KR20120031215A - 조명용 ｌｅｄ 구동 장치 - Google Patents

Abstract

정류된 전압의 전력효율을 조절하는 전력효율 교정부, 상기 전력효율 교정부의 출력을 트랜스포머로 스위칭하는 스위칭부 및 상기 트랜스포머의 양단 출력을 정류한후 합성하여 구형파 형태의 신호로 적어도 하나의 LED를 구동하는 조명용 LED 구동 장치가 개시된다.

Description

조명용 ＬＥＤ 구동 장치{LED driving device for lighting}

본 발명은 조명용 LED에 관한 것으로 특히, 조명용 LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위한 장치에 관한 것이다.

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

이에 기존의 백열 전구를 비롯하여 형광등, 가로등, 보안등, 비상등, 스텐드, 신호등, 간판(이하 조명용) 등이 점차적으로 LED 광원으로 대체되고 있는 실정이다.

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

조명용 LED 역시 상술한 저전압 직류 전원을 공급하는 장치로는 전원 공급 장치가 주로 채용된다.

상기 전원 공급 장치는 상용 교류 전원을 공급받아 사전에 설정된 직류 전원 으로 변환하고, 이를 다시 조명용 LED 구동용 전원으로 변환하여 조명용 LED에 공급한다.

이때, 조명용 LED 구동용 전원은 외부로부터의 디밍(Dimming) 신호에 따라 공급 및 차단이 제어되며 이에 따라 조명용 LED의 휘도가 조절된다.

한편, 상술한 종래의 전원 공급 장치를 사용 조명용 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 출력인 DC 전압을 이용 조명용 LED를 구동하는 회로가 추가 되는데, 이러한 방식은 전력 변환 효율이 낮아지고 회로가 복잡해 지는 문제가 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 의한 조명용 LED 구동의 제어 방식을 나타낸다.

도 1은 종래 기술에 의한 조명용 LED 구동 방식의 예시 도로, 전원공급장치(SMPS)의 직류 출력을 정전류 방식으로 제어하여 LED를 구동하는 방식이다.

도 1에 도시된 방식은 가장 보편적인 방식으로 LED의 출력을 피드백 받아 전원공급장치의 2차 출력 전류를 조절하여 LED를 구동한다.

이 방식은 적은 수의 LED를 구동하는데 유리하다.

LED의 수가 많아지면, 다수의 LED가 직렬로 연결(이하 CHANNEL)된 여러 채널(CHANNEL)을 병렬로 연결하여 구동해야 하는데, 이 경우에 LED 채널에 트랜지스터 등을 이용한 정전류 회로를 추가하여 구동하여야 한다.

그러나 이러한 방법은 높은 전압에 의한 반도체 소자의 내압의 상승, 전기캡(ELEC- CAP)의 내압 및 용량 증가, 병렬 구동에서 각 채널의 전류 밸런스를 위한 정전류 회로 추가 등을 하여야하므로 회로가 복잡해지고, 전력 소비량의 증가 등 많은 문제점이 발생하게 된다.

또한, 도 2는 전원공급장치(SMPS)의 DC 출력을 BOOST 회로를 이용 승압하여 다수의 LED 채널(CHANNEL)을 구동하는 방식이다.

이 방식은 높은 전압을 이용하여 LED 채널을 구동함으로써 채널수를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

이 방법은 BOOST 회로를 추가하여 전압을 상승시킨 후, LED 채널 후단에 트랜지스터 등을 이용한 정전류 회로를 추가하여 구동하여야 한다.

따라서, 이러한 방법도 도1과 마찬가지로 높은 전압에 의한 반도체 소자의 내압의 상승, 전지캡의 내압 및 용량 증가, 병렬 구동에서 각 CHANNEL의 전류 밸런스를 위한 정전류 회로 추가 등으로 인해 회로가 복잡해지고, 전력 소비량의 증가 등 많은 문제점이 발생하게 된다.

이와 같이. 도 1 또는 도 2에서와 같이 종래에는 높은 전압 또는 다수의 채널을 구동 시, 지금까지의 방식에서는 회로의 복잡성과 효율의 문제가 발생하게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로 1차 전원을 이용하여 2차 전원단의 LED를 직접 구동하는 방식의 LED 구동 장치를 제공함으로써, 회로를 간소화하고 효율을 증대시키는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 LED 구동 장치는,

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 포함한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 LED 구동 장치는,

적어도 하나의 발광소자를 포함하는 LED부;

상기 LED부의 전류를 피드백받고 상기 LED부에 공급되는 전류가 일정해지도록 제어하는 제어부;

교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부;

상기 정류부에서 정류된 전원을 상기 제어부의 제어신호에 따라 전력효율을 조절하는 전력효율 교정부,

상기 전력효율 교정부의 출력 전원을 상기 제어부의 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 합성부를 포함한다.

상기 스위칭부는 각종(Half OR Full Bridge, Push-pull 등) 토폴로지를 사용하여 1차 전원을 스위칭하고, 스위칭된 전원을 LED 구동을 위한 트랜스포머의 1차 코일에 전달한다.

상기 트랜스포머의 출력은 스위칭부의 출력인 1차 코일측의 전원 공급 파형에 따라 2차 코일에서 출력을 내며, 이를 LED를 구동하기 위해 정류 회로에서 +전원으로 정류하고, 1차 코일에 공급되는 상기 스위칭부의 스위칭 파형에 따라 출력이 변화되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 트랜스포머의 출력은 LED와의 사이에 Vpeak 감소 회로나, 전류 밸런스 회로 등은 부가될 수 있으나, 기존의 전기캡, 부스트 회로 등 DC 평활 회로를 생략한 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 LED부의 출력 전류를 피드백 받아 트랜스포머 1차측의 스위칭부를 제어함으로써 LED를 직접구동하는 트랜스포머의 2차 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서는, 1차 PFC 출력 전압을 제어함으로써 절연 트랜스포머를 이용하여 LED를 직접 구동하는 구동 장치를 제공함으로써, 직류(DC) 변환을 하지 않으므로 효율의 증대를 가져올 수 있다.

또한, 직류 변환부의 전기캡(ELEC-CAP)이 필요없고, 부스트(BOOST) 회로(IC, IC 주변회로, BOOST를 위한 Inductor, ELEC-CAP, FET, DIODE 등) 등의 회로가 필요 없으므로 구동 장치가 간소화 될 수 있다.

또한, LED 직접 구동을 위한 제어 집적회로를 제공함으로써, 트랜스포머의 출력 단에 전기캡, 부스트 회로 등이 없이 LED를 구동하므로 저 전압에서 고전압까지 LED 채널의 전압에 맞추어 출력 전압을 설계할 수 있어, LED의 채널수를 줄일 수 있다.

또한, LED DIRECT 구동을 위한 제어 IC에 의한 트랜스포머의 출력은 다이오드의 정류를 거쳐 직접 LED부로 출력됨으로써, 제어부에서 LED 구동 전류를 주파수의 듀티를 이용 가변이 가능해 지며, 공진형의 경우 주파수의 변환으로도 LED 구동 전류의 변환이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한 필요에 따라 LED 구동 장치는 LED의 전류량에 따라 전력효율 교정부를 어함으로써, 전력효율 교정부의 출력을 LED 구동을 위한 부스트회로로 쓸 수 있는 가변성을 갖는다.

이러한 제어부의 제공으로 인해 효율 개선 및 회로의 간소화를 위해 각종 스위칭 토팔로지(SWITCHING TOPOLOGY, Half OR Full Bridge, Push-pull, Flyback, Forward 등)로 구동하는 절연 트랜스포머를 이용한 LED의 직접 구동이 가능하게 된다.

또한, 출력을 제어부 주파수, 듀티, PFC 전압 변화 등을 이용하여 다양하게 설계 할 수 있음으로 설계가 용이해지는 이점이 있다.

도 1 또는 도 2는 종래의 조명용 LED 구동 방식을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조명용 LED 구동 방식을 나타낸 블록도이다.
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 조명용 LED 구동 장치의 구성도이다.

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

도 3의 블록도에서 내부 회로구성요소들은 설명을 위한 개략적인 도시일뿐 실제 연결관계는 아니며, 다른 구성요소들이 추가로 연결되며, 해당 블록의 내부 구성은 이 분야에서 잘 알려져 있으므로 상세 구성은 도시하지 않았다.

LED부(800)는 다수의 LED(810, 820)를 포함하고 전류의 공급에 따라 발광을 한다. 그리고 각 LED에 공급되는 전류는 트랜지스터, 저항 등(도면 미도시)의 소자를 이용하여 제어부(600)로 피드백된다.

제어부(600)는 상기 LED부(800)의 전류를 피드백받고 상기 LED부(800)에 공급되는 전류가 일정해지도록 제어한다.

정류부(200)는 AC 교류 전원(100)을 입력받아 정류한다.

전력효율 교정부(300)는 상기 정류부(200)에서 정류된 전원을 상기 제어부(600)의 제어신호에 따라 전력효율을 조절하는데, 필요에 따라 생략될 수 있다.

스위칭부(400)는 상기 전력효율 교정부(300)의 출력 전원을 상기 제어부(600)의 제어신호에 따라 스위칭하는데, 전력효율 교정부(300)가 없는 경우에는 정류부(200)의 출력신호를 스위칭한다.

트랜스포머(500)는 상기 스위칭부(400)의 스위칭에 따라 인가되는 전원을 소정의 권선비에 따라 변환하여 양단으로 출력하는데, 도 3에 개략적인 일부 출력 파형이 도시되어 있다.

합성부(700)는 상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전류를 다이오드(710, 720)를 이용하여 각각 정류하고, 합성하여 상기 LED를 직접 구동하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 부스터 회로나 각종 부가회로 등이 생략되어 회로가 간소화되고 제조비용을 상당히 절약할 수 있다.

상기 스위칭부(400)는 필요에 따라 각종(Half OR Full Bridge, Push-pull 등) 토폴로지를 사용하여 1차 전원을 스위칭하고, 스위칭된 전원을 LED 구동을 위한 트랜스포머의 1차 코일에 전달한다.

상기 트랜스포머(500)의 출력은 스위칭부(400)의 출력인 1차 코일측의 전원 공급 파형에 따라 2차 코일에서 출력을 내며, 이를 LED를 구동하기 위해 정류 회로에서 +전원으로 정류하고, 1차 코일에 공급되는 상기 스위칭부(400)의 스위칭 파형에 따라 출력이 변화되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 트랜스포머(500)의 출력은 LED와의 사이에 Vpeak 감소 회로나, 전류 밸런스 회로 등은 부가될 수 있으나, 기존의 전기캡, 부스트 회로 등 DC 평활 회로를 생략한 것을 특징으로 한다.

상기 제어부(600)는 LED부의 출력 전류를 피드백 받아 트랜스포머 1차측의 스위칭부를 제어함으로써 LED를 직접구동하는 트랜스포머의 2차 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

이러한 조명용 LED 구동 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참조하면, AC 전원은 AC 입력부(100)에서 입력되고, AC 정류부(200)를 통해 직류로 변환된다.

그리고 나서, 전력효율 교정부(300)에서 소정의 전압으로 출력된다.

스위칭부(400)는 하프(HALF) or 풀브릿지(FULL BRIDGE)를 이용한 스위칭방식으로 스위칭을 하며, 제어부(600)의 제어로 1차 PFC 출력 전압을 스위칭한다.

그리고 필요에 따라 제어부(600)는 스위칭부(400) 또는 전력효율 교정부(300)를 제어하여 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(710, 720)에 의해 정류된후(SECONDARY DIODE OUT1, SECONDARY DIODE OUT2) 하나의 +전원의 신호로 합성되어(LED INPUT VOLT, LED INPUT CURRENT) LED부(800)의 LED(810, 820)를 구동한다.

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

그리고 도 3을 참조하면, 제어부(600)는 LED부(800)로부터 구동 전류를 피드백받아 스위칭 신호(SWICHING SIGNAL) 및 제어신호(PFC CONTROL)를 생성하여 트랜스포머(500)의 입력신호를 제어하며, 이렇게 함으로써 LED를 직접 구동하는 트랜스포머(500)의 출력을 제어할 수 있게 된다.

도 3의 제어부(600)는 대표적인 LED 직접 구동을 위한 집적회로의 예시일뿐 스위칭부(400)의 토폴로지(Half OR Full Bridge, Push-pull, Flyback, Forward 등)나, 제어부(600)의 제어 방식은 필요에 따라 변형이 가능하다. 그리고, 전력효율 교정부(300)는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 경우에 따라서는 전류 밸런스 또는 Vpeak 감소를 위한 부가 회로가 추가 될 수도 있다. 또한, 토폴로지, 부가 회로 등에 따라 제어부의 기능 추가 또는 감소가 이루어 질 수 있다.

제어부(600)는 트랜스포머(500)의 2차측에 있는 LED부(800)의 구동신호를 피드백 받아 1차측의 스위칭부(400)를 제어함으로써 LED를 직접 구동하는 절연 트랜스포머(500)의 출력을 제어하게 된다.

집적회로의 피드백 입력(FEEDBACK)은 LED 구동 전류로서 제어부(600)는 LED 구동 전류의 Peak 및 RMS를 입력받는다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 제어부는 필요에 따라 다양하게 출력 제어 기능을 추가 할 수 있으며, 제어 방식을 주파수 제어, 듀티 제어, PFC 제어중 하나의 기능을 선택적으로 사용하거나 모든 기능을 추가하여 사용할 수도 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에서는 1차 전력효율 교정부 출력 전압을 제어함으로써 절연 트랜스포머를 이용하여 LED를 직접 구동하는 집적 회로를 제공함으로써, 직류(DC) 변환을 하지 않으므로 효율의 증대를 가져올 수 있다.

또한, 직류 변환부의 전기캡(ELEC-CAP)이 필요없고, 부스트(BOOST) 회로(IC, IC 주변회로, BOOST를 위한 Inductor, ELEC-CAP, FET, DIODE 등) 등의 회로가 필요 없으므로 회로가 간소화 될 수 있다.

또한, LED 직접 구동을 위한 제어 집적회로를 제공함으로써, 트랜스포머의 출력 단에 전기캡, 부스트 회로 등이 없이 LED를 구동하므로 저 전압에서 고전압까지 LED 채널의 전압에 맞추어 출력 전압을 설계할 수 있어, LED의 채널수를 줄일 수 있다.

또한, LED 직접 구동을 위한 제어부에 의한 트랜스포머의 출력은 다이오드의 정류를 거쳐 직접 LED로 출력됨으로써, 제어부에서 LED 구동 전류를 주파수의 듀티를 이용하여 가변이 가능해 지며, 공진형의 경우 주파수의 변환으로도 LED 구동 전류의 변환이 가능하다.

또한 필요에 따라 제어부는 LED의 전류량에 따라 전력효율 교정부(300)의 출력 전압을 제어함으로써, 전력효율 교정부(300) 출력 전압을 LED 구동을 위한 BOOST 회로로 쓸 수 있는 가변성을 갖는다.

이러한 LED 구동장치의 제공으로 인해 효율 개선 및 회로의 간소화를 위해 각종 스위칭 토팔로지(SWITCHING TOPOLOGY, Half OR Full Bridge, Push-pull, Flyback, Forward 등)로 구동하는 절연 트랜스포머를 이용한 LED의 직접 구동이 가능하게 된다.

또한, 출력을 제어부의 주파수, DUTY, PFC 전압 변화 등을 이용하여 다양하게 설계 할 수 있음으로 설계가 용이해지는 이점이 있다.

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 (2)

1. 적어도 하나의 발광소자를 포함하는 LED부;
   외부의 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 제어부로 구성되고,
   상기 제어부는 상기 교류전원을 직류화하지 않고, 상기 정류부에 의해 정류한 후 상기 스위칭부, 상기 트랜스포머 및 상기 합성부를 통해 상기 LED부를 직접 구동하는 것을 특징으로 하고,
   상기 합성부는 상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전력을 각각 정류하는 제1, 제2 다이오드를 구비하고, 상기 제1, 제2 다이오드의 출력을 합성하여 직류화하지 않고 구형파 형태의 신호로 상기 LED부를 직접 구동하며,
   상기 트랜스포머의 출력은 스위칭부의 출력인 1차 코일측의 전원 공급 파형에 따라 2차 코일에서 출력을 내며, 상기 제1, 제2 다이오드에서 상기 LED부를 구동하기 위해 정류를 거쳐 +전원으로 정류하며, 상기 1차 코일에 공급되는 상기 스위칭부의 스위칭 파형에 따라 상기 LED 구동 전류가 변화되고,
   상기 트랜스포머의 양단 출력은 위상이 반대인 구형파인 것을 특징으로 하는 조명용 LED 구동 장치.
2. 적어도 하나의 발광소자를 포함하는 LED부;
   상기 LED부의 출력전류를 피드백받고 상기 LED부에 공급되는 전류가 일정해지도록 제어하는 제어부;
   외부의 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부;
   상기 정류부에서 정류된 전원을 상기 제어부의 제어신호에 따라 전력효율을 조절하는 전력효율 교정부,
   상기 전력효율 교정부의 출력 전원을 상기 제어부의 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 합성부를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 교류전원을 직류화하지 않고, 상기 정류부에 의해 정류한 후 상기 전력효율 교정부, 상기 스위칭부, 상기 트랜스포머 및 상기 합성부를 통해 상기 LED부를 직접 구동하는 것을 특징으로 하고,
   상기 합성부는 상기 트랜스포머에서 출력되는 양단의 전력을 각각 정류하는 제1, 제2 다이오드를 구비하고, 상기 제1, 제2 다이오드의 출력을 합성하여 직류화하지 않고 구형파 형태의 신호로 상기 LED부를 직접 구동하며,
   상기 트랜스포머의 출력은 스위칭부의 출력인 1차 코일측의 전원 공급 파형에 따라 2차 코일에서 출력을 내며, 상기 제1, 제2 다이오드에서 상기 LED부를 구동하기 위해 정류를 거쳐 +전원으로 정류하며, 상기 1차 코일에 공급되는 상기 스위칭부의 스위칭 파형에 따라 상기 LED 구동 전류가 변화되고,
   상기 트랜스포머의 양단 출력은 위상이 반대인 구형파인 것을 특징으로 하는 조명용 LED 구동 장치.

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