KR20100101755A - 위상제어용 발광다이오드 드라이버 - Google Patents

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Abstract

위상제어용 발광다이오드 드라이버가 개시된다. 이러한 위상제어용 발광다이오드 드라이버는, 위상제어되는 교류 전류를 인가받아 전파정류하기 위한 브릿지정류회로, 브릿지정류회로의 출력을 변압하기 위한 변압기, 변압기에 결합되어 자속을 검출하고 동작 전류를 제공하기 위한 변압기 자속검출부, 변압기 자속검출부로부터 동작 전류를 제공받아 동작하며, 입력신호, 검출 전류, 및 변압기 자속검출부에서 검출되는 자속에 의존하여 펄스폭 변조신호의 듀티비를 조절함으로써 스위칭 트랜지스터부를 제어하는 제어부, 스위칭 트랜지스터부에 흐르는 전류를 검출하여 검출 전류로서 제어부에 제공하기 위한 전류 검출부, 펄스폭 변조신호에 의해 제어되어 변압기의 1차측 전류를 조절하기 위한 스위칭 트랜지스터부, 발광다이오드의 입력단의 전압의 변화에 의존하여 제어부의 입력신호를 증감시키는 광커플러, 및 발광다이오드의 동작 구간동안, 위상제어에 상응하는 목표 유효 전력이 상기 발광다이오드에 인가되도록 조광하기 위한 정전류회로를 포함한다.
Figure P1020090020105
발광다이오드, 드라이버, 조광, 위상제어

Description

위상제어용 발광다이오드 드라이버{LIGHT EMITTING DIODE DRIVER FOR PHASE CONTROL}
본 발명은 위상제어용 발광다이오드 드라이버에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 통신선로를 사용하지 않고 위상제어기를 통해 출력의 실효값을 제어함으로써 조광을 실행할 수 있는 위상제어용 발광다이오드 드라이버에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode)(이하에서 LED라고도 함)는 반도체를 이용한 PN 접합 구조를 취하며, 이러한 PN 접합에 순방향으로 전압이 인가되는 경우, 전자가 갖는 에너지가 빛 에너지로 변환되어 발광하는 반도체 소자로서, 일리노이 대학의 닉 호로니악에 의해 1962년에 최초로 개발된 이후, 오늘날 조명용, 액정표시장치(Liquid Cristal Display, LCD)의 백라이트 유닛의 광원용 등으로 다양하게 사용되고 있으며, 특히 향후 형광등이나 전구를 대체할 광원으로서 주목받고 있다.
이러한 발광다이오드는, 조명용으로 사용되는 경우 사용자의 필요에 따라 조광(dimming)의 필요성이 대두되는데, 특히 고급 조명에 조광기(dimmer)를 사용하는 경우가 많다. 현재 사용중인 다수의 조광기는 위상제어 형태로서, 출력의 실효값을 제어하여 조광을 실시하고 있다. 이러한 조광방식은 종래의 백열등이나 할로겐램프와 같은 주울열(Joule heat)을 사용하여 발광하는 광원에 사용할 경우에는 그다지 문제되지 않았다.
그러나, 이러한 조광방식이 LED 광원에 사용될 경우, LED 광원에 정전류 드라이버 회로가 사용됨으로 인해 실질적인 조광 기능이 전혀 수행되지 않는 문제점이 있다. 따라서, 조광 기능을 수행하기 위해 별도의 통신선로 또는 전력선통신(Power Line Communication, PLC)을 사용해야 하는 불편함이 따르고, 그로 인한 비용이 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 정전류 회로가 사용되는 LED 광원에서 위의 문제점을 개선하면서도 조광기능을 수행할 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 정전류 회로가 사용되는 LED 광원에서 실질적인 조광기능이 수행되도록 하기 위한 위상제어용 LED 드라이버를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, LED 광원의 조광을 수행하기 위해 별도의 통신선로 또는 전력선통신을 사용해야 하는 불편함을 줄이고, 그로 인한 비용을 절감할 수 있는 위상제어용 LED 드라이버를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버는, 위상제어되는 입력전력이 인가되는 구간동안 발광다이오드측에 정전류를 공급하며, 위상제어되는 교류 전류를 인가받아 전파정류하기 위한 브릿지정류회로, 상기 브릿지정류회로의 출력을 변압하기 위한 변압기, 상기 변압기에 결합되어 자속을 검출하고, 동작 전류를 제공하기 위한 변압기 자속검출부, 상기 변압기 자속검출부로부터 상기 동작 전류를 제공받아 동작하며, 입력신호, 검출 전류, 및 상기 변압기 자속검출부에서 검출되는 자속에 의존하여 펄스폭 변조신호의 듀티비를 조절함으로써 상기 스위칭 트랜지스터부를 제어하는 제어부, 상기 펄스폭 변조신호에 의해 제어되어 상기 변압기의 1차측 전류를 조절하기 위한 스위칭 트랜지스터부, 상기 스위칭 트랜지스터부에 흐르는 전류를 검출하여 상기 검출 전류로 서 상기 제어부에 제공하기 위한 전류 검출부, 상기 발광다이오드의 입력단의 전압의 변화에 의존하여 상기 제어부의 상기 입력신호를 증감시키는 광커플러, 및 상기 발광다이오드의 동작 구간동안, 상기 위상제어에 상응하는 시간동안 정전류가 상기 발광다이오드에 인가되도록 하기 위한 정전류회로를 포함한다.
바람직하게는, 상기 발광 다이오드의 입력단에 연결되어 기준전압과 비교 후, 상기 광커플러에 비교결과를 출력하기 위한 비교부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 비교부는, 상기 발광다이오드의 입력단에 연결된 저항에 걸리는 전압과 제1 기준전압을 비교하기 위한 제1 비교기, 상기 발광다이오드의 입력 전압과 제2 기준전압을 비교하기 위한 제2 비교기, 및 상기 제1 기준전압 및 상기 제2 기준전압을 생성하기 위한 기준전압 발생기를 포함하되, 상기 정전류회로는, 상기 브릿지정류회로의 출력이 나타나지 않는 구간동안 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기가 동작하도록 하기 위한 전력을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정전류회로는, 상기 발광다이오드의 동작 구간 동안, 상기 발광다이오드에 인가되는 전압이 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기를 동작시키기기 위한 전압보다 작은 경우, 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기를 구동하기 위한 전압을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정전류회로는, 상기 발광 다이오드의 입력단에 병렬 연결되는 제1 커패시터, 상기 발광다이오드의 동작 구간 동안, 상기 발광다이오드에 인가되는 전압이 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기를 동 작시키기기 위한 전압보다 작은 경우, 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기를 구동하기 위한 전압을 제공하는 제2 커패시터, 및 상기 발광 다이오드의 제1 입력단과 상기 비교부 사이에 상기 제1 입력단에서 상기 비교부 방향으로 순방향 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 커패시터의 용량값은 이하의 수학식에 의해 결정되는 Cout 값의 ±20% 이내일 수 있다.
<수학식>
Cout = (Iout*τ)/Vripple,
Cout : 제1 커패시터의 용량, Iout : 발광 다이오드의 입력 전류,
τ : 상기 스위칭 트랜지스터부의 주기,
Vripple : 허용 출력 리플 전압(피크투피크(peak to peak) 값).
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 양상에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버는, 위상제어되는 입력전력이 인가되는 구간동안 발광다이오드 측에 정전류를 공급하며, 위상제어되는 교류 전류를 인가받아 전파정류하기 위한 브릿지정류회로와, 상기 브릿지정류회로의 출력을 변환하여 상기 발광다이오드의 동작에 필요한 전력을 공급하기 위한 벅 컨버터와, 상기 브릿지정류회로의 출력을 인가받아 상기 위상제어에 상응하게 상기 발광다이오드에 전력을 제공하도록, 상기 벅 컨버터를 펄스폭 변조제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어신호 생성부는, 상기 브릿지정류회로의 제1 출력단과 상기 발광다이오드의 제1 입력단 사이에 연결되어 상기 브릿지정류회로의 출력을 정류하기 위한 정류회로와, 상기 정류회로에 병렬연결되어, 상기 정류회로의 출력을 평활하기 위한 평활회로와, 상기 브릿지정류회로의 출력 전압을 분압하기 위한 분압회로과, 상기 분압회로에 병렬연결되어 상기 분압회로에 의해 분압된 전압을 리미팅(limiting)하기 위한 리미트회로를 포함하며, 상기 분압 및 리미팅되는 전압이 상기 벅 컨버터를 펄스폭 변조제어하기 위한 제어신호로서 인가될 수 있다.
본 발명은 개선된 위상제어용 발광다이오드 드라이버를 제공함으로써, 정전류 회로가 사용되는 LED 광원에서 별도의 통신선로 또는 전력선 통신을 사용하지 않고서 실질적인 조광기능이 수행되도록 하는 효과를 갖는다. 따라서, 본 발명은 LED 광원의 조광을 수행하기 위해 별도의 통신선로 또는 전력선 통신을 사용하는 불편을 줄일 수 있고, 그에 따른 비용을 절감할 수 있는 효과를 갖는다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다. 이하의 설명 및 첨부된 도면들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 대해 본 발명에 대한 이해를 돕고자 하는 의도로 예시되고 한정된 것에 불과하므로, 이러한 설명 및 첨부된 도면들이 본 발명의 범위 를 제한하려는 의도로 사용되어져서는 아니될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상제어용 LED 드라이버의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 위상제어용 LED 드라이버는, 위상제어되는 교류전류를 입력받아 발광다이오드 측으로 제공되는 정전류를 제어된 위상각 시간동안 공급하며, 브릿지정류회로(120), 변압기(130), 변압기 자속검출부(160), 광 커플러(170), 스위칭 트랜지스터부(180), 변압기(130)의 1차측 전류를 검출하는 전류검출부(150), 제어부(140), 및 정전류회로(190)를 포함한다. 나아가, 본 발명에 따른 위상제어용 LED 드라이버는, EMI(EletroMagnetic Interference) 필터(112), 정류회로(132), 및 기동전류 공급부(122)를 더 포함할 수 있다. 이해를 돕기 위해 도 1 및 도 5를 함께 참조하여 설명하도록 한다.
우선, 본 발명에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버에는 포함되지는 않으나 드라이버의 전단에서 위상제어를 수행하는 수단인 위상제어부(110)는, 이하에서 도 2를 참조하여 설명되는 바와 같이 싸인파 교류 입력(AC1)의 위상각(θ)을 제어하여 부하에 공급되는 실효 전력을 가변하여 공급함으로써 부하인 LED의 밝기를 조절하기 위해 사용된다.
EMI 필터(112)는, 브릿지정류회로(120)의 전단에 배치되어, 전력선에 실리는 노이즈를 제거하기 위한 부분으로서, 전자기간섭 필터(112)의 전단 또는 후단, 즉 외부 또는 내부에서 발생되는 임펄스성 노이즈를 필터링한다.
브릿지정류회로(120)는 위상제어된 교류 입력(AC2)을 정류하기 위한 부분으 로서, 이러한 브릿지정류회로(120)를 통해 위상제어된 교류 입력(AC2)이 전파정류되어(전파정류된 출력은 AC3) 변압기(130) 측으로 인가된다.
기동전류공급부(122)는 제어부(140)가 기동할 수 있도록 하기 위해 브릿지정류회로(120)로부터 제공되는 전파정류된 출력을 인가받아 소정의 기동전류를 제어부(140)로 공급하기 위한 부분이다.
변압기(T1, 130)는 브릿지정류회로(120)로부터의 정류된 출력을 인가받아, 변압시키는 부분으로서, 펄스폭 변조신호에 의해 제어부(140)의 제어를 받는 스위칭 트랜지스터부(180)와 연계하여 작동한다.
정류회로(132)는 변압기(130)의 출력을 정류하기 위한 회로이다.
정전류회로(190)는 발광다이오드(210)의 동작 구간동안 위상제어부(110)를 통한 위상제어에 상응하는 시간동안 정전류가 발광다이오드(210)에 인가되도록 하며, 위상제어부(110)를 통해 발광다이오드(210)의 실질적인 조광 기능이 수행되도록 하기 위해 요구되는 부분이다. 여기서, 발광다이오드(210) 측으로 인가되는 전압, 즉 위상제어용 발광다이오드 드라이버의 출력은 스위칭 트랜지스터부(180)의 스위칭 주파수 또는 정류회로(132)의 출력에 상응하는 주파수를 갖는 고주파의 파형 특성을 보인다.
변압기 자속 검출부(160)는 변압기(130)에 결합되어 변압기(130)의 자속을 검출한다. 그리하여, 변압기 자속 검출부(160)에서는 스위칭 트랜지스터부(180)를 제어하기 위한 펄스폭변조신호의 셋(set) 시점을 결정하게 된다. 또한, 변압기 자 속 검출부(160)가 연결된 변압기(130)의 출력단으로부터 제공되는 전류는 정류된 후 제어부(140)에 동작전류로서 제공된다. 정류되어 제어부(140)에 동작전류로서 제공되는 예는 이하의 도 5의 회로도에 예시되어 있으므로, 도 5에 대한 설명 부분에서 상세히 설명하도록 한다.
이러한 동작전류를 제공하기 위한 회로 부분은, 변압기(130)의 출력단과 제어부(140) 사이에 병렬로 연결되어 있으므로, 이하에서는 이러한 동작전류를 제공하기 위한 부분도 변압기 자속 검출부(160)에 포함되는 것으로 하여 설명하도록 한다.
변압기 자속검출부(160)에서 제어부(140)로 동작전류가 제공되는 노드와, 기동전류공급부(122)에서 제어부(140)로 기동전류가 제공되는 노드는 제어부(140)의 하나의 핀에 공통 연결된다. 따라서, 제어부(140)의 기동시에는 기동전류가 제공되고, 그 이후에는 계속해서 동작전류가 제공된다.
비교부(200)는 발광다이오드(210)의 입력단에 흐르는 전류를 제어하기 위한 것으로서, 비교부(200)는 발광다이오드 드라이버의 출력단과 발광다이오드(210)의 입력단 사이에 연결된 저항에 걸리는 전압과 소정의 기준전압을 비교하기 위한 부분이다. 나아가, 비교부(200)는 발광다이오드(210)의 입력 전압과 제2 기준 전압을 더 비교할 수 있다. 그리하여, 발광다이오드(210)의 오픈시 발광다이오드(210)의 입력단 양단에 과전압이 걸리는 것을 방지할 수 있다.
광커플러(170)는 발광다이오드(210)의 입력단의 전압에 따라 검출되는 전류를 증감시킨다. 즉, 광커플러(170)는 비교부(200)에서의 비교 결과에 따라 도 5의 R2에 흐르는 전류를 증가 또는 감소시킴으로써 펄스폭 변조신호의 듀티비를 조절하는 부분이다. 광커플러(170)를 구성하는 트랜지스터의 일단은 동작 전류가 제공되는 노드에 함께 연결되어, 비교부(200)의 출력에 의존하여 도 5의 R2에 흐르는 전류를 변화시켜 제어부(140)의 입력전압(도 5에서 제어부의 1번핀의 전압)을 변화시키기 위한 경로를 형성한다.
스위칭 트랜지스터부(180)는 펄스폭 변조신호에 의해 제어되어 변압기(130)의 1차측 전류를 조절하기 위한 부분이다.
전류 검출부(150)는 스위칭 트랜지스터부(180)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 부분이다. 즉, 전류 검출부(150)에서 스위칭 트랜지스터부(180)에 흐르는 전류를 검출하여, 제어부(140)에서 펄스폭 변조신호의 리셋(reset) 시점을 결정하게 된다.
제어부(140)는, 기동전류공급부(122)로부터 소정의 기동전류를 제공받아 기동되고, 변압기 자속 검출부(160)로부터 동작전류를 제공받아 동작하며, 광커플러(170)에 의한 검출 전류, 전류 검출부(150)에 의한 검출 전류 및 변압기 자속 검출부(160)에서 검출되는 자속에 의존하여 펄스폭 변조신호의 듀티비를 조절함으로써, 스위칭 트랜지스터부(180)를 제어한다. 예를 들면, 제어부(140)는 에스티마이크로일렉트로닉스의 L6560, L6561, L6562, L6563, 온세미의 NCP1606, NCP1601, 텍사스인스트루먼트의 UC3852, UC3853, UC3854, UC28019, UCC28060, 페어챠일드의 ML4810, ML4812, ML4821, SG6980 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것 은 아니다.
나아가, 상기 발광다이오드 드라이버는 스위칭 트랜지스터부(180)를 보호하기 위한 스내버(snabber) 회로(도 5의 R10, C4, D2 참조)를 더 포함할 수 있다. 스내버 회로는 브릿지정류회로(120)와 스위칭 트랜지스터부(180) 사이에서 변압기(130)의 1차측 회로에 연결된다.
정전류회로(190)는 브릿지정류회로(120)의 출력이 나타나는 구간동안 브릿지정류회로(120)의 출력에 상응하는 전류를 상기 발광 다이오드에 제공하기 위한 부분이다. 즉, 정전류회로(190)는, 싸인파 교류 입력(AC1)의 위상을 제어함(θ 시간동안만 전압을 유지하도록 함)으로써 부하측인 발광다이오드(210)에 실효 전력을 가변하여 공급하도록 하기 위해, 용량이 적은 커패시터(도 5의 C7)가 사용된다. 이는 이하에서 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
우선, 위상제어 측면을 고려함이 없이 비교부(200)에서의 전압 비교를 기준으로 하여 발광다이오드 드라이버의 작동 과정을 간략히 살펴보면, 발광다이오드(210)의 제1 입력단(도 5의 OUT2)의 전압이 제1 기준 전압(도 5의 Vref1)보다 작은 경우, 광커플러(170)의 저항값은 증가하고, 스위칭 트랜지스터부(180)를 제어하기 위해 제어부(140)에서 출력되는 펄스폭변조신호의 듀티비는 커진다. 그 결과, 발광다이오드 드라이버의 출력은 증가한다.
반대로, 비교부(200)에서의 전압 비교시, 발광다이오드(210)의 제1 입력단 (도 5의 OUT2)의 전압이 제1 기준 전압(도 5의 Vref1)보다 큰 경우, 광커플러(170)의 저항값은 감소하고, 제어부(130)에서 출력되는 펄스폭변조신호의 듀티비는 작아지는 결과, 발광다이오드 드라이버의 출력은 감소한다.
따라서, 비교부(200)에서의 비교를 통해 발광다이오드(210)의 구동 전류를 일정 범위 내에서 증가 또는 감소시킬 수 있는 전류제어루프를 이루게 된다.
또한, 비교부(200)에서의 전압 비교시, 발광다이오드(210)의 입력 전압의 분압(도 5에서 R12에 걸리는 전압)이 제2 기준 전압(도 5의 Vref2)보다 작은 경우, 광커플러(170)의 저항값은 증가하고, 스위칭 트랜지스터부(180)를 제어하기 위해 제어부(140)에서 출력되는 펄스폭변조신호의 듀티비가 커진다. 그 결과, 발광다이오드 드라이버의 출력은 증가한다.
반대로, 비교부(200)에서의 전압 비교시, 발광다이오드(210)의 입력 전압의 분압이 제2 기준 전압(도 5의 Vref2) 보다 큰 경우에는, 광커플러(170)의 저항값은 감소하고, 펄스폭변조신호의 듀티비가 작아져, 발광다이오드 드라이버(100)의 출력단의 전압은 감소한다.
이와 같이, 비교부(200)에서의 비교를 통해 발광다이오드 드라이버 출력을 조절하기 위한 전압제어루프가 형성됨으로써, 발광다이오드 드라이버는 발광다이오드(210)의 오픈시나 단선이 발생한 경우 발광다이오드 드라이버의 출력 전압이 과도하게 걸리는 문제를 줄일 수 있게 된다.
도 2는 위상제어에 의한 조광기의 원리를 설명하기 위한 그래프를 나타낸 도 면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버에서의 출력 파형들의 그래프들을 나타낸 도면이다.
먼저 도 2를 참조하면, 위상제어에 의한 조광기의 원리는 싸인파 교류 전류의 위상각을 크게 또는 작게 제어하여 부하에 공급되는 유효전력을 가변하여 공급함으로써 밝기를 조절하는 원리이다. 도 2에서 빗금친 부분이 위상제어되어 브릿지정류회로(120)를 통해 전파정류되는 부분이다. 그리하여, θ를 크게 가져가는 경우 부하측으로 전달되는 실효 전력이 커지게 되므로 부하전력은 증가할 것이고, θ를 작게 가져가는 경우 부하측으로 전달되는 실효 전력이 작아지게 되므로 부하전력은 감소할 것이다.
도 3의 (a)는 도 2와 동일하며 위상제어를 통해 빗금 친 부분만이 발광다이오드측으로 전달된다. 즉, 교류 전원이 인가되어 위상제어됨으로써, 위상제어각 θ 시간 동안만 발광다이오드가 점등되도록 하고, 이러한 θ 값이 바뀌면 발광다이오드의 점등시간과 소등시간의 비율이 바뀌게 되어 조광되게 된다.
도 3의 (b)는 위상제어된 후 브릿지정류회로(120)를 통해 전파정류되는 교류 파형(도 5의 AC3)을 보여주고 있다. 즉, 입력 교류 전원(AC1)이 위상제어되고 전파정류됨으로써, 도 3의 (b)와 같은 파형을 보이며, 빗금 친 부분이 후속 단들에 의한 일련의 변환과정을 통해 직류로 변환된다.
도 3의 (c)는 전파정류된 교류 파형(도 5의 AC3)이 정전류회로(190)를 거친 이후의 파형을 개략적으로 보인 도면이다. 발광다이오드(210)의 직류 동작 특성을 고려하여야 하므로, 발광다이오드(210) 측으로는 직류 파형의 입력이 바람직하다. 하지만, 앞서 살펴본 바와 같이, 도 3의 (b)에서와 같은 리플 파형을 평활 회로나 기타 정전류 회로 등을 사용하여 이상적인 직류 파형에 가깝도록 하는 경우 위상제어를 통한 조광 기능은 전혀 작동하지 않게 된다.
따라서, 도 3의 (c)에서와 같이, 한 주기 내에서 전파정류된 교류 파형에 상응하도록 정전류회로(190)를 통해 직류 파형(도 5의 DC)이 출력되도록 한다. 여기서의 직류 파형은 엄밀한 의미에서의 직류는 아니고, 입력 교류 전원(AC1)에 상응하는 한 주기 내에서 부하측으로의 출력이 없는 구간(T1)과 위 제어부(110)에 의한 조광이 유효하도록 함에 있어서 필수적인 고주파(이는 시정수 τ를 가짐)를 포함하는 구간(T2)을 갖는 파형이다. 다만, 직류 환경에서 동작하는 발광 다이오드(210)로 입력되는 파형이라는 측면에서 설명의 편의상 직류 파형(DC)으로 명명하였다.
도 3의 (c)에서는 구체적으로 도시되지는 않았으나, 파형의 반주기(T1 + T2)를 살펴보면, 도 4의 (d)와 같이 나타날 수 있다. 물론 설명의 편의를 위해 고주파의 리플은 과장되었고, 주파수는 축소 도시되었다. 예를 들어 교류 전원의 주파수가 60Hz인 경우 반주기(T1+T2)는 도 4의 (d)에서와 같이 120Hz일 수 있다.
도 4는 도 1에서의 정전류회로(190)의 출력의 반주기(T1 + T2)에 상응하는 구간 동안의 포락선(envelope), 스위칭 트랜지스터부(180)의 주파수 특성, 정류회로(132)의 주파수 특성 및 정전류회로(190)의 출력전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 정전류회로(190)의 출력단의 전류의 첨두치들(주전류 첨두치 포락선(g2), 및 부전류 첨두치 포락선(g1))이 나타나 있고, 평균 주전류(g3)가 나타나 있다. 고주파의 시정수(τ)는, 발광다이오드 드라이버의 동작을 살펴보면 알 수 있는 바와 같이, 스위칭 트랜지스터부(180)의 온 오프 주기 또는 정류회로(132)의 온 오프 주기와 일치하게 된다. 이러한 스위칭 트랜지스터(180)의 온 오프 주기 또는 정류회로(132)의 온 오프 주기는 도 4의 (b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이, 한 주기 내에서 낮은 크기의 전압에서는 작고, 높은 전압의 크기에서는 크다. 즉, 온 오프 주기(τ)는 이하와 같다.
τmin ≤ τ ≤ τmax
온 오프 주기(τ)는 일정하지 않고, 위와 같이 주전류 첨두치 포락선(g2) 또는 부전류 첨두치 포락선(g1)에서의 첨두치가 높은 구간에서는 상대적으로 크고(가장 큰 주기를 τmax로 정의함), 낮은 구간에서는 상대적으로 작게 나타난다(가장 작은 주기를 τmin로 정의함).
또한, 정전류회로(190)는 도 3의 (b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이 브릿지정류회로(120)의 출력(AC3)이 나타나지 않는 구간, 또는 이와 상응하는 정전류회로(190)의 출력 파형(DC)에서 출력이 없는 구간에는 비교기(200)를 구동하기 위한 전력이 별도로 공급되어야 한다. 따라서, 정전류회로(190)는 이러한 경우 비교기(200)를 구동하기 위한 전력이 별도로 공급되도록 하여 발광다이오드 드라이버가 정상적으 로 동작하도록 하는 기능을 더 수행한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버는 정전류회로(190)가 구비됨으로써, 종래 조광기능을 수행하기 위해 위상제어를 하더라도 발광다이오드에 공급되는 정전류 특성으로 인해 조광기능이 제대로 작동하지 않음으로 인해 별도의 부가회로, 예를 들면 통신선로나 전력선 통신 등을 사용해야 하는 문제점을 개선할 수 있게 된다.
도 5는 도 1의 위상제어용 발광다이오드 드라이버의 회로도이다. 도 1 내지 도 5를 함께 참조하여 본 발명에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버를 이하에서 상세히 설명한다. 이해를 돕기 위해, 이하의 설명에서는 도 1과 도 5의 상응하는 구성요소들의 참조부호를 함께 병기하였다.
우선, 위상제어부(110)는 도 5에는 도시되어 있지 않으므로, 앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 위상제어된 교류 입력(AC2)은 IN1, IN2에 상응하는 것으로 볼 수 있다.
EMI 필터(112)는, 커패시터들(C11, C12, C13, C14) 및 인덕터(L1)를 포함한다. 교류 입력(AC2)과 EMI 필터(112) 사이에는 발광다이오드 드라이버의 보호를 위해 퓨즈(F1)가 더 포함될 수 있다.
커패시터들(C12, C13)은 접지 전압을 확보하고, 외부로부터 유입되는 임펄스성 노이즈를 제거한다. 커패시터들(C11, C14) 및 인덕터(L1)는 저대역 통과 필터(low pass filter;LPF)를 이룬다. 특히, 인덕터(L1)는 동상 성분을 제거하기 위해 1차측과 2차측이 동일 위상을 갖도록 권선되어 있다.
EMI 필터(112)의 출력은 브릿지정류회로(120)에 의해 전파정류된다. 브릿지정류회로(120)는 도시된 바와 같이 네 개의 다이오드로 구성될 수 있으며, 이러한 브릿지정류회로(120)는 EMI 필터(112)의 출력을 전파정류하고, 전파정류된 브릿지 정류회로(120)의 출력은 리플의 형태로 후단으로 공급된다. 전파정류된 브릿지정류회로(120)의 출력, 즉 N1 노드의 리플 출력(AC3)에 유기된 고주파 성분은 커패시터(C1)에 의해 제거된다. 커패시터(C1)는 소용량의 필름 커패시터인 것이 바람직하고, 그 크기는 약 1μF 정도일 수 있으나, 특별히 이러한 용량의 커패시터로 한정되는 것은 아니다.
기동전류 공급부(122)를 이루는 저항(R6)과 커패시터(C5)를 살펴보면, N1 노드의 전압이 공급되면, 저항(R6)을 통해 커패시터(C5)에 전하가 충전되고, 노드 N5의 전압, 즉 제어부(140)의 8번 핀에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 제어부(140)의 8번 핀에 인가되는 전압이 계속 상승하여 제어부(140)를 기동하기에 충분한 크기의 전압까지 상승하게 되면, 제어부(140)의 동작이 개시된다.
제어부(140)가 동작하여 출력 단자인 7번 핀으로 펄스폭변조신호(PWM)가 출력되면, 스위칭 트랜지스터부(180)를 턴온시킨다. 즉, 도시된 바와 같이 스위칭 트랜지스터부(180)는 저항(R7)과 스위칭 트랜지스터(Q1)를 포함할 수 있고, 제어 부(140)의 출력 단자인 7번 핀으로 출력된 펄스폭변조신호가 저항(R7)을 통해 스위칭 트랜지스터(Q1)를 턴온시킨다.
그러면, 주 전류는 변압기(T1, 130)의 1차 권선(130a)에 연결된 노드(N1, N6), 스위칭 트랜지스터(Q1)의 드레인 단자, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 소스단자, 저항(R9)의 경로로 흐르게 된다. 이 전류는 변압기(T1, 130)의 2차 권선(130b)으로 출력전압을 유기한다. 2차 권선(120b) 측에 유기된 출력은 정류회로(D4, 122)에 의해 정류된다. 정류회로(D4, 122)는, 도시된 바와 같이 하나의 다이오드(D4)로 이루어질 수 있다.
정류회로(D4, 122)에 의해 정류된 후, 계속해서 정전류회로(190)의 커패시터(C7)에 의해 평활되어 직류 전류(DC)를 발광다이오드(180) 측으로 제공한다.
변압기(T1, 130)는 노드(N1)와 노드(N6) 사이에 연결된 1차 권선(130a), 및 노드(N9)와 노드(N4) 사이에 연결된 2차 권선(130b)을 구비하며, 나아가, 노드(N8)와 노드(N2) 사이에 연결된 보조권선(130c)을 더 구비한다.
따라서, 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴온되어 그의 드레인 단자 및 소스 단자로 전류가 흐르는 경우, 변압기(T1, 130)의 보조권선(130c)에도 전압이 유기된다. 보조권선(130c)으로 유기된 전압은 다이오드(D3)에 의해 정류되어, 제어부(140)의 8 번 핀과 연결된 노드(N5)로 제어부(140)의 동작전압(VCC)을 제공하게 된다. 노드(N5)에 제어부(140)의 동작전압(VCC)이 인가되고, 그 경우 제어부(140)의 8번 핀으로 입력되는 전류는 위에서 동작전류로서 표현되어졌다.
저항(R27)은 보조권선(130c)으로 유기된 출력을 통해, 변압기(T1, 130)의 자속을 검출하기 위한 구성요소로서, 변압기(T1, 130)의 영전류(zero current)를 검출하여, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 제어를 위한 펄스폭 변조신호에 반영한다.
앞서 도 1에서는 하나의 구성요소로 설명된, 제어부(140)에 동작전류를 제공하고 변압기(T1, 130)의 자속을 검출하기 위한 변압기 자속 검출부(160)는 도 4에서와 같이 저항(R27)을 포함할 수 있고, 다이오드(D3) 및 커패시터(C5)를 포함하는 것으로 볼 수 있다.
이와 같은 일련의 동작으로 노드(N5)에 제어부(140)의 동작전압(VCC)이 인가되면, 앞서 기동전류공급부(122)에 의한 제어부(140)로의 기동전류공급은 중단된다. 즉, 기동전류공급부(122)의 저항(R6)을 통해서는 실질적으로 전류가 흐르지 않게 된다.
저항(R10), 커패시터(C4), 및 다이오드(D2)는 스내버(snabber) 회로를 구성한다. 스내버 회로는 노드(N1)과 노드(N6) 사이에서 변압기(T1, 130)의 1차 권 선(130a)에 병렬로 연결되어 있다. 이러한 스내버 회로는, 변압기(T1, 130)의 누설 자속에 의해 스위칭 트랜지스터(Q1)의 정격을 초과하는 과도한 스파이크 전압이 발생할 경우에 이를 억제하기 위한 회로로서, 스위칭 트랜지스터(Q1)를 보호하는 기능을 한다.
저항(R8) 및 저항(R9)을 포함하는 전류검출부(150)는 스위칭 트랜지스터(Q1)에 흐르는 전류를 검출하여 제어부(140)의 4번 핀으로 인가하기 위한 부분이다. 즉, 전류검출부(150)는, 저항(R8) 및 저항(R9)에 의해, 저항(R8)을 통해 제어부(140)의 4번 핀으로 인가되는 전압으로, 저항(R9)에 흐르는 전류가 미리 설계된 크기의 전류가 되는지를 검출한다.
저항(R1) 및 저항(R5)은, 브릿지정류회로(120)에 의해 정류된 전압, 즉 노드 N1의 전압을 분압하여, 제어부(140)에 제공하기 위한 부분이다. 저항(R1)에 병렬 연결된 커패시터(C2)는 노이즈 제거를 위한 소용량의 커패시터이다. 또한, 저항(R4) 및 커패시터(C3)는 제어부(130) 내의 구성요소들의 발진 방지를 위한 안정용 소자이다.
비교부(200)는 기준전압 발생기(202), 제1 비교기(204) 및 제2 비교기(206)를 포함할 수 있다. 이러한 비교부(200)는 위상제어용 발광다이오드의 드라이버의 출력단(발광다이오드(210)의 입력단)(OUT2)의 전압과 제1 기준전압(Vref1)을 비교할 수 있고, 나아가 발광다이오드(210)의 입력 전압(저항(R11)과 저항(R12)에 의한 분압)과 제2 기준 전압(Vref2)을 더 비교할 수 있다.
전자의 경우, 발광다이오드(210)의 입력단(OUT2)의 전압과 제1 기준전압(Vref1)은 비교부의 제1 비교기(204)에 의해 비교되고, 후자의 경우, 발광다이오드(210)의 입력 전압(OUT1과 OUT2 양단의 전압)의 분압과 제2 기준전압(Vref2)은 비교부의 제2 비교기(206)에 의해 비교된다. 제2 기준전압(Vref2)은 기준전압발생부(202)로부터 제공되고, 제1 기준전압(Vref1)은 저항(R15)과 저항(R16)에 의한 제2 기준전압(Vref2)의 분압이다. 기준전압발생부(202)는 발광다이오드(210)의 입력단(OUT1)의 전압을 인가받아 비교기(204, 206)로 정밀한 기준전압(Vref1, Vref2)을 제공한다.
계속해서, 변압기(T1, 130)의 2차 권선(130b) 이후의 동작을 살펴보면, 출력 전압, 즉 발광다이오드(210)의 입력 전압(OUT1 단과 OUT2 단 간의 전압)은 저항(R11) 및 저항(R12)에 의해 분압되어 제2 비교기(206)의 반전입력으로 인가되며, 제2 비교기(206)의 비반전 입력에는 기준전압발생부(164)로부터 제공되는 제2 기준전압(Vref2)이 인가된다.
먼저, 제1 비교기(204)에서, 만약 저항(R13)에 의해 검출되어 출력전류에 비 례한 전압인 발광다이오드(180)의 입력단(OUT2)의 전압과 제1 기준전압(Vref1)을 비교하여, 입력단(OUT2)의 전압이 제1 기준전압(Vref1)보다 낮으면 제1 비교기(204)의 출력단(OP2)의 전압이 높아진다. 출력단(OP2)의 전압이 높아지면, 저항(R14), 출력단(OP1), 출력단(OP2), 제1 비교기(COM1)의 출력으로 흐르는 전류가 감소하게 되고, 그로 인해 광커플러(ISO1)의 LED가 어두워져 광커플러(ISO1)의 트랜지스터측 전류(즉, 노드(N5), 광커플러(ISO1)의 트랜지스터, 저항(R2) 및 노드(N2)로 흐르는 전류)가 감소하여 저항(R2)의 양단의 전압이 낮아지게 된다. 결과적으로, 제어부(130)의 1번 핀으로 입력되는 전압이 낮아지게 되고, 그에 따라 7번 핀으로 출력되는 펄스폭변조신호의 듀티비를 증가시켜, 드라이버의 출력전압이 높아지도록 한다.
반대로, 발광다이오드(210)의 입력단(OUT2)의 전압과 제1 기준전압(Vref1)을 비교하여, 입력단(OUT2)의 전압이 제1 기준전압(Vref1)보다 높으면, 제1 비교기(204)의 출력단(OP2)의 전압이 낮아진다. 출력단(OP2)의 전압이 낮아지면, 저항(R14), 출력단(OP1), 출력단(OP2), 제1 비교기(204)의 출력으로 흐르는 전류가 증가하게 되고, 그로 인해 광커플러(ISO1)의 LED가 밝아져 광커플러(ISO1)의 트랜지스터측 전류가 증가하여 저항(R2)의 양단의 전압이 높아지게 된다. 결과적으로, 제어부(140)의 1번 핀으로 입력되는 전압이 높아지게 되고, 그에 따라 7번 핀으로 출력되는 펄스 폭변조신호의 듀티비를 감소시켜, 드라이버의 출력전압이 낮아지도록 한다.
이와 같이 발광다이오드(210)로 입력되는 전류를 제어하기 위한 전류제어루프를 이루게 되는 데, 여기서, 기준전압발생기(202)에 의해 생성된 기준전압(Vref2)을 직접 제1 비교기(204)의 반전입력으로 인가하지 않고, 저항들(R15, R16)을 사용하여 분압하는 이유는, 기준전압이 크면 드라이버의 출력단, 즉 발광다이오드(210)의 입력단(OUT2)의 전류검출을 위한 저항(R13)에 걸리는 전압이 커야 하므로 저항(R13)이 커야 하고, 그로 인한 전력손실이 증가하므로, 이를 방지하기 위함이다.
다음으로, 제2 비교기(206)에서, 만약 저항들(R11, R12)의 분압과 제2 기준전압(Vref2)을 비교하여, 분압이 제2 기준전압(Vref2)보다 낮으면 제2 비교기(206)의 출력단(OP2)의 전압이 높아진다. 출력단(OP2)의 전압이 높아지면, 저항(R14), 출력단(OP1), 출력단(OP2), 제2 비교기(206)의 출력으로 흐르는 전류가 감소하게 되고, 그로 인해 광커플러(ISO1)의 LED가 어두워져 광커플러(ISO1)의 트랜지스터측 전류(즉, 노드(N5), 광커플러(ISO1)의 트랜지스터, 저항(R2) 및 노드(N2)로 흐르는 전류)가 감소하여 저항(R2) 양단의 전압이 낮아지게 된다. 결과적으로, 제어부(140)의 1번 핀으로 입력되는 전압이 낮아지게 되고, 그에 따라 7번 핀으로 출력되는 펄스폭변조신호의 듀티비를 증가시켜, 드라이버의 출력전압이 높아지도록 한다.
반대로, 분압이 제2 기준전압(Vref2)보다 높으면, 제2 비교기(206)의 출력 단(OP2)의 전압이 낮아진다. 출력단(OP2)의 전압이 낮아지면, 광커플러(ISO1)의 LED가 밝아지므로, 광커플러(ISO1)의 트랜지스터측 전류가 증가하여 저항(R2) 양단의 전압이 높아지게 된다. 결과적으로, 제어부(130)의 1번 핀으로 입력되는 전압은 높아지게 되고, 그에 따라 7번 핀으로 출력되는 펄스폭변조신호의 듀티비를 감소시켜, 드라이버의 출력전압이 낮아지도록 한다.
이와 같이 전압제어루프를 이루게 되는 데, 여기서, 제2 비교기(206)는 안전을 위한 회로이므로, 필요 전압보다 약간 높게 설정함으로써, 정상적인 동작시에는 제1 비교기(204)와 연관된 전류제어루프만 동작하도록 하고, 발광다이오드(210)의 단선이나 출력의 개방시에 출력전압이 과도하게 상승하지 않도록 이러한 전압제어루프가 수행되도록 전압 설정값을 맞추는 것이 바람직하다.
회로를 더욱 간단히 하기 위해, 비교부(160)를 이루는 제1 비교기(204), 제2 비교기(206) 및 기준전압발생기(202)는 하나의 패키지에 구성된 집적회로일 수 있다.
정전류회로(190)는, 발광 다이오드(210)의 입력단에 병렬 연결되는 제1 커패시터(C7), 브릿지정류회로(120)의 출력이 나타나지 않는 구간동안 비교부(200)가 동작하도록 하기 위한 전력을 제공하는 제2 커패시터(C8), 및 발광 다이오드(210)의 제1 입력단(OUT1)과 비교부(200) 사이에 제1 입력단(OUT1)에서 비교부(200) 방향으로 순방향 연결된 다이오드(D5)를 포함한다.
제1 커패시터(C7)는, 브릿지정류회로(120)의 출력이 나타나는 구간, 즉 정류회로(D4, 120) 이후의 출력의 한 구간 내에서 출력이 나타나는 구간동안, 브릿지정류회로(120)의 출력에 상응하는 전류를 발광 다이오드(210)에 제공한다. 도 3의 (a) 내지 (d)를 함께 참조하면, 위상제어되고 전파정류된 교류 출력이 정류회로(D4, 120)를 거쳐, 발광다이오드(210)로 인가되는데, 이에 앞서 제1 커패시터(C7)에 의해 도 3 (c) 및 도 4 (d)에서 보여지는 바와 같이 고주파가 발생하게 되므로, 위상제어부(110)에 의한 위상제어가 유효하게 된다.
여기서, 제1 커패시터(C7)의 용량값은 드라이버의 출력단(OUT1, OUT2), 즉 발광다이오드(210)의 입력단으로 흐르는 전류가 위상제어부(110)에 위상제어가 유효할 수 있도록 하는 적절하여야 한다. 만약 제1 커패시터(C7)의 용량값이 큰 경우에는 도 3 (c) 및 도 4(d)에서 보여지는 것과 같은 전압 파형을 출력할 수 없으므로, 종래의 조광방법과 같이 별도의 통신선로를 사용하여 조광하여야 함은 앞서 살펴본 바와 같다.
제1 커패시터(C7)의 용량값은 이하의 수학식에 의해 결정되는 값의 ±20% 이내이다.
Cout = (Iout*τ)/Vripple.
여기서, Cout는 제1 커패시터의 용량이고, Iout는 발광다이오드의 입력 전류 또는 드라이버의 출력 전류이며, τ는 위상제어되고 전파 정류된 교류 파형의 구간 중에서 Cout에 충전된 전하로 부하 즉 발광다이오드(210)를 구동하는 시간으로서, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭 주기로 볼 수 있고, Vripple은 허용 출력 리플 전압으로서 피크-투-피크(peak to peak) 값이다.
예를 들어, 위상제어시에 있어서, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 최저주파수를 20KHz로 가져가는 경우 주기는 0.05ms이고, 실제의 정류회로의 불통시간은 10% 정도로 환산하면, 주기는 0.005ms이다. 또한, 허용 출력 리플을 0.5V로 하고 출력 전류를 1A로 가정하면, 위상제어용의 Cout의 용량 크기는, Cout = 1(A)*0.005(ms)/0.5(V) = 10μF 이 된다.
한편, 브릿지정류회로(120)의 출력이 나타나지 않는 구간, 즉 정류회로(D4, 120) 이후의 출력의 한 구간 내에서 출력이 나타나지 않는 구간동안 제1 비교기(204), 제2 비교기(206) 및 기준전압 발생기(202)에 전압을 제공하도록 하기 위해 제2 커패시터(C8)가 구비된다. 제2 커패시터(C8)는 브릿지정류회로(120)의 출력이 나타나는 구간 동안 전압을 충전한 후, 브릿지정류회로(120)의 출력이 나타나지 않는 구간 동안에는 위와 같이 비교부(200)가 동작하도록 하기 위한 전력을 제공한다.
또한, 제2 커패시터(C8)가 비교부(200)가 동작하도록 하기 위한 전력을 제공하는 경우 역전류가 흐르지 않도록 하기 위해 다이오드(D5)가 더 구비될 수 있다. 즉, 다이오드(D5)는 발광 다이오드(210)의 제1 입력단(OUT1)과 비교부(200) 사이에 서 제1 입력단(OUT1)에서 비교부(200) 방향으로 순방향 연결된다.
그리하여, 본 발명에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버는 정전류 회로가 사용되는 LED 광원에서 조광을 위한 별도의 수단을 사용하지 않고서도 실질적인 조광기능이 수행되도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버의 회로도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버는, 위상제어되는 입력전력이 인가되는 구간동안 발광다이오드 측에 정전류를 공급하며, 위상제어되는 교류 전류를 인가받아 전파정류하기 위한 브릿지정류회로(610), 브릿지정류회로(610)의 출력을 변환하여 발광다이오드의 동작에 필요한 전력을 공급하기 위한 벅 컨버터(620), 및 브릿지정류회로(610)의 출력을 인가받아 위상제어에 상응하게 발광다이오드에 전력을 제공하도록, 벅 컨버터(620)를 펄스폭 변조제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부(630)를 포함한다.
도 6에 예시된 위상제어용 발광다이오드 드라이버는, 도 1 및 도 5에 예시된 위상제어용 발광다이오드 드라이버에 비교해 보면, 도 1 및 도 5에 예시된 위상제어용 발광다이오드 드라이버는 변압기(도 5의 130)에 의해 1차측과 2차측이 분리된 절연형(isolation type)임에 비해, 도 6에 예시된 위상제어용 발광다이오드 드라이버는 비절연형(non-isolation type)으로 구별될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버는, 브릿지정류회로(610), 벅 컨버터(620), 및 제어신호 생성부(630)를 포 함하며, 제어신호 생성부(630)는 정류회로(D601), 평활회로(C601), 분압회로(R602, R605), 및 리미트(limit)회로(ZD601)를 포함한다.
정류회로(D601)는 브릿지정류회로(610)의 제1 출력단(N601)과 발광다이오드의 제1 입력단(N603 또는 OUT1) 사이에 연결된다. 즉, 정류회로(C601)는 노드(N601)에서 노드(N603) 방향으로 순방향 연결되어 전파정류된 전압(N601의 전압)을 정류하여 발광다이오드 측으로 출력한다. 정류회로(C601)는 예를 들면,하나의 정류다이오드로 구성될 수 있다.
평활회로(C601)는, 정류회로(D601)에 병렬연결, 즉 노드(N603)과 노드(N602) 사이에 연결되어, 노드(N603)과 노드(N602)의 양단 전압을 평활한다.
분압회로(R602, R605)는, 브릿지정류회로(610)의 출력 전압을 분압하기 위한 부분이다. 예를 들면, 분압회로(R602, R605)는 두 개의 R602 및 R605의 두 개의 저항으로 구현될 수 있고, 브릿지정류회로(610)의 출력 전압 즉 노드(N601) 및 노드(N602) 양단의 전압을 분압하여 벅 컨버터(620)의 제어부(640)의 펄스폭 제어신호에 의한 조광 제어신호로서 제공한다.
리미트회로(ZD601)는 분압회로(R602, R605)에 병렬연결되며, 분압회로(R602, R605)에 의해 분압된 전압을 리미팅(limiting)한다. 예를 들면, 도 6에서와 같이 리 미트회로(ZD601)는 하나의 제너다이오드가 제어부(640)로 제공되는 분압회로(R602, R605)의 출력에 병렬연결됨으로써 분압된 전압을 제어부(640)에서 필요로하는 적절한 크기의 전압으로 제한한다.
그리하여, 이러한 구성요소들을 포함하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버는 분압 및 리미팅되는 전압, 즉 분압회로(R602, R605)에 의해 분압되고 제너다이오드(ZD601)에 의해 리미팅되는 전압이 벅 컨버터(620)를 펄스폭 변조제어하기 위한 제어신호로서 인가된다.
따라서, 별도의 제어수단을 부가하지 않더라도, 위상제어되는 입력전원(IN1 및 IN2에 인가되는 전원)을 인가받아 이에 상응하는 정전류가 발광다이오드측으로 인가되도록 함으로써, 위상제어를 통해 조광 기능을 실현할 수 있게 된다.
도 6을 참조하여 비절연형 발광다이오드 드라이버의 동작을 살펴보면, 우선 위상제어되는 전력이 IN1, IN2로 인가된다. 여기서, 입력단(IN1, IN2)과 브릿지정류회로(610) 사이에는 회로의 안전을 위한 퓨즈(F601) 및 돌입전류 방지용의 써미스터(NTC1)가 더 포함될 수 있다. 도 3을 함께 참조하면, 위상제어된 입력은 도 3의 (a)로 볼 경우, 브릿지정류회로(610)에 의해 전파정류된 리플 파형은 도 3의 (b)로 될 수 있다.
그런 다음, 분압회로(R602, R605)에 의해 브릿지정류회로(610)의 출력이 분압 되고, 제너다이오드(ZD601)에 의해 리미팅된다. 제너다이오드(ZD601)에 의해 리미팅되는 전압의 파형은 도 3의 (c)와 같을 수 있다. 이러한 전압 파형은 제어부(640)의 5번핀(PWMD)으로 입력된다. 따라서, 조광을 위한 별도의 제어수단없이 위상제어각(θ)에 상응하게 발광다이오드를 제어할 수 있게 된다.
한편, 브릿지정류회로(610)에 의해 전파정류된 출력은 정류회로(D601)를 거쳐 평활회로(C601)를 통해 평활된다.
제어부(640)는 하나의 IC일 수 있다. 예를 들면, 도 6에 예시된 바와 같이 제어부(640)는 supertex사의 HV9910일 수 있으나, 특별히 이러한 IC로 제한되는 것은 아니고, 벅 컨버터를 구현하기 위한 다양한 제품군이 사용될 수 있다.
제어부(640)의 1번핀(Vin)에 전압이 인가되면, IC의 내부에서 사용되기에 적합한 전압(예를 들면, 7V 정도의 전압)으로 조절되어 사용되고 6번핀(Vdd)으로 출력된다. 7번핀(LD)는 선형 조광(Linear Dimming) 입력으로서, 예를 들면, 0~250mV의 입력으로 LED의 전류를 0~100% 범위에서 제어할 수 있으며, 여기서는 LED의 전류의 미세 조정용으로 사용될 수 있다. 2번핀(Cs)는 스위칭 트랜지스터(Q501)에 흐르는 전류를 검출하는 입력핀이다.
예를 들어, 전원이 인가되어 4번핀(Gate)에 출력이 소정의 전압(예를 들면, 7V 정도)으로 상승한다면, 스위칭 트랜지스터(Q601)가 턴온되고, 전류는 노드(N603), 발광다이오드(OUT1 및 OUT2에 연결(미도시)), 인덕터(L601), 스위칭 트랜지스터(Q601) 의 드레인, 소스, 및 노드(N605)의 경로를 통해 흐르게 된다. 이 경우, 전류는 인덕터(L601)의 인덕턴스로 인해 서서히 증가하게 되고, 이렇게 증가된 전류는 저항(R606)의 전압강하를 증가시키게 된다. 저항(R606)의 전압강하가 소정의 전압(예를 들면, 250mV)을 넘어서면 제어부(640) 내부의 로직에 의해 4번핀(Gate)의 출력이 차단된다. 차단되는 순간 스위칭 트랜지스터(Q601)도 차단되며, 인덕터(L601)의 관성전류는 다이오드(D603)를 통해 전원단으로 환류되어 에너지 사용효율을 높이고 스위칭 트랜지스터(Q601)를 과도전압으로부터 보호할 수 있게 된다. 즉, 스위칭 트랜지스터(Q601)가 차단된 상태에서는 인덕터(L601)가 발전기 역할을 하여 전류가 인덕터(L601), 다이오드(D603), 및 발광다이오드(OUT1 및 OUT2에 연결(미도시))의 경로로 흐르게 된다.
요컨대, 도 6의 실시예에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버에서 제어신호 생성부(630)가 없는 경우에는 일반적인 벅 컨버터(620)로서의 기능만을 수행하여 발광다이오드에 정전류를 공급하고, 벅 컨버터(620)를 구성하는 제어부(640)의 5번핀(PWMD)으로 펄스폭 변조제어를 위한 제어신호를 입력함으로써 위상제어에 상응하는 정전류를 발광다이오드측으로 제공하여 조광기능을 효과적으로 구현할 수 있게 된다.
도 6에서의 분압회로(R602, R604) 및 리미트회로(ZD601)는 단지 일 예에 지나지 않으므로 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 또한 위상제어용 발광다이오드 드라이 버의 회로도 마찬가지로 도 6의 회로로 한정되지 않고 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 구현될 수 있을 것이다.
그리하여, 본 발명에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버는 정전류 회로가 사용되는 LED 광원에서 조광을 위한 별도의 수단을 사용하지 않고서도 위상제어 입력에서 LED 점멸시간을 추출하여 시간 제어로 변환함으로써, 실질적인 조광기능이 수행되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버는 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변형되고, 응용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상제어용 LED 드라이버의 블록도이다.
도 2는 위상제어에 의한 조광기의 원리를 설명하기 위한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버에서의 출력 파형들의 그래프들을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 위상제어용 발광다이오드 드라이버의 회로도이다.
도 5는 도 1의 위상제어용 발광다이오드 드라이버의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상제어용 발광다이오드 드라이버의 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 위상제어부 112 : EMI 필터
120 : 브릿지정류회로 130 : 변압기
132 : 정류회로 122 : 기동전류 공급부
140 : 제어부 150 : 전류검출부
160 : 변압기 자속검출부 170 : 광커플러
180 : 스위칭 트랜지스터부 190 : 정전류회로
200 : 비교부 210 : 발광다이오드
510 : 브릿지정류회로

Claims (8)

  1. 위상제어되는 입력전력이 인가되는 구간동안 발광다이오드 측에 정전류를 공급하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버에 있어서,
    위상제어되는 교류 전류를 인가받아 전파정류하기 위한 브릿지정류회로;
    상기 브릿지정류회로의 출력을 변압하기 위한 변압기;
    상기 변압기에 결합되어 자속을 검출하고, 동작 전류를 제공하기 위한 변압기 자속검출부;
    상기 변압기 자속검출부로부터 상기 동작 전류를 제공받아 동작하며, 입력신호, 검출 전류, 및 상기 변압기 자속검출부에서 검출되는 자속에 의존하여 펄스폭 변조신호의 듀티비를 조절함으로써 상기 스위칭 트랜지스터부를 제어하는 제어부;
    상기 펄스폭 변조신호에 의해 제어되어 상기 변압기의 1차측 전류를 조절하기 위한 스위칭 트랜지스터부;
    상기 스위칭 트랜지스터부에 흐르는 전류를 검출하여 상기 검출 전류로서 상기 제어부에 제공하기 위한 전류 검출부;
    상기 발광다이오드의 입력단의 전압의 변화에 의존하여 상기 제어부의 상기 입력신호를 증감시키는 광커플러; 및
    상기 발광다이오드의 동작 구간동안, 상기 위상제어에 상응하는 위상제어에 상응하는 시간동안 상기 발광다이오드에 정전류가 인가되도록하기 위한 정전류회로;를 포함하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 다이오드의 입력단의 전압을 기준 전압과 비교 후, 상기 광커플러에 비교 결과를 출력하기 위한 비교부를 포함하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 비교부는
    상기 발광다이오드의 입력단에 연결된 저항에 걸리는 전압과 제1 기준전압을 비교하기 위한 제1 비교기;
    상기 발광다이오드의 입력 전압의 분압과 제2 기준전압을 비교하기 위한 제2 비교기; 및
    상기 제1 기준전압 및 상기 제2 기준전압을 생성하기 위한 기준전압 발생기를 포함하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 정전류회로는
    상기 발광다이오드의 동작 구간 동안, 상기 발광다이오드에 인가되는 전압이 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기를 동작시키기기 위한 전압보다 작은 경우, 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기를 구동하기 위한 전압을 제공하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 정전류회로는
    상기 발광 다이오드의 입력단에 병렬 연결되는 제1 커패시터;
    상기 발광다이오드의 동작 구간 동안, 상기 발광다이오드에 인가되는 전압이 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기를 동작시키기기 위한 전압보다 작은 경우, 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기 및 상기 기준전압 발생기를 구동하기 위한 전압을 제공하는 제2 커패시터; 및
    상기 발광 다이오드의 제1 입력단과 상기 비교부 사이에 상기 제1 입력단에서 상기 비교부 방향으로 순방향 연결된 다이오드를 포함하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 커패시터의 용량값은 이하의 수학식에 의해 결정되는 값의 ±20% 이내인 위상제어용 발광다이오드 드라이버.
    <수학식>
    Cout = (Iout*τ)/Vripple
    Cout : 제1 커패시터의 용량, Iout : 발광 다이오드의 입력 전류,
    τ : 상기 스위칭 트랜지스터부의 주기,
    Vripple : 허용 출력 리플 전압(피크투피크(peak to peak) 전압).
  7. 위상제어되는 입력전력이 인가되는 구간동안 발광다이오드 측에 정전류를 공 급하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버에 있어서,
    위상제어되는 교류 전류를 인가받아 전파정류하기 위한 브릿지정류회로;
    상기 브릿지정류회로의 출력을 변환하여 상기 발광다이오드의 동작에 필요한 전력을 공급하기 위한 벅 컨버터; 및
    상기 브릿지정류회로의 출력을 인가받아 상기 위상제어에 상응하게 상기 발광다이오드에 전력을 제공하도록, 상기 벅 컨버터를 펄스폭 변조제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 위상제어용 발광다이오드 드라이버.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제어신호 생성부는
    상기 브릿지정류회로의 제1 출력단과 상기 발광다이오드의 제1 입력단 사이에 연결되어 상기 브릿지정류회로의 출력을 정류하기 위한 정류회로;
    상기 정류회로에 병렬연결되어, 상기 정류회로의 출력을 평활하기 위한 평활회로;
    상기 브릿지정류회로의 출력 전압을 분압하기 위한 분압회로; 및
    상기 분압회로에 병렬연결되어 상기 분압회로에 의해 분압된 전압을 리미팅(limiting)하기 위한 리미트회로를 포함하며,
    상기 분압 및 리미팅되는 전압이 상기 벅 컨버터를 펄스폭 변조제어하기 위한 제어신호로서 인가되는 위상제어용 발광다이오드 드라이버.
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