KR20130077593A

KR20130077593A - Ｌｅｄ 발광장치

Info

Publication number: KR20130077593A
Application number: KR1020110146392A
Authority: KR
Inventors: 정혜만
Original assignee: 서울반도체 주식회사
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-09
Also published as: KR101984927B1

Abstract

LED 발광장치가 개시되며, 상기LED발광장치는 교류 전압을 정류하여 정류 전압을 생성하는 정류부, 상기 정류부의 출력단에 직렬로 연결되는 복수의 LED, 상기 복수의 LED 각각의 캐소드에 드레인 단자가 연결되는 복수의 스위치, 설정된 기준 정류 전압과 상기 정류 전압을 비교하여 상기 정류 전압의 전압 변화량을 검출하고, 상기 전압 변화량을 고려하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 가변시키는 제어신호를 상기 복수의 스위치의 게이트 단자로 출력하는 스위치 제어부를 포함할 수 있다.

Description

ＬＥＤ 발광장치{LED LUMINESCENCE APPARATUS}

본원은 교류 전원을 사용하는 LED 발광장치에 관한 것으로, 역률 및 전고조파 왜율을 개선하기 위해 복수의 LED를 다단 구동하고, 교류 전원의 가변 특성을 고려하여 LED에 흐르는 전류를 제어하는 LED 발광장치에 관한 것이다.

종래의 교류 전원을 사용하는 LED(Light Emitting Diode) 발광장치는 브릿지 회로로 구현되는 정류 회로에서 출력되는 단방향 맥류 전압을 저항을 통해 고전압 LED로 제공하였다.

이러한 종래의 교류 전원을 사용하는 LED 발광장치에서, LED는 교류 전압이 LED의 순방향 전압(Vf)보다 큰 시점 동안 발광하게 되고, LED가 발광하는 시점 동안 LED에는 전류가 흐르게 된다. 이로 인해, LED에 인가되는 교류 전압(LED 구동 전압)과 LED의 구동 전류 사이에는 위상차가 발생하게 되고, 교류 전원을 사용하는 LED 발광장치는 역률 및 전고조파 왜율 (Total Harmonics Distortion: THD)등의 전기적인 특성이 LED 조명에서 요구하는 규격을 만족하지 못할 수 있다.

또한, 상용 교류 전원은 이상적인 정현파 형태의 교류 전압을 제공하지 못한다. 즉, 상용 교류 전압은 이상적인 정현파 형태의 기준 전압보다 그 크기가 크거나 작은 문제가 발생하게 되고, 이러한 고조파에 의해 LED 구동 전압은 정현파 파형에서 왜곡된 파형을 갖게 된다. LED 구동 전압의 파형이 왜곡됨에 따라 LED 구동 전류의 파형도 왜곡되게 된다.

종래 LED 발광장치는 LED 구동 전류의 파형이 왜곡됨에 따라 LED의 발광 효율에 매우 큰 편차가 발생하게 된다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LED 발광 효율, 역률 및 전고조파 왜율을 개선하기 위해 복수의 LED를 다단 구동하고, 교류 전원의 가변 특성을 고려하여 LED에 흐르는 전류를 제어하는 LED 발광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 측면에 따른 LED 발광장치는, 교류 전압을 정류하여 정류 전압을 생성하는 정류부, 상기 정류부의 출력단에 직렬로 연결되는 복수의 LED, 상기 복수의 LED 각각의 캐소드에 드레인 단자가 연결되는 복수의 스위치, 설정된 기준 정류 전압과 상기 정류 전압을 비교하여 상기 정류 전압의 전압 변화량을 검출하고, 상기 전압 변화량을 고려하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 가변시키는 제어신호를 상기 복수의 스위치의 게이트 단자로 출력하는 스위치 제어부를 포함할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스위치 제어부는, 상기 복수의 스위치의 소스 단자에 각각 연결되는 복수의 저항을 통해 전류를 센싱하고, 설정된 제1 기준 전류에 상기 전압 변화량을 반영하여 제2 기준 전류를 생성하고, 상기 센싱된 전류와 상기 제2 기준 전류를 비교하여 그 차이에 대응되는 전압을 상기 복수의 스위치 각각의 게이트 단자로 출력할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 저항은 상호 직렬 연결되되, 상기 복수의 저항의 일단은 상기 복수의 스위치 각각의 소스 단자에 연결되고, 각각의 타단은 인접한 저항의 일단에 접속되되, 상기 복수의 LED 중 상기 정류부의 출력단과 가장 멀리 이격되어 접속된 LED에 결합된 스위치의 소스 단자에 연결된 저항의 타단은 접지 단자에 연결될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 저항의 값이 변경됨에 따라 상기 복수의 저항 각각의 일단에서 센싱되는 전류의 크기가 변경될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스위치 제어부는, 상기 복수의 저항 중 제1 저항의 후단에 연결되는 저항들에서 센싱된 전류의 합이 상기 제2 기준 전류 이상이면, 상기 복수의 스위치 중 상기 제1저항의 일단에 연결되는 제1 스위치를 턴오프시키되, 상기 제1 저항의 일단은 상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치에 연결될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스위치 제어부는, 상기 복수의 저항 중 제1 저항의 후단에 연결되는 저항들에서 센싱된 전류의 합이 상기 제2 기준 전류 미만이면, 상기 복수의 스위치 중 상기 제1 저항의 일단에 연결되는 제1 스위치를 턴온시키되, 상기 제1 저항의 일단은 상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치에 연결될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스위치 제어부는, 상기 기준 정류 전압과 상기 정류 전압을 비교하여 상기 전압 변화량을 검출하는 전압 변화량 검출부, 설정된 제1 기준 전류에 상기 전압 변화량을 반영하여 제2 기준 전류를 생성하고, 상기 제2 기준 전류에 대응되는 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부, 상기 복수의 저항 각각의 일단에서 센싱되는 전류를 그에 대응되는 센싱 전압으로 변경하고, 상기 센싱 전압과 상기 기준 전압을 비교하여 그 차이 전압을 상기 복수의 스위치 각각의 게이트 단자로 출력하는 스위치 제어신호 생성부를 포함할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기준 전압 생성부는, 상기 전압 변화량이 상향된 값이면 상기 제2 기준 전류를 상기 제1 기준 전류보다 상기 전압 변화량에 대응되는 크기만큼 하향 조정하고, 상기 전압 변화량이 하향된 값이면 상기 제2 기준 전류를 상기 제1 기준 전류보다 상기 전압 변화량에 대응되는 크기만큼 상향 조정할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스위치 제어신호 생성부는 상기 복수의 스위치로 상기 차이 전압을 각각 출력하는 복수의 스위치 제어전압 생성부를 포함하며, 상기 복수의 스위치 제어전압 생성부 각각은, 부궤환 피드백 루프를 갖는 제1 연산기, 상기 제1 연산기의 (-) 단자에 연결되어 상기 센싱 전류를 상기 센싱 전압으로 변경하는 입력 임피던스, 상기 제2 연산기의 출력단과 (-) 단자 사이에 연결되는 피드백 임피던스를 포함하되, 상기 제2 연산기는 (-) 단자로 입력되는 상기 센싱 전압과 (+) 단자로 입력되는 상기 기준 전압을 비교하여, 그 차이에 대응되는 게이트 입력 전압을 해당 스위치의 게이트 단자로 출력할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 스위치 각각은 상기 스위치 제어부로부터 게이트 단자로 입력되는 전압이 해당 스위치의 문턱 전압 미만이면 턴오프될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스위치 제어부는, 상기 복수의 스위치 중 제1 스위치의 전류 하강 구간과 제2 스위치의 전류 상승 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 교류 전원이 기준 교류 전원보다 그 크기가 상향 또는 하향 변화될 때, 교류 전원의 전압 변화량에 따라 LED에 흐르는 전류를 가변 제어함으로써, 전체 LED에 흐르는 전류가 일정하게 유지될 수 있다.

또한, 본원에서는 상호 직렬 연결된 복수의 LED를 순차적으로 발광 구동하여, 교류 전압과 같은 정현파에 근사한 LED 구동 전류를 제공함으로써, LED 발광 효율의 편차를 줄이고 역률 및 전고조파 왜율(THD) 등의 문제를 해결할 수 있다.

또한, 본원에서는 어느 하나의 스위치에 흐르는 전류를 제어하기 위해서 다른 스위치에 흐르는 전류를 반영함으로써, 다단으로 구동하는 스위치의 전류 상승 구간 및 전류 하강 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

또한, 본원에서는 스위치의 전류 상승 구간과 전류 하강 구간이 중첩되도록 제어함으로써, 스위치의 턴온/턴오프 시에 LED 구동 전류에 발생하는 과전류 또는 딥을 방지할 수 있다.

더하여, 본원에서는 LED구동 전류에 발생하는 과전류 또는 딥과 같은 노이즈를 제거함으로써, 조명 규격에서 요구하는 EMI(Electro Magnetic Interference)특성을 만족시킬 수 있다.

도 1은 본원의 실시예에 따른 교류 전원을 사용하는 LED 발광장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 스위치 제어부의 구성도이다.
도 3a는 기준 정류 전압 대비 증가된 상향 정류 전압을 나타내는 도면이고, 도 3b는 기준 구동 전류 및 상향 정류 전압에 따른 하향 구동 전류 나타내는 도면이다.
도 4a는 기준 정류 전압 대비 감소된 하향 정류 전압을 나타내는 도면이고, 도 4b는 기준 구동 전류 및 하향 정류 전압에 따른 상향 구동 전류를 나타내는 도면이다.
도 5는 본원의 실시예에 따른 LED 구동 전류와 복수의 스위치의 전류 흐름 연결 관계를 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 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.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

도 1은 본원의 실시예에 따른 교류 전원을 사용하는 LED 발광장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, LED 발광장치는 교류 전원(10), 정류부(20), 복수의 LED(31-34)를 포함하는 발광소자부(30), 복수의 LED(31-34)의 캐소드 단자에 드레인 단자가 연결되는 복수의 스위치(41-44)를 포함하는 스위치부(40), 일단은 이전 스위치의 소스 단자에 연결되고 타단은 다음 스위치의 소스 단자에 연결되는 복수의 저항(R1-R4)을 포함하는 저항부(50), 복수의 저항(R1-R4)의 일단과 스위치의 접속 노드 각각에서 전류(I1-I4)를 센싱하고, 센싱된 전류와 기준 전류를 비교하여 그 차이에 대응되는 전압(Vc1-Vc4)을 복수의 스위치(41-44)의 게이트 단자로 출력하는 스위치 제어부(100)를 포함한다.

교류 전원(10)은 LED 발광장치의 입력 전원으로서 기본 주파수에 따라 크기와 방향이 변하는 특성을 가진다.

정류부(20)는 입력 교류 전원을 정류하여 정류된 전압 형태를 갖는 구동 전압(Vin)으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 정류부(20)는 정현파 형태의 교류 전원을 전파 정류 또는 브릿지 정류하는 회로로 구성될 수 있다.

정류부(20)에서 출력되는 정류 전압은 교류 전원(10)의 크기가 변함에 따라 가변될 수 있다. 통상적으로 교류 전원(10)의 실효 전압이 220V 라고 가정할 때, 아래에서는 정류부(20)에서 출력되는 정류 전압의 실효 전압이 220V인 정류 전압을 "기준 정류 전압"이라 하고, 실효 전압이 220V를 초과한 정류 전압을 "상향 정류 전압"이라 하고, 실효 전압이 220V 미만인 정류 전압을 "하향 정류 전압"이라 한다(도 3a 및 도 4b 참조).

발광소자부(30)의 복수의 LED(31-34)는 정류부(20)의 출력단에 직렬로 연결되어, 정류 전압이 증가함에 따라 순차적으로 발광하고 정류 전압이 감소함에 따라 순차적으로 비발광한다.

도 1에서는 설명의 편의상 발광소자부(30)가 4개의 LED(31-34)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 발광소자부(30)에서 LED의 개수는 이에 한정되지 않는다.

또한, 제1 내지 제4 LED(31-34) 각각은 적어도 하나 이상의 직렬 연결된 LED들일 수 있고, 동일 극성이 상호 연결된(즉, 병렬 연결된) 복수의 LED로 구성될 수 있다.

스위치부(40)에 포함되는 복수의 스위치(41-44)는 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)로서, 복수의 스위치(41-44) 각각의 드레인 단자는 복수의 LED(31-34) 각각의 캐소드 단자에 연결되어 있고, 복수의 스위치(41-44) 각각의 게이트 단자는 스위치 제어부(100)와 연결되어 있고, 복수의 스위치(41-44) 각각의 소스 단자는 복수의 저항(R1~R4) 각각의 일단과 연결되어 있다.

이때, 저항부(50)에 포함되는 복수의 저항(R1-R4)는 상호 직렬 연결되어 있으며, 마지막 저항인 제4저항(R4)의 타단은 접지 단자에 연결되어 있다.

본원의 실시예에서 마지막 저항은 직렬 연결된 복수의 LED(31-34) 중 정류부(20)에서 가장 멀리 이격되어 접속된 LED(34)에 접속된 스위치(44)의 소스 단자에 일단이 연결되는 저항이다.

보다 구체적으로, 제1 저항(R1)의 일단은 제1 스위치(41)의 소스 단자에 연결되어 있고, 제1 저항(R1)의 타단은 제2 저항(R2)과 제2 스위치(42)의 접속 노드에 연결되어 있다. 제2 저항(R2)의 일단은 제1 저항(R1)과 제2 스위치(42)의 접속 노드에 연결되어 있고, 제2 저항(R2)의 타단은 제3 저항(R3)과 제3 스위치(43)의 접속 노드에 연결되어 있다. 제3 저항(R3)의 일단은 제2 저항(R2)과 제3 스위치(43)의 접속 노드에 연결되어 있고, 제3 저항(R3)의 타단은 제4 저항(R4)과 제4 스위치(44)의 접속 노드에 연결되어 있다. 마지막 저항인 제4 저항(R4)의 일단은 제3저항(R3)와 제4 스위치(44)의 접속 노드에 연결되어 있고, 제4 저항(R4)의 타단은 접지 단자에 연결되어 있다.

이러한 저항부(50)에 포함되는 복수의 저항(R1-R4)의 연결 관계에 따라, 제1 스위치(41)를 통해 저항부(50)로 입력되는 전류는 제1 저항(R1), 제2저항(R2), 제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)를 통해 접지 단자로 흐른다. 제2 스위치(42)를 통해 저항부(50)로 입력되는 전류는 제2 저항(R2), 제3 저항(R3) 및 제4 저항을 통해 접지 단자로 흐른다. 제3 스위치(43)를 통해 저항부(50)로 입력되는 전류는 제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)을 통해 접지 단자로 흐른다. 제4 스위치(44)를 통해 저항부(50)로 입력되는 전류는 제4 저항(R4)을 통해 접지 단자로 흐른다.

스위치 제어부(100)는 복수의 저항(R1-R4) 각각의 일단과 연결되어 복수의 스위치(41-44)에 흐르는 전류를 센싱한다. 저항부(50)에 의해 센싱되는 전류(I1-I4)의 크기는 저항부(50)에 포함되는 복수의 저항(R1-R4)의 값이 변함에 따라 변경될 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 전류(I1)는 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)을 통해 센싱되는 전류이고, 제2 전류(I2)는 제2 저항(R2), 제3 저항(R3) 및 제4저항(R4)을 통해 센싱되는 전류이고, 제3 전류(I3)는 제3 저항(R3) 및 제4저항(R4)을 통해 센싱되는 전류이고, 제4 전류(I4)는 제4 저항(R4)을 통해 센싱되는 전류이다.

스위치 제어부(100)는 제1 내지 제4 전류(I1-I4)를 센싱하고, 센싱된 전류와 기준 전류를 비교하여 그 차이에 대응되는 전압(Vc1-Vc4)을 각 스위치(41-44)의 게이트 단자로 출력한다. 이러한 스위치 제어부(100)의 구성 및 동작에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

도 2는 도 1의 스위치 제어부의 구성도이고, 도 3a는 기준 정류 전압 대비 증가된 상향 정류 전압을 나타내는 도면이고, 도 3b는 기준 구동 전류 및 상향 정류 전압에 따른 하향 구동 전류 나타내는 도면이고, 도 4a는 기준 정류 전압 대비 감소된 하향 정류 전압을 나타내는 도면이고, 도 4b는 기준 구동 전류 및 하향 정류 전압에 따른 상향 구동 전류를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시되 바와 같이, 스위치 제어부(100)는 전압 변화량 검출부(110), 기준 전압 생성부(120) 및 스위치 제어신호 생성부(130)를 포함한다.

전압 변화량 검출부(110)는 차동증폭기(OP1)를 이용하여 정류부(20)의 출력단(a)과 접지 단자(b) 사이에서 입력되는 전압과 기준 정류 전압 사이의 전압 변화량을 검출한다.

이때, 전압 변화량 검출부(110)는 차동증폭기(OP1)의 출력단과 커패시터를 분리하기 위한 다이오드(D)와, 차동증폭기(OP1)의 출력의 변화량을 평균화, 즉 DC로 변환하여 제어하는 커패시터(C)를 더 포함할 수 있다.

통상적으로 교류 전원(10)의 실효 전압이 220V라고 가정할 때 교류 전원의 크기 전압은 220V보다 크거나 작게 변할 수 있다. 따라서, 본원의 실시예에서 전압 변화량 검출부(110)는 차동증폭기(OP1)를 이용하여 기준 LED 구동 전압 대비 교류 전압의 전압 변화량을 검출한다.

기준 전압 생성부(120)는 연산기(OP2)를 이용하여 전압 변화량 검출부(110)에서 출력되는 전압 변화량을 설정된 제1 기준 전류(Iref1)를 비교하여 전압 변화량이 반영된 제2 기준 전류(Iref2)를 출력한다.

도 3a의 상향 정류 전압과 같이 전압 변화량이 증가한 경우, 기준 전압 생성부(120)는 제1 기준 전류(Iref1)에서 전압 변화량에 대응되는 전류만큼 감소된 제2 기준 전류(Iref2)를 출력한다.

또한, 도 4a의 하향 정류 전압과 같이 전압 변화량이 감소한 경우, 기준 전압 생성부(120)는 제1 기준 전류(Iref1)에서 전압 변화량에 대응되는 전류만큼 증가된 제2 기준 전류(Iref2)를 출력한다.

이와 같이, 본원에서는 교류 전원(또는 정류 전압)의 가변 특성을 고려하여 복수의 스위치(41-44) 제어에 적용되는 제2 기준 전류(Iref2)의 크기를 변경할 수 있다.

다음으로, 기준 전압 생성부(120)는 연산기(OP3-OP6)를 이용하여 제2 기준 전류에 대응되는 기준 전압을 생성하여 스위치 제어신호 생성부(130)로 각각 출력한다. 본원에서는 기준 전압 생성부(120)가 하나의 기준 전압을 생성하여 스위치 제어신호 생성부(130)로 출력함으로써, 저항부(50)에 포함되는 저항값을 보다 쉽게 선정할 수 있다.

스위치 제어신호 생성부(130)는 제1 내지 제4 스위치 제어전압 생성부(131-134)를 포함하며, 제1 내지 제4 스위치 제어전압 생성부(131-134)는 그 구성 및 동작이 동일하므로, 제1 스위치 제어전압 생성부(131)를 대표하여 설명한다.

제1 스위치 제어전압 생성부(131)는 제1 저항(R1)의 일단에서 센싱된 센싱 전류(I1)에 대응되는 전압(V1)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 차이에 대응되는 게이트 입력 전압(Vc1)을 제1 스위치(41)의 게이트 단자로 출력한다. 그러면, 제1 스위치(41)는 게이트 입력 전압(Vc1)에 의해서 제1 스위치(Vc1)를 통해 흐르는 전류의 크기가 제어되면서, 턴온(Turn-On)/턴오프(Turn-Off) 상태가 결정된다.

보다 구체적으로, 제1 스위치 제어전압 생성부(131)는 부궤환 피드백 루프를 갖는 연산기(OP7), 입력 임피던스(Z7) 및 피드백 임피던스(Z8)를 포함한다.

입력 임피던스(Z7)는 연산기(OP7)의 (-) 단자에 연결되어 있고, 피드백 임피던스(Z8)는 연산기(OP7)의 출력단과 (-) 단자 사이에 연결되어 있다.

본원의 실시예에서는 입력 임피던스(Z7)에 비해 피드백 임피던스(Z8)를 상대적으로 크게 설정하여, 연산기(OP7)의 이득(Gain)이 높일 수 있다. 또한, 연산기(OP7)의 이득이 높아짐에 따라 연산기(OP7)의 응답 속도가 빨라져 연산기(OP7)의 안정화 특성을 높일 수 있다.

연산기(OP7)는 (-) 단자로 입력되는 센싱 전류(I1)에 대응되는 전압(V1)과 (+) 단자로 입력되는 기준 전압(Vref)을 비교하여, 그 차이에 대응되는 제1 게이트 입력 전압(Vc1)을 제1 스위치(41)의 게이트 단자로 출력한다.

게이트 단자로 입력되는 제1 게이트 입력 전압(Vc1)에 의해, 제1 스위치(41)의 게이트 단자와 소스 단자 사이의 VGS 전압이 가변하게 되고, VGS 전압에 따라 제1 스위치(41)의 턴온/턴오프 상태가 결정된다. 보다 구체적으로, 제1 게이트 입력 전압(Vc1)이 커질수록 VGS 전압은 점점 커지고, VGS 전압이 점점 커질수록 Rds(ON) 저항이 작아지면서 제1 스위치(41)는 턴온 상태가 된다. 이와 반대로, 제1 게이트 입력 전압(Vc1)이 작아질수록 VGS 전압은 점점 작아지고, VGS 전압이 점점 작아질수록 Rds(ON) 저항이 커지면서 제1 스위치(41)는 턴오프 상태가 된다.

상기한 스위치 제어부(100)의 동작을 정리하면 다음과 같다.

정류부(20)에서 출력되는 전압이 상향 정류 전압이면, 기준 전압 생성부(120)는 하향 조정되는 기준 전압(Vref)을 출력하고, 복수의 스위치 제어전압 생성부(131-134)는 하향 조정되는 기준 전압(Vref)에 따라 각 스위치에 흐르는 전류가 감소되도록 게이트 입력 전압(Vc1-Vc4)을 출력한다.

그러면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 LED(31-33)에 흐르는 LED 구동 전류(하향 LED 구동 전류)는 기준 LED 구동 전류에 비해 낮게 조정된다.

이와 반대로, 정류부(20)에서 출력되는 전압이 하향 정류 전압이면, 기준 전압 생성부(120)는 상향 조정되는 기준 전압(Vref)을 출력하고, 복수의 스위치 제어전압 생성부(131-134)는 상향 조정되는 기준 전압(Vref)에 따라 각 스위치에 흐르는 전류가 증가되도록 게이트 입력 전압(Vc1-Vc4)을 출력한다.

그러면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 LED(31-33)에 흐르는 LED 구동 전류(상향 LED 구동 전류)는 기준 LED 구동 전류에 비해 높게 조정된다.

이와 같이, 본원의 실시예에서는 교류 전원의 실효 전압이 가변함에 따라 각 LED에 흐르는 전류를 제어함으로써, 전체 LED에 흐르는 전류가 교류 전원의 가변 특성에 관계 없이 항상 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본원의 실시예에 따른 LED 발광장치의 동작에 대해서는 도 5 를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 5는 본원의 실시예에 따른 LED 구동 전류와 복수의 스위치의 전류 흐름 연결 관계를 나타내는 도면이다.

동작에 앞서, 복수의 스위치(41-44)는 턴온 상태이며, 전류를 싱크(sink)하고 있다고 가정한다. 또한, 상향 LED 구동 전류, 하향 LED 구동 전류 및 기준 LED 구동 전류에 따른 복수의 스위치(41-44)의 전류 흐름에 있어서, 복수의 스위치(41-44)에 시간적으로 더 빨리 전류가 흐르거나 더 늦게 전류가 흐르는 차이가 있을 뿐, 스위치에 전류를 흐르게 하는 구동 동작은 동일하다. 따라서, 도 5에서의 LED 구동 전류는 상향 LED 구동 전류, 하향 LED 구동 전류 및 기준 LED 구동 전류 중 어느 하나의 구동 전류일 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 정류 전압이 복수의 LED(31-34) 중 제1 LED(31)의 순방향 전압(Vf1)보다 낮은 구간(t0-t1 시점)에서는 모든 LED(31-34)가 비발광된다.

그러나, 정류 전압이 복수의 LED(31-34) 중 제1 LED(31)의 순방향 전압(Vf1) 이상이 되면(t1 시점), 제1 LED(31)에 전류가 흘러 발광된다. 이때, 도 5의 t1 시점과 같이, 제1 스위치(41)에는 점점 상승하는 전류가 흐르게 되고, 제1 저항(R1)의 일단에서 센싱된 제1 전류(I1)는 상승하게 된다.

정류 전압이 복수의 LED(31-34) 중 제1 LED(31) 및 제2 LED(32)의 순방향 전압(Vf2) 이상이 되면(t2 시점), 제1 LED(31) 및 제2 LED(32)에 전류가 흘러 발광된다. 이때, 제1 저항(R1)의 일단에서 센싱되는 제1 전류(I1)는 제 2 LED(32)가 발광함에 따라 제2 전류(I2)가 증가하면서 증가하게 된다.

따라서, 스위치 제어부(100)의 제1 스위치 제어전압 생성부(131)는 제1 전류(I1)에 대응되는 제1 전압(V1)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 차이에 대응되는 제1 게이트 입력 전압(Vc1)을 제1 스위치(41)의 게이트 단자로 출력한다. 제1 게이트 입력 전압(Vc1)은 제1 전류(I1)가 증가함에 따라 감소하므로, 제1 스위치(41)에 흐르는 전류는 도 5의 t2 시점과 같이 점차적으로 감소하게 된다. 전류가 감소하다가 제1 스위치(41)에 전류가 흐르지 않으면 제1 스위치(41)는 턴오프된다. 즉, 제1 스위치(41)는 제2 스위치(42) 내지 제4 스위치(44)에 흐르는 전류의 합이 제2 기준 전류(Iref2) 이상이면, 턴오프 상태를 유지하게 된다.

이때, 도 5의 t2 시점에서는 제2 LED(32)가 발광되면서 제2 스위치(42)에는 점차적으로 상승하는 전류가 흐르게 된다.

이와 같이, 본원의 실시예에서는 도 5의 t2 시점과 같이 제1 스위치(41)의 전류가 점진적으로 감소할 때 제2 스위치(42)의 전류가 점진적으로 증가할 수 있다. 본원의 실시예에서는 제1 스위치(41)의 전류 하강 구간과 제2 스위치(42)의 전류 상승 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

정류 전압이 복수의 LED(31-34) 중 제1 내지 제3 LED(31-33)의 순방향 전압(Vf3) 이상이 되면(t3 시점), 제1 내지 제3 LED(31-33)에 전류가 흘러 발광된다. 이때, 제2 저항(R2)의 일단에서 센싱되는 제2 전류(I2)는 제3 LED(33)가 발광함에 따라 증가하게 된다.

따라서, 스위치 제어부(100)의 제2 스위치 제어전압 생성부(132)는 제2 전류(I2)에 대응되는 제2 전압(V2)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 차이에 대응되는 제2 게이트 입력 전압(Vc2)을 제2 스위치(42)의 게이트 단자로 출력한다. 제2 게이트 입력 전압(Vc2)은 제2 전류(I2)가 증가함에 따라 감소하므로, 제2 스위치(42)에 흐르는 전류는 도 5의 t3 시점과 같이 점차적으로 감소하게 된다. 전류가 감소하다가 제2 스위치(42)에 전류가 흐르지 않으면 제2 스위치(42)는 턴오프된다. 즉, 제2 스위치(42)는 제3 스위치(43) 및 제4 스위치(44)에 흐르는 전류의 합이 제2 기준 전류(Iref2) 이상이면, 턴오프 상태를 유지하게 된다.

이때, 도 5의 t3 시점에서는 제3 LED(33)가 발광되면서 제3 스위치(43)에는 점차적으로 상승하는 전류가 흐르게 된다.

도 5의 t3 시점과 같이, 본원의 실시예에서는 제2 스위치(42)의 전류가 점진적으로 감소할 때 제3 스위치(43)의 전류가 점진적으로 증가할 수 있다. 즉, 제2 스위치(42)의 전류 하강 구간과 제3 스위치(43)의 전류 상승 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

정류 전압이 더욱 증가하여 복수의 LED(31-34) 중 제1 내지 제4 LED(31-34)의 순방향 전압(Vf4) 이상이 되면(t4 시점), 제1 내지 제4 LED(31-34)에 전류가 흘러 발광된다. 이때, 제3 저항(R3)의 일단에서 센싱되는 제3 전류(I3)는 제4 LED(34)가 발광함에 따라 증가하게 된다.

따라서, 스위치 제어부(100)의 제3 스위치 제어전압 생성부(133)는 제3 전류(I3)에 대응되는 제3 전압(V3)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 차이에 대응되는 제3 게이트 입력 전압(Vc3)을 제3 스위치(43)의 게이트 단자로 출력한다. 제3 게이트 입력 전압(Vc3)은 제3 전류(I3)가 증가함에 따라 감소하므로, 제3 스위치(43)에 흐르는 전류는 도 5의 t4 시점과 같이 점차적으로 감소하게 된다. 전류가 감소하다가 제3 스위치(43)에 전류가 흐르지 않으면 제3 스위치(43)는 턴오프된다. 즉, 제3 스위치(43)는 제4 스위치(44)에 흐르는 전류가 제2 기준 전류(Iref2) 이상이면, 턴오프 상태를 유지하게 된다.

이때, 도 5의 t4 시점에서는 제4 LED(34)가 발광되면서 제4 스위치(44)에는 점차적으로 상승하는 전류가 흐르게 된다.

도 5의 t4 시점과 같이, 본원의 실시예에서는 제3 스위치(43)의 전류가 점진적으로 감소할 때 제4 스위치(44)의 전류가 점진적으로 증가할 수 있다. 이로 인해, 제3 스위치(43)의 전류 하강 구간과 제4 스위치(44)의 전류 상승 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

정류 전압이 순방향 전압(Vf4) 이상인 구간(t4-t5)에서, 스위치 제어부(100)의 제4 스위치 제어전압 생성부(134)는 제4 전류(I4)에 대응되는 제4 전압(V4)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 차이에 대응되는 제4 게이트 입력 전압(Vc4)을 제4 스위치(44)의 게이트 단자로 출력한다. 이때, 본원의 실시예에서는 제4 게이트 입력 전압(Vc4)은 항상 제4 스위치(44)의 문턱 전압(Vth) 이상이 되도록 제어한다. 따라서, 정류 전압이 순방향 전압(Vf4) 이상인 구간에서는 제4 스위치(44)는 턴온 상태를 유지한다.

상기한 바와 같이, 정류 전압이 상승하는 구간에서 스위치 제어부(100)는 어느 하나의 저항의 후단에 연결되는 저항들에서 센싱된 전류의 합이 기준 전류 이상이면, 어느 하나의 저항에 연결된 스위치가 턴오프되도록 제어한다. 이로 인해, 복수의 스위치(41-44)의 전류 상승 구간과 전류 하강 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

이후의 정류 전압 감소 구간(t5-t8)에서 스위치 제어부(100)의 동작은 상기한 t1-t4 동작의 역순으로 이루어진다.

따라서, 정류 전압이 순방향 전압(Vf4) 이하가 되는 t5 시점에서의 동작을 대표하여 설명한다.

정류 전압이 순방향 전압(Vf4) 이하가 되면(t5 시점), 제4 LED(34)는 비발광되면서 제4 전류(I4)가 감소하고, 제4 전류(I4)가 감소함에 따라 제3 저항(R3)에서 센싱되는 제3 전류(I3)가 감소하게 된다.

따라서, 스위치 제어부(100)의 제3 스위치 제어전압 생성부(133)는 제3 전류(I3)에 대응되는 제3 전압(V3)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 차이에 대응되는 제3 게이트 입력 전압(Vc3)을 제3 스위치(43)의 게이트 단자로 출력한다. 제3 게이트 입력 전압(Vc3)은 제3 전류(I3)가 감소함에 따라 증가하므로, 제3 스위치(43)에 흐르는 전류는 도 5의 t5 시점과 같이 점차적으로 증가하게 된다. 즉, 제3 스위치(43)는 제4 스위치(44)에 흐르는 전류가 기준 전류(Iref) 미만이면, 턴온 상태가 된다. 즉, 제3 스위치(43)는 제4 스위치(44)에 흐르는 전류가 제2 기준 전류(Iref1) 미만이면, 턴온 상태를 유지하게 된다.

이때, 도5의 t5 시점에서는 제4 LED(34)가 비발광하면서 제4 스위치(44)에는 점차적으로 감소하는 전류가 흐르고, 이와 동시에 도3 스위치(43)에는 점차적으로 증가하는 전류가 흐른다. 즉, 제4 스위치(44)의 전류 하강 구간과 제3 스위치(43)의 전류 상승 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

상기한 바와 같이, 정류 전압이 감소하는 구간에서 스위치 제어부(100)는 어느 하나의 저항 후단에 연결되는 저항들에서 센싱된 전류의 합이 기준 전류 미만이면, 어느 하나의 저항에 연결된 스위치가 턴온되도록 제어한다. 이로 인해, 복수의 스위치(41-44)의 전류 상승 구간과 전류 하강 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

이와 같이, 본원의 실시예에서는 상호 직렬 연결된 복수의 LED(31-34)를 순차적으로 발광 구동하여, 도 3b 및 도 4b에 도시된 바와 같이 교류 전압과 같은 정현파에 근사한 LED 구동 전류를 제공함으로써, LED 발광 효율의 편차를 줄일 수 있고 역률 및 전고조파 왜율(THD) 등의 문제를 해결할 수 있다.

또한, 본원의 실시예에서는 스위치 제어부가 어느 하나의 스위치의 턴온/턴오프를 제어하기 위해서 어느 하나의 스위치의 후단에 연결된 스위치에 흐르는 전류를 반영함으로써, 다단으로 구동하는 스위치의 전류 상승 구간 및 전류 하강 구간이 중첩되도록 제어할 수 있다.

또한, 본원의 실시예에서는 스위치의 전류 상승 구간과 전류 하강 구간이 중첩되도록 제어함으로써, 스위치의 턴온/턴오프 시에 LED 구동 전류에 발생하는 과전류 또는 딥을 방지할 수 있다.

더하여, 본원의 실시예에서는 LED 구동 전류에 발생하는 과전류 또는 딥과 같은 노이즈를 제거함으로써, 조명 규격에서 요구하는 EMI(Electro Magnetic Interference)특성을 만족시킬 수 있다.

마지막으로, 본원의 실시예에서는 교류 전원이 기준 교류 전원보다 그 크기가 상향 또는 하향 변화하는 문제가 발생하더라도, 전압 변화량에 따라 LED에 흐르는 전류를 가변 제어함으로써, 전체 LED에 흐르는 전류가 일정하게 유지될 수 있다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 교류 전원
20: 정류부
30: 발광소자부
40: 스위치부
50: 저항부
100: 스위치 제어부
110: 전압 변화량 검출부
120: 기준 전압 생성부
130: 스위치 제어신호 생성부

Claims

교류 전압을 정류하여 정류 전압을 생성하는 정류부,
상기 정류부의 출력단에 직렬로 연결되는 복수의 LED,
상기 복수의 LED 각각의 캐소드에 드레인 단자가 연결되는 복수의 스위치, 및
설정된 기준 정류 전압과 상기 정류 전압을 비교하여 상기 정류 전압의 전압 변화량을 검출하고, 상기 전압 변화량을 고려하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 가변시키는 제어신호를 상기 복수의 스위치의 게이트 단자로 출력하는 스위치 제어부를 포함하는 LED 발광장치.
제1항에 있어서,
상기 스위치 제어부는,
상기 복수의 스위치의 소스 단자에 각각 연결되는 복수의 저항을 통해 전류를 센싱하고, 설정된 제1 기준 전류에 상기 전압 변화량을 반영하여 제2 기준 전류를 생성하고, 상기 센싱된 전류와 상기 제2 기준 전류를 비교하여 그 차이에 대응되는 전압을 상기 복수의 스위치 각각의 게이트 단자로 출력하는 LED 발광장치.
제2항에 있어서,
상기 복수의 저항은 상호 직렬 연결되되,
상기 복수의 저항의 일단은 상기 복수의 스위치 각각의 소스 단자에 연결되고, 각각의 타단은 인접한 저항의 일단에 접속되되,
상기 복수의 LED 중 상기 정류부의 출력단과 가장 멀리 이격되어 접속된 LED에 결합된 스위치의 소스 단자에 연결된 저항의 타단은 접지 단자에 연결되는 LED 발광장치.
제2항에 있어서,
상기 복수의 저항의 값이 변경됨에 따라 상기 복수의 저항 각각의 일단에서 센싱되는 전류의 크기가 변경되는 LED 발광장치.
제2항에 있어서,
상기 스위치 제어부는,
상기 복수의 저항 중 제1 저항의 후단에 연결되는 저항들에서 센싱된 전류의 합이 상기 제2 기준 전류 이상이면, 상기 복수의 스위치 중 상기 제1저항의 일단에 연결되는 제1 스위치를 턴오프시키되,
상기 제1 저항의 일단은 상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치에 연결되는 LED 발광장치.
제2항에 있어서,
상기 스위치 제어부는,
상기 복수의 저항 중 제1 저항의 후단에 연결되는 저항들에서 센싱된 전류의 합이 상기 제2 기준 전류 미만이면, 상기 복수의 스위치 중 상기 제1 저항의 일단에 연결되는 제1 스위치를 턴온시키되,
상기 제1 저항의 일단은 상기 복수의 스위치 중 어느 하나의 스위치에 연결되는 LED 발광장치.
제2항에 있어서,
상기 스위치 제어부는,
상기 기준 정류 전압과 상기 정류 전압을 비교하여 상기 전압 변화량을 검출하는 전압 변화량 검출부,
설정된 제1 기준 전류에 상기 전압 변화량을 반영하여 제2 기준 전류를 생성하고, 상기 제2 기준 전류에 대응되는 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부, 및
상기 복수의 저항 각각의 일단에서 센싱되는 전류를 그에 대응되는 센싱 전압으로 변경하고, 상기 센싱 전압과 상기 기준 전압을 비교하여 그 차이 전압을 상기 복수의 스위치 각각의 게이트 단자로 출력하는 스위치 제어신호 생성부를 포함하는 LED 발광장치.
제7항에 있어서,
상기 기준 전압 생성부는,
상기 전압 변화량이 상향된 값이면 상기 제2 기준 전류를 상기 제1 기준 전류보다 상기 전압 변화량에 대응되는 크기만큼 하향 조정하고,
상기 전압 변화량이 하향된 값이면 상기 제2 기준 전류를 상기 제1 기준 전류보다 상기 전압 변화량에 대응되는 크기만큼 상향 조정하는 LED 발광장치.
제7항에 있어서,
상기 스위치 제어신호 생성부는 상기 복수의 스위치로 상기 차이 전압을 각각 출력하는 복수의 스위치 제어전압 생성부를 포함하며,
상기 복수의 스위치 제어전압 생성부 각각은,
부궤환 피드백 루프를 갖는 제1 연산기,
상기 제1 연산기의 (-) 단자에 연결되어 상기 센싱 전류를 상기 센싱 전압으로 변경하는 입력 임피던스, 및
상기 제2 연산기의 출력단과 (-) 단자 사이에 연결되는 피드백 임피던스를 포함하되,
상기 제2 연산기는 (-) 단자로 입력되는 상기 센싱 전압과 (+) 단자로 입력되는 상기 기준 전압을 비교하여, 그 차이에 대응되는 게이트 입력 전압을 해당 스위치의 게이트 단자로 출력하는 LED 발광장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 스위치 각각은 상기 스위치 제어부로부터 게이트 단자로 입력되는 전압이 해당 스위치의 문턱 전압 미만이면 턴오프되는 LED 발광장치.
제1항에 있어서,
상기 스위치 제어부는,
상기 복수의 스위치 중 제1 스위치의 전류 하강 구간과 제2 스위치의 전류 상승 구간이 중첩되도록 제어하는 LED 발광장치.