KR20120044782A - Ｌｅｄ 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED 발광 장치에 관한 것이다.
LED 발광 장치는 전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 입력 전압을 변환하여 적어도 두 개의 출력 전압을 생성하는 컨버터, 복수의 LED로 구성된 복수의 LED 채널을 포함하는 LED 패널부, 상기 두 개의 출력 전압 중 제1 출력 전압에 의해 동작되고, 상기 LED 발광 장치의 동작을 제어하는 마이컴 보드, 상기 두 개의 출력 전압 중 제2 출력 전압을 상기 LED 패널부의 동작에 적합한 전압으로 변환하는 레귤레이터 및 상기 복수의 LED 채널 각각의 채널 전압 중 가장 낮은 최소 전압에 따라 상기 레귤레이터의 동작을 제어하고, 상기 제1 출력 전압을 입력 받아 제1 피드백 전압(VF1)을 생성하는 다채널 제어부를 포함한다.

Description

ＬＥＤ 발광 장치{LED EMITTING DEVICE}
본 발명은 LED를 사용한 발광 장치에 관한 것이다.
LED를 사용한 발광 장치는 LED에 전류를 공급하여 LED를 구동시킨다. 그러면, LED는 전류에 대응하는 휘도의 빛을 방출한다. 이런 LED 발광 장치는 LCD의 광원 또는 조명용으로 사용될 수 있다. LCD의 광원 또는 조명용으로 사용되는 LED 발광 장치를 LED 발광 장치라 한다. LED 발광 장치는 직렬로 연결된 복수의 LED로 구성된 LED 채널에 일정한 전류를 흐르게 하여 일정한 밝기를 제공한다.
LED 발광 장치는 복수의 LED 채널 각각에 전류를 공급하기 위한 메인 전력과 LED 발광 장치의 동작을 제어하기 위한 메인 컨트롤 유닛(main control unit)의 동작에 필요한 보조 전력이 필요하다. 종래 LED 발광 장치는 메인 전력을 생성하기 위한 메인 전력 공급 장치와 보조 전력을 생성하기 위한 보조 전력 공급 장치를 별개로 포함하고 있다.
LED 발광 장치는 두 개의 전력 공급 장치를 포함해야 하므로, LED 발광 장치의 사이즈를 감소시키기 어렵다. 또한, 두 개의 전력 공급 장치를 제어하기 위한 전력 제어 IC가 별도로 필요하다. 이는 LED 발광 장치의 생산 단가를 증가시키는 원인이 된다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 두 개의 채널을 통해 두 개의 전력을 공급할 수 있는 LED 발광 장치 및 그 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 적어도 두 개의 출력 전압에 의해 동작하는 LED 발광 장치는, 전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 입력 전압을 변환하여 적어도 두 개의 출력 전압을 생성하는 컨버터; 복수의 LED로 구성된 복수의 LED 채널을 포함하는 LED 패널부; 상기 두 개의 출력 전압 중 제1 출력 전압에 의해 동작되고, 상기 LED 발광 장치의 동작을 제어하는 마이컴 보드; 상기 두 개의 출력 전압 중 제2 출력 전압을 상기 LED 패널부의 동작에 적합한 전압으로 변환하는 레귤레이터; 및 상기 복수의 LED 채널 각각의 채널 전압 중 가장 낮은 최소 전압에 따라 상기 레귤레이터의 동작을 제어하고, 상기 제1 출력 전압을 입력 받아 제1 피드백 전압(VF1)을 생성하는 다채널 제어부를 포함한다.
상기 다채널 제어부는, 상기 LED 패널부의 부하를 감지하여, 상기 LED 패널이 무부하인 경우 상기 레귤레이터의 동작을 정지시킨다.
상기 컨버터는, 1차측의 제1 권선에 입력되는 상기 입력 전압을 상기 전력 스위치에 동작에 따라 변환하여 2차측의 제2 권선 및 제3 권선 각각에 전달하는 트랜스포머; 상기 제2 권선에 연결되어 있는 제1 정류 다이오드; 상기 제3 권선에 연결되어 있는 제2 정류 다이오드; 및 상기 제1 정류 다이오드에 연결되어 있는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제1 출력 전압은 상기 제1 커패시터의 전압이다.
상기 레귤레이터는, 상기 제2 정류 다이오드에 연결되어 있고, 상기 다채널 제어부의 제어에 따라 스위칭 동작하여 상기 제2 정류 다이오드를 통과한 상기 제3 권선의 전압을 출력하는 전원 공급 스위치; 및 상기 전원 공급 스위치에 연결되어 있는 제2 커패시터를 포함하고, 상기 제2 출력 전압은 상기 제2 커패시터의 전압이다.
상기 다채널 제어부는, 상기 복수의 채널 전압 각각을 소정 시간 단위로 샘플링하여 가장 낮은 상기중 최소 전압을 검출하는 최소 전압 검출부; 및 상기 최소 전압이 소정의 기준 전압으로 유지되도록 상기 전원 공급 스위치의 스위칭 동작을 제어하기 위한 게이트 신호를 생성하는 스위치 제어부를 포함한다.
상기 스위치 제어부는, 상기 마이컴 보드로부터 생성되는 상기 복수의 LED 채널 각각의 온/오프를 제어하는 복수의 디밍 신호를 감지하여 상기 복수의 디밍 신호가 모두 상기 복수의 LED 채널을 오프 시키는 경우, 상기 LED 패널을 무부하 상태로 판단하고, 상기 전원 공급 스위치를 턴 오프 시킨다.
상기 다채널 제어부는, 상기 제1 출력 전압이 전달되는 일단을 포함하는 저항; 및 상기 저항의 일단에 입력단이 연결되어 있고, 상기 입력단의 전압이 소정의 임계 전압 이상이면 출력단의 전압을 일정한 전압으로 유지하는 션트레귤레이터를 포함하고, 상기 출력단의 전압이 상기 제1 피드백 전압이고, 상기 입력단의 전압이 상기 임계 전압 이상으로 증가할수록, 상기 션트레귤레이터의 출력단으로부터 접지로 흐르는 전류가 증가한다.
상기 션트레귤레이터의 출력단과 소정의 기준 전압 사이에 연결되어 있는 옵토다이오드, 및 상기 옵토다이오드의 밝기에 대응하는 전류가 흐르는 옵토트랜지스터를 포함하는 옵토커플러를 더 포함한다.
상기 LED 발광 장치는 상기 옵토트랜지스터에 흐르는 전류에 따라 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 신호를 생성하는 스위치 제어부를 더 포함한다.
상기 다채널 제어부는, 상기 션트레귤레이터의 출력단 및 입력단 사이에 연결되어 있는 제3 커패시터를 더 포함한다.
상기 다채널 제어부는, 상기 제2 출력 전압에 따르는 제2 피드백 전압을 이용하여 상기 제2 출력 전압의 과전압 여부를 판단하고, 상기 복수의 LED 채널 각각에 흐르는 복수의 채널 전류에 대응하는 복수의 채널 피드백 전압을 이용하여 및 상기 복수의 LED 채널 중 개방 상태인 LED 채널을 감지한다.
상기 다채널 제어부는, 상기 제2 피드백 전압과 소정의 제1 기준 전압을 비교하여 상기 제2 출력 전압이 상기 기준 전압보다 큰 전압이면 과전압으로 판단하고, 상기 복수의 채널 피드백 전압 중 소정의 제2 기준 전압 보다 작은 전압이 감지되면 상기 개방 상태인 LED 채널이 발생한 것으로 판단하고 상기 전원 공급 스위치의 스위칭 동작을 멈추게 하기 위한 보호 신호를 생성하는 보호 회로부를 더 포함한다.
상기 LED 발광 장치는, 상기 복수의 LED 채널 각각의 말단에 연결되어 상기 복수의 LED 채널 각각의 채널 전류를 제어하는 전류 밸런스부를 더 포함한다.
상기 전류 밸런스부는, 상기 복수의 LED 채널 각각에 연결되어 있는 복수의 트랜지스터 및 상기 복수의 트랜지스터 각각에 연결되어 있고, 상기 복수의 LED 채널 각각에 흐르는 복수의 채널 전류에 대응하는 복수의 채널 피드백 전압을 생성하는 복수의 저항을 포함한다.
상기 다채널 제어부는, 상기 마이컴 보드로부터 상기 복수의 LED 채널 각각의 듀티를 제어하는 디밍 신호를 전달받아 상기 복수의 LED 채널 각각의 온/오프를 제어하고, 상기 복수의 채널 피드백 전압을 전달받아 상기 복수의 LED 채널 각각에 일정한 전류가 흐르도록 상기 복수의 트랜지스터를 제어하는 복수의 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부를 포함한다.
본 발명은 두 개의 채널 각각을 통해 전력을 공급하는 LED 발광 장치 및 그 구동 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 LED 발광 장치 중 일부를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 LED 발광 장치 중 나머지 일부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 스위치의 전류, 트랜스포머의 1차측 전류, 정류 다이오드의 전류, 및 전원 공급 스위치의 전류를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 스위치의 전압, 제1 권선의 권선 전압, 정류 다이오드의 전압, 및 전원 공급 스위치의 전압을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 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.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 LED 발광 장치 중 일부를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 LED 발광 장치 중 나머지 일부를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, LED 발광 장치(1)는 LED 패널부(100), 전류밸런스부(200), 플라이백 컨버터(300), 레귤레이터(400), 다출력 제어부(500), 옵토커플러(600), 및 마이컴 보드(700)를 포함한다.
LED 패널부(100)는 복수의 LED 채널(CH1-CH4)을 포함하고 있고, 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각은 복수의 LED가 직렬 연결되어 있다. 도 2에서는 각 채널이 직렬 연결되어 있는 4개의 LED로 도시되어 있고, 복수의 LED 채널(CH1-CH4)을 4개로 설명하였으나, 이는 일 예시로서 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
플라이백 컨터버(300)는 트랜스포머(310), 스위치 제어부(320), 전력 스위치(M1), 두 개의 정류 다이오드(D1, D2), 및 평활 커패시터(C1)를 포함한다. 플라이백 컨버터(300)는 전력 스위치(M1)의 스위칭 동작에 따라 입력 전압을 변환하여 적어도 두 개의 출력 전압을 생성한다.
본 발명의 실시 예에 따른 적어도 두 개의 출력 전압은 LED 패널부(100)를 동작시키기 위한 출력 전압(VO2)과 마이컴 보드(700)를 동작시키기 위한 출력 전압(VO1)을 포함한다. 이는 일 예시일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 플라이백 컨버터는 컨버터 중 하나의 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
트랜스포머(310)는 1차측에 연결되어 있는 전력 스위치(M1)의 스위칭 동작에 따라 입력 전압(VIN)을 변환하여 2차측에 전달한다. 트랜스포머(310)는 1차측 권선(CO1) 및 2차측의 두 개의 권선(CO21) 및 권선(CO22)을 포함한다. 이하, 1차측 권선(CO1)을 제1 권선, 2차측의 두 개의 권선 중 권선(CO21)을 제2 권선, 권선(CO22)을 제3 권선이라 한다.
제1 권선(CO1) 및 제3 권선(CO22)은 LED 패널부(100)에 필요한 출력 전압(VO2)을 공급하기에 적절한 소정의 권선비로 절연 커플링되어 있다. 제1 권선(CO1) 및 제2 권선(CO21)은 LED 발광 장치를 제어하는 마이컴 보드(700)에 필요한 출력 전압(VO1)을 공급하기에 적절한 소정의 권선비로 절연 커플링되어 있다. 제1 권선(CO1)은 입력 전압(VIN)이 전달되는 일단 및 전력 스위치(M1)의 드레인 전극에 연결되어 있는 타단을 포함한다. 제1 권선(CO1)의 권선수를 NP, 제2 권선(CO21)의 권선수를 NS1, 제3 권선(CO22)의 권선수를 NS2라 한다.
마이컴 보드(700)는 LED 발광 장치(1)의 동작을 제어하는 구성으로서, LED 발광 장치에 입력 및 출력되는 신호들의 처리를 담당한다. 마이컴 보드(700)는 메인 컨트롤 유닛(main control unit, MCU)(800)을 포함하고, 메인 컨트롤 유닛(800)은 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각의 발광 기간을 제어하는 복수의 디밍 신호(DIM1-DIM4)를 생성한다. 디밍 신호(DIM1-DIM4) 각각의 온 듀티 기간 동안 대응하는 LED 채널이 발광한다. 디밍 신호(DIM1-DIM4)는 다출력 제어부(500)에 전달된다.
제2 권선(CO21)에 연결되어 있는 정류 다이오드(D1)는 제2 권선(CO21)의 전압을 정류하고, 정류된 전압은 평활 커패시터(C1)를 통과해 출력 전압(VO1)으로 생성된다.
전력 스위치(M1)는 트랜스포머(310)에 연결되어 트랜스포머(310)의 동작을 제어하여 2차 측에 전달되는 전력을 제어한다. 전력 스위치(M1)는 스위치 제어부(320)로부터 출력되는 게이트 신호(VG1)에 의해 스위칭 동작한다.
레귤레이터(400)는 트랜스포머(310)의 정류 다이오드(D2)를 통과한 전압을 전원 공급 스위치(M2)의 스위칭 동작을 통해 출력 전압(VO2)으로 변환한다. 레귤레이터(400)에 의해 변환된 출력 전압(VO2)은 LED 패널부(100)의 동작에 적합한 레벨이다. 레귤레이터(400)는 전원 공급 스위치(M2) 및 커패시터(C2)를 포함한다.
전력 스위치(M1)가 턴 오프 되고, 정류 다이오드(D2)가 순방향 바이어스되면, 제3 권선(CO22)의 전압이 전원 공급 스위치(M2)에 전달된다. 이 때, 정류 다이오드(D2)에서 발생하는 전압 강하는 무시한다. 전원 공급 스위치(M2)가 턴 온 상태인 경우, 제3 권선(CO22)의 전압에 의해 커패시터(C2)가 충전되어 출력 전압(VO2)이 생성된다.
전원 공급 스위치(M2)의 스위칭 동작은 출력 전압(VO2)이 LED 패널부(100)를 동작시킬 수 있는 레벨의 전압이 되도록 제어된다.
다출력 제어부(500)는 전원 공급 스위치(M2)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 게이트 신호(VG2)를 생성한다. 다출력 제어부(500)는 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각의 채널 전압(VCH1-VCH4) 중 가장 낮은 전압(Vmin)에 따라 게이트 신호(VG2)를 생성한다.
다출력 제어부(500)는 출력 전압(VO1)을 입력받아 피드백 전압(VF1)을 생성하여 옵토커플러(600)에 전달한다. 또한, 출력 전압(VO2)에 따르는 피드백 전압(VF2) 및 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각에 흐르는 전류에 대응하는 피드백 전압(FB1-FB4)를 이용하여 출력 전압(VO2)의 과전압 및 개방 LED 채널을 감지할 수 있다.
다출력 제어부(500)에 대한 상세한 설명은 후술한다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 트랜스포머(310),전력 스위치(M1), 정류 다이오드(D1, D2), 및 전원 공급 스위치(M2)의 동작을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 스위치의 전류, 트랜스포머의 1차측 전류, 정류 다이오드의 전류, 및 전원 공급 스위치의 전류를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 스위치의 전압, 제1 권선의 권선 전압, 정류 다이오드의 전압, 및 전원 공급 스위치의 전압을 나타낸 도면이다.
전력 스위치(M1)가 온 상태인 기간(P1) 동안 트랜스포머(310)의 1차측 전류(im)가 증가하고 제1 권선(CO1)의 권선 전압(VP)은 입력 전압(VIN)이 된다. 전력 스위치(M1)는 기간 P1 동안 턴 온 상태이므로 전력 스위치(M1)의 전압은 0이다. 기간(P1)동안 트랜스포머(310)의 1차측에 에너지가 축적된다.
전력 스위치(M1)가 온 상태인 기간(P1) 동안 제3 권선(CO22)의 권선전압은 제1 권선과 제3 권선의 권선비(NS2/NP)에 권선전압(VP)(즉, 입력 전압(VIN))을 곱한 전압(VIN*NS2/NP)이 된다. 제3 권선(CO22)의 권선전압은 권선전압(VP)과 극성이 반대이므로, 정류 다이오드(D2)의 전압(Vd2)은 출력 전압(VO2)에 전압(VIN*NS2/NP)을 더한 전압이 된다.
전력 스위치(M1)가 온 상태인 기간 동안 제2 권선(CO21)의 권선전압은 제1 권선(CO1)과 제2 권선(CO21)의 권선비(NS1/NP)에 권선전압(VP)(즉, 입력 전압(VIN))을 곱한 전압(VIN*NS12/NP)이 된다. 제2 권선(CO21)의 권선전압은 권선전압(VP)과 극성이 반대이므로, 정류 다이오드(D1)의 전압(Vd1)은 출력 전압(VO1)에 전압(VIN*NS1/NP)을 더한 전압이 된다.
전력 스위치(M1)가 온 상태인 기간 동안, 정류 다이오드(D1) 및 정류 다이오드(D2)는 역방향 바이어스 되어 오프 상태이다. 따라서 제1 정류 전류(ids1) 및 제2 정류 전류(ids2)는 흐르지 않는다. 제2 정류 전류(ids2)가 흐르지 않으므로, 기간(P1)동안 전원 공급 스위치(M2)의 전류(ids2)도 흐르지 않는다.
전력 스위치(M1)가 턴 오프 되면, 트랜스포머(310)의 1차측 전류(im)는 감소한다. 전력 스위치(M1)가 턴 오프 되면 권선 전압(VP)은 제2 및 제3 권선(CO21, CO22) 각각의 권선 전압에 따라 결정된다.
레귤레이터(400)는 정류 다이오드(D2)를 통과한 제3 권선(CO22)의 권선 전압을 전원 공급 스위치(M2)의 스위칭 동작에 따라 출력 전압(VO2)으로 생성한다. 따라서 출력 전압(VO2)은 제3 권선(CO22)의 권선 전압보다 큰 전압이 될 수 없다. 또한 출력 전압(VO2)의 듀티는 제3 권선(CO22)의 권선전압의 듀티와 같거나 작다.
출력 전압(VO2)의 듀티로 부하 즉, LED 패널(100)를 구동하기 위해서는 LED패널(100)로 공급되는 전류 피크가 높아야 한다. 구체적으로, 출력 전압(VO1)에 비해 작은 듀티를 가지는 출력 전압(VO2)으로 LED 패널(100)을 구동하기 위해서는 출력 전압(VO1)과 함께 부하로 공급되는 전류 피크가 출력 전압(VO1)과 함께 부하로 공급되는 전류 피크보다 크다. 이와 같은 이유로, 전원 공급 스위치(M2)가 턴 온 되어 있고 정류 전류(id2)가 흐르는 기간(P2) 동안 제2 권선(CO21)의 권선전압은 출력 전압(VO1)보다 작다. 따라서 기간(P2) 동안은 정류 다이오드(D1)가 오프 상태이다.
기간(P3) 동안 전원 공급 스위치(M2)가 턴 오프 되면, 제2 권선(CO21)의 권선전압이 출력 전압(VO1)보다 큰 전압이 되어, 정류 다이오드(D1)가 턴 온 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 스위치(M1)가 턴 오프 되고, 전원 공급 스위치(M2)가 턴 온 상태인 기간(P2) 동안은 정류 전류(id2)가 흐른다. 전력 스위치(M1)가 턴 오프 되고, 전원 공급 스위치(M2)가 턴 오프 상태인 기간(P3) 동안은 정류 다이오드(D1)가 턴 온 되어 정류 전류(id1)가 흐르고, 정류 전류(id2)는 흐르지 않는다.
이하, 정류 다이오드에서 발생하는 전압 강하는 권선전압 및 출력 전압에 비해 매우 작아 무시한다. 따라서 정류 다이오드(D1, D2)가 턴 온 되었을 때, 제2 및 제3 권선(CO21, CO22)의 권선 전압은 출력 전압(VO1, VO2)와 동일한 것으로 설정한다.
기간(P2) 동안, 제1 권선(CO1)의 권선전압(VP)은 제3 권선(CO22)의 권선전압(즉, 출력 전압 VO2)에 권선비(NP/NS2)를 곱한 음의 전압(-VO2*(NP/NS2))이 된다. 전력 스위치(M1)의 드레인-소스 전압은 입력 전압(VIN)에 권선 전압(VP)을 뺀 전압이므로, VIN+VO2*(NP/NS2) 전압이 된다.
정류 다이오드(D2) 및 전원 공급 스위치(M2)는 기간(P2) 동안 온 상태이므로, 정류 다이오드(D2)의 전압(VD2) 및 전원 공급 스위치(M2)의 드레인-소스 전압(VD2)은 0이 된다. 제2 권선(CO21)의 권선전압은 제3 권선(CO22)의 권선전압에 권선비(NS1/NS2)를 곱한 전압이다. 따라서 기간(P2) 동안 정류 다이오드(D1)의 전압(VD1)은 VO1+VO2*(NS1/NS2)전압이 된다.
기간(P2) 동안 1차측 전류(im)가 권선비(NS2/NP)에 따라 변환되어 정류 다이오드(D2) 및 전원 공급 스위치(M2)를 통해 흐른다. 따라서 정류 전류(id2) 및 전원 공급 스위치 전류(ids2)가 흐른다.
기간(P3) 동안, 제1 권선(CO1) 권선전압(VP)은 제2 권선(CO21)의 권선전압(즉, 출력 전압 VO1)에 권선비(NP/NS1)를 곱한 음의 전압(-VO1*(NP/NS1))이 된다. 전력 스위치(M1)의 드레인-소스 전압은 입력 전압(VIN)에 권선 전압(VP)을 뺀 전압이므로, VIN+VO1*(NP/NS1) 전압이 된다.
정류 다이오드(D1)는 기간(P3) 동안 온 상태이므로, 정류 다이오드(D1)의 전압(VD1)은 0이 된다. 제2 권선(CO21)의 권선 전압은 출력 전압(VO2)보다 큰 전압이므로 정류 다이오드(D2)는 기간(P3) 동안 온 상태이다. 따라서 정류 다이오드(D2)의 전압(VD2)은 0으로 유지된다.
제3 권선(CO22)의 권선전압은 제2 권선(CO21)의 권선전압에 권선비(NS2/NS1)를 곱한 전압이다. 따라서 기간(P3) 동안 전원 공급 스위치(M2)의 드레인-소스 전압(VDS2)은 VO1*(NS2/NS1)-VO2 전압이 된다.
기간(P3) 동안 1차측 전류(im)가 권선비(NS1/NP)에 따라 변환되어 정류 다이오드(D1)을 통해 흐른다. 따라서 정류 전류(id1)가 흐른다.
이와 같은 동작에 따라 출력 전압(VO1) 및 출력 전압(VO2)이 생성된다.
출력 전압(VO1)이 감소하는 경우, 전력 스위치(M1)의 듀티를 증가시킨다. 그러면 정류 전류(id1) 및 정류 전류(id2)의 피크 전류가 증가하여 보다 많은 전력을 2차측으로 공급할 수 있다. 또한, 복수의 채널 전압(VCH1-VCH4) 중 가장 낮은 전압인 최소 전압(Vmin)이 소정의 기준 전압보다 작아지는 경우, 전원 공급 스위치(M2)의 듀티를 증가시켜 정류 전류(id2)가 흐르는 기간을 증가시킨다. 그러면, 부하 즉, LED 패널(100)에 보다 많은 전력이 공급되어, 최소 전압(Vmin)이 기준 전압보다 큰 전압으로 증가된다.
다시 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 LED 발광 장치의 구성을 설명한다.
전류 밸런스부(200)는 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각의 말단에 연결되어 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각의 채널 전류(ILED1-ILED4)를 제어한다. 전류 밸런스부(200)는 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각에 연결된 복수의 트랜지스터(201-204), 복수의 트랜지스터(201-204)에 일단이 연결되고 타단이 접지된 복수의 저항(R1-R4)을 포함한다. 복수의 트랜지스터(201-204)는 다출력 제어부(500)로부터 전달되는 게이트 신호(CG1-CG4)에 따라 스위칭 동작한다. 복수의 저항(R1-R4) 각각에 복수의 채널 전류(ILED1-ILED4)가 흘러 발생하는 복수의 채널 피드백 전압(FB1-FB4)은 다출력 제어부(500)로 전달된다.
복수의 LED 채널(CH1_CH4) 각각에 대응하는 복수의 트랜지스터(201-204)가 연결되어 있는 말단의 전압을 채널 전압(VCH1-VCH4)이라 한다. 채널 전압은 각 채널에 일정한 채널 전류가 흐르기 위해서 필요한 전압이다. 채널 전압이 소정의 기준 전압 보다 낮은 경우, 해당 채널에는 일정한 전류가 흐르기 어렵다. 따라서 다채널 제어부(500)는 채널 전압이 감소하는 경우 출력 전압(VO2)을 증가시켜 채널 전류가 일정하게 흐를 수 있도록 레귤레이터를 제어한다. 복수의 채널 전압(VCH1-VCH4)은 다출력 제어부(500)로 전달된다.
본 발명의 실시 예에 따른 트랜지스터(201-204)는 N 채널 타입의 MOSFET을 사용하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다출력 제어부(500)는 디밍 신호(DIM1-DIM4)에 따라 복수의 채 LED 채널(CH1_CH4)의 듀티를 제어하고, 채널 전압(VCH1-VCH4), 피드백 전압(FB1-FB4), 및 피드백 전압(VF2)을 이용하여 레귤레이터(400)의 동작을 제어하며, 출력 전압(VO1)에 따라 피드백 신호(VF1)를 생성한다. 또한, 전원 제어부(400)는 복수의 채널 피드백 전압(FB1-FB4)을 이용하여 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 중 개방 상태인 LED 채널을 감지하고, 피드백 전압(VF2)을 이용하여 출력 전압(VO2)의 과전압 여부를 판단한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다출력 제어부(500)는 스위치 제어부(510), 최소 전압 검출부(520), 게이트 신호 생성부(530), 보호 회로부(540), 및 피드백 생성부(550)를 포함한다.
게이트 신호 생성부(530)는 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각의 듀티를 제어하는 디밍 신호(DIM1-DIM4)에 따라 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각의 온/오프를 제어한다. 또한, 게이트 신호 생성부(530)는 채널 피드백 전압(FB1-FB4)을 전달받아, 복수의 채널 전류(ICH1-ICH4)를 감지하고, 복수의 채널 전류(ICH1-ICH4)가 일정하게 흐르도록 복수의 트랜지스터(201-204)의 도통 정도를 제어하는 복수의 게이트 신호(CG1-CG4)를 생성한다. 복수의 게이트 신호(CG1-CG4) 각각은 대응하는 스위치(201-204)의 게이트 전극에 전달된다. 최소 전압 검출부(520)는 복수의 채널 전류(ILED1-ILED4)가 흐르는 복수의 채널 전압(VCH1-VCH4)을 전달 받아, 전달 받은 복수의 채널 전압(VCH1-VCH4) 중 가장 낮은 전압을 최소 전압(Vmin)으로 검출한다. 검출된 최소 전압(Vmin)은 스위치 제어부(510)로 전달된다.
최소 전압 검출부(520)는 소정 시간 단위로 복수의 채널 전압(VCH1-VCH4) 각각을 샘플링한다. 최소 전압 검출부(520)는 샘플링된 복수의 채널 전압(VCH-CH4) 중 가장 낮은 전압을 최소 전압(Vmin)으로 검출한다. 이 때, 채널 전류가 흐르지 않는 채널의 채널 전압은 샘플링하지 않는다. 즉, 동작 중인 LED 채널의 채널 전압 중에서 최소 전압(Vmin)을 검출한다.
스위치 제어부(510)는 최소 전압(Vmin)에 따라 게이트 신호(VG2)를 생성한다. 스위치 제어부(510)는 최소 전압(Vmin)이 소정의 기준 전압으로 유지되도록 작지 않도록 게이트 전압(VG2)을 생성하여 전원 공급 스위치(M1)의 스위칭 동작을 제어한다. 출력 전압(VO2)이 낮아져서 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각에 소정의 임계 전압 이상이 공급되지 않으면, 최소 전압(Vmin)이 기준 전압 보다 작은 전압이 된다. 임계 전압이란, 복수의 LED 채널(CH1-CH4) 각각에 흐르는 LED 채널 전류(ILED1-ILED4)가 일정한 레벨로 흐르기 위해 필요한 전압을 의미한다.
출력 전압(VO2)이 임계 전압 보다 큰 전압일수록 LED 패널(100)에서 발생하는 소비 전력이 증가하므로, 출력 전압(VO2)은 임계 전압으로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 따라서 스위치 제어부(510)는 최소 전압(Vmin)이 기준 전압으로 유지되도록 게이트 신호(VG2)를 생성한다.
구체적으로, 스위치 제어부(510)는 게이트 신호(VG2)의 듀티를 최소 전압(Vmin)에 따라 제어할 수 있다. 스위치 제어부(510)는 최소 전압(Vmin)과 기준 전압의 오차에 따라 게이트 신호(VG2)의 듀티를 조절한다. 최소 전압(Vmin)이 기준 전압보다 작으면, 스위치 제어부(510)는 게이트 신호(VG2)의 듀티를 증가시킨다. 최소 전압(Vmin)이 기준 전압보다 크면, 스위치 제어부(510)는 게이트 신호(VG2)의 듀티를 감소시킨다.
본 발명의 듀티 제어에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 스위치 제어부(510)는 최소 전압(Vmin)을 기준 전압으로 유지시키기 위해 듀티 제어와 함께 전원 공급 스위치(M2)의 스위칭 주파수를 제어할 수 있다. 예를 들면, 전압(Vd2)가 하이 레벨인 온 기간을 시간적으로 나누어 전원 공급 스위치(M2)의 주파수를 증가시킬 수 있다. 전원 공급 스위치(M2)의 주파수가 증가하면 출력 전압(VO2)이 감소한다.
스위치 제어부(510)는 보호 회로부(540)으로부터 보호 동작을 인에이블(enable)시키는 보호 신호(PS)가 입력되면, 전원 공급 스위치(M2)의 스위칭 동작을 차단하는 게이트 신호(VG2)를 생성한다.
또한, 스위치 제어부(510)는 복수의 디밍 신호(DIM1-DIM4)를 감지하여 LED 패널부(100)의 부하가 무부하인 경우 전원 공급 스위치(M2)를 턴 오프 시키는 게이트 신호(VG2)를 생성한다. 구체적으로 스위치 제어부(510)는 모든 디밍 신호들(DIM1-DIM4)이 모든 LED 채널(CH1-CH4)을 턴 오프 시키는 레벨인 경우 LED 패널부(100)를 무부하 상태로 판단하여 전원 공급 스위치(VG2)를 턴 오프 시키는 게이트 신호(VG2)를 생성한다.보호 회로부(540)는 채널 피드백 전압(FB1-FB4)을 감지하여 개방 LED 채널을 검출하면, 보호 동작을 인에이블 시키는 보호 신호(PS)를 생성한다. LED 채널이 개방 상태가 되면, 채널 피드백 전압은 접지 전압에 가까운 전압이 된다. 보호 회로부(540)는 복수의 채널 피드백 전압(FB1-FB4) 각각을 소정의 기준 전압과 비교하여 기준 전압보다 작은 채널 피드백 전압(FB1-FB4)이 감지되면 인에이블 레벨의 보호 신호(PS)를 생성한다.
또한, 보호 회로부(540)는 피드백 전압(VF2)이 과전압인 경우 보호 동작을 인에이블 시키는 보호 신호(PS)를 생성한다. 보호 회로부(540)는 피드백 전압(VF2)과 소정의 기준 전압을 비교하여 피드백 전압(VF2)이 기준 전압보다 높은 전압이면 인에이블 레벨의 보호 신호(PS)를 생성한다.
피드백 생성부(550)는 출력 전압(VO1)에 대응하는 피드백 전압(VF1)을 생성하여 옵토-커플러(600)에 공급한다. 피드백 생성부(550)는 피드백 전압(VF1)을 생성하기 위해 션트레귤레이터(551) 및 저항(RF3)을 포함한다.
저항(RF3)은 출력 전압(VO1)이 인가되는 일단, 및 접지되어 있는 타단을 포함한다. 저항(RF3)의 일단은 션트레귤레이터(551)의 입력단에 연결되어 있다.
션트레귤레이터(551)는 출력 전압(VO1)이 입력되는 입력단, 및 피드백 전압(VF1)을 출력하는 출력단을 포함한다. 션트레귤레이터(551)는 접지되어 있고, 션트레귤레이터(551)의 입력단의 전압이 소정의 임계 전압 이상이면, 출력단에서 접지로 흐르는 전류가 발생한다. 션트레귤레이터(551)의 입력단 전압이 임계 전압 이상인 경우, 션트레귤레이터(551)의 입력단 전압이 증가할수록 출력단에서 접지로 흐르는 전류가 증가한다.
션트레귤레이터(551)는 이와 같은 동작을 통해 출력 전압(VO1)이 소정의 임계 전압 이상인 경우, 출력 전압(VO1)이 변하더라도 출력단의 전압 즉, 피드백 전압(VF1)을 일정하게 유지한다. 출력 전압(VO1)이 증가할수록 출력단에서 접지로 흐르는 전류가 증가된다.
커패시터(C12)는 션트레귤레이터(551)의 입력단과 출력단 사이에 연결되어 있고, 출력 전압(VO1)의 발진 성분에 의해 피드백 전압(VF1)이 영향을 받지 않도록 한다.
옵토커플러(600)는 옵토다이오드(PD) 및 옵토트랜지스터(PT)를 포함한다. 저항(RP)의 일단은 기준 전압(VR)에 연결되어 있다. 옵토다이오드(PD)의 캐소드 전극은 션트레귤레이터(551)의 출력단에 연결되어 있고, 옵토다이오드(PD)의 애노드 전극은 상기 저항(RP)의 타단에 연결되어 있다.
옵토다이오드(PD)에 흐르는 전류에 따라 발광하면, 옵토트랜지스터(PT)에는 옵토다이오드(PD)의 밝기에 대응하는 전류가 흐른다. 옵토다이오드(PD)와 옵토트랜지스터(PT)는 절연되어 있으므로, 플라이백 컨버터(300)를 제어하는 스위치 제어부(320)은 1차측에 위치한다. 따라서 다른 구성으로부터 발생하는 간섭에 의해 스위치 제어부(320)가 영향을 받지않고, 안정적으로 전력 스위치(M1)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
션트레귤레이터(551)에 흐르는 전류가 증가하면, 옵토다이오드(PD)에 흐르는 전류가 증가하여, 옵토트랜지스터(PT)에 흐르는 전류가 증가한다. 즉, 출력 전압(VO1)이 증가할수록, 옵토트랜지스터(PT)에 흐르는 전류가 증가한다.
스위치 제어부(320)는 옵토트랜지스터(PT)에 흐르는 전류에 따라 출력 전압(VO1)을 감지하여 전력 스위치(M1)의 듀티를 제어한다. 옵토트랜지스터(PT)에 흐르는 전류가 증가할수록 스위치 제어부(320)는 전력 스위치(M1)의 듀티를 감소시켜, 2차측으로 전달되는 전력을 감소시킨다. 그러면 출력 전압(VO1) 및 레귤레이터(400)에 공급되는 전압이 감소한다.
반대로 옵토트랜지스터(PT)에 흐르는 전류가 감소할수록 스위치 제어부(320)는 전력 스위치(M1)의 듀티를 증가시켜, 2차측으로 전달되는 전력을 증가시킨다. 그러면 출력 전압(VO1) 및 레귤레이터(400)에 공급되는 전압이 증가한다.
이와 같이 본원의 다채널 제어부(500)는 레귤레이터(400)의 동작을 제어하고, 플라이백 컨버터(300)의 동작 제어를 위한 피드백 전압(VF1)을 생성하며, LED 패널부(100)의 발광 동작을 제어할 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
LED 발광 장치(1), LED 패널부(100), 전류밸런스부(200)
플라이백 컨버터(300), 레귤레이터(400), 다출력 제어부(500)
옵토커플러(600), 및 마이컴 보드(700) LED 채널(CH1-CH4)
트랜스포머(310), 스위치 제어부(320), 전력 스위치(M1)
정류 다이오드(D1, D2), 평활 커패시터(C1), 권선(CO1, CO21, CO22)
스위치 제어부(510), 최소 전압 검출부(520), 게이트 신호 생성부(530)
보호 회로부(540), 피드백 생성부(550), 션트레귤레이터(551), 저항(RF3)

Claims (15)

  1. 적어도 두 개의 출력 전압에 의해 동작하는 LED 발광 장치에 있어서,
    전력 스위치의 스위칭 동작에 따라 입력 전압을 변환하여 적어도 두 개의 출력 전압을 생성하는 컨버터;
    복수의 LED로 구성된 복수의 LED 채널을 포함하는 LED 패널부;
    상기 두 개의 출력 전압 중 제1 출력 전압에 의해 동작되고, 상기 LED 발광 장치의 동작을 제어하는 마이컴 보드;
    상기 두 개의 출력 전압 중 제2 출력 전압을 상기 LED 패널부의 동작에 적합한 전압으로 변환하는 레귤레이터; 및
    상기 복수의 LED 채널 각각의 채널 전압 중 가장 낮은 최소 전압에 따라 상기 레귤레이터의 동작을 제어하고, 상기 제1 출력 전압을 입력 받아 제1 피드백 전압(VF1)을 생성하는 다채널 제어부를 포함하는 LED 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다채널 제어부는, 상기 LED 패널부의 부하를 감지하여, 상기 LED 패널이 무부하인 경우 상기 레귤레이터의 동작을 정지시키는 LED 발광 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    1차측의 제1 권선에 입력되는 상기 입력 전압을 상기 전력 스위치에 동작에 따라 변환하여 2차측의 제2 권선 및 제3 권선 각각에 전달하는 트랜스포머;
    상기 제2 권선에 연결되어 있는 제1 정류 다이오드;
    상기 제3 권선에 연결되어 있는 제2 정류 다이오드; 및
    상기 제1 정류 다이오드에 연결되어 있는 제1 커패시터를 포함하고,
    상기 제1 출력 전압은 상기 제1 커패시터의 전압인 LED 발광 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레귤레이터는,
    상기 제2 정류 다이오드에 연결되어 있고, 상기 다채널 제어부의 제어에 따라 스위칭 동작하여 상기 제2 정류 다이오드를 통과한 상기 제3 권선의 전압을 출력하는 전원 공급 스위치; 및
    상기 전원 공급 스위치에 연결되어 있는 제2 커패시터를 포함하고,
    상기 제2 출력 전압은 상기 제2 커패시터의 전압인 LED 발광 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다채널 제어부는,
    상기 복수의 채널 전압 각각을 소정 시간 단위로 샘플링하여 가장 낮은 상기중 최소 전압을 검출하는 최소 전압 검출부; 및
    상기 최소 전압이 소정의 기준 전압으로 유지되도록 상기 전원 공급 스위치의 스위칭 동작을 제어하기 위한 게이트 신호를 생성하는 스위치 제어부를 포함하는 LED 발광 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 마이컴 보드로부터 생성되는 상기 복수의 LED 채널 각각의 온/오프를 제어하는 복수의 디밍 신호를 감지하여 상기 복수의 디밍 신호가 모두 상기 복수의 LED 채널을 오프 시키는 경우, 상기 LED 패널을 무부하 상태로 판단하고, 상기 전원 공급 스위치를 턴 오프 시키는 LED 발광 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 다채널 제어부는,
    상기 제1 출력 전압이 전달되는 일단을 포함하는 저항; 및
    상기 저항의 일단에 입력단이 연결되어 있고, 상기 입력단의 전압이 소정의 임계 전압 이상이면 출력단의 전압을 일정한 전압으로 유지하는 션트레귤레이터를 포함하고,
    상기 출력단의 전압이 상기 제1 피드백 전압이고, 상기 입력단의 전압이 상기 임계 전압 이상으로 증가할수록, 상기 션트레귤레이터의 출력단으로부터 접지로 흐르는 전류가 증가하는 LED 발광 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 션트레귤레이터의 출력단과 소정의 기준 전압 사이에 연결되어 있는 옵토다이오드, 및 상기 옵토다이오드의 밝기에 대응하는 전류가 흐르는 옵토트랜지스터를 포함하는 옵토커플러를 더 포함하는 LED 발광 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 옵토트랜지스터에 흐르는 전류에 따라 상기 전력 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 신호를 생성하는 스위치 제어부를 더 포함하는 LED 발광 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 다채널 제어부는,
    상기 션트레귤레이터의 출력단 및 입력단 사이에 연결되어 있는 제3 커패시터를 더 포함하는 LED 발광 장치.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 다채널 제어부는,
    상기 제2 출력 전압에 따르는 제2 피드백 전압을 이용하여 상기 제2 출력 전압의 과전압 여부를 판단하고, 상기 복수의 LED 채널 각각에 흐르는 복수의 채널 전류에 대응하는 복수의 채널 피드백 전압을 이용하여 및 상기 복수의 LED 채널 중 개방 상태인 LED 채널을 감지하는 LED 발광 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다채널 제어부는,
    상기 제2 피드백 전압과 소정의 제1 기준 전압을 비교하여 상기 제2 출력 전압이 상기 기준 전압보다 큰 전압이면 과전압으로 판단하고, 상기 복수의 채널 피드백 전압 중 소정의 제2 기준 전압 보다 작은 전압이 감지되면 상기 개방 상태인 LED 채널이 발생한 것으로 판단하고 상기 전원 공급 스위치의 스위칭 동작을 멈추게 하기 위한 보호 신호를 생성하는 보호 회로부를 더 포함하는 LED 발광 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LED 채널 각각의 말단에 연결되어 상기 복수의 LED 채널 각각의 채널 전류를 제어하는 전류 밸런스부를 더 포함하는 LED 발광 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전류 밸런스부는,
    상기 복수의 LED 채널 각각에 연결되어 있는 복수의 트랜지스터 및
    상기 복수의 트랜지스터 각각에 연결되어 있고, 상기 복수의 LED 채널 각각에 흐르는 복수의 채널 전류에 대응하는 복수의 채널 피드백 전압을 생성하는 복수의 저항을 포함하는 LED 발광 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 다채널 제어부는,
    상기 마이컴 보드로부터 상기 복수의 LED 채널 각각의 듀티를 제어하는 디밍 신호를 전달받아 상기 복수의 LED 채널 각각의 온/오프를 제어하고, 상기 복수의 채널 피드백 전압을 전달받아 상기 복수의 LED 채널 각각에 일정한 전류가 흐르도록 상기 복수의 트랜지스터를 제어하는 복수의 게이트 신호를 생성하는 게이트 신호 생성부를 포함하는 LED 발광 장치.
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