KR20080079275A - Ｌｅｄ 셀들을 구동하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 엘리먼트(11)와 결합된 고주파 생성기(10)에 의해 생성된 전류를 각각 적어도 하나의 LED를 포함하는 다수의 LED 셀들(33)에 공급하기 위한 구동 장치에 관한 것이다. 상기 구동 장치는 병렬 구성으로 배열된 각각 다수의 LED 채널들(1,2,3,4;1',2',3',4') 및 상기 다수의 LED 채널들(1,2,3,4;1',2',3',4')의 채널들과 쌍으로 결합하는 하나 또는 그 이상의 결합된 인덕터들(L12,L23,L34)을 포함한다.

Description

ＬＥＤ 셀들을 구동하기 위한 장치{AN ARRANGEMENT FOR DRIVING LED CELLS}

본 발명은 발광 다이오드들(LED)을 구동하기 위한 장치들에 관한 것이다.

본 발명은 RGB 3원색 조명 시스템을 포함하는 RGB LED 셀들, 즉 LED 셀들 같은 다수의 LED 셀들을 포함하는 장치들 및 일반적으로 조절할 수 있는 백색 조명 시스템을 형성하는 다원색 조명 시스템을 구동하는데 특정 관심을 가지고 개발되었다.

디스플레이 유니트들로서 사용하는 것 외에, 조명 다이오드들(LED)은 조명 소스들로서 매우 대중적이 되었다. 이것은 주로 소위 높은 플럭스(HF) 또는 고 휘도 LED들에 적용한다. 통상적으로, 이들 LED들은 셀들 내에 배열되고, 각각의 셀은 병렬/직렬 배열로 결합된 하나 또는 그 이상의 LED들로 구성된다.

주어진 방사 파장(즉, 각각의 "칼라")을 가진 각각 하나 또는 그 이상의 LED들을 포함하는 다수의 셀들의 결합은 결합된 광 방사선을 형성하고, 상기 방사선의 특성들(스펙트럼, 세기, 및 등등)은 각각의 셀의 기여도를 적당하게 제어함으로써 선택적으로 조절될 수 있다. 예를들어, 삼원색 시스템(예를들어, RGB)의 기본 컬러들 중 하나의 파장을 방출하는 한 세트의 다이오드들을 각각 포함하는 3 개의 셀들은 백색광 및/또는 선택적으로 가변하는 방사선을 형성한다. 상기 장치들은 다 른 "온도"의 백색 광을 형성하기 위하여 제공된 소위 조절 가능한 백색 시스템들을 포함한다. 실질적으로 유사한 장치들은 필수적으로 동일한 컬러의 하나 또는 그 이상의 LED들로 각각 구성된 셀들을 포함할 수 있고 광 소스들을 형성하며, 상기 광 소스들의 세기는 특정 조명 조건들(예를들어 주어진 공간의 다른 영역들, 디스플레이 영역 및 등등에서 다른 조명 레벨들을 제공함)에 부합하도록 선택적으로 조절될 수 있다.

상기 장치들에서 다른 전압 강하로 각각의 채널상 전류를 제어하기 위하여 액티브 엘리먼트들을 사용할 필요성을 회피하면서 둘 또는 그 이상의 LED 채널들을 병렬로 접속할 필요성이 발생한다.

현재 해결책들은 각각의 채널을 따라 분배된 전류 조절기들을 포함한다. 이들은 높은 전류 LED들의 경우 필수적으로 무시할 수 없는 전력 손실을 유발하는 부가적인 전압 강하를 유도한다. 전류 제어 기능을 가진 스위칭 스테이지는 전력 낭비를 개선하기 위하여 모든 단일 채널에 도입될 수 있다. 그러나, 이것은 다수의 부가적인 전력 구성요소들을 도입하고 구동기 비용 및 복잡성을 증가시킨다.

상기에서 고려된 종래 기술 장치들이 만족스러운 동작을 제공할 수 있지만, 상기 종래 기술 장치들은 여전히 다른 전압 강하들로 LED들의 다른 채널들에 전달되는 전류를 제어하기 위하여 액티브 엘리먼트들의 사용을 회피하는 문제에 대한 해결책을 제공하지 못한다.

본 발명의 목적은 상기된 문제에 대한 완전히 만족스러운 해결책을 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 상기 목적은 다음 청구항들에 나타난 특징들을 가진 구동 장치에 의해 달성된다. 청구항들은 여기에 제공된 본 발명의 개시물의 일부이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 적어도 하나의 LED를 각각 포함하는 다수의 LED 셀들에 고주파 생성기에 의해 생성된 전류를 공급하기 위한 구동 장치이고, 상기 구동 장치는 병렬로 배열된 각각의 다수의 LED 채널들 및 상기 다수의 LED 채널들과 쌍으로 결합하는 하나 또는 그 이상의 인덕터들을 포함한다.

필수적으로, 여기에 기술된 구동 장치는 채널들의 매우 다른 순방향 전압들의 존재시에도 LED 전류들의 전류 등가화를 수행하기 위해 채널에 결합된 인덕터들을 도입할 수 있는 장점을 가진다.

특히, 다른 순방향 전압을 나타내고 하나의 결합된 인덕터와 결합되는 한 쌍의 LED 채널들에 고주파 전압 소스를 인가할 때, 결합된 인덕터 코어 내 언밸런스된 자속은 실질적으로 네가티브 피드백 작용을 수행함으로써 다른 LED 전압을 보상하는 동적 임피던스를 결정한다.

본 발명은 예를들어 동봉된 도면들을 참조하여 지금 기술될 것이다.

도 1은 여기에 기술된 구동기 장치의 제 1 실시예의 예시적인 회로도이다.

도 2는 여기에 기술된 구동기 장치의 제 2 실시예의 예시적인 회로도이다.

도 3은 도 2에 도시된 구동기 장치에서 발생하는 전류들을 나타내는 타이밍 도이다.

도 1은 RGB LED 셀들에 대한 구동 장치의 회로도를 도시한다. 상기 구동기 스테이지는 실질적으로 "벅(buck)" HF 구동기이다.

보다 특히, 도 1에서 참조 번호 10은 방형파 생성기를 나타내고, 상기 방형파 생성기는 자기 엘리먼트(11), 즉 인덕터, 및 상기 자화 엘리먼트(11) 다음에 직렬로 배치된 분리 캐패시터(12)를 통하여, 참조 번호 1,2,3 및 4로 각각 표시된 4개의 병렬 채널들에 상기 방형파 신호를 공급한다.

예를들어, 방형파 생성기(10)는 24V 전압을 4,7nH 인덕터(11) 및 150nF 분리 캐패시터(12)에 인가하는 인버터이다.

각각 4개의 병렬 채널들(1,2,3,4)은 도 1에서 예시적으로 도시된 LED만을 포함하는 각각의 LED 셀(33)을 포함한다. LED 셀(33) 전에 전압 이배기(doubler) 구조가 배열되고, 상기 전압 이배기 구조는 제 1(바람직하게 세라믹) 캐패시터(42)를 통하여 접지 포인트(21)에 접속된 역방향 다이오드(43) 및 제 2(바람직하게 세라믹) 캐패시터(41)를 통하여 접지(21)에 접속된 직류 다이오드(44)를 포함한다. LED 셀(33)은 접지(21)에 접속되지 않은 세라믹 캐패시터들(41,42)의 단자들 사이에 접속된다.

모든 "LED" 채널들(1,2,3,4)이 지금까지 기술된 동일한 구조를 되풀이하지만, 이들 채널들(1,2,3,4)은 쌍으로 배열된 것으로 생각되고, 결합된 인덕터들(즉, 트랜스포머들)(L12,L23,L34)은 전압 이배기와 유사한 구조 상류쪽 각각의 채널의 시작부에서 상기 결합 캐패시터(12)에 직렬로 배치된다.

부가하여:

- 결합된 인덕터(L12)는 채널(1) 상 제 1 코일(즉, 권선) 및 채널(2)상 각각의 공통 코일을 포함하고,

- 결합된 인덕터(L23)는 채널(2)상 제 1 코일 및 채널(3)상 각각의 공통 코일을 포함하고,

- 결합된 인덕터(L34)는 채널(3)상 제 1 코일 및 채널(4)상 각각의 공통 코일을 포함한다.

상기 결합된 인덕터들(L12,L23,L34)은 채널들(1,2,3,4)의 매우 다른 순방향 전압들로 LED 전류들의 유사한 완전한 전류 등가화를 허용한다.

만약 고주파 전압 소스가 다른 값들의 순방향 전압(Vf)을 가진 두 개의 LED 셀들에 인가되고 상기 결합된 인덕터 중 하나와 결합되면, 결합된 인덕터의 코어에서 언밸런스 자속에 의해 발생되는 동적 임피던스는 자동으로 생성되어 다른 LED 전압을 보상한다.

특히, 낮은 순방향 전압(Vf)에 의해 발생되는 하나의 채널에서의 전류의 증가는 필수적으로 네가티브 피드백 형태로 이 채널에 의해 나타나는 동적 임피던스를 증가시킬 것이다.

전류 등화기들로서 결합된 인덕터를 사용하기 위하여, 자기 코어 포화를 유도하는 자화 인덕턴스에 연속적인 전압을 인가하는 것이 회피된다. 게다가, 결합된 인덕터의 올바른 작용을 위하여, 결합된 인덕터에 흐르는 전류의 리셋은 수행된다. 여기에 기술된 구동 장치는 특히 HF 전압 또는 전류 소스가 존재하는 경우 적 당하다.

만약 결합된 인덕터들이 상기된 바와 같이 사용되면 작은 크기의 자화 코어들만이 요구된다; 실제로 안전한 절연은 두 개의 다른 LED 채널들(크리피지/틈 거리 없음)을 분리하기 위하여 요구되지 않고 작은 언밸런스 플럭스만이 제공된다(작은 코어 크기들).

예를들어, LED 셀들(33)이 9 OHm의 저항을 나타내고 각각 병렬 채널들(1,2,3,4)에 대해 10, 13.5, 15 및 20V의 순방향 전압(Vf)을 나타내면, 결합된 인덕터들(L12,L23,L34)은 500μH 값을 가질 수 있다. 캐패시터들(41 및 42)은 1μF 값을 가지도록 선택될 수 있다.

도 1의 회로는 필수적으로 HF 전압 생성기(10)를 생성하기 위하여 단지 두 개의 전력 MOSFET만을 요구하고, 하나의 전력 인덕터는 자기 엘리먼트(11) 및 N-1 작은 결합 인덕터들로 표현되고, 여기서 N은 LED 채널들의 수를 나타내는 정수이다.

캐패시터(12)는 로드 전류의 DC 성분을 필요 없게 하고, 자기 엘리먼트(11)를 나타내는 인덕터는 유도된 캐패시티브 엘리먼트로 인한 스파이크들을 감소시킨다.

LED들은 단일 방향 및 바람직한 일정한 전류 소스를 요구한다; 도시된 장치에서 이것은 각각의 채널에서 두 개의 다이오드들(43,44) 및 두 개의 세라믹 캐패시터들(41,42)의 삽입에 의해 보장된다. 이런 구조(상기에서 "전압 이배기"라 함)는 전력 소스의 주파수를 두 배로 함으로써 요구된 전류를 형성하고, 이에 따라 매 우 빠른 동적 응답을 형성한다.

인덕터(11) 및 캐패시터(12)는 함께 공진 회로를 형성한다; 만약 생성기(10)에서 MOSFET들의 작동 주파수가 결과적인 공진 주파수보다 약간 작으면, 낮은 저장된 반응 전력 및 MOSFET 제로 전류 동작(낮은 스위칭 손실들)은 달성될 수 있다.

도 2는 각각의 채널에 의해 구동되는 LED 또는 LED들의 휘도의 선택적인 변동을 허용하기 위하여, 추가의 MOSFET(72)이 각각의 낮은 구동기(70), 즉 저주파 PWM(펄스 폭 변조) 모드에서 동작하는 방형파 생성기에 의해 구동되는 각각의 채널(1',2',3',4')상에 부가되는 구동 장치의 제 2 실시예를 도시한다. 개시된 회로는 필수적으로 도 1과 기술된 회로에 대응하지만, 4개의 분리 캐패시터들(22)이 하류쪽 각각의 채널들(1',2',3',4')에 결합된 인덕터들(L12,L23,L34)에 관련하여 직렬로 배치되고, 이에 따라 도 1에 도시된 분리 캐패시터(12)가 제거된다는 차이가 있다.

"전압 이배기" 구조는 유지되고 추가 MOSFET(72)은 LED 셀(33)의 양의 단자에 접속된 드레인 전극을 가진다.

필수적으로, 도 2의 실시예에서, 도 1의 단일 캐패시터(12)는 동일한 엘리먼트에서 모든 채널들의 전류 흐름에 의해 발생되는 전압 강하를 방지하기 위하여 각각의 채널에서 캐패시터(22)로 대체된다. 또한 캐패시터(41)는 제공되고, LED 셀(33)과 병렬로 배치된다. 캐패시터(22)는 예를들어 56nF의 캐패시티를 가지며, 캐패시터(41)는 2μF의 캐패시티를 가진다. 도 1을 참조하여 이미 기술된 것과 대응하는 다른 구성요소들은 동일한 값들을 유지한다.

도시된 MOSFET들은 접지에 접속되고 절연된 구동기들을 요구하지 않는다. MOSFET 구동기 명령들은 네가티브 논리이다; LED 셀(33)이 오프일 때, 대응 MOSFET(72)은 LED 셀(33) 같은 도전 및 단락회로들이고, 전체 채널 전류를 홀딩한다.

도 3에 도시된 타이밍 도는 PWM 감광 단계 동안 시간(t)의 함수로서 각각의 채널에 대해 측정된 전류들(I1,I2,I3,I4)을 도시한다.

본 발명자들에 의해 지금까지 수행된 실험에서, 매우 다른 순방향 전압을 가진 LED들은 사용되고(50%이상), 동일한 주파수를 가진 PWM 제어 신호들을 사용하여, 다른 스위치 온 간격들(Ton)은 3개의 채널들에 제공된다. 결과적인 파형들은 시작 전류들이 유사하고, 채널의 전류가 다른 채널들의 분리에 의해 전혀 영향을 받지 않는 것을 나타낸다.

제안된 장치는 공진 회로들뿐 아니라, 다른 기하구조들을 가지며 병렬 LED 채널들에서 동작하는 컨버터들과 관련된 애플리케이션을 얻는다. 예를들어, 상기 애플리케이션은 하나 또는 두 개의 MOSFET들을 포함하는 구동 스테이지를 통하여 전류를 공급하는 인버터에 관련하여 제공될 수 있다. 이 경우 필터링 인덕터들은 병렬 채널들상에 배치된 동일한 공통 인덕터들의 누설 인덕턴스들에 의해 얻어질 수 있다.

또한 이 실시예에서 각각의 스위칭 사이클에서 공통 인덕터의 전류를 리셋하는 것은 편리하다. 상기 모드 동작에 따라, 가장 우수한 성능들은 "경계선" 방식, 즉 연속적인 동작 및 불연속적인 동작 사이의 경계에서 컨버터를 동작시킴으로써 얻어질 수 있다.

당업자는 하기를 인식할 것이다:

- 4개의 채널들이 여기서 예시되고, 당해의 셀들 및 채널들은 실제로 임의의 수를 가질 수 있다(따라서 도면에서 3개의 셀들의 존재의 도시는 순수하게 예시적이다), 및

- 각각의 채널은 단일 LED 또는 다수의 LED들을 가진 채널들을 포함할 수 있다.

특히, 제안된 장치는 RGB 시스템들뿐 아니라, 일반적으로 병렬 LED 채널들과 관련하여 효과적이다. 에를들어, 높은 전력, 즉 24 백색 LED들을 사용하기를 원할 때, 이들 LED들은 직렬 구성에 의해 결정된 과도한 전압 강하를 방지하고 전류 조절에 의해 부과되는 전압 제한들, 예를들어 25 Vrms를 초과하는 전압을 요구하기 위하여 병렬 체인들 내에 배치되어야 한다. 그러므로 관련 회로는 각각 6개의 LED들을 가진 적어도 4개의 병렬 채널들에 따라 구성되어야 하고, 제안된 장치는 각각의 채널에 대해 약간의 비용 성분들을 부가하고 구동될 수 있다.

본원 발명의 근본 원리들에 대한 손상 없이, 상세한 설명 및 실시예들은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 예를들어 서만 상기에 기술된 것과 관련하여 크게 변화할 수 있다.

그러므로, 본 발명의 파티콜라(particolar) 실시예는 RGB LED 소스들에 사용하는데 특정 관심을 가지고 도시 및 기술되었고, 다른 실시예들이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 이루어질 수 있기 때문에 본 발명이 상기된 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 따라서 본 발명이 다원색 조명 시스템, 예를들어 조절 가능한 백색 조명 시스템의 구동을 포함하는 임의의 실시예들을 포함한다는 것이 고려된다.

Claims (14)

1. 적어도 하나의 LED를 각각 포함하는 다수의 LED 셀들(33)에 고주파 생성기(10)에 의해 생성된 전류를 공급하기 위한 구동 장치로서,

   상기 구동 장치는 병렬 구성으로 배열된 각각의 다수의 LED 채널들(1,2,3,4; 1',2',3',4') 및 상기 다수의 LED 채널들(1,2,3,4; 1',2',3',4') 중에서 채널들의 쌍들과 결합하는 하나 또는 그 이상의 결합된 인덕터들(L12,L23,L34)을 포함하는,

   구동 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 장치는 상기 고주파 생성기(10)에 직렬 연결된 자기 엘리먼트(11)를 포함하는,

   구동 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 구동 장치는 상기 다수의 LED 채널들(1,2,3,4) 쪽으로 전류의 흐름 경로에 배열된 분리 캐패시터(12)를 포함하는,

   구동 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 구동 장치는 상기 LED 채널들(1',2',3',4') 중 각각 하나에 각각 배열된 다수의 분리 캐패시터들(22)을 포함하는,

   구동 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 다수의 분리 캐패시터들(12)은 상기 LED 채널들(1',2',3',4') 중 각각의 채널에 포함된 결합된 인덕터(L12,L23,L34)의 하류쪽에 배열되는,

   구동 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 LED 채널들(1,2,3,4; 1',2',3',4')은 상기 LED 셀들(33)에 제공하기 위한 각각의 전압 이배기 구조들(41,42,43,44)을 포함하는,

   구동 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 LED 채널들(1,2,3,4; 1',2',3',4')은 감광 기능을 수행하기 위하여 각각 부가적인 전자 스위치들(72)을 포함하는,

   구동 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 각각의 부가적인 전자 스위치들(72)은 PWM 감광 모드에 따라 상기 각각의 부가적인 전자 스위치들(72)을 구동하는 하부측 구동기들(70)에 결합되는,

   구동 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 장치는 상기 고주파 생성기(10)에 직렬 연결된 적어도 하나의 MOSFET을 포함하는 구동기 스테이지를 포함하는,

   구동 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고주파 생성기(10)는 각각의 스위칭 사이클에서 상기 하나 또는 그 이상의 결합된 인덕터들(L12,L23,L34)에 흐르는 전류를 리셋하기 위하여 구성되는,

    구동 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 발광 다이어드들(33)은 함께 3원색 조명 시스템을 형성하는,

    구동 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 발광 다이오드들(33)은 함께 다원색 조명 시스템을 형성하는,

    구동 장치.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 발광 다이오드들(33)은 함께 RGB 조명 시스 템을 형성하는,

    구동 장치.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 발광 다이오드들(33)은 함께 조절 가능한 백색 조명 시스템을 형성하는,

    구동 장치.

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