KR20080008759A - 발광다이오드 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터 - Google Patents

발광다이오드 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 턴온 스위칭 시에 전력손실을 저감시킬 수 있는 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터에 관한 것으로서, LED 백라이트 구동회로에서 LED 백라이트 구동을 위한 쵸핑신호로서 턴오프에서 턴온으로 스위칭 될 때에, 드레인-소스 전압이 영전압(zero voltage)이 이루어지고 나서 드레인-소스 전류가 흐르는 FET 스위칭소자와, 입력전원과 상기 FET 스위칭소자의 드레인 단자 사이에 연결되어 전류 리플(ripple)을 제거하는 인덕터와, 상기 FET 스위칭소자의 드레인 단자와 소스 단자 사이에 연결되어, 상기 FET 스위칭소자가 턴오프에서 턴온될 때의 스위칭 구간에서 상기 인던턴스와 공진을 일으키는 공진 커패시터를 구비한다.
LED, 컨버터, 승압형, FET, 손실, 공진, 쵸핑, 스위칭, 공진주파수

Description

발광다이오드 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터 {Resonance boost converter in LED back-light driver}
도 1은 종래의 LED 백라이트 구동회로의 승압형 컨버터의 회로도이다.
도 2는 종래의 LED 백라이트 구동회로의 승압형 컨버터에서 전력손실을 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터에서 턴온 스위칭 될 때의 드레인-소스 전압 및 드레인-소스 전류 파형을 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터에서 턴온 스위칭될 때의 실험 파형을 도시한 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
30: FET 스위칭소자 31: 인덕터
32: 공진 커패시터 33: 저항
34: 다이오드 35: 필터링 커패시터
41: 턴오프 구간 42: 스위칭 구간
43: 턴온 구간
본 발명은 턴온 스위칭 시에 전력손실을 저감시킬 수 있는 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로 각종 전자기기용 직류전원으로 많이 이용되고 있는 커패시터 입력형 정류회로는 가격이 싸고 구성이 간단하여 복잡한 제어가 불필요하며, 커패시터의 용량증대에 따라 출력리플이 저감되는 등의 우수한 특징이 있지만, 입력역률이 낮고 입력전류의 파형이 크게 왜곡되는 등의 많은 문제가 발생하므로 그 특성 개선이 요망되고 있었다. 따라서 정류회로에 초퍼회로를 접속해서 입력전류를 정현파 형태로 제어해서 파형개선을 하는 것과 함께 입력역률을 고역률화하는 승압형 컨버터가 제안되었다.
한편, TFT-LCD 패널 등의 액정패널의 LED 백라이트(back-light)를 점등시키고 백라이트의 점등을 안정시키기 위하여, LED 백라이트 구동회로에서 상기 승압형 컨버터가 사용된다. 상기 LED 백라이트 구동회로에서 하드 스위칭(hard switching) 방식의 쵸퍼회로 역할을 하는 승압형 컨버터(Boost Converter)의 일 예를 도 1에 도시하였다. 상기 도 1을 참조하면, LED 백라이트(14) 측으로 전원을 공급할 때는 FET 스위칭소자(10;S)를 개방(이하, '턴오프 구간'이라 함)시켜 다이오드(13;D)를 통해 LED 측으로 전압을 공급하며, 반대로, LED 백라이트(14) 측으로 전원을 공급하지 않을 때는 FET 스위칭소자(10;S)를 단락(이하, '턴온 구간'이라 함)시켜 결과적으로 다이오드(13;D)를 통해 LED 백라이트(14) 측으로 전압이 공급되지 않도록 한다.
또한, 상기 승압형 컨버터는 필터링을 위한 인덕터(11;LF)와 필터링 커패시터(12;CF)를 구비하는데, 상기 턴오프 구간과 턴온 구간이 반복될 때 발생되는 전류 리플(ripple)을 감소시키기 위하여 상기 인덕터(11;LF)를 사용하며, 출력전압을 일정하게 유지하기 위하여 상기 필터링 커패시터(12;CF)를 사용한다.
승압형 컨버터의 경우, 스위칭 주파수를 높일수록 인덕터(11) 및 커패시터(12) 용량을 줄일 수 있는 이점이 있는 반면, 도 2와 같이 하드 스위칭(hard switching) 방식의 스위칭 주파수가 커질수록 전력 손실이 커지는 문제가 있었다. 특히, FET 스위칭소자의 경우, FET 소자의 특성상 턴오프(turn-off) 시의 전력손실이 적은 반면, 턴온(turn-on) 시의 전력손실이 대부분을 차지하고 있는데, 이러한 턴온 시의 전력손실을 절감시키는 방안이 요구되었다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 안출된 것으로서, LED 백라이트 구동 회로의 승압형 컨버터에 있어서 FET 스위칭소자의 전력손실을 절감시키도록 하는 소프트 스위칭이 이루어지는 공진 승압형 컨버터를 제시함을 목적으로 한다.
상기 목적을 이루기 위하여 본 발명은, LED 백라이트 구동회로에서 LED 백라이트 구동을 위한 쵸핑신호로서 턴오프에서 턴온으로 스위칭 될 때에, 드레인-소스 전압이 영전압(zero voltage)이 이루어지고 나서 드레인-소스 전류가 흐르는 FET 스위칭소자와, 입력전원과 상기 FET 스위칭소자의 드레인 단자 사이에 연결되어 전류 리플(ripple)을 제거하는 인덕터와, 상기 FET 스위칭소자의 드레인 단자와 소스 단자 사이에 연결되어, 상기 FET 스위칭소자가 턴오프에서 턴온될 때의 스위칭 구간에서 상기 인던턴스와 공진을 일으키는 공진 커패시터를 구비한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터 회로도이다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 LED 백라이트 구동회로의 공진(ZVS; Zero- Voltage-Switching) 승압형 컨버터는 FET 스위칭소자(30), 턴오프 구간과 턴온 구간이 반복될 때 발생되는 전류 리플(ripple)을 감소시키기 위하여 인덕터(31;LF)와, 턴온(turn-on) 시의 공진 구현을 위해 FET의 드레인(drain)과 소스(source) 양단 사이에 연결되어 있는 공진 커패시터(32;CS), 커패시터에 직렬로 연결된 저항(33;RS), 출력전압을 일정하게 유지하기 위한 필터링 커패시터(35;CF), 역방향 전류 흐름을 방지하는 다이오드(34;D)로 구현된다. 상기 구조를 가짐으로서, FET 스위칭소자가 턴오프->턴온 시점에 공진을 통해, 전력손실을 저감시킬 수 있다.
종래의 도 1의 승압형 컨버터와 비교할 때, 본 발명의 공진 승압형 컨버터는 FET의 드레인(drain)과 소스(source) 양단 사이에 연결되어 있는 공진 커패시터(32;CS)와 저항(33;RS)을 구비하는 특징을 가지는데, 이는 FET 스위칭소자(30)가 턴온 되는 시점의 구간에서, 드레인 단자에 연결된 인덕터(31;LF)와 함께 LFCS 공진을 일으켜서, 결과적으로 드레인-소스 전압(Vds)이 영전압(zero voltage)이 된 후에 드레인-소스 전류(Ids)를 흐르게 하기 위함이다.
주지된 바와 같이, 일반적인 LC 직렬 공진회로에서 공진 주파수는 하기 [식 1]과 같다. 본 발명에서의 공진 주파수(f0)는 FET 스위칭소자가 턴온될 때의 드레인-소스 전압(Vds)의 기울기를 갖는 고유주파수와 동일한 주파수 값이어야 한다. 따라서 상기 공진 커패시터(32;CS)의 커패시턴스 값은, 하기 [식 1]의 공진주파수(f0)를 가지도록 FET 스위칭소자(30)가 턴온될 때의 기울기를 갖는 주파수(f0)와 인덕터(LF)의 인덕턴스 값에 따라 공진 조건을 만족하는 범위에서 설계된다.
[식 1]
Figure 112006052003550-PAT00001
한편, 상기 저항(33;RS)은 커패시터(32;CS)에서 방전이 이루어질 때 방전 전압의 시정수(time constant)를 결정짓는 값으로서, 하기 [식 2]에 따라 시정수(τ) 값에 따라 저항(33;RS) 값이 설계된다.
[식 2]
τ = RC
도 4는 상기 도 3의 회로 구조 하에서, 턴온 될 때의 드레인-소스 전압(Vds) 과 드레인-소스 전류(Ids)의 그래프를 도시하였다.
FET 스위칭소자가 턴오프 구간(41)에 있을 때, 드레인-소스 사이에는 일정한 드레인-소스 전압(Vds)이 걸려 있는데, 상기 턴오프 구간(41)에서 턴온 구간(43)으로 스위칭이 되면 FET 스위칭소자의 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르는 도통 상태가 되어 드레인-소스 전압(Vds)은 0[V]가 된다.
그런데, 상기 턴오프 구간(41)에서 턴온 구간(43)으로 스위칭이 이루어지는 순간, 즉, 드레인-소스 전압이 일정 전압(Vds)에서 0[V]로 떨어질 때(42; 이하, '스위칭 구간'이라 함), 드레인-소스 전압은 영전압이 될 때까지 일정한 기울기를 가져 특정 고유주파수를 가지는 고조파를 가지게 된다.
만약, 상기 [식 1]에 의한 공진 커패시터(32;CS) 값 조절을 통해 공진주파수를 상기 고유주파수에 일치시킬 때, 필터링 용도의 인덕터(31;LF)와 FET 스위칭소자에 연결되어 있는 공진 커패시터(32;CS)간에 공진이 발생된다. 스위칭 구간(42)에서 이러한 공진에 의해 드레인-소스 전류(Ids)는 제로('0') 상태를 유지하게 된다. 상기 스위칭 구간(42)에서의 공진이 끝나고 난 후, 완벽한 턴온 구간(43)이 되고 나서야 FET 스위칭소자는 도통되어 드레인-소스 간에 전류(Ids)가 흐르게 된다. 참고적으로, 턴온 구간(43)에서 드레인에서 소스로 전류가 흐르기 전에 맨 처음에 잠시 (-) 전류가 흐르는데, 이는 FET 스위칭소자의 기생 성분에 기인한다.
결국, 도 4의 그래프와 같이 드레인-소스 전압이 완전하게 영전압(zero voltage)이 될 때 드레인-소스 전류가 흐르는 턴온 상태가 되는 소프트 스위칭이 이루어짐으로써, FET 스위칭소자의 턴온 시에 드레인-소스 전압과 드레인 소스 전류가 겹치는 구간을 제거해 줄 수 있어, 스위칭 시의 전력 손실을 제거해 줄 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 공진 커패시터를 FET 스위칭소자의 드레인과 소스 사 이에 연결 했을 시에, 드레인-소스 전압과 드레인-소스 전류간의 실험 파형을 도시한 그래프이다. 도 5를 보면, 드레인-소스 전압(Vds)이 영전압(zero voltage)으로 완전히 이루어지고 나서 드레인-소스 전류(Ids)가 흐르게 되는 것을 볼 수 있다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시 될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.
상기에서 기술한 바와 같이 본 발명은, LED 백라이트 구동회로의 승압형 컨버터에서, 턴온(turn-on) 시에 전압과 전류를 겹치는 구간을 제거해 줌으로써, 전력손실을 저감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. LED 백라이트 구동회로에서 LED 백라이트 구동을 위한 쵸핑신호로서 턴오프에서 턴온으로 스위칭 될 때에, 드레인-소스 전압이 영전압(zero voltage)이 이루어지고 나서 드레인-소스 전류가 흐르는 FET 스위칭소자와,
    입력전원과 상기 FET 스위칭소자의 드레인 단자 사이에 연결되어 전류 리플(ripple)을 제거하는 인덕터와,
    상기 FET 스위칭소자의 드레인 단자와 소스 단자 사이에 연결되어, 상기 FET 스위칭소자가 턴오프에서 턴온될 때의 스위칭 구간에서 상기 인던턴스와 공진을 일으키는 공진 커패시터
    를 구비한 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공진 커패시터는, FET 스위칭소자가 턴오프에서 턴온될 때 드레인-소스 전압의 고유주파수(f0)와 공진이 되도록
    Figure 112006052003550-PAT00002
    식에 의하여 공진 커패시터 값이 결정되는 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공진 커패시터에 직렬로 저항이 연결되어 있는 LED 백 라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 공진 커패시터의 방전전압의 시정수 설계에 의하여 상기 저항 값이 결정되는 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 LED 백라이트로부터의 역방향 전류를 차단하는 다이오드를 더 포함하는 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 LED 백라이트의 양단자에 연결되어 상기 LED 백라이트로의 출력 전압을 일정하게 유지하도록 필터링하는 필터링 커패시터를 더 구비하는 LED 백라이트 구동회로의 공진 승압형 컨버터.
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