KR20110028149A - 스위칭 제어 ic의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로 - Google Patents

스위칭 제어 ic의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로 Download PDF

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Abstract

램프 구동 회로의 초기 기동(스타트업(start-up))시 램프 구동에 사용되는 스위칭 제어 IC에 공급되는 전원을 적절히 제어함으로써 스위칭 제어 IC의 초기 기동에 소요되는 시간을 감소시키고 스위칭 제어 IC의 구동에 따른 전력 소비를 감소시킬 수 있는 램프 구동 회로가 제공된다. 상기 램프 구동 회로는, 정류회로; 전원전압 입력단을 가지며, 부하에 제공되는 전압을 스위칭 제어하는 스위칭 제어 IC; 및 상기 정류회로의 출력단과 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단 사이에 구비되며, 초기 기동시 단락 상태이고 사전 설정 시간 이후 개방 상태가 되는 스위치를 포함할 수 있다.
Figure P1020090086105
구동 회로, 스위칭 제어 IC, PFC, PWM, 스위치, 초기 기동, 스타트업(start-up), 발광 다이오드(LED)

Description

스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로{LAMP DRIVING CIRCUIT REDUCING POWER CONSUMPTION OF SWITCHING CONTROL IC}
본 발명은 LED와 같은 광원을 이용한 램프를 구동하기 위한 램프 구동 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회로의 초기 기동(스타트업(start-up))시 램프 구동에 사용되는 스위칭 제어 IC에 공급되는 전원을 제어함으로써 스위칭 제어 IC에 의한 전력 소비를 감소시킬 수 있는 램프 구동 회로에 관한 것이다.
최근 반도체 기술의 발전에 따라 반도체로 제조되는 광원인 발광 다이오드(LED)의 고출력화가 이루어져 왔다. 이에 따라 기존의 백열등 또는 형광등과 같은 조명용 램프를 LED를 광원으로 적용한 램프로 대체시키고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 일부 기술분야에서는 이미 기존 램프를 대체하는 새로운 광원으로 이용되고 있다.
이러한 LED를 이용한 램프를 구동하기 위해서는 LED를 구동하기 위한 구동회로가 필요하다. LED를 구동하기 위한 구동회로는, 상용의 교류(AC) 전원으로부터 LED에 직접 제공되는 직류 전류를 생성하는데 필요한 정류 회로, 역률 개선(PFC) 회로, 전압 변환 회로등이 필요하다. 특히, LED 램프를 구동하는 회로에는 스위칭 방식으로 역률 및 전압의 크기를 제어하는 PFC IC 또는 펄드폭 변조(PWM) IC와 같은 스위칭 제어 IC가 사용되고 있다.
LED의 소비전력이 큰 회로에서는 이러한 스위칭 제어 IC에 의한 소비 전력은 무시할 수 있을 정도이나, LED 소비 전력이 대략 10 내지 20 W 정도의 저소비 전력인 경우에는 스위칭 제어 IC에 의한 소비 전력이 전체 소비전력에서 차지하는 비중이 커지므로, 스위칭 제어 IC의 구동에 소요되는 소비 전력을 감소시키는 것이 전체 구동회로의 전력 소비를 효율화하기 위해 요구된다.
일반적으로 스위칭 제어 IC는 구동회로의 전원이 턴온된 직후 초기 기동(스타트업(start-up))을 위한 전원전압을 제공하는 모드와 초기 기동이 이루어진 후 안정적인 정상상태에서 전원전압을 제공하는 모드를 모두 고려하여야 한다. 초기 기동 모드에서는 주로 정류회로의 출력단으로부터 저항을 개입시켜 스위칭 제어 IC의 전원전압 일력단에 전원전압을 제공하는 방식이 사용되어 왔다. 이 때, 정류회로의 출력단에서 출력되는 전압은 전파 정류된 전압의 맥류이므로 급격히 감소되어 스위칭 제어 IC에서 요구하는 전원전압보다 낮아지는 경우가 발생한다. 이러한 단점을 해소하고 정상상태에서의 영향을 최소화하기 위해 정류회로와 스위칭 제어 IC 의 전원전압 입력단 사이에 큰 저항값을 저항을 연결하고 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 캐패시터를 연결하고 있다.
그러나, 이러한 저항이나 캐패시터의 값을 크게할수록 시정수가 증가하여 초기 기동에 소요되는 시간이 증가하게 되고 저항값이 너무 큰 경우 스위칭 제어 IC 가 기동하지 않게되는 문제가 발생한다. 또한, 저항을 사용하기 때문에 저항에 의한 전력소모가 발생하게 된다. 특히, 구동하고자 하는 램프에 의한 전력소모가 비교적 작은 경우, 저항에 의한 전력소모는 무시할 수 없을 정도의 비중을 차지하게 되는 문제가 발생한다.
본 발명은 램프 구동 회로의 초기 기동(스타트업(start-up))시 램프 구동에 사용되는 스위칭 제어 IC에 공급되는 전원을 제어함으로써 스위칭 제어 IC에 수반되는 전력 소비를 감소시킬 수 있는 램프 구동 회로를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
정류회로;
전원전압 입력단을 가지며, 부하에 제공되는 전압을 스위칭 제어하는 스위칭 제어 IC; 및
상기 정류회로의 출력단과 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단 사이에 구비되며, 초기 기동시 단락 상태이고 사전 설정 시간 이후 개방 상태가 되는 스위치
를 포함하는 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로를 제공한다.
본 발명의 일실시형태는, 상기 정류회로의 출력단과 상기 스위치 사이에 연결되는 저항 및 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단과 접지 사이에 연결되는 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에서, 상기 스위칭 제어 IC는 기준전압을 출력하는 기준전압 출력단을 포함하며, 상기 스위치는 제어전압이 인가되는 경우 단락 상태에서 개방 상태로 상태 전환을 하며, 상기 기준전압 출력단으로부터 출력되는 기준전압을 입력받아 상기 사전 설정 시간 동안 지연 후 상기 스위치의 제어전압으로 제공하는 지연기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시형태는, 상기 사전 설정 시간 이후, 상기 부하 측으로 제공되는 전압으로부터 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 전원전압을 제공하는 정상상태 전원공급회로를 더 포함할 수 있다.
상기 정상상태 전원공급회로는, 상기 부하에 제공되는 전압을 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 직접 인가하는 도전라인 또는 상기 부하에 제공되는 전압을 전압 강하시켜 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 인가하는 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 정상상태 전원공급회로는, 상기 부하측으로 인가되는 전압의 적어도 일부를 이용하여 형성된 유도전압을 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 인가하는 커플드 인덕터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정상상태 전원공급회로는, 상기 부하에 부하 전압을 제공하도록 마련된 트랜스포머의 1차 코일에 유도 결합되는 2차 보조 코일을 포함하며, 상기 2 차 보조 코일에서 유도되는 전압을 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 인가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 초기 기동 상태에서 스위칭 제어 IC로 제공되는 전원전압을 스위치를 이용하여 제공함으로써 저항에 의한 전력소모를 감소시킬 수 있고 초기 기동에 소요되는 시간을 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시형태에 따른 스위칭 제어 IC의 소비 전력 을 감소시키는 램프 구동 회로는, 상용 AC 전원 전압(Vi)을 전파 정류하는 정류 회로(12)와, 정류 회로(12)에서 출력되는 전압을 전원전압을 입력 받는 스위칭 제어 IC(11)와, 상기 정류 회로(12)의 출력단과 상기 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압 입력단 사이를 개방 또는 단락시키는 스위치(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 정류 회로(12)는 상용 AC 전원 전압(Vi)을 입력 받아 전파 정류하는 다이오드(D1-D4) 브릿지 회로로 구현될 수 있다. 상기 램프 구동회로의 초기 구동(스타트 업(start-up)) 시에, 상기 정류 회로(12)의 출력 전압은 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압으로 제공된다.
상기 스위칭 제어 IC(11)는 스위칭 트랜지스터(15)의 온/오프 듀티를 제어하여 역률을 개선하거나 부하(17)에 제공되는 전압의 크기를 제어한다. 상기 스위칭 제어 IC(11)는 통상 역률 개선 IC(PFC IC) 또는 펄스폭 변조 IC(PWM IC)일 수 있다. 상기 스위칭 제어 IC(11)는, 외부로부터 전원전압을 공급받기 위한 전원전압 공급단(Vcc)를 포함할 수 있으며, 사전 설정된 크기의 기준 전압을 출력하기 위한 기준전압 출력단(Vref)를 포함할 수 있다.
상기 스위치(13)는 상기 정류 회로(12)의 출력단과 상기 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압 입력단(Vcc) 사이에 마련되어 상기 정류 회로(12)의 출력 전압을 상기 스위칭 제어 IC(11)에 제공 또는 차단하는 역할을 한다. 상기 스위치(13)는 회로의 초기 구동시 단락되어 정류회로(12)의 출력단과 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압 입력단(Vcc)을 전기적으로 연결하고, 초기 구동이 개시된 이후 사전 설정된 시간이 경과하면 개방 상태가 되어 정류회로(12)의 출력단과 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압 입력단(Vcc)의 전기적 연결을 차단한다.
상기 스위치(13)는 상태 변화를 제어하기 위한 제어전압을 입력받을 수 있다. 즉, 상기 스위치(13)는 제어 전압이 인가되면 개방 상태가 되고 제어 전압이 인가되지 않으면 단락 상태가 되도록 동작할 수 있다. 상기 제어전압은 스위칭 제어 IC(11)에 마련된 기준전압 출력단(Vref)으로부터 제공될 수 있다. 스위칭 제어 IC(11)에 구비된 기준전압 출력단(Vre)에서 출력되는 기준전압을 상기 스위치(13)에 제공함으로써 스위치(13)는 제어될 수 있다. 상기 스위치(13)가 초기 구동시에만 동작할 수 있도록, 본 발명은 상기 기준전압 출력단으로부터 출력되는 기준전압을 입력받아 상기 사전 설정 시간 동안 지연 후 상기 스위치의 제어전압으로 제공하는 지연기(14)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시형태는, 상기 정류회로(12)의 출력단과 상기 스위치(13) 사이에 연결되는 저항(R1) 및 상기 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압 입력단(Vcc)과 접지 사이에 연결되는 캐패시터(C1)를 더 포함할 수 있다. 상기 저항(R1)은 정류회로(12)의 출력단에서 출력되는 전압의 크기를 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압으로 사용할 수 있도록 적절하게 조정하는 역할을 수행하고, 상기 캐패시터(C1)은 정류 회로(12)의 출력단에서 출력되는 전파 정류된 전압이 급격히 떨어져 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압이 요구하는 값의 범위를 벗어나는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
한편, 본 발명의 일실시형태는, 구동회로의 초기 기동이 이루어진 후 안정적인 정상 상태에서 스위칭 제어 IC(11)로 전원전압을 제공하기 위해 마련된 정상상태 전원공급회로를 더 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 회로에서, 정상상태 전원공급회로는, 부하측에 구비된 커플드 인덕터(coupled inductor)(16)로 구현된다. 도 1에서 인덕터(L2)는 통상의 SEPIC(Single Ended Primary Inductor Converter) 회로에서 부하측에 구비되는 인덕터이다. 본 발명의 일실시형태에서는, 정상상태에서 스위칭 제어 IC(11)로 공급되는 전원전압을 생성하기 위해 SEPIC 회로의 부하측에 구비된 인덕터를 두 개로 분리하고 그 중 하나의 인덕터를 커플드 인덕터(16)로 구현함으로써, 부하측에 인가되는 전압의 일부로부터 유도전압을 생성하여 스위칭 제어 IC의 전원전압으로 제공할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 다른 실시형태에서, 상기 정상상태 전원공급회로는 부하전압을 그대로 스위칭 제어 IC의 전원전압으로 제공하는 도전라인이나 부하전압을 전압강하하여 스위칭 제어 IC의 전원전압으로 제공하는 저항을 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 부하에 제공되는 부하 전압이 스위칭 제어 IC의 전원전압의 범위에 일치하는 경우 부하 전압을 직접 스위칭 제어 IC의 전원전압으로 제공받을 수 있으며, 부하 전압이 스위칭 제어 IC의 전원전압의 범위보다 큰 경우에는 저항을 이용하여 전원을 공급할 수 있다. 이러한 저항을 통해 전원 전압을 제공받는 경우 저항에 의한 전력 소모가 발생할 수 있으므로, 저항을 통한 전력 소모를 무시할 수 없는 회로에서는 전술한 도 1에 도시된 커플드 인덕터를 이용한 실시형태가 전력 효율 개선에 유리하다.
또한, 도시하지는 않았지만, 플라이백 컨버터와 같이 스위칭 트랜지스터로부터 부하측에 트랜스포머가 적용되는 회로에서는 트랜스포머의 2차측에 보조 코일을 추가하여 2차 보조 코일에서 유도되는 전압을 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 인가할 수 있다.
본 발명은 도 1에 도시된 것과 같이, 복수의 LED(L1-Ln)이 직렬로 연결된 형태의 램프(17)에 적용될 수 있다. 특히, 예를 들어 3-4 개 이상의 LED가 직렬로 연결된 형태의 램프에서 램프에 포함된 전체 LED를 구동하기 위한 순방향 전압, 즉 부하 전압이 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압의 최소값(통상 약 10 V)보다 더 큰 경우에 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시형태에 대한 작용 및 효과를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
구동 회로의 동작이 개시되면, 외부로부터 AC 상용 전압(Vi, 통상 50-60 Hz)이 제공되고, 이 AC 전압은 노이즈 제거를 위한 EMC 필터(18)를 거쳐 다이오드 브릿지 정류회로(12)에 입력된다. 상기 정류회로(12)는 전파정류된 전압(100-120 Hz) 을 출력하고 이 전파정류된 전압은 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압 입력단(Vcc)로 인가된다. 이 때, 스위칭 제어 IC(11)의 기준전압 출력단(Vref)에서는 기준전압이 출력되고 이 기준전압은 지연기(14)로 입력된다. 지연기(14)는 입력받은 기준전압을 출력하지 않고 사전 설정된 시간 동안 지연시키며, 이 지연시간 동안 스위치(13)에는 제어전압이 입력되지 않으므로 계속 단락상태를 유지하게 된다.
상기 지연기(14)에서 설정된 지연시간이 지나면, 상기 지연기(14)는 입력받은 기준전압을 출력한다. 상기 지연기(14)에서 출력된 기준전압은 상기 스위치(13)의 제어전압으로 입력되어 상기 스위치(13)는 개방상태가 되고 정류회로의 출력단으로부터 입력되던 스위칭 제어 IC(11)의 전원전압을 차단된다. 상기 지연시간은 스위칭 제어 IC(11)의 초기 기동에 필요한 최소 시간으로 설정될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 스위칭 제어 IC(11)의 초기 기동에 필요한 전원전압을 제공하는데 있어 정상상태의 동작에 영향을 미치지 않도록 큰 값의 저항이나 캐패시터를 사용하지 않고 최단 시간의 설정이 가능한 지연기를 이용하므로 저항에 의한 전력소모를 줄이고 초기 기동에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
초기 기동이 완료되면, 정상상태 전원공급회로로부터 스위칭 제어 IC(11)로 전원전압이 제공된다. 도 1에 도시된 회로에서와 같이, 커플드 인덕터(16)로 구현된 정상상태 전원공급회로를 통해 부하측에 인가되는 전압의 일부로부터 유도전압을 생성하여 스위칭 제어 IC의 전원전압으로 제공할 수 있다. 이러한 커플드 인덕터(16)로 구현되는 정상상태 전원공급회로는 저항으로 구현되는 정상상태 전원공급회로에 비해 전력 소모를 감소시킬 수 있어 램프 구동회로의 전력 효율 개선에 유 리하다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로를 도시한 회로도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11: 스위칭 제어 IC 12: 정류회로
13: 스위치 14:지연기
15: 스위칭 트랜지스터
16: 정상상태 전원공급회로(커플드 인덕터)
17: 부하(LED)

Claims (7)

  1. 정류회로;
    전원전압 입력단을 가지며, 부하에 제공되는 전압을 스위칭 제어하는 스위칭 제어 IC; 및
    상기 정류회로의 출력단과 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단 사이에 구비되며, 초기 기동시 단락 상태이고 사전 설정 시간 이후 개방 상태가 되는 스위치
    를 포함하는 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류회로의 출력단과 상기 스위치 사이에 연결되는 저항; 및
    상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단과 접지 사이에 연결되는 캐패시터를 더 포함하는 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어 IC는 기준전압을 출력하는 기준전압 출력단을 포함하며, 상기 스위치는 제어전압이 인가되는 경우 단락 상태에서 개방 상태로 상태 전환을 하며,
    상기 기준전압 출력단으로부터 출력되는 기준전압을 입력받아 상기 사전 설정 시간 동안 지연 후 상기 스위치의 제어전압으로 제공하는 지연기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사전 설정 시간 이후, 상기 부하 측으로 제공되는 전압으로부터 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 전원전압을 제공하는 정상상태 전원공급회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 정상상태 전원공급회로는,
    상기 부하에 제공되는 전압을 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 직접 인가하는 도전라인 또는 상기 부하에 제공되는 전압을 전압 강하시켜 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 인가하는 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로.
  6. 제4항에 있어서, 상기 정상상태 전원공급회로는,
    상기 부하측으로 인가되는 전압의 적어도 일부를 이용하여 형성된 유도전압을 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 인가하는 커플드 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로.
  7. 제4항에 있어서, 상기 정상상태 전원공급회로는,
    상기 부하에 부하 전압을 제공하도록 마련된 트랜스포머의 1차 코일에 유도 결합되는 2차 보조 코일을 포함하며, 상기 2차 보조 코일에서 유도되는 전압을 상기 스위칭 제어 IC의 전원전압 입력단에 인가하는 것을 특징으로 하는 스위칭 제어 IC의 소비 전력을 감소시키는 램프 구동 회로.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102740549A (zh) * 2011-03-29 2012-10-17 半导体元件工业有限责任公司 Led调光电路
CN103354687A (zh) * 2013-07-25 2013-10-16 江苏昌泽电子有限公司 一种led灯驱动电路
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