KR20130026785A - Ｄｓｐ를 이용한 ｌｅｄ 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위한 LED 구동장치에 있어서, 입력전원과 연결되며 입출력 신호의 전자기 잡음을 제거하기 위한 EMI 필터, 상기 EMI 필터의 출력단에 연결되며, 입력전류의 형태를 제어하는 역률보상회로(PFC), 상기 역률보상회로의 출력전압을 변압시키기 위한 DC-DC 컨버터, 센서신호를 입력받기 위한 센서입력부, 통신신호를 송수신하기 위한 송수신부 및 상기 LED의 순방향 전압에 맞도록 상기 DC-DC 컨버터를 제어하고, 상기 센서입력부에서 입력된 센서 신호 또는 상기 송수신부에서 입력된 통신 신호에 따라 조도를 제어하는 DSP(digital signal processor)를 포함한다. 본 발명에 의하면 저가의 DSP를 사용하여 LED 구동 회로를 구현함으로써, LED 조명을 구동하는 장치를 구현하는 회로제작비용을 절감하고, 회로크기를 소형화하여 가격경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

ＤＳＰ를 이용한 ＬＥＤ 구동 장치 {Operating apparatus for LED using digital signal processor}

본 발명은 LED 구동 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저가형 DSP(digital signal processor)를 이용하여 LED조명을 구동하고 조도를 제어하는 장치에 관한 것이다.

일상 생활에서 상용 교류 전원을 이용한 형광등 및 백열전구는 일반적으로 가장 많이 사용되고 있다. 특히, 전력 효율이 우수하고 그 조도가 더 많이 확보되는 형광등이 더 많이 사용되고 있다.

조명기구의 경우, 전원이 공급되고 조명 설치가 용이한 장소에 필요한 경우 어떠한 곳에라도 설치가 가능하다. 시간이 지날수록 조명에 대한 수요가 많아지고 그 적용분야가 많아짐에 따라, 전체적인 소비전력에 따른 부하는 나날이 늘어가고 있는 실정에 있으므로 전력소비를 감소시키기 위한 노력이 다각적으로 행해지고 있다.

LED(Light Emitting Diode)는 일정 조건의 전류를 흘려 주면 즉시 발광하는 성질을 지니고 있는 반도체이다. 진공관이 트랜지스터, 고집적회로(LSI)로 진화된 것처럼, 조명등도 2세대 광원인 백열등, 3세대 광원인 형광등에서 4세대 광원으로 일컬어지는 반도체 광원인 LED로 급속히 진화될 것으로 예상되고 있다.

일반적으로 램프 타입의 LED는 전기 에너지를 광반사(optical radiation)로 변환하는 반도체 소자로서, 사용 목적 또는 형태에 따라, 칩 발광다이오드를 선택적으로 박막 패턴이 형성된 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자의 상부 면에 실장한 후, 칩과 기판 또는 리드 단자를 전기적으로 연결하고, 그 상부에 에폭시 등을 사용하여 몰드 성형부를 형성함으로써 구현된다. 이 때, 발광다이오드에서 발광되는 색에 따라 칩의 구조, 성장 방법 및 재료가 달라진다는 것은 잘 알려져 있다. 이와 같은 램프 타입의 발광 다이오드를 사용하여 전구를 제조할 수 있다.

또한, LED 광원은 기존 광원에 비해 수명이 길고, 고효율이며 소형 및 경량이고 수은을 사용하지 않아 환경친화적인 점 등 많은 장점이 있어 기존 광원을 급속히 대체해 나가고 있다.

도 1은 종래 LED 구동장치의 일반적인 구성을 보여주는 블록도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 종래 LED 구동장치는 EMI 필터(10), 정류기(Rectifier)(20), 역률보상회로(PFC)(30), LED 구동회로(40)를 포함하는 블록으로 구성되어 있다.

EMI 필터(10)는 입출력 신호의 전자기 잡음을 제거하는 역할을 한다.

정류기(20)는 EMI 필터(10)에서 출력된 신호를 정류하는 역할을 한다.

역률보상회로(30)는 입력전류의 형태를 제어하는 역할을 한다.

LED 구동회로(40)는 LED에 정전류를 인가하는 역할을 한다.

LED 구동회로(40)는 센서입력부(41), 송수신부(42), MCU(43), 제어IC(44), DC/DC 컨버터(45)를 포함하여 구성된다.

DC/DC 컨버터(45)는 역률보상회로(30)의 출력 전압을 LED의 순방향 전압에 맞추는 역할을 한다.

제어IC(44)는 DC/DC 컨버터(45)를 제어하는 역할을 한다.

MCU(43)는 센서입력부(41)에서 입력된 센서신호 또는 송수신부(42)에서 입력된 통신 신호에 따라 조도를 제어하는 역할을 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 종래 LED 구동장치는 제어IC와 MCU를 포함하는 구성이기 때문에 전체 시스템이 복잡한 구성으로 되어 있고, 회로를 구성하는데 드는 비용이 증가하며, 회로를 구성하는 면적이 증가하는 문제점이 있다. 또한, LED 조명 구동 및 조도를 제어하는 시스템의 기능향상을 위하여, 제어방식을 변경하는 경우, 제어 IC 회로 자체를 교체해야 한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, LED 조명을 구동하거나 조도를 제어하는 LED 구동 회로에서, 그 구성을 간소화하여 회로 구현 비용을 절감하고, 회로가 차지하는 면적을 최소화할 수 있는 LED 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위한 LED 구동장치에 있어서, 입력전원과 연결되며 입출력 신호의 전자기 잡음을 제거하기 위한 EMI 필터, 상기 EMI 필터의 출력단에 연결되며, 입력전류의 형태를 제어하는 역률보상회로(PFC), 상기 역률보상회로의 출력전압을 변압시키기 위한 DC-DC 컨버터, 센서신호를 입력받기 위한 센서입력부, 통신신호를 송수신하기 위한 송수신부 및 상기 LED의 순방향 전압에 맞도록 상기 DC-DC 컨버터를 제어하고, 상기 센서입력부에서 입력된 센서 신호 또는 상기 송수신부에서 입력된 통신 신호에 따라 조도를 제어하는 DSP(digital signal processor)를 포함한다.

상기 DSP는 상기 DC-DC 컨버터의 출력전류값과 기준전류값을 비교하여, 상기 출력전류값이 상기 기준전류값에 수렴되도록 상기 DC-DC 컨버터를 제어할 수 있다.

상기 DSP는 상기 센서입력부로부터 센서 신호가 발생하거나 또는 상기 송수신부로부터 통신 신호가 발생하면, 이에 따라 상기 기준전류의 값을 변경할 수 있다.

상기 DC-DC 컨버터는, 드레인이 상기 LED에 연결되어 있는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), 상기 MOSFET의 게이트 단에 연결되어 있으며, 상기 MOSFET를 턴온(turn-on)시키기 적합한 전원으로 상기 DSP에서 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 변환하여 상기 게이트 단으로 출력하는 레벨 시프트(Level shift)부 및 상기 MOSFET의 턴온 또는 턴오프시 발생할 수 있는 링잉 현상을 방지하기 위해 상기 MOSFET의 출력신호를 필터링하기 위한 저역통과필터(LPF)부를 포함할 수 있다.

상기 저역통과필터부를 통과한 전압을 ADC(Analog to digital convertor)하여 디지털 값으로 변환하며, 상기 DSP는 상기 디지털 값을 현재 상기 MOSFET의 출력전류 값으로 가공하고, 상기 출력전류값과 기준전류값을 비교하여 그 편차를 구하는 방식으로 에러값을 산출하고, 산출된 에러값에 비례상수를 곱한 값을 이용하여 PWM의 듀티(Duty)를 변경할 수 있다.

상기 MOSFET의 스위칭 주기마다 인터럽트가 발생하고, 인터럽트가 발생할 때, 상기 저역통과필터부를 통과한 전압을 ADC하여 디지털 값으로 변환할 수 있다.

상기 DSP는 상기 센서입력부로부터 센서 신호가 발생하거나 또는 상기 송수신부로부터 통신 신호가 발생하면, 이에 따라 상기 기준전류의 값을 변경할 수 있다.

본 발명에 의하면 저가의 DSP를 사용하여 LED 구동 회로를 구현함으로써, LED 조명을 구동하는 장치를 구현하는 회로제작비용을 절감하고, 회로크기를 소형화하여 가격경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 별도의 회로 교체 없이 소프트웨어의 알고리즘을 변경하여 성능을 개선시킬 수 있기 때문에 유지/관리 측면에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 종래 LED 구동장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DSP에서 듀티 가변 방법을 보여주는 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동장치의 블록도이다.

EMI 필터(10)는 입력전원과 연결되며 입출력 신호의 전자기 잡음을 제거하는 역할을 한다.

정류기(20)는 EMI 필터(10)에서 출력된 신호를 정류하는 역할을 한다.

역률보상회로(30)는 정류기(20)의 출력단에 연결되며, 입력전류의 형태를 제어하는 역할을 한다.

LED 구동회로(100)는 LED에 정전류를 인가하여 구동시키는 역할을 한다.

본 발명에서 LED 구동회로(100)는 센서입력부(110), 송수신부(120), DSP(digital signal processor)(130) 및 DC-DC 컨버터(140)를 포함하여 이루어진다.

센서입력부(110)는 센서신호를 입력받는 역할을 한다.

송수신부(120)는 통신신호를 송수신하는 역할을 한다.

DSP(13)는 LED의 순방향 전압에 맞도록 DC-DC 컨버터(140)를 제어하고, 센서입력부(110)에서 입력된 센서 신호 또는 송수신부(120)에서 입력된 통신 신호에 따라 조도를 제어하는 역할을 한다.

DC-DC 컨버터(140)는 역률보상회로(30)의 출력전압을 변압시키는 역할을 한다.

본 발명에서 DSP(130)는 DC-DC 컨버터(140)의 출력전류값과 기준전류값을 비교하여, 출력전류값이 기준전류값에 수렴되도록 DC-DC 컨버터(140)를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 DSP(130)는 센서입력부(110)로부터 센서 신호가 발생하거나 또는 송수신부(120)로부터 통신 신호가 발생하면, 이에 따라 기준전류의 값을 변경할 수 있다. 이처럼 본 발명에서는 기준전류의 값을 변경함으로써, 변경된 기준전류값에 따라 출력 전류값을 변경하여 LED의 조도를 제어할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로의 회로도이다.

도 3을 참조하면, LED 구동회로(100)는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), DSP(130), 레벨 시프트(Level shift)부(310), 저역통과필터(LPF)부(320)를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에서 DC-DC 컨버터(140)는 레벨 시프트(Level shift)부(310), 저역통과필터(LPF)부(320)를 포함하여 이루어질 수 있다.

도 3에서, 본 발명은 강압형 DC/DC 컨버터인 modified buck 구조로 되어 있으며, DSP(130)의 PWM출력을 사용하여 MOSFET의 스위칭을 제어한다. 이때 DSP(130)의 PWM출력전압은 3.3V로 MOSFET를 턴온(turn-on)하기 적합하지 않기 때문에 트랜지스터를 사용하여 MOSFET를 턴온하기에 적합한 전압으로 변환하는 레벨시프트(Level Shift) 회로를 구비하였다.

LED를 정전류로 제어하기 위해 현재 전류값을 Rs를 통해 전류의 값을 ADC하게 되는데, 이때 MOSFET의 기생 성분에 의해 턴온/턴오프(turn-on/turn-off)시 링잉 현상이 발생하여 원치 않는 값을 ADC하는 경우가 발생한다. 이를 방지하기 위해 R, C소자를 사용하여 LPF(320)를 구성하였다.

본 발명은 LED를 정전류로 제어하기 위해 LPF를 통과한 Rs의 전압을 ADC한 값에 따라 듀티(Duty)를 가변하여 출력전류를 일정한 값에 수렴하도록 소프트웨어를 구성한다.

먼저 MOSFET의 스위칭 주기마다 인터럽트가 발생하며 LPF를 통과한 Rs의 전압을 ADC하여 디지털 값으로 변환한다. 변환된 값으로 현재 출력전류의 값을 가공하고, 기준 전류값과 비교하여 편차만큼 에러 값을 구한다.

구해진 에러 값에 안정적으로 동작할 수 있는 범위로 만들기 위해 비례상수 Kp만큼 증가시키고, 에러 값에 의해 다음 PWM의 듀티를 변경하여 최종적으로 출력 전류값이 기준 전류값에 수렴하도록 한다.

본 발명에서 DSP(130)에 센서 입력 신호나 통신 신호가 발생하게 되면 기준 전류값을 변화시킨다. 변화된 기준 전류값에 따라 출력 전류값이 변화하여 LED의 조도를 제어하게 된다.

MOSFET의 드레인은 LED에 연결되어 있고, 소스는 저역통과필터(320)에 연결되어 있으며, 게이트 단에는 레벨 시프트부(310)의 출력이 입력된다.

레벨 시프트부(310)는 MOSFET의 게이트 단에 연결되어 있으며, MOSFET를 턴온(turn-on)시키기 적합한 전원으로 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 변환하여 게이트 단으로 출력한다.

저역통과필터부(320)는 MOSFET의 턴온 또는 턴오프시 발생할 수 있는 링잉 현상을 방지하기 위해 MOSFET의 출력신호를 필터링한다.

저역통과필터부(320)를 통과한 Rs의 전압을 ADC(Analog to digital convertor)하여 디지털 값으로 변환하며, DSP(130)는 디지털 값을 현재 MOSFET의 출력전류 값으로 가공하고, 출력전류값과 기준전류값을 비교하여 그 편차를 구하는 방식으로 에러값을 산출하고, 산출된 에러값에 비례상수를 곱한 값을 이용하여 PWM의 듀티(Duty)를 변경한다.

본 발명의 일 실시예에서 MOSFET의 스위칭 주기마다 인터럽트가 발생하고, 인터럽트가 발생할 때, 저역통과필터부를 통과한 전압을 ADC하여 디지털 값으로 변환한다.

DSP(130)는 센서입력부(110)로부터 센서 신호가 발생하거나 또는 송수신부(120)로부터 통신 신호가 발생하면, 이에 따라 기준전류의 값을 변경할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DSP에서 듀티 가변 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, DSP(130)는 센서입력신호 또는 통신신호가 발생하는지 여부를 확인하고(S401), 센서입력신호 또는 통신신호가 발생하지 않으면 기준 전류값을 유지하고(S403), 센서입력신호 또는 통신신호가 발생하면 기준 전류값을 변경한다(S405). 본 발명에서 기준 전류값을 변화시키면, 이에 따라 출력 전류값이 변화하므로, 결국 LED의 조도를 제어할 수 있게 된다.

다음, DSP(130)는 인터럽트가 발생하면(S407), 현재 전류값을 Rs 저항을 통해 ADC하여 디지털 값으로 변환한다(S409).

그리고, DSP(130)는 디지털 값으로 변환된 값을 현재 출력전류의 값으로 가공한다(S411).

그리고, DSP(130)는 현재 출력전류와 기준전류값을 비교하여 그 편차를 에러값으로 하는 방식으로 에러값을 산출한다(S413).

DSP(130)는 산출된 에러값에 의해 PWM의 듀티를 변경하게 되고, 결국 출력전류값이 기준 전류값에 수렴하도록 제어한다(S415).

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

10 EMI 필터 20 정류기
30 PFC 100 LED 구동회로
110 센서입력부 120 송수신부
130 DSP 140 DC-DC 컨버터
310 레벨 시프트부 320 저역통과필터

Claims (7)

1. LED(Light Emitting Diode)를 구동하기 위한 LED 구동장치에 있어서,
   입력전원과 연결되며 입출력 신호의 전자기 잡음을 제거하기 위한 EMI 필터;
   상기 EMI 필터의 출력단에 연결되며, 입력전류의 형태를 제어하는 역률보상회로(PFC);
   상기 역률보상회로의 출력전압을 변압시키기 위한 DC-DC 컨버터;
   센서신호를 입력받기 위한 센서입력부;
   통신신호를 송수신하기 위한 송수신부; 및
   상기 LED의 순방향 전압에 맞도록 상기 DC-DC 컨버터를 제어하고, 상기 센서입력부에서 입력된 센서 신호 또는 상기 송수신부에서 입력된 통신 신호에 따라 조도를 제어하는 DSP(digital signal processor)를 포함하는 LED 구동 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 DSP는 상기 DC-DC 컨버터의 출력전류값과 기준전류값을 비교하여, 상기 출력전류값이 상기 기준전류값에 수렴되도록 상기 DC-DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 DSP는 상기 센서입력부로부터 센서 신호가 발생하거나 또는 상기 송수신부로부터 통신 신호가 발생하면, 이에 따라 상기 기준전류의 값을 변경하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 DC-DC 컨버터는,
   드레인이 상기 LED에 연결되어 있는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor);
   상기 MOSFET의 게이트 단에 연결되어 있으며, 상기 MOSFET를 턴온(turn-on)시키기 적합한 전원으로 상기 DSP에서 출력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 변환하여 상기 게이트 단으로 출력하는 레벨 시프트(Level shift)부; 및
   상기 MOSFET의 턴온 또는 턴오프시 발생할 수 있는 링잉 현상을 방지하기 위해 상기 MOSFET의 출력신호를 필터링하기 위한 저역통과필터(LPF)부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 저역통과필터부를 통과한 전압을 ADC(Analog to digital convertor)하여 디지털 값으로 변환하며,
   상기 DSP는 상기 디지털 값을 현재 상기 MOSFET의 출력전류 값으로 가공하고, 상기 출력전류값과 기준전류값을 비교하여 그 편차를 구하는 방식으로 에러값을 산출하고, 산출된 에러값에 비례상수를 곱한 값을 이용하여 PWM의 듀티(Duty)를 변경하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 MOSFET의 스위칭 주기마다 인터럽트가 발생하고, 인터럽트가 발생할 때, 상기 저역통과필터부를 통과한 전압을 ADC하여 디지털 값으로 변환하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 DSP는 상기 센서입력부로부터 센서 신호가 발생하거나 또는 상기 송수신부로부터 통신 신호가 발생하면, 이에 따라 상기 기준전류의 값을 변경하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   

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