KR20100109765A - 전류 밸런싱 장치, 전원공급장치, 조명 장치 및 그 전류 밸런싱 방법 - Google Patents

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KR20100109765A
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김태훈
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Abstract

휘도 불균형을 방지하기 위한 전류 밸런싱 장치, 전원공급장치, 조명 장치 및 그 전류 밸런싱 방법이 개시된다. 본 전류 밸런싱 장치에 의하면, AC 전류를 밸런싱하는 밸런싱부 및 밸런싱된 전류를 정류하여 DC 전류를 생성하는 정류부를 포함한다. 이에 의해, 광원의 산포에 의한 휘도 불균형을 해결할 수 있고, 고효율화 및 초박형 설계가 가능하게 된다.
PFC, SMPS, LED

Description

전류 밸런싱 장치, 전원공급장치, 조명 장치 및 그 전류 밸런싱 방법{Current balancing apparatus, power supply apparatus, lighting apparatus, and current balancing method thereof}
본 발명은, 전류 밸런싱 장치, 전원공급장치, 조명 장치 및 그 전류 밸런싱 방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는, 광원의 산포에 의해 생성되는 휘도 불균형을 방지하기 위한 전류 밸런싱 장치, 전원공급장치, 조명 장치 및 그 전류 밸런싱 방법에 관한 것이다.
정보처리기술의 발전에 따라, 정보를 표시하기 위한 디스플레이 기술도 급속도로 발전하고 있다. 이러한 디스플레이 기술의 발전으로 인해, 기존의 CRT(Cathode-Ray Tube)에 대한 수요가 급격히 줄고, LCD(Liquid Crystal Display) 와 같은 평판 디스플레이에 대한 수요가 급격히 늘게 되었다.
일반적으로 LCD는 패널에 인가된 전압에 따른 액정의 투과도 변화를 이용하여, 후면의 광원에서 생성된 빛을 전면의 패널에 전달함으로써 사용자에게 영상을 제공하게 된다. 즉, LCD는 자기발광이 불가능하여 광원인 백라이트를 별도로 필요로 하게 된다.
특히, 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED, 이하 'LED'라 함)는 친환경적이고, 응답속도가 수 나노 초에 불과하여 고속 응답이 가능하며, 수명시간이 길다는 점에서, 최근의 LCD 패널 등의 백라이트용 광원으로 적극적으로 채용되고 있는 실정이다.
그러나, 백라이트용 광원들은, LCD 패널에 분포되어 존재하기 때문에, 이러한 광원들의 산포에 따른 휘도 불균형을 방지하기 위한 구동회로 기술의 필요가 필요하다. 또한, 휘도 불균형을 방지하기 위한 일부 제안들의 경우, 다수의 Linear Regulator를 사용하거나 다수의 Boost 컨버터를 사용하는 등 부품이 많이 소모되어 시스템 구성이 비효율적이며, 회로 구현을 위한 공간이 증가함으로써 LCD 백라이트의 경박화에 적합하지 못한 문제점이 있다.
이에 따라, 광원의 산포에 따른 휘도 불균형이라는 문제의 해결과 함께 LCD 패널의 경박화를 동시에 추구하기 위한 기술의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고효율 및 경박화를 도모하는 전류 밸런싱을 실현하기 위한 전류 밸런싱 장치, 전원공급장치, 조명 장치 및 그 전류 밸런싱 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 밸런싱 장치는, 임피던스 밸런싱을 통해 입력된 AC 전류를 밸런싱하는 밸런싱부; 및 상기 밸런싱된 전류를 정류하여 DC 전류를 생성하는 정류부;를 포함한다.
여기서, 상기 밸런싱부는, 적어도 하나의 밸런싱 커패시터를 포함하고, 상기 임피던스 밸런싱은, 상기 밸런싱 커패시터로 입력되는 AC 전류의 주파수 및 상기 밸런싱 커패시터의 커패시턴스 중 적어도 하나의 크기를 기설정된 값 이하로 설정하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 기설정된 값은, 상기 밸런싱 커패시터에서 상기 정류부를 바라본 임피던스의 값이 상기 밸런싱 커패시터의 임피던스 값에 비해 무시가능한 범위 내의 값일 수 있다.
그리고, 상기 밸런싱부는, 적어도 하나의 밸런싱 커패시터를 포함하고, 상기 커패시터와 상기 정류부는 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 정류부는, 상기 DC 전류를 복수의 부하로 전달하고, 상기 밸런싱부는, 상기 복수의 부하에 각각 입력되는 DC 전류가 동일하도록 상기 AC 전류를 밸런싱하거나, 상기 복수의 부하에 입력되는 DC 전류와 다른 전류 밸런싱 장치에 연결된 부하에 입력되는 DC 전류가 동일하도록 상기 AC 전류를 밸런싱할 수 있다.
그리고, 상기 정류부는, 상기 AC 전류가 양의 싸이클이면, 상기 정류부의 제1 단에서 출력된 DC 전류를 제1 부하로 전달하고, 상기 AC 전류가 음의 싸이클이면, 상기 정류부의 제2 단에서 출력된 DC 전류를 제2 부하로 전달할 수 있다.
또한, 상기 정류부는, 상기 제1 부하와 병렬로 연결된 제1 커패시터 및 상기 제2 부하와 병렬로 연결된 제2 커패시터를 포함하고, 상기 AC 전류가 음의 싸이클이면, 상기 제1 커패시터에서 출력된 전류는 상기 제1 부하로 입력되고, 상기 AC 전류가 양의 싸이클이면, 상기 제2 커패시터에서 출력된 전류는 상기 제2 부하로 입력될 수 있다.
그리고, 상기 제1 부하 및 상기 제2 부하는, 제1 LED 어레이 및 제2 LED 어레이일 수 있다.
한편, 상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전원공급장치는, DC 전류를 AC 전류로 변환하기 위한 인버터; 1차단 전류인 상기 AC 전류를 복수의 2차단 전류로 변환하여 전송하기 위한 트랜스포머; 및 상기 복수의 2차단 전류를 각각 입력받아, 임피던스 밸런싱을 통해 상기 복수의 2차단 전류를 밸런싱하고, 상기 복수의 밸런싱된 전류를 정류하여 복수의 DC전류를 생성하는 복수의 전류 밸런싱 장치;를 포함한다.
여기서, 상기 복수의 전류 밸런싱 장치는, 상기 복수의 DC 전류를 복수의 부하셋으로 각각 전달하고, 각각의 부하셋은, LED 어레이 페어를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 복수의 전류 밸런싱 장치는, 상기 트랜스포머에 마련된 하나의 2차측 코일에 병렬로 연결되거나, 상기 트랜스포머에 마련된 복수의 2차측 코일에 각각 연결될 수 있다.
또한, 상기 복수의 전류 밸런싱 장치가, 상기 트랜스포머에 마련된 하나의 2차측 코일에 병렬로 연결된 경우, 상기 복수의 밸런싱 장치는, 상기 2차측 코일의 양단에 하나씩 연결된 두 개의 밸런싱 커패시터를 각각 포함할 수 있다.
그리고, 상기 복수의 전류 밸런싱 장치가, 상기 트랜스포머에 마련된 복수의 2차측 코일에 각각 연결된 경우, 상기 복수의 밸런싱 장치는, 상기 2차측 코일의 일단에 연결된 밸런싱 커패시터를 각각 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 DC 전류는 복수의 부하셋으로 각각 전달되고, 상기 복수 의 부하셋에서 출력된 전류는 통합되어 상기 인버터로 입력되며, 상기 인버터는, 상기 통합 전류를 입력받아, 상기 통합 전류를 기초로, 상기 DC 전류의 듀티 제어 또는 주파수 제어를 수행하며, 상기 듀티 제어 또는 상기 주파수 제어를 기초로 상기 DC 전류를 쵸핑하여 일정한 레벨을 갖는 상기 AC 전류로 변환할 수 있다.
한편, 상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치는, 임피던스 밸런싱을 통해 AC 전류를 밸런싱하고, 상기 밸런싱된 전류를 정류하여 복수의 DC 전류를 생성하는 전원공급장치; 및 상기 전원공급장치에서 생성된 복수의 DC 전류를 각각 입력받아 구동되는 복수의 LED 어레이 페어;를 포함한다.
한편, 상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 밸런싱 방법은, 임피던스 밸런싱을 통해 입력된 AC 전류를 밸런싱하는 단계; 및 상기 밸런싱된 전류를 정류하여 DC 전류를 생성하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 임피던스 밸런싱은, 밸런싱 커패시터로 입력되는 AC 전류의 주파수 및 상기 밸런싱 커패시터의 커패시턴스 중 적어도 하나의 크기를 기설정된 값 이하로 설정하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 기설정된 값은, 상기 밸런싱 커패시터를 제외한 부하의 임피던스의 값이 상기 밸런싱 커패시터의 임피던스 값에 비해 무시가능한 범위 내의 값일 수 있다.
이에 의해, 광원의 산포에 의한 휘도 불균형을 해결할 수 있고, 조명 장치의 고효율화 및 초박형 설계를 실현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치(100)를 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 조명 장치(100)는, 사용자에게 균일한 휘도의 화면을 제공한다. 도시된 바와 같이, 조명 장치(100)는, AC 전원 입력부(110), PFC(Power Factor Correction)부(130), SMPS(Switching Mode Power Supply)부(150) 및 LED(Light Emitting Diode)부(170)를 포함한다.
AC 전원 입력부(110)는, 외부로부터 입력되는 AC 전원을 PFC부(130)로 전달한다.
PFC부(130)는, 정류 및 역률 개선을 위한 유닛이다. 특히, AC 전원 입력부(110)로부터 입력된 AC 전원의 역률 개선을 통해, 조명 장치(100) 또는 조명 장치(100)를 포함하는 장치의 각 부품에 안정된 전류가 공급되도록 하고, 불필요하게 낭비되는 전류가 열로 전환되어 온도가 상승되거나 전력 소비량이 증가되는 문제가 방지되도록 한다. 또한, PFC부(130)는, 입력된 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 SMPS부(150)로 전달한다.
SMPS부(150)는, PFC부(130)로부터 입력받은 DC 전원을 이용하여 원하는 형태(크기)의 DC 전원을 생성하기 위한 유닛이다. SMPS부(150)는, 인버터부의 스위칭을 통해, 입력된 DC 전원을 AC 전원으로 만들고 이를 원하는 전압(전류)로 변환한 뒤 다시 정류를 하여 DC 전원을 생성한다.
특히, SMPS부(150)는, 정류된 DC 전원으로서, 후술할 LED부(170)에 마련된 복수의 LED 어레이들에 입력되는 전류가 동일하도록 밸런싱되어 정류된 DC 전원을 생성한다. SMPS부(150)의 구체적인 내부 구조과 동작에 대해서는 이하에서 제공되 는 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
SMPS부(150)는, 밸런싱되어 정류된 DC 전류를 LED부(170)로 전달한다.
LED부(170)는, SMPS부(150)로부터 입력된 DC 전류에 따라 구동되어 발광하기 위한 유닛으로서, 복수의 LED 어레이 페어로 구성된다. LED 어레이는, 연속적으로 나열된 복수의 LED를 의미하고, LED 어레이 페어는, 이러한 LED 어레이 두 개가 짝을 지어 존재함을 의미한다. 따라서, 복수의 LED 어레이 페어가 3개일 경우, LED 어레이는 총 6개가 된다. 또한, 이러한 LED 어레이는, 적색 LED 어레이, 녹색 LED 어레이, 그리고, 청색 LED 어레이를 포함하는 개념이며, 적색 LED 어레이, 녹색 LED 어레이, 그리고, 청색 LED 어레이에서 방출되는 광은, 상호 혼합되어 백색광을 방출할 수 있는 구조로 배치된다.
이에 의해, 조명 장치(100)는, 사용자에게 균일한 휘도의 광을 제공할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SMPS부(150)의 블록도를 도시한 도면이다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해, LED부(170)의 LED 어레이 페어(290)를 SMPS부(150)와 함께 도시하였다. 도시된 바와 같이, SMPS부(150)는 인버터부(210), 트랜스포머(230), 3개의 밸런싱부(250) 및 3개의 정류뷰(270)를 포함한다.
인버터부(210)는, 고주파 초핑(chopping)을 수행하여, DC 전류를 AC 전류로 변환한다. 인버터부(210)는, 변환된 AC 전류를 트랜스포머(230)로 전달한다.
트랜스포머(230)는, 1차측 AC 전류를 2차측 AC 전류로 변환한다. 구체적으로, 트랜스포머(230)는, 1차측 코일 및 2차측 코일의 권선비에 따라 1차측 AC 전류 가 2차측 AC 전류로 유도되도록 한다. 트랜스포머(230)는 2차측 AC 전류를 3개의 밸런싱부(250)로 각각 전달한다.
각각의 밸런싱부(250)는, 밸런싱부(250)에 입력되어 LED 어레이 페어(290)로 출력되는 각각의 AC 전류가 동일하도록 AC 전류 밸런싱을 수행한다. 밸런싱된 각각의 AC 전류는 전류는 3개의 정류부(270)로 각각 인가된다.
각각의 정류부(270)는, 밸런싱된 AC 전류를 입력받아 이를 정류하며, 동일한 크기의 DC 전류를 생성하여 3개의 LED 어레이 페어(290)로 전달하게 된다.
이에 의해, 밸런싱되어 정류된 DC 전류를 LED 어레이에 제공하여, 산포에 의한 휘도 불균형을 해결할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 3을 참조하여, SMPS부(150)의 상세 동작에 대해 설명하기로 한다. 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 SMPS부(150)의 상세 회로도를 도시한 도면이다. 도 3에서도 설명의 편의를 위해, LED부(170)의 LED 어레이 페어(290)를 SMPS부(150)와 함께 도시하였다.
인버터부(210)는, 두 개의 스위치(S1, S2)와 커패시터(Ca)를 포함하며, 두 개의 스위치(S1, S2)의 개폐에 기초한 고주파 초핑(chopping)에 따라, 입력된 DC 전류를 AC 전류로 변환한다.
구체적으로, 상측 스위치(S1)가 닫히고 하측 스위치(S2)가 열리면, 인버터부(210)의 양단으로 입력된 DC 전류는 하이-레벨이 되고, 반대로, 하측 스위치(S2)가 닫히고 상측 스위치(S1)가 열리면, 인버터부(210)의 양단으로 입력된 DC 전류는 로우-레벨이 된다. 인버터부(210)는, 이러한 동작을 빠르게 반복하여, DC 전류를 고주파 AC 전류로 변환한다.
한편, 이러한 스위칭 동작은, 3개의 LED 어레이 페어(290)에서 출력되는 전류들의 통합 전류에 의해 제어된다. 이에 대한 설명을 위해, 도 4을 참조하기로 한다.
도 4는, 3개의 LED 어레이 페어(290)에서 출력되는 전류들의 통합 전류에 의해 시비율 제어 또는 주파수 제어가 수행된 모습을 도시한 도면이다.
시비율이란, 펄스에서 온시간과 오프 시간의 비율을 의미하며, 시비율 제어란, 오리지날 파형의 온-오프 시간이 변경되도록 하는 제어를 의미한다. 따라서, 시비율이 제어될 경우, 상측 스위치(S1)의 온 및 하측 스위치(S2)의 오프에 대한 시간과 상측 스위치(S1)의 오프 및 하측 스위치(S2)의 온에 대한 시간이 서로 다르게 되어, 트랜스포머(230)로 인가되는 전류의 파형이 변경되게 된다.
또한, 주파수가 제어될 경우, 상측 스위치(S1)의 온 및 하측 스위치(S2)의 오프, 또는 상측 스위치(S1)의 오프 및 하측 스위치(S2)의 온이 더 빠르거나 더 느리게 반복되어, 트랜스포머(230)로 인가되는 전류의 파형이 변경되게 된다.
다시 도 3에 대해 설명하면, 이와 같이 스위칭 동작이 제어되어 생성된 AC 전류는, 커패시터(Ca)를 통해 트랜스포머(230)로 전달되어, 트랜스포머(230)의 1차측 전류가 된다.
한편, 고주파 초핑에 의해 초핑된 전압은, 1차측 커패시터(Ca)와 1차측 코일(L1)로 구성된 1차측 공진소자를 공진시키게 된다. 이 때, 2차측에서 피드백된 통합 전류에 의해, 1차측 회로의 공진이 조절되어, 2차측으로 유도되는 전류는 정 현파에 가까운 공진형 AC 전류가 되는 것이다.
트랜스포머(230)는, 공진형 AC 전류인 1차측 AC 전류를 2차측 AC 전류로 변환한다. 도시된 바와 같이, 하나의 1차측 코일(L1)에 대응되는 세 개의 2차측 코일(L21, L22, L23)이 존재하기 때문에, 2차측 코일에는 독립된 3개의 2차측 전류가 유도되게 된다. 구체적으로, 트랜스포머(230)는, 1차측 코일(L1) 및 2차측 코일(L21, L22, L23)의 권선비에 따라 1차측 AC 전류가 2차측 AC 전류로 유도되도록 한다.
이 경우, 3개의 2차측 코일(L21, L22, L23)의 권선을 감은 수는 모두 동일할 수 있다. 이와 같이 하여, 3개의 2차측 코일(L21, L22, L23)에 대한 권선비가 모두 동일할 경우, 밸런싱된 AC 전류를 생성하는 것이 수월해질 것이다.
트랜스포머(230)에서 유도된 3개의 2차측 AC 전류는, 3개의 밸런싱부(250)로 각각 전달된다. 3개의 밸런싱부(250)는, 밸런싱 커패시터(Cb1, Cb2, Cb3)를 각각 구비하며, 밸런싱 커패시터(Cb1, Cb2, Cb3)는 트랜스포머(230)의 2차측 코일(L21, L22, L23) 중 제1 단에 연결된다.
3개의 밸런싱부(250)는, 각각의 밸런싱부(250)에 입력되어 LED 어레이 페어(290)로 출력되는 각각의 AC 전류가 동일하도록 AC 전류 밸런싱을 수행하며, 임피던스 밸런싱을 통해 AC 전류 밸런싱을 실현하게 된다.
이하에서는, 임피던스 밸런싱 및 AC 전류 밸런싱의 설명을 위해 도 5 및 도 6을를 참조하기로 한다.
도 5는, 임피던스 밸런싱 및 AC 전류 밸런싱을 설명하기 위해 제공되는 도면 이며, 설명의 편의를 위해 밸런싱부(250), 정류뷰(270) 및 LED 어레이 페어(290)를 하나씩만 도시하였다. 도시된 바와 같이, 밸런싱 커패시터(Cb1)에서 정류뷰(270) 또는 LED 어레이 페어(290) 쪽을 바라본 등가 임피던스를 ZR이라고 할 경우, 2차측 코일을 제외한 2차단의 전체 임피던스인 ZT는 다음과 같다.
Figure 112009019749609-PAT00001
(여기서, c는 밸런싱 커패시터(Cb1)의 커패시턴스, w는 입력되는 AC 전류의 주파수)
한편, 도 6은, 2차측 코일을 제외한 2차단의 전체 임피던스인 ZT에 대한 임피던스도를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 2차측 코일을 제외한 2차단의 전체 임피던스인 ZT는 ZR-j/wc가 되지만, w의 크기가 상당히 작거나 c의 크기가 상당히 작아서, j/wc의 크기가 상당히 커진다면, ZR을 무시할 수 있을 정도가 되어, 전체 임피던스 ZT는 -j/wc가 된다.
따라서, (1)w의 크기를 상당히 작게 하거나 (2)c의 크기를 상당히 작게하되 3개의 밸런싱부(250)에 포함된 모든 밸런싱 커패시터의 커패시턴스를 동일하게 한다면, 각 LED 어레이로 공급되는 전류는 동일하게 된다.
3개의 밸런싱부(250)는, 이와 같은 임피던스 밸런싱을 통해, 밸런싱부(250) 에 입력되어 LED 어레이 페어(290)로 출력되는 각각의 AC 전류가 동일하도록 AC 전류 밸런싱을 수행한다.
다시 도 3에 대해 설명하면, 3개의 밸런싱부(250)에서 밸런싱된 각각의 AC 전류는 3개의 정류부(270)로 각각 인가된다.
각각의 정류부(270)는, 밸런싱된 AC 전류를 입력받아 이를 정류하며, 동일한 크기의 DC 전류를 생성하여 3개의 LED 어레이 페어(290)로 전달하게 된다.
한편, 전술한 바와 같이, 3개의 LED 어레이 페어(290)에서 출력되는 전류들은 통합되어 상측 스위치(S1)와 하측 스위치(S2)의 게이트로 인가되며, 이러한 통합 전류에 의해, 시비율 제어 또는 주파수 제어가 수행된다.
이에 의해, 밸런싱되어 정류된 DC 전류를 LED 어레이에 제공하여, 산포에 의한 휘도 불균형을 해결할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 SMPS부(150)의 회로도를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서도 설명의 편의를 위해, LED부(170)의 LED 어레이 페어(290)를 SMPS부(150)와 함께 도시하였다.
도 7에 대한 내용 중 일부는, 도 3의 내용과 동일하거나 유사하며 도 3의 내용으로부터 유추가능한 바, 이러한 내용에 대해서는 간략히 설명하기로 하고, 이하에서는, 도 3과 구별되는 차이점을 중심으로 하여 설명하기로 한다.
인버터부(210)는, 스위치(S1, S2)의 개폐에 기초한 고주파 초핑(chopping)에 따라, 입력된 DC 전류를 AC 전류로 변환한다. 또한, 이러한 스위칭 동작은, 3개의 LED 어레이 페어(290)에서 출력되는 전류들의 통합 전류에 의해 제어된다.
스위칭 동작이 제어되어 생성된 AC 전류는, 커패시터(Ca)를 통해 트랜스포머(230)로 전달되어, 트랜스포머(230)의 1차측 전류가 된다.
트랜스포머(230)는, 1차측 AC 전류를 2차측 AC 전류로 변환한다. 도시된 바와 같이, 트랜스포머(230)에는 1차측 코일(L1)에 대응되는 2차측 코일(L2)이 존재하기 때문에, 2차측 코일에는 하나의 2차측 전류가 유도되게 된다.
트랜스포머(230)에서 유도된 2차측 AC 전류는, 상호 병렬로 연결된 3개의 밸런싱부(250)로 각각 전달된다. 구체적으로, 세 개의 밸런싱부(250)는, 두 개의 밸런싱 커패시터(Cb1과 Cb4, Cb2과 Cb5, Cb3과 Cb6)를 각각 구비하며, 상측 밸런싱 커패시터(Cb1, Cb2, Cb3)는 트랜스포머(230)의 2차측 코일(L2) 중 제1 단에 연결되고, 하측 밸런싱 커패시터(Cb4, Cb5, Cb6)는 트랜스포머(230)의 2차측 코일(L2) 중 제2 단에 연결된다.
이와 같은 구조에 의해서도, 3개의 밸런싱부(250)는, 각각의 밸런싱부(250)에 입력되어 LED 어레이 페어(290)로 출력되는 각각의 AC 전류가 동일하도록 AC 전류 밸런싱을 수행하며, 임피던스 밸런싱을 통해 AC 전류 밸런싱을 실현할 수 있게 된다.
다만, 도 3과 달리, 각각의 밸런싱부(250)부는 두 개씩의 밸런싱 커패시터(Cb1과 Cb4, Cb2과 Cb5, Cb3과 Cb6)를 구비하기 때문에, 밸런싱부(250)에서 정류부(270) 또는 LED 어레이 페어(290) 쪽을 바라본 등가 임피던스를 ZR이라고 할 경우, 2차측 코일을 제외한 2차단의 전체 임피던스는 다음과 같다.
Figure 112009019749609-PAT00002
(여기서, c는 밸런싱 커패시터 하나의 커패시턴스, w는 입력되는 AC 전류의 주파수)
이 경우에도, 2차측 코일을 제외한 2차단의 전체 임피던스인 ZT는 ZR-j2/wc가 되지만, w의 크기가 상당히 작거나 c의 크기가 상당히 작아서, j/wc의 크기가 상당히 커진다면, ZR을 무시할 수 있을 정도가 되어, 전체 임피던스 ZT는 -j2/wc가 된다.
따라서, (1)w의 크기를 상당히 작게 하거나 (2)c의 크기를 상당히 작게하되 3개의 밸런싱부(250)에 포함된 모든 밸런싱 커패시터의 커패시턴스를 동일하게 한다면, 각 LED 어레이로 공급되는 전류는 동일하게 된다.
3개의 밸런싱부(250)는, 이와 같은 임피던스 밸런싱을 통해, 밸런싱부(250)에 입력되어 LED 어레이 페어(290)로 출력되는 각각의 AC 전류가 동일하도록 AC 전류 밸런싱을 수행하며, 밸런싱되어 정류된 DC 전류를 LED 어레이에 제공하여, 산포에 의한 휘도 불균형을 해결할 수 있게 된다.
한편, 이상에서는, 인버터부(210)의 스위치(S1, S2)의 개폐에 기초한 고주파 초핑(chopping)에 따라, 입력된 DC 전류가 AC 전류로 변환되고, 이러한 AC 전류가 트랜스포머(230)로 전달된다고 설명한 바 있다. 이하에서는, 변환된 AC 전류가 양 의 싸이클인 경우와 음의 싸이클인 경우의 구체적인 회로 동작 상태에 대해 도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명하기로 하며, 특히, 도 3과 도 7에서 설명한 실시예들 중 전자를 기준으로 설명하기로 한다. 다만, 도 3을 기준으로 설명한 내용들은 도 7에 의한 실시예에서도 그대로 유추적용가능함은 물론이다.
도 8a는 AC 전류가 양의 싸이클인 경우의 회로 동작 상태를 도시한 도면이다. 양의 싸이클인 경우는, 인버터부(210)의 스위치들(S1, S2) 중 상측 스위치(S1)가 닫히고 하측 스위치(S2)가 열려, 인버터부(210)의 양단으로 입력된 DC 전류가 하이-레벨이 된 경우이다. 따라서, 전류는 상측 스위치(S1)에서 커패시터(Ca)를 거쳐 코일(L1)로 향하는 시계방향으로 흐르게 된다.
이러한 전류(1차측 전류)는 트랜스포머(230)에 의해 세 개의 2차측으로 유도된다. 유도된 2차측 전류는, 가장 위쪽의 2차측 회로를 기준으로 설명할 때, 코일(L21)에서 밸런싱 커패시터(Cb1) 및 다이오드(D3)를 거쳐 LED 어레이 페어(290) 중 상측 LED 어레이로 전달된다. 이에 의해, 상측 LED 어레이는 인가된 전류에 비례하여 발광된다.
상측 LED 어레이를 거친 전류는, 다시 다이오드(D2)를 거쳐 코일(L21)로 전달되어, 결과적으로 코일(L21)-밸런싱 커패시터(Cb1)-다이오드(D3)-상측 LED 어레이-다이오드(D2)-코일(L21)의 전류 루프가 생성된다.
또한, 이와 같이 AC 전류가 양의 싸이클인 동안에는, 커패시터(C1)에 상측 LED 어레이에서의 전압강하에 대응되는 전하가 축적되게 되며, 이와 동일한 원리로, 양의 싸이클이 되기 이전의 음의 싸이클 동안에 커패시터(C2)에 축적되었던 전 하는 LED 어레이 페어(290) 중 하측 LED 어레이로 전달된다. 이에 의해, 하측 LED 어레이는 인가된 전류에 비례하여 발광된다.
반면, 도 8b는 AC 전류가 음의 싸이클인 경우의 회로 동작 상태를 도시한 도면이다. 음의 싸이클인 경우는, 인버터부(210)의 스위치들(S1, S2) 중 하측 스위치(S2)가 닫히고 상측 스위치(S1)가 열려, 인버터부(210)의 양단으로 입력된 DC 전류가 로우-레벨이 된 경우이다. 따라서, 전류는 하측 스위치(S1)에서 코일(L2)을 거쳐 커패시터(Ca)로 향하는 반시계방향으로 흐르게 된다.
이러한 전류(1차측 전류)는 트랜스포머(230)에 의해 세 개의 2차측으로 유도된다. 유도된 2차측 전류는, 가장 위쪽의 2차측 회로를 기준으로 설명할 때, 코일(L21)에서 다이오드(D4)를 거쳐 LED 어레이 페어(290) 중 하측 LED 어레이로 전달된다. 이에 의해, 하측 LED 어레이는 인가된 전류에 비례하여 발광된다.
하측 LED 어레이를 거친 전류는, 다시 다이오드(D1) 및 밸런싱 커패시터(Cb1)를 거쳐 코일(L21)로 전달되어, 결과적으로 코일(L21)-다이오드(D4)-하측 LED 어레이-다이오드(D1)-밸런싱 커패시터(Cb1)-코일(L21)의 전류 루프가 생성된다.
또한, 이와 같이 AC 전류가 음의 싸이클인 동안에는, 커패시터(C2)에 하측 LED 어레이에서의 전압강하에 대응되는 전하가 축적되게 되며, 이와 동일한 원리로, 음의 싸이클이 되기 이전의 양의 싸이클 동안에 커패시터(C1)에 축적되었던 전하는 LED 어레이 페어(290) 중 상측 LED 어레이로 전달된다. 이에 의해, 상측 LED 어레이는 인가된 전류에 비례하여 발광된다.
한편, 도 3 및 도 7에서는, 임피던스 밸런싱을 통해 LED 어레이 페어(290)로 출력되는 각각의 AC 전류가 동일하도록 AC 전류 밸런싱을 수행하며, 밸런싱된 각각의 AC 전류는 전류는 3개의 정류부(270)로 각각 인가된다고 언급한 바 있다.
이하에서는, 도 9를 참조하여, 밸런싱된 세 개의 AC 전류가 동일하게 됨에 따라, 6개의 LED 어레이에 인가되는 AC 전류가 모두 동일하게 된다는 점에 대해 설명하기로 한다.
도 9는 도 3의 회로 중 2차단 회로에 대한 등가회로를 도시한 도면이다. iT(t)는 2차측으로 유도된 전류를 등가적으로 표현한 전류원이고, Cb1, Cb2, Cb3는 각 밸런싱부(250)에 마련된 밸런싱 커패시터이며, i1'(t), i2'(t), i3'(t), i4'(t), i5'(t) 및 i6'(t)는 전류원인 iT(t)에서 바라본 AC 등가전류이다. 또한, Da, Db, Dc, Dd, De 및 Df는 D2+D3, D1+D4, D6+D7, D5+D8, D10+D11 및 D9+D12에 대한 등가 다이오드이다.
6개의 LED 어레이에 대한 각각의 DC 등가 임피던스를 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6라고 할 때, 전류원에서 본 정류단 효과를 고려한 LED 어레이에 대한 각각의 AC 등가 임피던스 식은 다음과 같다.
Figure 112009019749609-PAT00003
(여기서, RAC는 전류원에서 본 정류단 효과를 고려한 LED 어레이에 대한 각 각의 AC 등가 임피던스, RDC는 6개의 LED 어레이에 대한 각각의 DC 등가 임피던스)
따라서, 6개의 LED 어레이에 대한 각각의 AC 등가 임피던스는, 4R1/π2, 4R2/π2, 4R3/π2, 4R4/π2, 4R5/π2 및 4R6/π2이 된다.
한편, AC 전류를 하기의 수학식 4와 같이 가정할 경우, IT 및 I1~I6에는 하기의 수학식 5와 같은 관계가 성립한다.
Figure 112009019749609-PAT00004
Figure 112009019749609-PAT00005
, (O≤wt＜π, N=1,3,5)
Figure 112009019749609-PAT00006
, (π≤wt＜2π, N=1,3,5)
Figure 112009019749609-PAT00007
, (O≤wt＜π, N=2,4,6)
Figure 112009019749609-PAT00008
, (π≤wt＜2π, N=2,4,6)
Figure 112009019749609-PAT00009
Figure 112009019749609-PAT00010
여기서, 전술한 바와 같이, 밸런싱 커패시터(Cb1, Cb2, Cb3)의 임피던스를 R1, R2, R3, R4, R5 및 R6보다 상당히 높게 설정하였다면, 하기의 수학식 6과 같은 식이 성립하여, 수학식 5와 수학식 6의 연산에 의해, 하기의 수학식 7과 같이 DC 전류의 밸런싱이 수행됨을 알 수 있게 된다.
Figure 112009019749609-PAT00011
Figure 112009019749609-PAT00012
Figure 112009019749609-PAT00013
즉, 6개의 LED 어레이로 모두 동일한 DC 전류가 인가되어, 6개의 LED 어레이들의 전류 밸런싱이 이루어진다.
뿐만 아니라, 용량성 부하는 무손실 부하인데, 이와 같이 용량성 부하인 밸런싱 커패시터(Cb1, Cb2, Cb3)를 LED 어레이에 직렬로 연결함으로써, 밸런싱을 위한 손실이 발생하지 않게 된다. 또한, 별도의 LED 구동부를 구비하지 않고, 전원공급과 AC 전류 밸런싱을 동시에 수행할 수 있는 SMPS부(150) 하나만을 구비하여, 조명 장치의 고효율 및 경박화를 추구할 수 있게 된다.
한편, 이상에서 설명한 조명 장치(100)는, 디스플레이 장치 등의 백라이트로 사용될 수 있음은 물론이다. 이하에서는, 본 발명이 적용가능한 일 실시예로서 LCD 디스플레이 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치(100)가 적용가능한 LCD 디스플레이 장치(1000)를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, LCD 디스플레이 장치(1000)는 영상 입력부(1010), 영상처리부(1020), 광원부(1030) 및 패널부(1040)로 구축된다.
영상 입력부(1010)는 외부기기 또는 외부시스템과 연결되기 위한 인터페이스를 포함하며, 외부기기 또는 외부시스템으로부터 영상을 입력받는다. 영상 입력부(1010)는 입력된 영상을 영상 처리부(1020)로 전달한다.
영상 처리부(1020)는, 입력된 영상을 후술할 LCD 패널(1040)에 적합한 형태로 변환한 영상신호를 생성하고, 광원부(1030)가 필요로 하는 발광신호를 생성한다. 또한, 이러한 영상 처리부(1020)는, 전술한 조명장치(100)의 PFC부(130) 및 SMPS부(150)의 동작이 수행되도록 하기 위한 신호를 생성하여 광원부(1030)로 전달한다.
광원부(1030)는, 전술한 PFC부(130), SMPS부(150) 및 LED부(170)를 포함하는 개념이다. 광원부(1030)는, 영상 처리부(1020)로부터 수신된 신호에 기초하여, 입력된 전원에 대한 정류 및 역률 개선, 그리고, LED 어레이들에 입력되는 전류가 동일하도록 하는 전류 밸런싱 등의 동작을 수행하여, 3개의 LED 어레이 페어, 즉, 6개의 LED 어레이에서 광이 출사되도록 한다.
광원부(1030)에서 출사된 광은 LCD 패널(1040)로 전달된다. LCD 패널(1040)은 광원부(1030)에서 발생한 빛의 투과율을 조절하여 영상신호를 가시화 시키고 화 면에 디스플레이되도록 한다. 이러한 LCD 패널(1040)은 전극이 생성된 두 기판이 마주 보도록 배치되어 있으며, 두 기판 사이에 액정 물질이 주입되어 형성된다. 여기서, 두 전극에 전압을 인가하면, 전기장이 생성되어, 두 기판 사이에 주입된 액정 물질의 분자를 움직이게 하여 빛의 투과율을 조절한다.
이상에서는, 조명 장치(100)가 3개의 LED 어레이 페어를 가지는 것으로 상정하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 예시적 사항에 불과한 것으로서, 2개 이하의 LED 어레이 페어 또는 4개 이상의 LED 어레이 페어를 가지는 경우에도 본 발명이 적용가능하며, 반드시 2개의 LED 어레이가 페어를 이루어야 하는 것도 아님은 물론이다. 따라서, 밸런싱부 및 정류부의 개수도 LED 어레이의 개수에 따라 변경가능하며, 이러한 변경도 본 발명의 기술적 범위 내에 있다고 할 것이다.
그리고, 이상에서 언급된 LED 어레이는, 녹색 LED 어레이, 청색 LED 어레이 및 적색 LED 어레이를 포함하는 개념으로 이해될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은, 광원으로서 LED를 사용한다는 점에 대해서도 국한되어서는 안 될 것이며, DC 부하로 된 모든 광원에 적용가능하며, 아울러, 냉음극 형광램프(cold cathode fluorescence lamp: CCFL)나 면광원램프(flat fluorescent lamp : FFL)등의 AC 부하로 된 광원에의 응용도 가능할 것이다.
그리고, 전술한 부하는, 광원으로서의 부하에 한정되지 않으며, 광원이나 조명 이외의 어떤 부하라도 적용가능하다.
아울러, 이상에서는, 구체적인 회로의 구성을 참조하여 설명하였으나, 회로적인 구성은 어디까지나 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 예시적인 것이며, 본원의 실시예들에 설명된 회로와 등가인 회로, 단순한 구조적 변경 회로, 또는 일부 소자가 치환/삭제/추가된 회로 등의 경우도 본원의 기술적 범위 내에 있음은 물론이다.
그리고, 이상에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SMPS부의 블록도를 도시한 도면,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 SMPS부의 상세 회로도를 도시한 도면,
도 4는 3개의 LED 어레이 페어에서 출력되는 전류들의 통합 전류에 의해 시비율 제어 또는 주파수 제어가 수행된 모습을 도시한 도면,
도 5는 임피던스 밸런싱 및 AC 전류 밸런싱을 설명하기 위해 제공되는 도면,
도 6은 2차단의 전체 임피던스인 ZT에 대한 임피던스도를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 SMPS부의 회로도를 도시한 도면,
도 8a 및 도 8b는 AC 전류가 양의 싸이클인 경우와 음의 싸이클인 경우의 회로 동작 상태를 도시한 도면,
도 9는 2차단 회로에 대한 등가회로를 도시한 도면, 그리고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치가 적용가능한 LCD 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
110 : AC전원 입력부 130 : PFC부
150 : SMPS부 170 : LED부
210 : 인버터부 230 : 트랜스포머
250 : 밸런싱부 270 : 정류부
290 : LED 어레이 페어

Claims (18)

  1. 임피던스 밸런싱을 통해, 입력된 AC 전류를 밸런싱하는 밸런싱부; 및
    상기 밸런싱된 전류를 정류하여 DC 전류를 생성하는 정류부;를 포함하는 전류 밸런싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 밸런싱부는, 적어도 하나의 밸런싱 커패시터를 포함하고,
    상기 임피던스 밸런싱은, 상기 밸런싱 커패시터로 입력되는 AC 전류의 주파수 및 상기 밸런싱 커패시터의 커패시턴스 중 적어도 하나의 크기를 기설정된 값 이하로 설정하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기설정된 값은, 상기 밸런싱 커패시터에서 상기 정류부를 바라본 임피던스의 값이 상기 밸런싱 커패시터의 임피던스 값에 비해 무시가능한 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 밸런싱부는, 적어도 하나의 밸런싱 커패시터를 포함하고,
    상기 커패시터와 상기 정류부는 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정류부는, 상기 DC 전류를 복수의 부하로 전달하고,
    상기 밸런싱부는, 상기 복수의 부하에 각각 입력되는 DC 전류가 동일하도록 상기 AC 전류를 밸런싱하거나, 상기 복수의 부하에 입력되는 DC 전류와 다른 전류 밸런싱 장치에 연결된 부하에 입력되는 DC 전류가 동일하도록 상기 AC 전류를 밸런싱하는 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 정류부는,
    상기 AC 전류가 양의 싸이클이면, 상기 정류부의 제1 단에서 출력된 DC 전류를 제1 부하로 전달하고, 상기 AC 전류가 음의 싸이클이면, 상기 정류부의 제2 단에서 출력된 DC 전류를 제2 부하로 전달하는 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 정류부는, 상기 제1 부하와 병렬로 연결된 제1 커패시터 및 상기 제2 부하와 병렬로 연결된 제2 커패시터를 포함하고,
    상기 AC 전류가 음의 싸이클이면, 상기 제1 커패시터에서 출력된 전류는 상 기 제1 부하로 입력되고, 상기 AC 전류가 양의 싸이클이면, 상기 제2 커패시터에서 출력된 전류는 상기 제2 부하로 입력되는 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 장치.
  8. 제 6항 및 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 부하 및 상기 제2 부하는, 제1 LED 어레이 및 제2 LED 어레이인 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 장치.
  9. DC 전류를 AC 전류로 변환하기 위한 인버터;
    1차단 전류인 상기 AC 전류를 복수의 2차단 전류로 변환하여 전송하기 위한 트랜스포머; 및
    상기 복수의 2차단 전류를 각각 입력받아, 임피던스 밸런싱을 통해 상기 복수의 2차단 전류를 밸런싱하고, 상기 복수의 밸런싱된 전류를 정류하여 복수의 DC전류를 생성하는 복수의 전류 밸런싱 장치;를 포함하는 전원공급장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 전류 밸런싱 장치는, 상기 복수의 DC 전류를 복수의 부하셋으로 각각 전달하고,
    각각의 부하셋은, LED 어레이 페어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 전류 밸런싱 장치는, 상기 트랜스포머에 마련된 하나의 2차측 코일에 병렬로 연결되거나, 상기 트랜스포머에 마련된 복수의 2차측 코일에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 복수의 전류 밸런싱 장치가, 상기 트랜스포머에 마련된 하나의 2차측 코일에 병렬로 연결된 경우,
    상기 복수의 밸런싱 장치는, 상기 2차측 코일의 양단에 하나씩 연결된 두 개의 밸런싱 커패시터를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 복수의 전류 밸런싱 장치가, 상기 트랜스포머에 마련된 복수의 2차측 코일에 각각 연결된 경우, 상기 복수의 밸런싱 장치는, 상기 2차측 코일의 일단에 연결된 밸런싱 커패시터를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 DC 전류는 복수의 부하셋으로 각각 전달되고, 상기 복수의 부하셋에서 출력된 전류는 통합되어 상기 인버터로 입력되며,
    상기 인버터는, 상기 통합 전류를 입력받아, 상기 통합 전류를 기초로, 상기 DC 전류의 듀티 제어 또는 주파수 제어를 수행하며, 상기 듀티 제어 또는 상기 주파수 제어를 기초로 상기 DC 전류를 쵸핑하여 일정한 레벨을 갖는 상기 AC 전류로 변환하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  15. 임피던스 밸런싱을 통해 AC 전류를 밸런싱하고, 상기 밸런싱된 전류를 정류하여 복수의 DC 전류를 생성하는 전원공급장치; 및
    상기 전원공급장치에서 생성된 복수의 DC 전류를 각각 입력받아 구동되는 복수의 LED 어레이 페어;를 포함하는 조명 장치.
  16. 임피던스 밸런싱을 통해 입력된 AC 전류를 밸런싱하는 단계; 및
    상기 밸런싱된 전류를 정류하여 DC 전류를 생성하는 단계;를 포함하는 전류 밸런싱 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 임피던스 밸런싱은,
    밸런싱 커패시터로 입력되는 AC 전류의 주파수 및 상기 밸런싱 커패시터의 커패시턴스 중 적어도 하나의 크기를 기설정된 값 이하로 설정하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 기설정된 값은,
    상기 밸런싱 커패시터를 제외한 부하의 임피던스의 값이 상기 밸런싱 커패시터의 임피던스 값에 비해 무시가능한 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 전류 밸런싱 방법.
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