KR102634050B1 - LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로 - Google Patents

LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로에 관한 것으로서, 구체적으로 하프브릿지-LLC 방식에 passive PFC 회로를 연동하고 2개의 접합형 트랜지스터로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 플리커프리 LED 조명기구용 컨버터에 관한 것이다.

Description

LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로{High-efficiency LED lighting device of Suppressing blinking and flickering}
본 발명은 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로에 관한 것으로서, 구체적으로 하프브릿지-LLC 방식에 passive PFC 회로를 연동하고 2개의 접합형 트랜지스터로 스위칭하여 종래의 플리커프리 컨버터 효율을 개선한 것을 특징으로 하는 플리커프리 LED 조명기구용 컨버터에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode)는 소자의 제조 기술의 발전에 따라 고효율의 광원 또는 화면 출력수단, 예를 들면 신호등, 조명등, 모니터, TV 등으로 쓰이고 있다.
이러한 LED는 반도체에 전압을 가할 때 나타나는 발광현상을 이용한 것으로, DC전원에 의해 구동된다.
따라서 LED 컨버터를 통해 일반적인 사용전원인 220V AC 입력전원을 직류화하여 DC 출력전원을 공급해주어야 할 필요가 있다.
이와 관련하여 한국특허 제10-1528636호 (2015년06월08 일) 역률 보상회로와 전류제어회로를 포함하는 LED LAMP 전원공급장치를 개시하으며, 직류화를 통한 DC 출력전압은 얼핏 일정한 전압을 갖는 DC전압처럼 보이나, 실상 직류에 가까운 작은 피크 값을 갖는다.
이 때문에 LED 모듈을 통한 광출력 시, 일명 플리커(플리커)라고 하는 미세한 떨림 현상이 발생하게 된다. 이러한 플리커 현상은 초당 수십회 ~ 수백회에 이르는 빠른 점등과 블링킹을 반복함으로써 사용자의 눈의 피로, 집중력 감소, 현기증 등을 유발한다.
더 나아가 가정용 인덕션, 비데, 냉온수기 등과 같이 순간적으로 높은 전력을 소모 하는 가정용 기기와 연동 될 시 조명의 떨리는 현상으로 인해 피해를 겪는 사례가 증가하고 있다.
따라서 외부의 과도성 전력 노이즈가 인입되어도 이를 제한하거나 상쇄시킬 수 있는 기능과 플리커를 억제 할 수 있는 기능의 필요성이 재고되는 바이다
따라서 상술된 문제점을 해결하기 위한 기술이 필요하게 되었다.
한편 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명의 일실시예는 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로가 부착된 블링킹 및 플리커현상을 억제하는 고효율 LED조명기기를 제공하는 데에 목적이 있다.
전술한 목적을 해결하기 위해서 본 발명의 일 실시예는 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로에 있어서, 상기 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로는, 입력되는 상용전원에 포함된 노이즈를 제거하는 필터부; 상기 필터부를 통과한 상기 상용전원을 정류하는 정류부; 상기 상용전원에 기초하여 IC를 구동하는 구동부; 2개의 접합형 트랜지스터를 이용하여 상기 IC에서 발생한 전류펄스신호에 기초하여 자가발진 및 스위칭을 진행하는 LLC부; 및 상기 LLC부의 출력전원을 정전류의 직류전원으로 변환하여 LED램프로 공급하는 출력부, 상기 LLC부와 연결되어 상기 출력부로 전달되는 전류 및 전압을 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부의 센싱값에 기초하여 회로에 입력되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로는, 정격전원 20W 이하의 경우 인덕터와 트랜스는 EE1312코어를 사용를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예는 2개의 접합형 트랜지스터만으로 스위칭하여 빠른 고주파 전환속도를 확보하며 PFC회로와 공진방식으로 구성되어 조명떨림(이하, 필리커) 현상을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예는 컨버터가 정상적으로 작동하지 않고 출력측에 전압변동이 발생하는 경우 입력측의 전력을 차단하여 플리커 현상을 방지할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로의 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로의 요부에 관한 회로도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로의 시험정적을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다."직접적으로 연결" 되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
우선, 도 1 내지 도 3에 기초하여 본 발명의 일실시예인 블링킹 및 플리커현상을 억제하는 고효율 LED조명기기의 주요 구성에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로(1000)의 블럭도이고, 도 2는 본 발명에 따른 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로(1000)의 요부에 관한 회로 도면이다.
도1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 과도성 전력 노이즈를 상쇄시켜 안정적인 광출력을 유지하는 공진형 플리커프리 LED조명기구용 컨버터는 입력부(10), 필터부(20), 정류부(30), 구동부(40), 발진부(50), LLC부(60), 출력부(100), 센싱부(110), 제어부(120)를 포함할 수 있다.
우선 입력부(10)는 입력전압의 과전류 유입시 컨버터를 보호해주고 화재위험을 억제 할 수 있는 퓨즈(F1)와 Surge전압 발생 또는 과전압 시 클램핑되어 컨버터를 보호해줄 수 있는 바리스터(VR1)가 연결될 수 있다.
필터부(20)는 입력되는 상용전원에 포함되어 있는 노이즈를 제거한다. 상기 필터부(20)는 퓨즈, 바리스터, 라인필터, 캐패시터, 저항 등의 전자소자로 구성될 수 있다.
한편, 필터부(20)는 상기 입력부(10)를 통과한 상용전원을 정류할 수 있다 필터부(20)는 교류전원을 전파정류하는 브릿지 다이오드를 포함할 수 있으며, 브릿지 다이오드는 정류를 진행하는 구성의 예시일 뿐이고, 이외 정류가 가능한 어떠한 구성이라도 포함될 수 있다.
구체적으로 입력에서 발생하는 외부 NOISE 및 잡음을 LLC필터를 통해 제거할 수 있다. 라인필터(LF1)과 캐패시터(XC1, XC2)로 구성되며 접지캐패시터(YC1)를 통해 노이즈를 접지로 보내게 된다.
한편, 본 발명의 일실시예는 2개 이상의 다이오드로 구성된 정류부(30)를 포함할 수 있다. 구체적으로 도 2에 도시된 바에 따르면 정류부(30)는 브릿지 다이오드(D1~D4) 를 통해 반파되어 전류된 후 전해콘덴서(CE1)을 통해 보다 완벽한 직류전원으로 평활될 수 있다.
한편 본 발명의 일실시예는 구동부(40)를 포함할 수 있다. 전술한 평활된 직류전원을 IC구동을 위해 시동저항(R11, R14)을 통해 IC의 VDD전압으로 공급이 되며 IC가 구동을 시작하게 할 수 있다.
또한, 발진부(50)는 IC의 TX1, TX2번 핀에서 전류펄스신호가 최초 2cycle만 발생을 시키게되며, 2 cycle의 펄스신호를 시작으로 드라이브 트랜스(DT1)와 스위칭소자인 bipolar transistor(Q1, Q2)가 유기적으로 자가발진을 시작할 수 있다. 예를 들어 Q1의 ON 시 Q2는 OFF가 되고, 반대로 Q1이 OFF될 시 Q2는 ON이 될 수 있다. 드라이브 트랜스(DT1)을 통해 스위칭되는 과정에서 전류를 제한하기 위하여 베이스저항(R3, R4)이 구성되며 이때 C9번의 역할은 자가발진하며 스위칭될 때 radiation noise를 감소시키는 기능을 수행할 수 있다. 2개의 bipolar transistor(Q1, Q2)는 소프트스위칭을 하게 되므로 트랜스의 역기전력을 억제하기위한 스너버회로를 별도로 추가 할 필요가 없다.
한편, 본 발명의 일실시예는 인덕터 및 트랜스를 정격전원의 크기에 따라 사용하는 규격을 달리 설정할 수 있다. 예를 들어, 정격전원 20W 이하의 경우 인덕터 및 트랜스를 EE1312사이즈의 코어를 사용할 수 있고, 정격전원이 60W이하의 경우 인덕터 및 트랜스를 EDR3909 사이즈의 코어로 사용할 수 도 있다.
EDR3909의 경우 2차 권선비 대비 1차 권선비의 비율은 1.9 내지 2.1이 될 수 있는데, 이는 컨버터 효율이 90%이상이 나와야하다는 기존 연구결과에 기초하며, 이와 관련된 실험결과는 아래와 같다.
트랜스 사이즈 1차 권선비 2차 권선비 컨버터 효율
EDR3909 1.5 1 85.2
1.6 1 86.7
1.7 1 87.2
1.8 1 87.4
1.9 1 90.5
2.0 1 91.0
2.1 1 90.8
2.2 1 87.8
2.3 1 87.7
2.4 1 87.1
또한, EE1312의 경우 2차 권선비 대비 1차 권선비의 비율은 1.9 내지 2.1이 될 수 있는데, 이는 컨버터 효율이 약 90%가 나와야하다는 기존 연구결과에 기초하며, 이와 관련된 실험결과는 아래와 같다.
트랜스 사이즈 1차 권선비 2차 권선비 컨버터 효율
EE1312 1.5 1 84.3
1.6 1 85.7
1.7 1 86.1
1.8 1 87.9
1.9 1 90.7
2.0 1 90.2
2.1 1 90.5
2.2 1 86.6
2.3 1 85.4
2.4 1 83.9
상기 권선비에 관하여 다음과 같이 정리할 수 있다.
기존의 플리커 방지형 회로의 경우 접합형 트랜지스터를 사용하지 않는 바, 효율성의 문제가 지속적으로 부각되었다. 이에, 본 발명의 일 실시예는 접합형 트랜지스터를 사용하였는 바, 전체 컨버터의 효율을 최대 91%까지 맞추기 위한 권선비를 실험을 통해 확보하였다.
EDR 3909 및 FF1312를 기준으로 효율을 최대 91%까지 맞추기 위해서 1차 권선비 와 2차 권선비의 비율은 1.9 내지 2.1일 수 있으며 권선비가 2.0에 가까울수록 컨버터 효율이 좋음을 확인하였다.
한편, LLC부(50)는 상기 하프브릿지부를 통과한 전원으로부터 소정의 주파수 노이즈를 제거하고, DC출력부(100)는 상기 LLC부의 출력전원을 정전류의 직류전원으로 변환하여 LED램프로 공급할 수 있다.
또한, 센싱부(70)는 상기 하프브릿지와 연결되어 상기 DC출력부로 전달되는 전류 및 전압을 센싱할 수 있다.
상기 출력부(100)는 상기 제1트랜스(T1)의 2차측에 유기되는 출력전원을 정전류의 직류전원으로 변환하여 LED 램프에 공급할 수 있다.
상기 출력부(100)는 직류화를 위한 다이오드와 캐패시터, 노이즈를 제거하는 코일 등의 전자소자를 포함하여 이루어질 수 있다. 구체적으로 트랜스(T1)의 2차는 권선을 분리하여 발열을 줄여 효율을 증대시켰으며 고속 다이오드(D12, D13)와 전해콘덴서(CE2)와 방전저항(R17)을 거쳐 LED램프에 전압과 전류를 공급하게 된다.
한편 본 발명의 일실시예는 다음과 같은 효과를 포함할 수 있다.
우선, 본 발명의 일실시예는 하프 브릿지 회로와 직렬 LLC공진 회로를 결합시켜 구성할 수 있다.
또한, 1차측 트랜스 권선과 다이오드 브릿지 사이의 복귀 전류가 부스팅 및 역률을 제어할 수 있다.
한편, 1차 전류는 LLC공진 회로에 포함된 트랜스 1차와 직렬연결되어 있는 인덕터 공진탱크를 통해 흐를 수 있다.
한편, 수동 PFC부는 스위칭 다이오드를 포함할 수 있다. 일반적으로 전압 부스팅을 하는 경우 제어회로나 스위칭 제어를 하는 것이 일반적이나, 본 발명의 일실시예는 수동 PFC부는 스위칭 다이오드를 이용하여 부스팅을 진행하므로 부품이 차지하는 공간을 줄일 수 있으며, 나아가 회로 제작시 단가를 줄일 수 있다.
구체적으로 설명하면, 전원의 스위칭 전류는 공진회로 순전류(PUSH전류) 와 역전류(PULL)를 교대로 흐르게 되며, 전류를 전해 콘덴서로 펌핑하여 높은 전압을 부스트하게 된다.
한편, 드라이브 트랜스는 주파수를 제어하지 않고 접합형 트랜지스터 의 전원을 공급할 수 있다.
통상적인 flyback 방식의 경우 전력노이즈에 의해 조명 떨림현상이 발생할 수 있다. 이에 본 발명의 일실시예는 FET가 배치되어야 할 위치에 접합형 트랜지스터 가 배치되며 접합형 트랜지스터가 스위칭하며 빠른 고주파 전환속도와 더불어 PFC회로와 공진방식으로 조명떨림 문제를 해결할 수 있다.
한편, 제어부(미도시)는 이상전압이 출력부로 전달될 가능성이 있는 경우, 컨버터로 입력되는 전력을 차단할 수 있다.
복수 개의 형광등이 배치되는 경우 본 발명의 일실시예인 공진형 플리커프리 LED조명 기구용 컨버터가 각각의 형광등 별로 배치될 수 있으며, 각각의 형광등 별로 회로가 제어될 수 있다.
한편, 제어부(미도시)는, 센싱부(미도시)가 K 주기에 센싱한 전압값 분포의 밀도 그래프를 작성하고, K주기에 센싱한 전압값 분포의 밀도그래프와 K-1주기에 센싱한 전압값 분포의 밀도그래프 사이의 불일치도를 계산하되,
상기 불일치도는, 에 기초하여 연산되며, 상기 불일치도가 1.5 이상이 되면 상기 컨버터로 진입하는 모든 전원을 차단할 수 있다. 상기 1.5라는 값은 예시일 뿐이며, 필요시에는 기 설정된 값을 상회하는 값의 불일치도가 나올 경우 컨버터로 진입하는 모든 전원이 차단될 수도 있다.
구체적으로 설명하면, 각 주기별로 DC 출력부를 향해 전달되는 전압을 센싱부(70)가 센싱하고 센싱된 값을 제어부(80)는 각 주기 별 시간 데이터(본 자료에서는 15초를 한 주기로 결정함)에서 특정 두 주기상 전압 분포의 밀도 비율기반 차이를 를 구할 수 있으며, 이를 통해 분포의 불일치도를 계산할 수 있다.
이때, n은 주기의 크기(the size of time window), 는 데이터 샘플로부터 획득된 밀도비율(density-ratio estimator obtained from data samples), 는 특정 주기에서 해당 주기동안 획득된 부분그래프(subsequence)를 의미한다(subsequence of period at times t and t+n). 상기 식은 "A framework for evaluating aggressive driving behaviors based on in-vehicle driving records(Jooyoung Lee, Kitae Jang) 에서 uLSIF"와 관련하여 공지된 기술로써, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 제어부는, 상기 불일치도를 누적 및 저장하되, 기 설정된 횟수의 불일치도의 CPK값을 측정하여, CPK값이 1.0 미만의 값이 나오면 상기 컨버터로 진입하는 모든 전원을 차단할 수 있다.
구체적으로 앞서 설명한 바와 같이 밀도비율 기반 차이를 통해 출력측으로 전달되는 전압의 변동을 판별할수도 있으나, 지속적인 회로 관리를 위해서는 전압의 일정성을 유지하는 것도 중요하다. 이에 전술한 바와 같이 CPK값을 기준으로 전압의 변동을 판별하여 CPK값이 1.0 미만의 값이 확인되면 회로의 입력측 전원을 차단할 수 있다.
한편, 고효율 LED조명기기는, 2.5us 이하의 Ts(storage time)값을 유지하는 bipolar TR(Q1, Q2)로 고속 스위칭 하여 Radiated emisson를 효과적으로 차단하는 기능을 포함하는 Blinking 및 플리커현상을 억제하여 안정적인 출력을 유지시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예는 시험성적을 통해 그 성능을 확인한 바, 도6에 도시된 바와 같이 컨버터 입출력효율은 91% 임을 확인하였고, 퍼센트 플리커도 0.318%로 낮은 값을 가짐을 확인하였다.
이때, 형광등을 예시로 든 것은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 예시일 뿐이며, 형광등 외에 가정 및 공장에 설치될 수 있는 어떠한 전자제품에도 적용이 가능하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 입력부 20 : 필터부 30: 정류부
40: 하프브릿지부 50: LLC부 60: 전원회로부 100: 출력부

Claims (7)

  1. LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로에 있어서,
    상기 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로는,
    입력되는 상용전원에 포함된 노이즈를 제거하는 필터부;
    상기 필터부를 통과한 상기 상용전원을 정류하는 정류부;
    상기 상용전원에 기초하여 IC를 구동하는 구동부;
    2개의 접합형 트랜지스터를 이용하여 상기 IC에서 발생한 전류펄스신호에 기초하여 자가발진 및 스위칭을 진행하는 LLC부; 및
    상기 LLC부의 출력전원을 정전류의 직류전원으로 변환하여 LED램프로 공급하는 출력부,
    상기 LLC부와 연결되어 상기 출력부로 전달되는 전류 및 전압을 센싱하는 센싱부;
    상기 센싱부의 센싱값에 기초하여 회로에 입력되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로는,
    정격전원 20W 이하의 경우 인덕터와 트랜스는 EE1312코어를 사용하는 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로는,
    정격전원이 60W이하의 경우 인덕터와 트랜스는 EDR3909코어를 사용하는 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로
  4. 제3항에 있어서,
    상기 EE1312 및 EDR3909는,
    2차 권선비 대비 1차 권선비의 비율은 1.9 내지 2.1을 사용하는 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로는,
    2.5us 이하의 Ts(storage time)값을 유지하는 bipolar TR(Q1, Q2)로 고속 스위칭 하여 Radiated emisson를 효과적으로 차단하는 기능을 포함하는 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센싱부가 K 주기에 센싱한 전압값 분포의 밀도 그래프를 작성하고,
    K주기에 센싱한 전압값 분포의 밀도그래프와 K-1주기에 센싱한 전압값 분포의 밀도그래프 사이의 불일치도를 계산하되,
    상기 불일치도는,
    에 기초하여 연산되며,
    상기 불일치도가 기 설정된 이상의 값이 되면 상기 컨버터로 진입하는 모든 전원을 차단하는 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 불일치도를 누적 및 저장하되,
    기 설정된 횟수의 불일치도의 CPK값을 측정하여, CPK값이 1.0 미만의 값이 나오면 상기 컨버터로 진입하는 모든 전원을 차단하는 LED조명의 Blinking(빛 떨림)현상을 억제하는 고효율 공진형 플리커프리 컨버터 회로
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