨버터부(174)가 동작하는 조건이면서, 상기 제 2 컨버터부(174)에 배터리 전압보다 높은 60V 전압이 입력되는 경우에 턴온 상태로 동작할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기와 같이 직류-직류 컨버터를 구성하는 컨버터부(170) 중 부스트 타입의 제 1 컨버터부(172)가 우선적으로 배치되도록 하고, 상기 제 1 컨버터부(172)의 후단에 제 2 컨버터부(170)가 배치되도록 하였다.
이는, 상기 제 1 컨버터부(172) 및 제 2 컨버터부(174)를 구성하는 구성요소의 배치에 따라 결정된 것이다. 즉, 상기 부스트 타입의 제 1 컨버터부(172)는 입력단에 제 1 인덕터(L1)가 배치된다. 그리고, 상기 벅 타입의 제 2 컨버터부(174)는 입력단에 제 2 스위치소자(Q2)가 배치된다. 이때, 본 발명에서는 각각의 구동 모드에 따라 상기 스위치 소자들의 스위칭 동작이 이루어진다. 여기에서, 상기 제 1 컨버터부(172)와 제 2 컨버터부(174)의 위치가 변경되는 경우, 상기 제 2 컨버터부(174)를 구성하는 제 2 스위치소자(Q2)가 배터리의 입력 전압을 수신하게 된다. 이때, 상기 제 2 스위치소자(Q2)는 펄스 폭 변조 신호에 따라 온 동작 및 오프 동작을 하게 되는데, 상기 오프 동작을 하는 중에는 후단으로 전류가 공급되지 않는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 부스트 타입의 제 1 컨버터부(172)를 우선적으로 배치하도록 한다. 또한, 제 2 컨버터부(174)의 전력 변환 동작에 대해서는 상기와 같이 부동 접지의 오프셋 조절을 통해 안정적인 구동이 이루어지도록 한다.
한편, 본 발명에서는 상기 배터리부(130)가 서로 다른 입력 전압을 각각 공급하는 복수의 배터리로 구성되며, 이에 따라 최근 개발되고 있는 12V 시스템에 48V 배터리의 버스를 결합하는 배터리 하이브리드 방식에서도 적용될 수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 상기 하이브리드 방식뿐 아니라, 12V만을 사용하는 배터리 방식이나, 48V 배터리를 사용하는 배터리 방식에서도 각각 독립적으로 사용될 수 있다.
이때, 본 발명에서의 직류-직류 컨버터가 배터리 하이브리드 방식에 적용되는 경우, 상기 제어부(180)는 상기 구동 모드에 따라 상기 입력 전압을 인가할 배터리를 선택할 수 있도록 한다.
즉, 상기 제어부(180)는 상기 제 1 내지 3 구동 모드에 따라 상기 제 1 및 2 스위치(SW1, SW2)의 동작을 제어하여, 상기 직류-직류 컨버터와 연결되는 배터리를 결정할 수 있도록 한다.
이때, 상기 제어부(180)는 상기 제 1 구동 모드에서 상기 제 1 스위치(SW1)를 온 동작으로 하고, 상기 제 2 스위치(SW2)를 오프 동작으로 한다. 그리고, 상기 제 1 구동 모드에서는 상기 직류-직류 컨버터에 48V의 입력 전압이 인가된다. 즉, 상기 제 1 구동 모드에서는 상기 제 1 컨버터부(172) 및 제 2 컨버터부(174)가 모두 동작한다. 이때, 상기 제 1 컨버터부(172)의 전력 변환 효율을 증가시키기 위해, 상기 제 1 컨버터부(172)의 출력 전압인 60V과 차이가 크지 않는 상기 배터리 A(140)로부터 입력 전압이 인가되도록 한다.
또한, 상기 제 1 구동 모드에서는 상기 배터리의 입력 전압과는 무관하게 상기 제 5 노드(N5)에 걸리는 60V 전압을 3V의 전압으로 변환해야 하며, 이에 따라 상기 부동 접지에 대한 오프셋이 발생하도록 한다. 이때, 상기 오프셋이 크면 클수록 상기 제 2 컨버터부(174)의 제 2 스위치소자(Q2)를 안정적으로 구동할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 제 1 구동 모드에서 상기 배터리 A(140)로부터 상기 직류-직류 컨버터의 입력 전압이 인가되도록 한다.
또한, 상기 제어부(180)는 상기 제 2 구동 모드에 상기 제 1 스위치(SW1)를 온 동작으로 하고, 상기 제 2 스위치(SW2)를 오프 동작으로 한다. 그리고, 상기 제 2 구동 모드에서는 상기 직류-직류 컨버터에 48V의 입력 전압이 인가된다. 즉, 상기 제 2 구동 모드에서는 상기 제 1 컨버터부(172)가 동작한다. 이때, 상기 제 1 컨버터부(172)의 전력 변환 효율을 증가시키기 위해, 상기 제 1 컨버터부(172)의 출력 전압인 60V과 차이가 크지 않는 상기 배터리 A(140)로부터 입력 전압이 인가되도록 한다.
또한, 상기 제어부(180)는 상기 제 3 구동 모드에 상기 제 1 스위치(SW1)를 오프 동작으로 하고, 상기 제 2 스위치(SW2)를 온 동작으로 한다. 그리고, 상기 제 3 구동 모드에서는 상기 직류-직류 컨버터에 12V의 입력 전압이 인가된다. 즉, 상기 제 3 구동 모드에서는 상기 제 2 컨버터부(174)가 동작한다. 이때, 상기 제 2 컨버터부(174)의 전력 변환 효율을 증가시키기 위해, 상기 제 2 컨버터부(174)의 출력 전압인 3V과 차이가 크지 않는 상기 배터리 B(150)로부터 입력 전압이 인가되도록 한다. 그리고, 상기 제 3 구동 모드에서 상기 제 3 스위치소자(Q3)는 오프 상태를 유지하게 되며, 이에 따라 부동 접지에 오프셋이 발생하지 않는다. 이에 따라, 상기 제 2 스위치소자(Q2)에 공급되는 펄스 폭 변조 신호의 안정적인 온 타임을 확보하기 위해, 상기 배터리 B(150)로부터 상기 12V의 입력 전압이 상기 직류-직류 컨버터에 인가되도록 한다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 광원 구동 장치의 광원 구동 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 제어부(180)는 차량의 주행 상태에 따라 복수의 발광부 중 발광 동작을 할 발광부를 결정한다(110단계). 예를 들어, 제 1 발광부(110, LED A)는 제동등일 수 있고, 상기 제 2 발광부(120, LED B)는 미등일 수 있으며, 이에 따라 현재 차량의 주행 상태가 야간에 제동을 해야 하는 상태이면, 상기 제 1 및 2 발광부를 상기 발광 동작을 할 발광부로 결정할 수 있다. 또한, 상기 차량의 현재 주행 상태가 주간에 제동을 해야 하는 상태이면, 상기 제어부(180)는 상기 제 1 발광부(110, LED A)만을 상기 발광 동작을 할 발광부로 결정할 수 있다. 또한, 상기 차량의 현재 주행 상태가 야간에 일반 정속 주행을 하고 있는 상태이면, 상기 제 2 발광부를 상기 발광 동작을 할 발광부로 결정할 수 있다.
이어서, 상기 제어부(180)는 상기 발광 동작을 할 발광부가 결정되면, 상기 결정된 발광부에 따라 직류-직류 컨버터의 구동 모드를 결정하고, 상기 결정한 구동 모드에 따라 복수의 배터리 중 입력 전압을 인가할 배터리를 결정한다(120단계). 즉, 상기 제어부(180)는 상기 제 1 및 2 발광부가 상기 발광 동작을 할 발광부로 결정된 경우, 상기 구동 모드를 제 1 구동 모드로 결정하고, 그에 따라 상기 배터리 A(140)를 상기 입력 전압을 인가할 배터리로 결정한다.
또한, 상기 제어부(180)는 상기 제 1 발광부만이 상기 발광 동작을 할 발광부로 결정된 경우, 상기 구동 모드를 제 2 구동 모드로 결정하고, 그에 따라 상기 배터리 A(140)를 상기 입력 전압을 인가할 배터리로 결정한다.
상기 제어부(180)는 상기 제 2 발광부만이 상기 발광 동작을 할 발광부로 결정된 경우, 상기 구동 모드를 제 2 구동 모드로 결정하고, 그에 따라 상기 배터리 B(150)를 상기 입력 전압을 인가할 배터리로 결정한다.
이어서, 상기 제어부(180)는 상기 결정된 배터리에 따라 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)의 동작을 제어한다(130단계). 즉, 상기 제어부(180)는 상기 배터리 A(140)에서 상기 입력 전압이 인가되도록 결정된 경우, 상기 제 1 스위치(SW1)를 온 상태로 하고, 상기 제 2 스위치(SW2)를 오프 상태로 한다. 또한, 상기 제어부(180)는 상기 배터리 B(150)에서 상기 입력 전압이 인가되도록 결정된 경우, 상기 제 1 스위치(SW1)를 오프 상태로 하고, 상기 제 2 스위치(SW2)를 온 상태로 한다.
이후, 상기 제어부(180)는 상기 결정된 구동 모드에 따라 상기 배터리로부터 상기 직류-직류 컨버터에 인가되는 입력 전압의 크기를 조절하도록 제어 신호를 출력한다(140단계). 즉, 상기 제어부(180)는 상기 제 1 스위치소자(Q1), 제 2 스위치소자(Q2) 및 상기 제 3 스위치소자(Q3)의 스위칭 동작을 각각 제어하기 위한 펄스 폭 변조 신호를 출력한다.
그리고, 상기 제 1 스위치소자(Q1), 제 2 스위치소자(Q2) 및 상기 제 3 스위치소자(Q3)의 스위칭 동작에 따라 상기 결정된 구동 모드에 따른 제 1 발광부(110, LED A) 및/또는 제 2 발광부(120, LED B)에 전류가 공급되며, 이에 따른 발광 동작이 이루어진다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 서로 다른 전압이 요구되는 부하 조건에서, 복수의 부하를 각각 구동시킬 수 있는 통합된 직류-직류 컨버터를 제공할 수 있다. 즉, 직류-직류 컨버터는 전원 입력부와 연결되는 제 1 컨버터부와, 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 1 부하와, 상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 2 컨버터부와, 상기 제 2 컨버터부의 출력단에 배치되는 제 2 부하를 포함한다. 본 발명에서는 상기와 같이 복수의 컨버터부를 하나로 통합하고, 이에 따라 서로 다른 전압이 요구되는 복수의 부하를 안정적으로 구동시키도록 한다. 이에 따라, 본 발명에서는 복수의 컨버터부를 하나로 통합함에 따라 컨버터부가 배치되는 공간을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 제 1 컨버터부와 제 2 컨버터부의 적어도 일부를 상호 공용화함으로써, 필요 부품을 획기적으로 줄일 수 있으며, 이에 따른 제품 단가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 48V 배터리와 12V의 배터리에 연결되어, 입력 전압에 따라 각각의 부하에 안정적으로 구동 전압을 제공하는 직류-직류 컨버터를 제공한다. 더 나아가, 본 발명에서는 복수의 부하 중 구동될 부하에 따라 상기 입력 전압을 제공할 배터리를 선택하도록 한다. 즉, 본 발명에서의 직류-직류 컨버터는, 12V와 48V의 배터리를 모두 포함하는 양방향 배터리 시스템이나, 이 중 하나의 배터리만을 포함하는 분리 배터리 시스템에 모두 적용이 가능하다. 이에 따라, 본 발명에서는 부하 조건에 따라 상기 복수의 배터리 중 상기 입력 전압을 제공할 배터리를 선택함으로써, 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따른 전자장치의 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 부동 접지(Floating ground)를 사용함으로써, 높은 입력 전압과 낮은 순방향 전압을 가진 부하를 안정적으로 구동시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 높은 듀티 비를 토대로 스위칭 소자를 제어함으로써, 구동 회로의 안정성을 높일 수 있음과 동시에 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 L-C 출력 필터를 이용하여 출력 노이즈를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 높은 전압이 요구되는 부하에서의 L-C 필터를 강화할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 제 1 발광부
120: 제 2 발광부
130: 배터리부
140: 배터리 A
150: 배터리 B
160: 스위치
SW1: 제 1 스위치, SW2: 제 2 스위치
170: 컨버터부
172: 제 1 컨버터부, 174: 제 2 컨버터부
180: 제어부
D1, D2, D3, D4: 다이오드
Q1, Q2, Q3: 스위치소자
L1, L2: 인덕터
C1, C2: 커패시터
R1, R2: 저항
120: 제 2 발광부
130: 배터리부
140: 배터리 A
150: 배터리 B
160: 스위치
SW1: 제 1 스위치, SW2: 제 2 스위치
170: 컨버터부
172: 제 1 컨버터부, 174: 제 2 컨버터부
180: 제어부
D1, D2, D3, D4: 다이오드
Q1, Q2, Q3: 스위치소자
L1, L2: 인덕터
C1, C2: 커패시터
R1, R2: 저항
Claims (12)
- 제 1 스위치소자에 인가되는 펄스 제어 신호에 따라 입력 전압의 레벨을 조절하여 제 1 출력 전압을 발생하는 제 1 컨버터부;
상기 제 1 컨버터부의 출력단에 배치된 제 1 발광부;
상기 제 1 컨버터부의 출력단에 연결되고, 제 2 스위치소자에 인가되는 펄스 제어 신호에 따라 상기 입력 전압 또는 상기 제 1 출력 전압의 레벨을 조절하여 제 2 출력 전압을 발생하는 제 2 컨버터부;
상기 제 2 컨버터부의 출력단에 배치된 제 2 발광부;
상기 제 1 컨버터부의 입력단 및 상기 제 2 발광부의 출력단 사이에 배치되는 제 3 스위치소자; 및
상기 제 1 및 2 발광부의 구동 모드에 따라 상기 제 1 스위치소자 및 상기 제 2 스위치소자에 인가될 펄스 제어 신호를 각각 생성하고, 상기 생성된 펄스 제어 신호에 따라 상기 제 1 및 2 스위치소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제 1 출력 전압은, 상기 입력 전압보다 크고,
상기 제 2 출력 전압은, 상기 제 1 출력 전압 및 상기 입력 전압보다 작은,
직류-직류 컨버터. - 제 1항에 있어서,
상기 제 3 스위치소자는
상기 제 2 스위치소자의 제1단자와 연결된 노드에 걸리는 전압에 따라 선택적으로 스위칭 동작하여 상기 제2 발광부의 출력단을 부동 접지(floating ground)시키는 직류-직류 컨버터. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 컨버터부는,
일 단자를 통해 상기 입력전압이 인가되는 제 1 인덕터와,
상기 제 1 인덕터의 타 단자에 제 1 단자가 연결되고, 상기 제 1 발광부의 출력단에 제 2 단자가 연결되며, 상기 제어부에 제 3 단자가 연결되는 상기 제 1 스위치소자와,
상기 인덕터의 타 단자 및 상기 제 1 스위치소자의 제 1 단자에 애노드 단자가 연결되는 제 1 다이오드와,
상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자에 일 단자가 연결되는 제 1 커패시터를 포함하는
직류-직류 컨버터. - 제 3항에 있어서,
상기 제 2 컨버터부는,
상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자 및 상기 제 1 커패시터의 일 단자에 제 1 단자가 연결되고, 상기 제어부에 제 3 단자가 연결되는 상기 제 2 스위치소자와,
상기 제 2 스위치소자의 제 2 단자에 캐소드 단자가 연결되고, 상기 제 1 커패시터의 타 단자에 애노드 단자가 연결되는 제 2 다이오드와,
상기 제 2 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제 2 스위치소자의 제 2 단자에 일 단자가 연결되는 제 2 인덕터와,
상기 제 2 인덕터의 타 단자에 일 단자가 연결되고, 상기 제 2 다이오드의 애노드 단자에 타 단자가 연결되는 제 2 커패시터를 포함하는
직류-직류 컨버터. - 제 1항에 있어서,
상기 구동 모드는,
상기 제 1 및 2 발광부가 모두 온 동작하는 제 1 구동 모드와,
상기 제 1 발광부가 온 동작하고, 상기 제 2 발광부가 오프 동작하는 제 2 구동 모드와,
상기 제 1 발광부가 오프 동작하고, 상기 제 2 발광부가 온 동작하는 제 3 구동 모드를 포함하는
직류-직류 컨버터. - 제 5항에 있어서,
상기 제 3 스위치소자는,
상기 제 1 구동 모드에서의 구간에 따라 턴온 상태 및 턴오프 상태로 동작하고,
상기 제 2 및 3 구동 모드에서 턴오프 상태가 유지되는
직류-직류 컨버터. - 제 1 입력 전압을 공급하는 제 1 배터리 및 제 1 입력 전압보다 작은 제 2 입력 전압을 공급하는 제 2 배터리를 포함하는 배터리부;
상기 배터리부로부터 상기 제 1 및 2 입력 전압 중 어느 하나의 입력 전압을 인가받고, 구동 모드에 따라 상기 인가된 입력 전압을 토대로 제 1 발광부에 공급될 제 1 출력 전압을 출력하고, 상기 출력되는 제 1 출력 전압 및 상기 인가된 입력 전압 중 어느 하나의 전압을 토대로 제 2 발광부에 공급될 제 2 출력 전압을 출력하는 직류-직류 컨버터; 및
상기 배터리부와 상기 직류-직류 컨버터 사이에 배치되고, 상기 제 1 및 2 배터리 중 어느 하나의 배터리와 상기 직류-직류 컨버터 사이를 연결하는 스위치를 포함하며,
상기 직류-직류 컨버터는,
상기 배터리부와 상기 제 1 발광부 사이에 배치되고, 제 1 스위치소자의 스위칭 동작에 따라 상기 인가된 입력 전압을 승압하여 상기 제 1 출력 전압을 출력하는 부스트 컨버터와,
상기 부스트 컨버터의 출력단과 상기 제 2 발광부 사이에 배치되고, 제 2 스위치소자의 스위칭 동작에 따라 상기 인가된 입력 전압 또는 상기 부스트 컨버터를 통해 출력되는 상기 제 1 출력 전압을 강압하여 제 2 출력 전압을 출력하는 벅 컨버터와,
상기 제 1 또는 2 입력 전압이 인가되는 상기 부스트 컨버터의 입력단 및 상기 제 2 발광부의 출력단 사이에 배치되고, 상기 구동 모드에 따라 선택적으로 턴온 동작을 하여 상기 제 2 발광부의 출력단을 상기 부스트 컨버터의 입력단에 연결하는 제 3 스위치소자를 포함하는
광원 구동 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 제 1 출력 전압은,
상기 제 1 및 2 입력 전압보다 크고,
상기 제 2 출력 전압은,
상기 제 1 출력 전압, 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압보다 작은,
광원 구동 장치. - 삭제
- 제 7항에 있어서,
상기 부스트 컨버터는,
일 단자가 상기 스위치와 연결되어 상기 제 1 또는 제 2 입력전압이 인가되는 제 1 인덕터와,
상기 제 1 인덕터의 타 단자에 제 1 단자가 연결되고, 상기 제 1 발광부의 출력단에 제 2 단자가 연결되며, 제어부에 제 3 단자가 연결되는 상기 제 1 스위치소자와,
상기 인덕터의 타 단자 및 상기 제 1 스위치소자의 제 1 단자에 애노드 단자가 연결되는 제 1 다이오드와,
상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자에 일 단자가 연결되는 제 1 커패시터를 포함하고,
상기 벅 컨버터는,
상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자 및 상기 제 1 커패시터의 일 단자에 제 1 단자가 연결되고, 상기 제어부에 제 3 단자가 연결되는 상기 제 2 스위치소자와,
상기 제 2 스위치소자의 제 2 단자에 캐소드 단자가 연결되고, 상기 제 1 커패시터의 타 단자에 애노드 단자가 연결되는 제 2 다이오드와,
상기 제 2 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제 2 스위치소자의 제 2 단자에 일 단자가 연결되는 제 2 인덕터와,
상기 제 2 인덕터의 타 단자에 일 단자가 연결되고, 상기 제 2 다이오드의 애노드 단자에 타 단자가 연결되는 제 2 커패시터를 포함하는
광원 구동 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 구동 모드는,
상기 제 1 및 2 발광부가 모두 온 동작하는 제 1 구동 모드와,
상기 제 1 발광부가 온 동작하고, 상기 제 2 발광부가 오프 동작하는 제 2 구동 모드와,
상기 제 1 발광부가 오프 동작하고, 상기 제 2 발광부가 온 동작하는 제 3 구동 모드를 포함하고,
상기 제 3 스위치소자는,
상기 제 1 구동 모드에서의 구간에 따라 턴온 상태 및 턴오프 상태로 동작하고,
상기 제 2 및 3 구동 모드에서 턴오프 상태가 유지되는
광원 구동 장치. - 제 11항에 있어서,
상기 스위치는,
상기 제 1 및 2 구동 모드에서 상기 제 1 배터리와 상기 직류-직류 컨버터를 연결하고,
상기 제 3 구동 모드에서 상기 제 2 배터리와 상기 직류-직류 컨버터를 연결하는
광원 구동 장치.
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