KR20110117630A

KR20110117630A - 조명 ｌｅｄ 시스템과 같은 광원용 전력 공급 회로

Info

Publication number: KR20110117630A
Application number: KR1020110037268A
Authority: KR
Inventors: 페데리코 카라로; 파올로 드 안나; 미첼레 메네가찌
Original assignee: 오스람 아게
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2011-10-27
Also published as: US20110260640A1; CN102238782A; EP2384091A1; KR101228425B1

Abstract

예를 들어 조명 LED 시스템과 같은 광원(S)용 전력 공급 회로(20)로서, 접지 라인(22)과 광원(S)으로의 전류 피드 라인(24)을 포함한다. 회로는 동일한 피드 라인(24)에 결합되는 전자 스위치(30)와 함께 전류 피드 라인(24) 사이에 삽입되는 출력 인덕터(L)를 포함한다. 스위치(30)는 상기 전류 피드 라인(24)의 연속성이 보장되는 ON 상태와 전류 피드 라인(24)이 차단되는 OFF 상태 사이에서 전환가능하다. 회로는 인덕터에 걸리는 전압을 정류하기 위해 출력 인덕터(L)에 연결된 정류기 세트(D1, R1, C1)를 포함한다. 정류기 세트(D1, R1, C1)에 의해 발생한 전압은 상기 ON상태에서 스위치(30)가 유지되도록 한다. 바람직하게는, 커패시터(C1)에 걸리는 전압은 결합 저항(R2)과 제한된 제너 다이오드(Z1)를 통해 스위치(30)의 제어 전극(302, G)에 가해진다.

Description

조명 ＬＥＤ 시스템과 같은 광원용 전력 공급 회로{POWER SUPPLY CIRCUIT FOR LIGHT SOURCES, SUCH AS LIGHTING LED SYSTEMS}

본 발명은 광원을 공급하기 위한 회로에 관한 것이다.

본 발명은 조명 LED 시스템의 공급과 관련하여 그 가능한 응용에 대한 특별히 주목하여 개발되었다.

도 1의 블록 다이어그램은 일반적으로 광원(S), 예를 들면 조명 LED 시스템에 전력을 공급하는데 사용되는 해결책을 도시한다.

구체적으로, 도 1은 광원(S)(하나 이상의 LED들을 포함함) 옆으로, 보드 모듈(10) 위에 설치된 제어 논리 회로(12)를 갖는 "지능형" 모듈(10)을 포함하는 조명 LED 시스템을 나타낸다.

따라서, 개괄적으로 20으로 표시된, 관련된 전력 공급 회로는 광원(S)의 LED들을 위한 공급 전류(I_out)뿐만 아니라 논리 회로(12)를 위한 공급 전압(+AUX)도 LED 모듈(10)로 전달되도록 하는 방식으로 설계된다.

도 1에 도시된 실시예에서, 이것은 접지 터미널(22)에 부가하여, 전류(I_out) 피드(feed) 터미널/라인(24), 및 전압(+AUX) 피드 터미널/라인이 제공됨으로써 구현된다. 전력 공급 회로(20)는 스위치 모드 컨버터일 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, LED 모듈(10)과 전력 공급 회로(20)는 아날로그 또는 디지털 버스에 의해 통신할 수 있다.

도 1에 도시된 "전류-구동된(current-driven)" 모듈(10)에서 전력 공급 회로(20)의 출력 전압은 부하의 동작 조건들에 따라 0V에서 최대 허용 전압까지의 범위의 값들에 도달할 수 있다. 따라서, 전력 공급 회로의 전력 출력(즉, 도 1에 도시된 실시예의 터미널/라인(24))은 모듈(10)로부터의 연결이 끊어질 수 있으며, 다시 말해, 활성 스위치(예를 들어, 전력 MOSFET과 같은 전자 솔리드-스테이트 스위치(electronic solid-state switch)에 의해 스위치 오프될 수 있는 것은 유용하다(또는 안전 기준과 고장-안전 조건(fail safe requirements)을 지키기 위해 심지어강제적이다).

이러한 요구를 충족시키기 위해 접지 라인(22)에 상기 스위치를 삽입하는 것이 가능하다.

이러한 해결책은 접지 라인(22)이 차단될 때, 논리 회로(12)의 원하지 않는 역 극성화(inverse polarisation)가 발생하는 문제점을 갖는다. 게다가, 이러한 설계에서는 라인(22)을 통해 논리 모듈(12)로 에너지가 전달되는 동안 광원(S)의 LED들로의 전력 공급을 차단할 수 없다.

대안으로서, 상기 스위치를 라인(24)으로 이동시켜 바로 그 라인에 삽입할 수 있으며, 그 결과 스위치는 전력 피드 라인의 연속성을 보장하는 ON상태(전도상태)와 스위치가 이러한 전력 피드 라인을 차단하는 OFF상태(비전도상태) 사이에서 전환될 수 있다.

이것은, 상술한 바와 같이, 전력 MOSFET으로 구성될 수 있는 스위치를 공급하기 위해 전력 공급 회로(20)의 하이(high)-측 상의 보조 전압의 존재를 필요로 한다.

원칙적으로, 이 보조 전압은 스위치 모드 타입의 전력 공급 회로(20)에 구비되는 전력 변압기 상에서 추가적인 보조 권선(winding)을 통해 발생될 수 있다. 그러나, 이러한 해결책은 회로(20)의 모든 토폴로지(topology)들에 실행가능하지 않다(예를 들면, 그것은 벅 컨버터(buck converter)에 적용가능하지 않을 것이다).

다른 이론적으로 가능한 해결책은 PMOS 스위치들을 사용하는 것이다. 그러나, 특히 높은 동작 전압(80V이상)에서, 이러한 구성요소들은 NMOS 구성요소들에 비하여 매우 비싼 것으로 드러났다. 결과적으로, 이러한 해결책은 비용이 중요한 역할을 하는 그러한 모든 애플리케이션들에 적합한 것은 아니다.

본 발명의 목적은 앞서 기술된 문제점들을 극복할 수 있는 해결책들을 제시하는 것이다.

본 발명에 의하면 이러한 목적은 이하의 청구항들에서 특정하여 기술되는 특징들을 갖는 장치를 통해 달성된다. 청구항들은 여기서 제공되는 본 발명의 기술적 사상의 필수적인 부분이다.

다양한 실시예에 있어서, 전자 스위치를 구동하기 위해 하이-측의 전압을 형성하는 것의 문제는, 벅(스텝 다운(step-down)) 컨버터, 하프-브리지(half-bridge), 싱글 스위치 포워드 컨버터(Single Switch Forward Converter) 및 이러한 기본 토폴로지들로부터 가능한 모든 파생물들과 같은, 절연되든 절연되지 않든 모든 "포워드-형(forward-like)" 토폴로지들에 적용가능한 기준들에 따라 해결된다.

다양한 실시예에 있어서, 이러한 결과는 소수개의 저비용인 구성요소들을 사용하여, 그리고, 예를 들면, 컨버터 내의 변압기의 추가적인 와인딩을 제공할 필요가 없이 단순한 회로에 의해 달성된다.

이하에 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 제한되지 않는 예의 방식으로 기술될 것이다.
도 1은 이미 앞에서 기술되었다.
도 2는 일 실시예의 블록 다이어그램이다.

이하의 기술에서는 실시예의 충분한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 주어진다. 실시예는 하나 이상의 구체적인 세부사항 없이, 또는 다른 방법, 구성요소, 재료 등과 함께 실시될 수 있다. 다른 예에서는, 공지된 구조, 재료 또는 동작은 실시예의 양상들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 도시되지 않거나 기술되지 않는다.

본 명세서에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 기술되는 특징, 구조 및 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 여러 곳에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 어구는 반드시 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다. 게다가, 특정한 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.

여기서 제공되는 제목은 단지 편의를 위한 것이고 실시예의 범위 또는 의미를 설명하지 않는다.

도 2에서, 도 1을 참조하여 이미 기술된 부품들, 요소들 또는 구성요소들과 일한 또는 동등한 부품들, 요소들, 또는 구성요소들은 동일한 참조 번호에 의해 표시된다; 따라서, 그에 대한 기술은 이하에서 반복되지 않을 것이다.

도 2는, LED 모듈(10)(또는 유사한 광원)에 공급 전류(I_out)를 공급하도록 적용된, 도 1을 참조하여 기술된 바와 같은 회로 내 전력 피드 라인(24)에 회로, 예를 들어 NMOS 전력 트랜지스터로 구성된 전자 스위치(30)가 삽입된 실시예를 나타낸다.

실시예의 이해와 구현에 중요하지 않기 때문에, 도 1에 도시된 터미널/라인(26)은 도 2에서 명확하게 도시되지 않는다. 그러나, 다양한 실시예에 있어서, 터미널/라인(26)은 존재할 수 있다.

다양한 실시예는, 스위치(30)에 직렬로 연결되어, 라인(24) 사이에 삽입되는 것으로 간주될 수 있는 출력 인덕터(L)의 제공을 기초로 한다(앞서 언급된 모든 포워드 구동된 토폴로지들의 경우). 참조번호 302는 전자 스위치(30)의 관련 제어 터미널(예를 들어, NMOS 트랜지스터의 게이트(G))을 명확하게 나타낸다.

도 2에 도시된 실시예는, 한 세트, 애노드(anode)를 통해 터미널/라인(24)(즉, 전력 공급 회로(20)의 양의 출력(positive output))에 연결되는 다이오드(D1), 저항(R1) 및 커패시터(C1)를 포함하는 회로에 의해 정류되는 출력 인덕터(L)에 걸리는 전압을 갖는다.

이러한 방법으로 커패시터(C1)에 걸리는 "하이" 공급 전압이 발생한다. 이 전압은 결합 저항(R2)과, 게이트(G)와 소스(S) 사이에 가해지는 최대 전압을 제한하는 제너 다이오드(Z1)를 통해 NMOS 트랜지스터(30)의 게이트(G)와 소스(S) 사이에 가해진다.

게다가, 다양한 실시예에서 게이트(G)(즉, 스위치(30)의 제어 터미널)와 접지 라인(20) 사이에서 작동하는 추가 전자 스위치(T1)(예를 들어, 바이폴라(bipolar) 또는 MOS, 바람직하게는 NMOS 트랜지스터)가 제공될 수 있다. 이에 따라 이러한 배치는 스위치(T1)가 닫혔을 때(전도상태), 스위치(30)의 게이트 또는 제어 터미널은 접지 터미널(20)에 연결되도록 한다.

추가 스위치(T1)의 제어터미널(바이폴라 트랜지스터의 베이스 또는 MOS 트랜지스터의 게이트)은 실질적으로 전력 스위치(30)를 스위치 온(전도상태로 전환) 또는 오프(비전도상태로 전환)하는 것이 가능한(설명과 특별히 관련되지 않은 알려진 기준들에 따라 발생되는 외부 명령을 통해) 터미널을 나타낸다.

도 2에 도시된 실시예는 정류기 세트(D1, R1, C1)가 인덕터(L)에 걸리는 전압의 정류된 버전을 발생시킨다는 사실에 기초한다.

이러한 정류된 전압은 밸러스트(ballast) 되도록 커패시터(C1)를 충전하고, 스위치(30)의 제어 전극(게이트)을 구동하는 데 사용된다.

정상의 작동 중에는, 커패시터(C1)는 모듈(10)의 LED들(광원(S))을 통해 흐르는 전류로 충전되고, 커패시터(C1)에 걸리는 그리고 제너 다이오드(Z1)에 걸리는 전압은 전자 스위치(30)의 게이트/소스 전압을 하이레벨로 유지하고, 따라서 전자 스위치(30)는 닫힌 상태로 유지된다.

만약 라인(24)의 연결이 끊어져야 한다면(예를 들어, 부하(S)가 제거되면), 트랜지스터(T1)가 닫혀 그 결과 스위치(30)의 게이트(G)가 접지되고, 라인(24)이 차단된다.

이러한 조건들에서는, 커패시터(C1)는 저항(R1) 맞은편 커패시터(C1)의 터미널과 접지 라인(22) 사이에 연결된 추가 저항(R3)을 통해 충전된 상태를 유지할 수 있다(심지어 부하(S)가 없는 경우에도).

라인(24)을 "재접속"시키기 위해서(예를 들어, 부하(S)가 다시 연결되면), 트랜지스터(T1)는 열리고 커패시터(C1)에 걸리는 전압은 스위치(30)의 라인이 부하에 라인(24)을 연결시키고 전도하게 만드는 방식으로 제너(Z1)를 통해 스위치(30)의 게이트와 소스(G-S) 사이에 다시 가해진다.

이에 따라, 다양한 실시예들은, 도 1의 논리 회로(12)의 목적하는 전력 공급 상태를 유지하도록 하는 접지 라인(22)의 물리적 연결에 영향을 주지 않고, 부하(S)를 연결하거나 연결을 끊도록 하이-측 전자 스위치(high-side electronic switch)를 사용하게 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 여러 실시예는 회로(20)의 변압기(만약 존재한다면)의 보조 권선을 필요로 하지 않는 단순한 회로를 기초로 한다.

게다가, 예상된 해결책은, 특히 PMOS 컴포넌트들의 가능한 사용에 비하여 일반적으로 매우 경제적이다.

물론, 본 발명의 근본적인 원리에 대한 편견 없이, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고, 세부사항과 실시예는 일례를 통해 기술된 바에 대하여 변화될 수 있고, 심지어 상당히 변화될 수 있다.

10 : LED 모듈 12 : 논리 회로
20 : 전력 공급 회로 22 : 접지 라인
24 : 전류 피드 라인 26 : 터미널/라인
30 : 스위치 302 : 제어 전극
C1 : 커패시터 D1 : 다이오드
G : 제어 전극 L : 출력 인덕터
R1 : 저항 R2 : 결합 저항
R3 : 추가 저항 S : 광원
T1 : 추가 전자 스위치 Z1 : 제너 다이오드

Claims

광원(S)용 전력 공급 회로로서,
상기 전력 공급 회로는 접지 라인(22)과 상기 광원(S)으로의 전류(I_out) 피드 라인(24)을 포함하고, 상기 회로는 상기 전류 피드 라인(24)에 삽입되는 출력 인덕터(L)를 포함하고, 상기 회로는 상기 피드 라인(24)에 삽입되는 전자 스위치(30)를 포함하며 상기 전자 스위치(30)는 상기 전자 스위치(30)가 상기 피드 라인(24)의 연속성을 보장하는 ON 상태와 상기 전자 스위치(30)가 상기 전류 피드 라인(24)을 차단하는 OFF 상태 사이에서 전환가능하고, 상기 회로는 상기 출력 인덕터(L)에 걸리는 전압을 정류하기 위해 상기 출력 인덕터(L)와 상기 전자 스위치(30) 사이에 삽입되는 정류기 세트(D1, R1, C1)를 더 포함하고, 상기 정류기 세트(D1, R1, C1)에 의해 발생하는 상기 전압은 상기 ON 상태에서 상기 전자 스위치(30)를 유지하기 위한 구동 전압을 구성하는,
광원용 전력 공급 회로.
제 1 항에 있어서,
상기 정류기 세트(D1, R1, C1)는 상기 전자 스위치(30)의 제어 전극(302, G)을 구동하는 충전 전압을 갖는 커패시터(C1)를 포함하는,
광원용 전력 공급 회로.
제 2 항에 있어서,
상기 커패시터(C1)로부터 상기 전자 스위치(30)의 상기 제어 전극(302, G)에 가해지는 전압을 제한하기 위해 제너 다이오드(Z1)가 상기 커패시터(C1)에 연결되는,
광원용 전력 공급 회로.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 전자 스위치(30)의 상기 제어 전극(302, G)에 상기 커패시터(C1)의 상기 전압을 인가하기 위한 결합 저항(R2)을 포함하는,
광원용 전력 공급 회로.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 커패시터(C1)와 연결된, 상기 커패시터(C1)와 상기 접지 라인(22) 사이에 삽입되는 추가 저항(R3)을 더 포함하고, 상기 추가 저항(R3)은 상기 전류 피드 라인(24)이 차단될 때 상기 커패시터(C1)의 로딩을 허용하는,
광원용 전력 공급 회로.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 스위치(30)는 NMOS 트랜지스터인,
광원용 전력 공급 회로.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 접지 라인(22) 또는 상기 전자 스위치(30)의 상기 제어 전극(302, G)에 선택적으로 연결하기 위한 추가 전자 스위치(T1)를 포함하는,
광원용 전력 공급 회로.
제 7 항에 있어서,
상기 추가 전자 스위치(T1)는 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)와 MOS 트랜지스터 중에서 선택되는,
광원용 전력 공급 회로.
제 4 항에 있어서,
상기 커패시터(C1)와 연결된, 상기 커패시터(C1)와 상기 접지 라인(22) 사이에 삽입되는 추가 저항(R3)을 더 포함하고, 상기 추가 저항(R3)은 상기 전류 피드 라인(24)이 차단될 때 상기 커패시터(C1)의 로딩을 허용하는,
광원용 전력 공급 회로.