KR20120003350A - Ｌｅｄ 차동 구동 장치 - Google Patents

Abstract

LED 구동에 있어서 전력 변환 효율의 증대 및 효율적인 LED 구동 방식을 갖기 위하여, LED 구동용 전압으로 전력 변환을 하는 트랜스포머와 이 트랜스포머를 구동하기 위한 스위칭부, 그리고 트랜스포머를 이용 LED 구동을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 LED 차동 구동 장치가 개시된다. LED 차동 구동 장치는 LED를 역 위상의 트랜스포머의 출력을 직접 입력하여 구동하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＥＤ 차동 구동 장치 {Differential driving device of the LED}

본 발명은 LED 구동용 전원 공급 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 트랜스포머의 역 위상의출력 이용하여 LED를 Differential(차동) 구동하는 LED 차동 구동 장치에 관한 것이다.

일반적으로 현재 널리 사용하고 있는 LED(Light Emitting Diode)는 저 소비전력, 장 수명, 고 휘도 등의 장점으로 기존의 광원을 대체하는 제품으로 각광받고 있다.

이에 기존의 LCD 백 라이트(Back-Light) 및 백열 전구를 비롯하여 형광등, 가로등, 보안등, 비상등, 스텐드, 신호등, 간판 등이 점차적으로 LED 광원으로 대체되고 있는 실정이다.

이러한 LED를 구동하기 위해서는 LED에 인가되는 전압이 문턱 전압(Threshold Voltage) 이상이면 LED에 전류가 흐르기 시작하여 빛이 발생하는데, 이를 위해 건전지 또는 배터리, 전원 공급 장치(Power Supply) 등이 채용되어 저전압 직류전원을 LED에 공급하고 있다.

이 중 LED 구동 방식에 있어서 전원 공급 장치(Power Supply)가 주로 채용된다. 상기 전원 공급 장치는 상용 교류 전원을 공급받아 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하고, 이를 다시 LED 구동용 전원으로 변환하여 LED에 공급한다. 이때, LED 구동용 전원은 외부로부터의 디밍(Dimming) 신호에 따라 공급 및 차단이 제어되며 이에 따라 LED의 휘도가 조절된다.

한편, 상술한 종래의 전원 공급 장치를 사용 LED를 구동 시, 상용 교류 전원을 사전에 설정된 직류 전원으로 변환하기 위해 교류 전원을 입력받는 1차 코일 및 1차 코일과 전자기 결합되어 권선비에 따라 전압을 변환하는 2차 코일을 갖는 트랜스포머(Transformer)를 사용하며 이 트랜스포머의 출력을 정류 및 직류(DC)화 하여, 이 DC 전압을 이용 LED를 구동하는 회로가 추가되는데, 이러한 방식은 전력 변환 효율이 낮아지고 회로가 복잡해 지는 문제가 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 의한 LED 구동 회로의 일예를 나타낸다.

도 1은 종래 기술에 의한 LED 구동 방식의 예시 도로, 전원공급장치(SMPS)의 DC출력의 변화 또는 정전류 출력을 이용하여 LED를 정전류로 구동하는 방식이다. 이는 가장 보편적인 방식으로 LED의 출력을 피드백받아 전원공급장치(SMPS)의 출력을 조절하여 LED를 구동한다.

그러나 이 방식은 적은 수의 LED를 구동하는데 유리하며, LED의 수가 많아 져, 이를 다수의 LED가 직렬로 연결된(LED 직렬 모듈 : 이하 모듈) 다수의 모듈을 병렬로 구동할 때 높은 전압에 의한 반도체 소자의 내압의 상승, 전기캡(ELEC-CAP)의 내압 및 용량 증가, 병렬 구동에서 각 모듈의 전류 밸런스를 위한 트랜지스터 등을 이용한 정전류 회로의 전력 소비량의 증가 등 많은 문제점이 발생하게 된다.

도 2 역시 종래 기술에 의한 LED 구동 방식의 예시 도로, 전우너공급장치(SMPS)의 DC 출력을 부스트(BOOST) 회로를 사용 높은 전압으로 승압하여 다수의 LED를 구동하는 방식이다.

이 방식에서는 다수의 LED 및 LED 모듈의 전류 밸런스를 부스트(BOOST) 회로를 사용하여 제어하게 된다. 그러나 이러한 종래의 기술은 DC 출력단의 전기캡(ELEC-CAP) 용량은 물론 후단에 부스트(BOOST)회로를 추가함으로써 회로가 복잡해지고, 효율적인 측면에서 문제가 발생한다.

본 발명이 해결하려는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, LED 구동을 위한 트랜스포머의 역 위상의 출력을 LED 양단에 연결하여 LED를 직접 구동하는 방식을 제공함으로써, 회로의 간소화 및 효율의 증대 효과는 물론 LED를 트랜스포머의 출력인 (+),(-)전압으로 Differential(차동) 구동함으로써 기존 대비 LED 양단의 전압은 같으나 트랜스포머의 출력전압을 1/2로 낮출 수 있는 LED 차동 구동 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구조는, AC 입력 부, AC 정류 부(DC화 포함), LED 구동 트랜스포머, SWITCHING 부, CONTROL 부를 포함한다.

본 발명의 실시예에서는 트랜스포머를 이용하여 LED를 직접 차동 구동함으로써, LED 구동 전원 공급 장치의 효율의 증대를 가져오며, DC 변환부의 전기캡(ELEC-CAP), 부스트 회로 등의 회로가 없으므로 회로가 간소화되며, LED를 차동 구동함으로써 트랜스포머의 권선 수를 1/2 수준으로 줄일 수 있으며, 출력 전압이 반감되어 절연 거리는 물론 정류 소자의 내압 역시 반감할 수 있다.

또한 트랜스포머의 출력단에 전기캡, 부스트 회로 등이 없이 LED를 직접 차동 구동하므로, 저 전압에서 고전압까지 다른 부가 회로를 쓰지 않고 LED 모듈의 전압에 맞추어 출력 전압을 설계할 수 있어 LED의 모듈의 수를 줄일 수 있으며, 다른 LED 구동 전원 회로에 비하여 낮은 트랜스포머의 출력 전압을 가지므로 절연거리의 감소는 물론 부품 내압을 감소키키고 신뢰성을 향상할 수 있다.

또한 제품의 수명에 가장 치명적인 연관이 있는 트랜스포머 2차 출력단의 전기캡을 제거함으로써 제품 수명의 증대를 가져 올 수 있다.

또한 트랜스포머의 차동 출력이 다이오드의 정류를 거쳐 직접 LED로 출력됨으로써, 제어부에서 LED 구동 전류를 주파수 및 듀티를 이용하여 가변하는것이 가능해진다.

또한 주파수 및 듀티의 가변에 의한 트랜스포머의 차동 출력 전압의 조절은, LED 모듈의 변화에 따른 트랜스포머의 출력 전압 및 출력 전류를 비교적 쉽게 변화 할 수 있는 장점이 있으므로 부하인 LED 모듈의 변화에도 출력을 비교적 자유롭게 조절하여 다양한 LED 모듈을 구동 할 수 있다.

도 1은 DC 출력 전압 또는 정전류 출력을 이용한 LED 구동의 예를 보인 도면이다.
도 2는 DC출력을 부스트 회로를 이용하여 승압한 LED 구동의 예를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 차동 구동 장치의 구성도이다.
도 4는 도 3의 각부 파형도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 차동 구동 장치의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 AC 입력 부(100), AC 정류부(200, DC 포함), 전력효율 교정부(900), 밸런스부(300), 스위칭부(400), 트랜스포머(500), 제어부(600), 합성부(700), LED부(800)를 포함한다.

도 3의 블록도에서 내부 회로구성요소들은 설명을 위한 개략적인 도시일뿐 실제 연결관계는 아닐 수 있으며, 다른 구성요소들이 추가로 연결될 수 있다.

LED부(800)는 다수의 LED(810, 820)를 포함하고 전류의 공급에 따라 발광을 한다.

제어부(600)는 상기 LED부(800)의 전류를 피드백받고 상기 LED부(800)에 공급되는 전류가 일정해지도록 제어한다. 그리고 각 LED에 공급되는 전류는 트랜스포머의 2차측에서 저항 등의 소자를 이용하여 제어부(600)로 피드백된다.

정류부(200)는 AC 교류 전원(100)을 입력받아 정류한다.

전력효율 교정부(900)는 상기 정류부(200)에서 정류된 전원을 상기 제어부(600)의 제어신호에 따라 전력효율을 조절하는데, 필요에 따라 생략될 수 있다.

밸런스부(300)는 권선비가 1:1인 1차 코일과 2차 코일을 갖으며, 각각의 1차 코일과 2차 코일은 전자기적으로 연결되어 있다. 상기 밸런스 코일의 1차 코일과 2차 코일은 각각 LED부(800)의 각 채널(810~820)과 직렬로 연결되어져 있으며, 하나의 코어에 전자기적으로 연결된 1차 코일과 2차 코일의 전류량은 코어의 자속이 같음으로 밸런스를 이루게 된다. 상기 밸런스 코일은 복수개가 가능하며, 밸런스 코일 및 밸런스 코일의 각각의 N개의 코일 권선은 N개의 LED 채널의 입력 또는 출력, 또는 양단 모두에 직렬로 각각 연결되어, 하나의 코어로서 전자기적으로 연결되어 밸런스 맞출수 있다.

스위칭부(400)는 상기 전력효율 교정부(900) 또는 정류부(200)(전력효율 교정부가 생략된 경우)의 출력 전원을 상기 제어부(600)의 제어신호에 따라 스위칭한다.

트랜스포머(500)는 상기 스위칭부(400)의 스위칭에 따라 인가되는 전원을 소정의 권선비에 따라 변환하여 양단으로 출력하는데, 도 4에 개략적인 일부 출력 파형이 도시되어 있다.

합성부(700)는 상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전류를 다이오드(D1~D4)를 이용하여 각각 정류하고, 합성하여 상기 LED를 직접 구동하게 된다.

상기 스위칭부(400)부는 하프브릿지(HALF-BRIDGE) 회로를 이용한 방식이며, 도 3에서와 같이 제어부(600)부의 제어로 1차 전압을 스위칭하는 스위칭부(400)부와 이를 변환하여 출력하는 트랜스포머(500)를 구비하고 트랜스포머(500)의 역 위상의 출력을 정류하여 (+)출력과 (-)의 출력을 얻어 LED를 차동 구동하게 된다.

상기 도 3에서 절연 트랜스포머의 역 위상의 2개의 출력단의 출력은 다이오드(D1~D4)로 정류되어, LED의 anode 단자에 (+)전원의 출력을 cathode 단자에 (-)전원의 출력을 각각 연결하여, LED가 구동 될 수 있도록 전위차를 만들어 LED를 구동하게 된다.

이는 트랜스포머의 역 위상의 출력을 각각 (+),(-) 전원으로 분리하여 LED의 양단에 연결함으로써, 트랜스포머의 출력 전압만으로 전기캡(ELEC-CAP), 부스트 회로 등을 이용하지 않고 직접 LED를 구동하는 것은 물론, 역 위상의 (+),(-) 전압을 이용 LED를 구동함으로써 LED의 전위차는 유지하되 출력 전압을 낮출 수 있는 특징을 보여준다.

또한 상기 도3에서 LED 차동 구동 시 기존의 구동에서처럼 LED의 Cathode가 GND와 연결되지 않고 (-)의 극성을 갖기 때문에, LED의 출력 전류의 피드백 신호(FEEDBACK)는 트랜스포머의 2차 출력 권선부의 권선이 GND와 연결된 Node에 저항(R1, R2) 등의 전류 센싱 부하를 이용하여 제어부(600)가 수신하게 된다.

절연을 위해 PULSE TRANS를 제어부(600)와 스위칭부(500) 사이에 설치할 수도 있다.

이러한 LED 차동 구동 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참조하면, AC 전원은 AC 입력부(100)에서 입력되고, AC 정류부(200)를 통해 직류로 변환되며, 전력효율 교정부(900)에 의해 전력 효율이 조어되어 출력된다. 그리고 나서, 스위칭부(400)는 하프(HALF) or 풀브릿지(FULL BRIDGE)를 이용한 스위칭방식으로 스위칭을 하며, 제어부(600)의 주파수제어 또는 듀티제어로 출력 전압을 스위칭한다.

그리고 필요에 따라 제어부(600)는 주파수제어와 듀티제어를 병행하여 원하는 출력전압을 얻을 수 있다.

그리고 나서, 스위칭부(400)의 출력전압은 LED 구동하기 위한 절연 트랜스포머(500)를 통해 소정의 권선비에 따라 유도전류를 생성하게 된다. 여기서, 도 4를 참조하면, 스위칭부(400)의 출력신호(SWITCHING SIGNAL1, SWITCHING SIGNAL2)에 따라 절연 트랜스포머(500)의 양단으로 스위칭 신호가 출력되고, 2개의 출력은 각각 합성부(700)의 다이오드(D1~D4)에 의해 정류된후 (+)전원은 (+) 전원(D1, D4)끼리 합성되고, (-)전원은 (-) 전원(D2, D3)끼리 합성되고, 의 신호의 신호로 합성되어(LED INPUT VOLT, LED INPUT CURRENT) 밸런스부(300)를 통해 LED부(800)의 LED(810, 820)를 구동한다.

한편, 밸런스부(300)는 출력신호를 병렬로 LED부(800)의 각 채널(810~820)로 공급하되, 1차코일과 2차 코일의 유도 작용에 의해 밸런스를 맞추게 된다.

본 발명의 실시예에서는 트랜스포머(500)의 출력 전압으로 직접 LED부(800)를 직접 구동하게 되며, 종래와 같이 전기캡이나 부스트 회로 등을 거치지 않고 직접 LED를 구동하게 된다. 따라서 회로가 간소화 될 수 있다.

상기 제어부(600)부는 LED부(800)의 출력량을 피드백(FEEDBACK)받아 스위칭부(400)부를 구동하여 트랜스포머(500)의 출력을 조정함으로써 LED부(800)를 구동한다.

상기 제어부(600)는 상기 LED부(800)의 출력 전류를 피드백받는데, 상기 트랜스포머(500)의 2차측 권선과 GND 노드 상이의 전류를 피드백 받거나 또는 상기 LED부의 발광소자와 GND 노드 사이에 전류 센싱 코일, 포토커플러 또는 저항 등의 전류 센싱 소자를 이용하여 전류를 피드백받을 수 있다.

상기 LED 출력량은 제어부(600)의 제어를 받지 않을 시, AC 전원이 정류된 파형에 따라 AC의 주파수를 따라 리플을 갖고 출력을 하게 된다.

상기 도 4의 출력 파형에서 정류 다이오드(D1~D4)를 이용 트랜스포머의 출력의 (+)는 LED(810, 820)의 anode로, 출력의 (-)는 LED(810, 820)의 cathode로 공급하여, LED를 구동하는 것을 보여준다.

상기 도 4는 도3의 출력 파형의 예시도일 뿐, 위 도 3에서 언급한 바와 같이 회로의 추가에 의하여 파형은 DC를 포함한 맥류 등으로 변화가 있을 수 있음은 자명하다.

상기 제어부(600)는 LED의 동작 상태를 ㅍ피ED드백 받아 트랜스포머의 1차 코일의 스위칭 신호의 주파수 또는 듀티로 제어하거나 주파수와 듀티를 병행하여 LED 출력 전류를 제어할 수 있다.

또한 상기 LED Differential(차동) 구동의 CONTROL 부는, 위의 트랜스포머의 1차 코일의 SWITCHING FREQUENCY OR DUTY를 조절하여 1차 전원의 변동에 따른 LED 전류를 조정함으로써 역률의 개선(PFC) 효과를 가져 올 수 있는 기능을 갖출 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 LED Differential(차동) 구동의 SWITCHING 부는 역상의 출력을 낼 수 있는 각종(Half OR Full Bridge, Push-pull 등) TOPOLOGY를 사용하여 1차 전원을 SWITCHING 하며, 이를 LED 구동을 위한 트랜스포머의 1차 코일에 전달하는 것을 특징으로 한다.

상기 LED 차동 구동의 트랜스포머 및 이의 출력은 스위칭부(400)에 의한 트랜스포머 1차 코일의 스위칭에 의하여 2차 코일로 에너지를 전달하며, 이 트랜스포머 1차 코일의 스위칭에 따른 출력을 LED를 구동하기 위해 정류 회로에서 (+)출력과 (-)출력으로 분할하여 LED의 양단에 연결함으로써, LED를 차동 구동하는 것을 특징으로 한다.

상기 LED 차동 구동에서 트랜스포머의 (+)출력과 (-)출력의 전압 차 및 역 위상을 이용한 LED 구동은, 기존 구동 방식과 비교하여 LED의 양단간의 전압의 차는 같으나 트랜스포머의 출력 전압은 1/2로 감소시킬 수 있다.

또한 상기 LED 구동 전원 공급 장치의 트랜스포머 및 출력은 LED 구동에 있어서, LED와의 사이에 트랜스포머 출력의 Vpeak 감소 회로나, 전류 밸런스 회로, 인덕터를 이용한 맥류화 등의 부가 회로 외에 기존의 구동 방식과 같이 ELEC-CAP, BOOST 회로 등 DC 평활 회로나 부가의 승압 회로가 없이 LED를 직접 구동할 수 있다.

상기 도 3은 대표적인 본 발명의 LED 구동의 예시도일뿐, 스위칭부의 ㅌ토폴로지(TOPOLOGY)나, 제어부의 제어 방식은 위에 말한 바와 같이 변경될 수 있으며, 입력 전압 역시 AC입력은 물론 DC입력의 LED 구동에서도 가능하며, 출력의 안정성을 위하여 공진 CAP, 전류 밸런스 회로, 광효율을 위한 인덕터를 갖는 코일 또는 트랜스포머의 Vpeak 감소를 위한 부가 회로가 추가될 수 있으며, 회로의 추가로 출력 파형의 변화가 있을 수 있음은 자명하다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

1. 적어도 하나의 발광소자를 포함하는 LED부;
   교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부;
   상기 정류된 전원을 외부의 제어신호에 따라 스위칭하는 스위칭부;
   상기 스위칭부의 스위칭에 따라 인가되는 전원을 소정의 권선비에 따라 변환하여 양단으로 출력하는 트랜스포머;
   상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전류를 정류하고 합성하여 상기 LED를 구동하는 합성부;
   상기 LED부의 전류를 피드백받고 상기 LED부에 공급되는 전류가 일정해지도록 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 합성부는 상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전력을 각각 정류하며, (+) 성분은 상기 LED부의 발광소자의 애노드로 공급하고, (-) 성분은 상기 LED부의 발광소자의 캐소드로 각각 공급하는 LED 차동 구동 장치.
2. 적어도 하나의 발광소자를 포함하는 LED부;
   교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부;
   상기 정류부의 정류된 전원의 전력효율을 조정하는 전력효율 조정부;
   상기 전력효율 조정부의 출력 전원을 외부의 제어신호에 따라 스위칭하는 스위칭부;
   상기 스위칭부의 스위칭에 따라 인가되는 전원을 소정의 권선비에 따라 변환하여 양단으로 출력하는 트랜스포머;
   상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전류를 정류하고 합성하여 상기 LED를 구동하는 합성부;
   상기 LED부의 전류를 피드백받고 상기 LED부에 공급되는 전류가 일정해지도록 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 합성부는 상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전력을 각각 정류하며, (+) 성분은 상기 LED부의 발광소자의 애노드로 공급하고, (-) 성분은 상기 LED부의 발광소자의 캐소드로 각각 공급하는 LED 차동 구동 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 합성부는,
   상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전력을 각각 정류하여 (+) 성분을 추출하는 제1, 제2 다이오드;
   상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전력을 각각 정류하여 (-) 성분을 추출하는 제3, 제4 다이오드를 포함하며,
   상기 제1, 제2 다이오드의 출력 및 제3, 제4 다이오드의 출력은 각각 합성되어 상기 LED부의 발광소자의 애노드 및 캐소드로 공급되는 LED 차동 구동 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 LED부의 출력전류를 피드백받아 상기 LED의 전류가 일정해지도록 공진 곡선 상에서 스위칭신호의 주파수를 변환하면서 듀티비를 조절하는 것을 특징으로 하는 LED 차동 구동 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 LED부의 출력전류를 피드백받아 상기 LED의 전류가 일정해지도록 공진 곡선 상에서 스위칭신호의 듀티비를 변환하는 것을 특징으로 하는 LED 차동 구동 장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 LED부의 출력전류를 피드백받아 상기 LED의 전류가 일정해지도록 공진 곡선 상에서 스위칭 신호의 주파수 및 듀티비를 변환하는 것을 특징으로 하는 LED 차동 구동 장치.
7. 제3항에 있어서,
   상기 (+)전원 및 (-)전원은 상기 LED부의 발광소자의 애노드 및 캐소드에 ㄱ각각 연결되며, 발광소자 양단의 전압차에 의하여 차동 구동하는 것을 특징으로 하는 LED 차동 구동 장치.
8. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 LED부의 출력 전류를 피드백받는데, 상기 트랜스포머의 2차측 권선과 GND 노드 상이의 전류를 피드백 받거나 또는 상기 LED부의 발광소자와 GND 노드 사이에 전류 센싱 코일, 포토커플러 또는 저항 등의 전류 센싱 소자를 이용하여 전류를 피드백받는 것을 특징으로 하는 LED 차동 구동 장치.
   

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