KR20140050955A - Ｄｉｒｅｃｔ ＡＣ ＬＥＤ 구동 장치 및 구동 방법 - Google Patents

Ｄｉｒｅｃｔ ＡＣ ＬＥＤ 구동 장치 및 구동 방법 Download PDF

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Abstract

Ｄｉｒｅｃｔ ＡＣ ＬＥＤ 구동 장치 및 구동 방법을 개시한다.
리플 성분을 갖는 교류를 제공하는 교류전원; 하나 이상의 LED어레이를 직렬로 연결하고, LED어레이 사이의 접점에는 스위칭 전류 리미터를 연결한 제1 내지 제 N LED모듈; 상기 교류전원의 일측에 상기 제1 내지 제 N(단, N은 1 이상의 자연수) LED모듈이 순차적으로 연결되고, 상기 제1 내지 제 N LED모듈 사이마다 각각 제1 내지 제 (N-1)역바이어스 방지 소자가 순차적으로 연결되고, 각각의 [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수) LED모듈과 제 M 역바이어스 방지 소자의 접접]과 상기 교류전원의 타측 사이에는 구동용 스위칭 전류 리미터를 연결하고, 제 N LED모듈의 양단 중 역바이어스 방지 소자가 연결되지 않은 단자와 상기 교류전원의 타측 사이에는 구동용 스위칭 전류 리미터를 연결하는 LED모듈부; 상기 교류전원의 일측에 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 일측을 연결하고 상기 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 타측과 모든 [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수)역바이어스 방지 소자와 제 M+1 LED모듈 사이의 접접] 사이에 제 1 내지 제 (N-1) 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 타측에 제1 커패시터의 일측을 연결하고 상기 제1 커패시터의 타측과 상기 교류전원의 타측 사이에 충전용 스위칭 전류 리미터 및 제1 방전용 역바이어스 방지 소자를 병렬로 연결하는 충방전부; 및 상기 LED모듈부로 공급되는 상기 교류전원의 전압이 증가함에 따라 상기 직렬 연결된 LED어레이를 순차 발광시키되, 상기 전압이 증가하여 소정치 이상인 경우 상기 제1 커패시터에 충전되고 상기 전압이 감소하여 특정치 이하인 경우 방전되도록 각각의 구동용 스위칭 전류 리미터, 상기 충전용 스위칭 전류 리미터 및 상기 제 1 내지 제 (N-1) 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.

Description

Ｄｉｒｅｃｔ ＡＣ ＬＥＤ 구동 장치 및 구동 방법{Driving Method and Apparatus for Direct AC LED}
본 실시예는 Ｄｉｒｅｃｔ ＡＣ ＬＥＤ 구동 장치 및 구동 방식에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전파 정류된 교류전원을 직접 입력하여도 깜빡임이 적은 LED 회로 배열과 구동방식에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
도 1은 직류-직류 변환기를 이용한 LED 구동방식을 나타낸 회로도이다. LED의 밝기는 전류에 비례하는 특성을 가지므로 일정한 밝기를 얻기 위해서 여러 개의 LED를 직렬로 연결한 후, 전류원으로 구동하는 방식을 일반적으로 사용한다. 이러한 방식을 사용함으로써 각 LED의 구동 전압(Turn-ON Voltage, VF)이 상이하더라도 직렬로 연결된 LED의 밝기는 동일하게 된다. 구동 전압(Turn-ON Voltage, VF)은 제조공정 및 전류에 영향을 받으며 여러 개의 LED를 구동하기 위해서는 상당히 높은 전압을 요구한다. 낮은 입력전원으로부터 LED구동에 필요한 높은 전압을 얻기 위해서 도면과 같이 승압형 직류-직류 변환기를 이용할 수 있다. (입력전원이 높은 경우에는 강압형 직류-직류 변환기를 이용하여 구성할 수 있다.) LED 구동전압을 얻기 위해서 직류-직류 변환기를 사용하는 경우 인덕터를 포함한 부가적인 외부소자가 필요하며 이는 제품의 수명 및 제조단가에 큰 영향을 끼치는 요소로써 작용한다.
도 2는 직류-직류 변환기를 사용하지 않고 직렬로 연결된 LED를 순차적으로 점등하는 회로도와 입력 전류의 그래프이다. 도 2의 (a)는 입력전원과 직렬 연결된 LED, 그리고 전류원을 나타내며, (b)는 각 입력 전압 구간별로 켜지는 전류원 및 이에 따른 입력 전류모양을 나타낸다. 입력 전류의 모양은 각 전류원의 값으로 바뀌게 되는데 전력 역률 및 THD(Total Harmonic Distortion, 전체 고조파 왜곡률) 등을 고려하면 입력전압 형태와 동일하게 하여 입력하는 것이 유리하다.
도 2의 (a)에서 제시된 구동방식에서 입력전압의 구간별로 켜지는 LED를 살펴보면 다음과 같다.
구간 0: 소등
구간 1: LED1(336)
구간 2: LED1(336), LED2(338)
구간 3: LED1(336), LED2(338), LED3(340)
구간 4: LED1(336), LED2(338), LED3(340), LED4(342)
구간 5: LED1(336), LED2(338), LED3(340)
구간 6: LED1(336), LED2(338)
구간 7: LED1(336)
구간 8: 소등
직류-직류 변환기에 비해서 도 2의 Direct AC 구동 방식은 외부 부품회로의 수가 크게 줄어드는 장점이 있으나, 입력전압이 낮을 때 모든 LED가 꺼지는 구간이 존재하여 깜빡임이 발생하고, LED를 점등하는 구간은 I1부터 I4가 점등되는 구간과 같으므로 점등 시간은 LED1(336)> LED2(338) > LED3(340) > LED4(342)가 된다. 이로 인해 빛의 균일도가 저하된다. 또한 점등 시간이 수명을 좌우하므로 LED별 수명의 격차가 커진다는 문제가 있다.
따라서 교류 전류원을 직접 사용하여도 가능한 한 균일한 밝기의 구동이 가능한 회로 배치 및 구동방법이 필요하다.
본 실시예는, 리플이 있는 교류전원을 인가받아도 점멸이 없는 Ｄｉｒｅｃｔ ＡＣ ＬＥＤ 구동 장치 및 구동 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면,
리플 성분을 갖는 교류를 제공하는 교류전원; 하나 이상의 LED어레이를 직렬로 연결하고, LED어레이 사이의 접점에는 스위칭 전류 리미터를 연결한 제1 내지 제 N LED모듈; 상기 교류전원의 일측에 상기 제1 내지 제 N(단, N은 1 이상의 자연수) LED모듈이 순차적으로 연결되고, 상기 제1 내지 제 N LED모듈 사이마다 각각 제1 내지 제 (N-1)역바이어스 방지 소자가 순차적으로 연결되고, 각각의 [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수) LED모듈과 제 M 역바이어스 방지 소자의 접접]과 상기 교류전원의 타측 사이에는 구동용 스위칭 전류 리미터를 연결하고, 제 N LED모듈의 양단 중 역바이어스 방지 소자가 연결되지 않은 단자와 상기 교류전원의 타측 사이에는 구동용 스위칭 전류 리미터를 연결하는 LED모듈부; 상기 교류전원의 일측에 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 일측을 연결하고 상기 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 타측과 모든 [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수)역바이어스 방지 소자와 제 M+1 LED모듈 사이의 접접] 사이에 제 1 내지 제 (N-1) 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 타측에 제1 커패시터의 일측을 연결하고 상기 제1 커패시터의 타측과 상기 교류전원의 타측 사이에 충전용 스위칭 전류 리미터 및 제1 방전용 역바이어스 방지 소자를 병렬로 연결하는 충방전부; 및 상기 LED모듈부로 공급되는 상기 교류전원의 전압이 증가함에 따라 상기 직렬 연결된 LED어레이를 순차 발광시키되, 상기 전압이 증가하여 소정치 이상인 경우 상기 제1 커패시터에 충전되고 상기 전압이 감소하여 특정치 이하인 경우 방전되도록 각각의 구동용 스위칭 전류 리미터, 상기 충전용 스위칭 전류 리미터 및 상기 제 1 내지 제 (N-1) 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제1항에 있어서, 상기 충방전부는, 제2 방전용 역바이어스 방지 소자, 제1 병렬 스위치, 제2 커패시터 및 제2 충전용 역바이어스 방지 소자를 더 포함하되, 상기 제1 커패시터의 타측에 제2 충전용 역바이어스 방지 소자의 일측이 연결되고, 상기 제2 충전용 역바이어스 방지 소자의 타측에 상기 제2 커패시터의 일측이 연결되고, 상기 제2 커패시터의 타측이 상기 제1 방전용 역바이어스 방지 소자와 상기 충전용 스위칭 전류 리미터의 접점에 연결되고, 상기 제1 커패시터의 타측과 상기 교류전원의 타측 사이에 상기 제2 방전용 역바이어스 방지 소자가 연결되고, 상기 제2 충전용 역바이어스 방지 소자와 상기 [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수)역바이어스 방지 소자와 제 M+1 LED모듈 사이의 접접] 사이에 상기 제1 병렬 스위치를 연결하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제2항에 있어서, 상기 충방전부는, 상기 제1 병렬 스위치의 일측과, [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수)역바이어스 방지 소자와 제 M+1 LED모듈 사이의 접접 중 적어도 어느 하나] 사이에 병렬 스위치를 추가로 연결하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제1항에 있어서, 상기 역바이어스 방지 소자, 상기 충전용 역바이어스 방지 소자 및 상기 방전용 역바이어스 방지 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제1항에 있어서, 상기 구동용 스위칭 전류 리미터 및 상기 충전용 스위칭 전류 리미터는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 LED모듈부로 공급되는 전원의 전압이 증가함에 따라 상기 직렬 연결된 LED어레이를 순차 발광시키고 상기 전압이 감소함에 따라 상기 직렬 연결된 LED어레이를 순차 소등하되, 상기 전압이 증가하여 기설정된 임계치 이상인 경우 상기 제1 커패시터가 충전되도록 상기 충전용 스위칭 전류 리미터를 제어하고 상기 전압이 감소하여 기설정된 소정치 이하인 경우 상기 제1 커패시터가 상기 LED어레이에 추가로 전력을 공급하도록 상기 스위치와 상기 구동용 스위칭 전류 리미터를 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제6항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 커패시터가 방전할 때 상기 LED어레이가 추가로 점등될 수 있도록 상기 LED모듈부와 연결된 스위치들의 접점과 직접 연결된 LED모듈(제2 내지 제N 모듈)과 연결된 상기 구동용 스위칭 전류 리미터의 ON/OFF 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제1항에 있어서, 상기 교류전원은, 교류전원을 전파 정류하여 주기적인 리플을 가진 전류인 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 직렬 연결된 복수의 LED어레이를 갖고 상기 LED어레이의 각각에 흐르는 전류를 제어하는 구동용 전류 리미터가 연결된 LED모듈부를 구동하기 위한 구동 방법에 있어서, 교류전원을 입력받아 정류된 교류로 전원을 상기 LED모듈로 공급하는 과정; 상기 전원의 전압이 기설정된 제1 임계치보다 높을 때 입력 전류를 축전하는 과정; 및 상기 전원의 전압이 기설정된 제2 임계치보다 낮을 때 상기 LED어레이 중 일부에 전류를 방전하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 방법을 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제9항에 있어서, 상기 제1 임계치는 상기 LED어레이 중 일부의 구동 임계 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 LED 구동 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, LED의 구동전압보다 저전압이 인가될 때 커패시터를 활용하여 충전된 전압을 제공함으로써, 교류전원을 전파 정류한 교류전원을 인가받아도 점멸이 없는 LED 구동 장치 및 구동 방법을 제공한다.
도 1은 직류-직류 변환기를 이용한 LED 구동방식을 나타낸 회로도이다.
도 2는 직류-직류 변환기를 사용하지 않고 직렬로 연결된 LED를 순차적으로 점등하는 회로도와 입력 전류의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED어레이 구동장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부가 생성하는 전류원 I1 내지 I4_B의 전류와 SW1신호, SW1신호의 반전신호인 SW1'신호 및 SW2신호 및 전파 정류된 교류전원의 전압 VAC의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED어레이 및 구동장치의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 LED어레이 및 구동장치의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 LED어레이 및 구동장치의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전류(I_IN), 출력전류들 및 스위치 동작 신호의 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 전파 정류된 교류전원을 직접 사용하여 직렬로 연결된 LED모듈이 깜빡임(Flicker) 없이 구동될 수 있는 회로로서, 이하 도 3 및 도 4를 참조하여 그 구성 및 동작원리를 설명하기로 한다. 설명의 용이성을 위하여 청구항의 표현을 살린 설명은 마지막에 서술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED어레이 구동장치의 회로도이다.
본 발명의 일실시예로서 구성은 크게 교류전원(300), LED모듈부(370), 충방전부(360) 및 제어부(미도시)를 포함한다. 여기서 명명된 스위치의 이름 뒤에 기재된 괄호 안의 SW1과 SW2는 SW1과 SW2신호에 대하여 동작하는 스위치를 말하며 LED 구동 장치의 회로 구성을 명확히 하기 위해 제어부를 도시하지 않았다. 도 4를 참조하여 제어부의 생성 신호를 설명한다.
교류전원(300)은 교류원을 전파 정류하여 제공할 수 있는 회로로 구성한다. 따라서 교류원의 주파수에 따라 규칙적인 리플 성분을 가진 교류 전류을 제공한다. 브리지 정류회로 등 어떠한 구성도 관계없으나 본 실시예에서는 네 개의 다이오드와 한 개의 교류원을 사용하는 방식으로 구현하였다. 전파 정류 전원을 공급하는 방법은 무한하며 구현 방법은 당업자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 전파 정류된 교류전원(300)을 활용하므로 입력 전극의 극성이 정해진다. 입력 전극은 양극과 음극 중 어느 극일지라도 관계없으나 설명의 편의를 위해 양극으로 가정한다. 음극을 입력 전극으로 실시예를 구성할 경우 구성요소 모두의 극성을 반대로 연결하는 방법으로 동일한 발명을 실시할 수 있다.
LED모듈부(370)는 복수 개의 LED어레이들이 직렬로 연결되고 각 LED어레이들의 양극에 스위칭과 전류량이 제어되는 구동용 스위칭 전류 리미터(I1, I2, I3_A, I4_A, I3_B, I4_B)의 일측을 각각 연결한 구조로 되어 있다. 상세히 설명하면, 교류전원(300)의 양극에 LED어레이 LED1(336)과 LED2(338)를, 입력 전류에 대하여 순방향으로 직렬로 연결하고 각 LED어레이의 양극에 구동용 스위칭 전류 리미터 I1(324)과 구동용 스위칭 전류 리미터 I2(326)의 음극을 연결한다. 구동용 스위칭 전류 리미터 I1(324)과 구동용 스위칭 전류 리미터 I2(326)의 양극은 외부와 연결되어 있으며 도면과 같이 접지할 수 있다. 이때 교류전원(300)의 음극도 접지되어 있으므로 키르히호프의 법칙을 만족시키기 위해 교류전원(300)의 음극과 연결되어 있다고 보아도 무방하다. 구동용 스위칭 전류 리미터 I2(326)과 LED2(338)가 연결된 단자에 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306)의 음극단자를 연결하고 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306)의 양극단자에 순방향으로 LED어레이 LED3(340)과 LED4(342)를 직렬로 연결한다. 세번째 LED어레이 LED3(340)의 양극과 네번째 LED어레이의 음극이 연결된 단자에 상보적으로 동작하는 스위치 SW1(314)과 스위치 SW1'(318)의 일측을 각각 연결한다. 세번째 LED어레이 LED3(340)의 양극에 연결한 스위치 SW1(314)의 타측에 구동용 스위칭 전류 리미터 I3_B(332)의 음극을 연결하고 세번째 LED어레이 LED3(340)의 양극에 연결된 스위치 SW1'(318)의 타측에 구동용 스위칭 전류 리미터 I3_A(328)의 음극을 연결한다. 네번째 LED어레이 LED4(342)의 양극에 상보적으로 동작하는 스위치 SW1(316)과 스위치 SW1'(320)의 일측을 각각 연결한다. 연결된 스위치 SW1(316)의 타측에 구동용 스위칭 전류 리미터 I4_B(334)의 음극을 연결하고 네번째 LED어레이 LED4(342)의 양극에 연결된 스위치 SW1'(320)의 타측에 구동용 스위칭 전류 리미터 I4_A(330)의 음극을 연결한다. 이렇게 LED모듈부(370)는 직렬로 연결된 LED어레이들의 양극 각각에 전류를 제어할 수 있는 구동용 스위칭 전류 리미터을 연결하고, 특정 LED어레이 사이에 역바이어스 방지 소자를 연결한 구조로 되어 있다. 역바이어스 방지 소자를 연결하는 부분이 특정되는 방법에 대하여는 후술한다.
충방전부(360)는 제1 커패시터(308)의 일측을 충전단과 방전단으로 나누어 LED모듈부(370)에 각각 연결되고, 타측이 접지되는 구조로 되어 있다. 상세히 설명하면, 교류전원(300)과 첫번째 LED어레이 LED1(336)사이의 단자에 충전단으로서 제1 충전용 역바이어스 방지 소자(304)의 음극단자를 연결하고, 제1 충전용 역바이어스 방지 소자(304)의 양극단자에 제1 커패시터(308)의 일측을 연결한다. 이때 제1 충전용 역바이어스 방지 소자(304)는 충전시 충전방향으로만 전류가 흐르도록 제어하는 역할을 하므로 SW2신호에 따라 제어되는 스위치로 대신할 수 있다. 이 제1 커패시터(308)의 일측과 제1 충전용 역바이어스 방지 소자(304)가 연결된 단자에 제1 스위치(SW1, 312)의 일측을 연결하고 제1 스위치(SW1, 312)의 타측은 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306)의 양극과 LED3(340)의 연결 단자에 방전단으로서 연결한다. 즉 LED모듈부(370)의 구성요소로서 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306)는 충방전부(360)의 방전단이 연결되는 지점에 따라 연결점이 특정된다. 제1 커패시터(308)의 타측은 충전용 스위칭 전류 리미터 I_CHG(322)의 음극과 연결하고 I_CHG(322)의 양극은 접지시킨다. 충전용 스위칭 전류 리미터 I_CHG(322)와 제1 커패시터(308) 사이에 충전 스위치(SW2, 310)를 직렬로 연결하고 충전 스위치(SW2, 310)와 제1 커패시터(308) 사이의 단자에 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(302)의 양극 단자를 연결한다. 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(302)의 음극 단자는 접지시킨다.
본 발명을 설명하기 위해 명세서에 기재된 스위칭 전류 리미터(I1, I2, I3_A, I3_B, I4_A, I4_B, I_CHG)은 트랜지스터(MOSFET, MESFET 또는 BJT 중 어느 하나)로 구현될 수 있으며, 트랜지스터일 경우 스위치의 역할을 함께할 수 있다. 이때 트랜지스터는 게이트의 전압에 따라 통과하는 전류의 최대치를 제한하고 전류의 온/오프를 결정하는 스위칭 전류 리미터의 역할을 할 수 있다. 따라서 스위칭 전류 리미터과 스위치가 직렬로 연결되어 동작하는 충전용 스위칭 전류 리미터 I_CHG(322)와 충전 스위치(SW2, 310), SW1(314)과 I3_B(332), SW1'(318)과 I3_A(328), SW1(316)과 I4_B(334), SW1'(320)과 I4_A(330)는 하나의 트랜지스터로 구현될 수 있다. 또한 I3_A와 I3_B, I4_A와 I4_B의 ON이 되는 구간이 중첩되지 않는다면 신호를 중첩하여 인가하는 방법으로 하나의 트랜지스터로 구현될 수 있다. 본 명세서에서는 이해의 편이성을 위하여 나누어 표현하였다.
LED1(336) 내지 LED4(342)는 같은 숫자의 LED일 필요는 없다. 또한 LED어레이의 연결 갯수는 필요에 따라 어레이를 추가하여 LED5 등을 연결한 형태로 구현할 수 있다. I_CHG(322)는 제1 커패시터(308)에 충전시 전류량을 조절한다. 다시 말해 I_CHG(322)는 LED모듈부(370)와 병렬연결로 연결된 커패시터에 인가되는 전류량을 조절하여 LED모듈부(370)에 인가되는 전압이 급격히 낮아지는 것을 막는다. 충전 스위치(SW2, 310)는 충전시기를 결정하며 제1 스위치(SW1, 312)는 방전시기를 결정한다. 충전용 스위칭 전류 리미터 I_CHG(322)가 트랜지스터로 구현되어 스위치의 역할을 함께 수행할 수 있다면, 충전 스위치(SW2, 310)를 생략하고 충전용 스위칭 전류 리미터 I_CHG(322)를 SW2신호로 제어하는 방법으로 구현될 수 있다. 다른 역바이어스 방지 소자(302, 304, 306)는 전류가 역류하여 역방향의 전압이 인가되는 것을 막는다. 막는 방향이 일정하므로 다이오드로 구현된 경우를 도시하였다. 한편 전압이 역방향으로 인가되는 시점이 충전과 방전시점으로 일정하므로 제1 역바이어스 방지 소자(302)는 SW1신호에 의해 제어되는 스위치로 대신할 수 있으며, 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306)는 SW1신호의 반전신호에 의해 제어되는 스위치로 대신할 수 있고, 제1 충전용 역바이어스 방지 소자(304)는 SW2신호에 의해 제어되는 스위치로 대신할 수 있다.
제어부(미도시)는 LED모듈부(370)와 충방전부(360)에 포함된 스위치와 스위칭 전류 리미터를 제어하는 역할을 수행한다. 제어부의 신호 생성 방법은 정해진 신호를 생성할 수 있다면 어떠한 방법을 사용하여도 관계없다. 주기적인 움직임을 제어하기 위해 클럭 신호 생성기에서 발생한 클럭 신호를 지연시키거나 게이팅을 통해 변조하여 제어신호로서 생성하는 구조 등 상용화된 방법으로도 구현이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
본 제어 방법은 고전압이 인가되는 동안 커패시터에 전류를 충전하고 저전압이 인가되는 동안 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306)로 인해 교류전원(300)과 단절된 LED어레이에 커패시터를 전류원으로서 전력을 인가하여 저전압 구동기간 동안 더 많은 LED어레이를 구동하는 것에 특징이 있다. 도 4에서 구체적인 동작 신호와 동작원리를 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부가 생성하는 구동용 스위칭 전류 리미터 I1 내지 I4_B의 전류와 SW1신호, SW1신호의 반전신호인 SW1'신호 및 SW2신호 및 전파 정류된 교류전원의 전압 VAC의 그래프이다.
I1(324), I2(326), I3_A(328), I4_A(330)를 제어하는 신호는 입력 전압의 등락에 따라 각각 순차적으로 점등 및 소등을 반복하도록 제어하며, 다음 구동용 스위칭 전류 리미터가 켜질 때 이전 구동용 스위칭 전류 리미터가 꺼지도록 제어하기 때문에 각각의 신호가 동시에 ON이 되는 구간은 없다. 각 구간을 나누는 기준은 LED어레이의 구동 전압(Turn-ON Voltage)에 따라 정해진다.
이때 각 구동용 스위칭 전류 리미터가 동일한 전류의 크기만을 인가한다면, 교류전원(300)이 고전압을 인가하는 동안 저전류만이 사용되므로 구동용 스위칭 전류 리미터에서 고전압이 소실된다. 이 구간 동안 충전 스위치(SW2, 310)를 연결하여 제1 커패시터(308)에 남는 전압을 충전할 수 있다. 충전시작시 커패시터는 단기적으로 단락 회로로 동작하여 LED모듈부(370)가 동작하지 못할 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 충전용 스위칭 전류 리미터 I_CHG(322)를 연결하였다는 점은 이미 설명하였다. SW1신호는 제1 스위치(SW1, 312)를 제어하여 LED어레이 전체의 소등 구간과 구동용 스위칭 전류 리미터 I1이 동작하는 구간(LED1만이 점등되는 구간)에 연결(ON)되며 커패시터에 충전된 전류를 LED3(340)와 LED4(342)를 통해 방전시키는 역할을 한다. 이때 제1 충전용 역바이어스 방지 소자(304)와 제1 역바이어스 방지 소자(306)에 의해 LED1(336)과 LED2(338) 방향으로 전류가 흐르는 것이 제한되므로 전류는 온전히 LED3(340)과 LED4(342) 방향으로 흐르게 된다. 이때 흐르는 전류량은 I3_B(332)와 I4_B(334)에 의해 제한되며 본 실시예에서는 방전시 전류가 인가되는 도선이 LED3(340)의 음극에 연결하였으므로 I3_B(332)에 전류가 흐르는 경우 LED3(340)가 점등되고 I4_B(334)에 전류가 흐르는 경우 LED3(340)와 LED4(342)가 동시에 점등된다. 본 실시예에서는 소등기간에 I3_B(332)에 전류를 흘려주어 LED3(340)가 점등되도록 구성하였고 I1(324)에 전류가 흐르는 기간(LED1만이 점등되는 기간)에 LED3(340)와 LED4(342)가 점등되도록 I4_B(334)에 전류가 흐르도록 구성하였다. 그러나 커패시터에 충전되는 전압과 커패시터의 크기, LED어레이의 점등 전압의 크기에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
이상의 구성과 전류 인가, 스위치 동작을 통해 소등기간이 없고 교류전원(300) 측면에서 THD 효율 훼손을 피할 수 있으며 균일한 밝기에 가까운 LED 구동회로를 구현할 수 있다.
I3_A(328)와 I3_B(332), I4_A(330)와 I4_B(334)는 서로 동작 구간이 겹치지 않으므로 하나의 구동용 스위칭 전류 리미터으로 구현할 수 있으며, 이들 구동용 스위칭 전류 리미터과 연결된 스위치들인, SW1과 상보적으로 동작하는 SW1'는 이해의 편의를 돕고자 회로도 상에 표시하였다. SW1은 방전시에만 연결되므로 I3_B(332)와 I4_B(334)는 방전 구동용 스위칭 전류 리미터이며 그 외의 기간에는 I3_A(328)와 I4_A(330)가 연결되어 구동된다. 이들 LED3(340)와 LED4(342)의 양극에 연결된 스위치의 실제 ON/OFF인 구간이 각 구동용 스위칭 전류 리미터의 구동기간보다 영역이 넓어서 구동용 스위칭 전류 리미터의 ON/OFF에 영향을 주지 않으므로 생략할 수 있다. 충방전 시점을 명확하게 드러내기 위해 묘사하였다.
LED어레이 자체도 정류작용을 할 수 있으므로 본 실시예에서는 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306)가 생략될 수 있다. 그러나 I2의 구동기간을 늘리거나 변경하여 SW1이 ON되는 기간과 겹치게 된다면 전류가 역류할 수 있으므로 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306)는 필수적인 구성요소가 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED어레이 및 구동장치의 회로도이다. 본 회로의 다른 구성은 도 3의 구성과 동일하고 다만 충방전부(360)만이 다르다. 충방전부(360)의 방전단(제1 스위치의 타측)과 LED모듈부(370) 간의 연결점이 I2(326)의 음극단자와 LED3(340)사이에서 I1(324)의 음극단자와 LED2(338)사이의 점으로 옮겨가고 방전 전류의 역류를 막는 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(306) 역시 I1(324)의 음극단자와 방전단 사이로 함께 옮겼다. 이렇게 구현할 경우 도 4와 동일한 스위칭 및 전류를 입력한 경우 I3_B(332)와 I4_B(334)의 구동시 LED2(338)가 함께 점등된다는 차이가 있다. 즉 LED3(340)와 LED4(342)가 점등되는 기간에 I_CHG(322)에 연결된 충전 스위치(SW2, 310)가 연결(ON)되어 충전되고 소등기간에 LED2(338)와 LED3(340)이 점등되고 LED1(336)만이 점등되는 기간에 LED2(338) 내지 LED4(342)가 점등된다. 즉 방전단의 위치는 변용이 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 LED어레이 및 구동장치의 회로도이다. 충방전부(360)을 제외한 다른 구성요소의 연결은 도5의 연결과 같으며 충방전부(360)에서 제2 스위치(SW1, 311)의 일측을 제1 스위치(SW1, 312)의 일측에 연결하고 제2 스위치(SW1, 311)의 타측을 도 3과 같이 I2의 음극과 LED3(340)가 연결된 단자에 추가로 연결하였으며 역류를 방지하기 위하여 제2 스위치(SW1, 311)의 타측과 I2의 음극이 연결된 단자 사이에 제2 역바이어스 방지 소자(305)를 직렬로 연결하였다. 한편, 이 연결은 도3의 연결에서 방전단(제1 스위치의 타측)을 둘로 나누어 LED2(338)의 양측에 역바이어스 방지 소자를 포함하여 연결한 것과 회로적으로 동일한 연결이 된다.
커패시터의 일측은 동일한 전압을 가지므로 제1 스위치(SW1, 312)의 타측과 제2 스위치(SW1, 311)의 타측 역시 동일한 전압을 지닌다. 역바이어스 방지 소자에 의해 제1 스위치(SW1, 312)의 전위는 LED1(336)에 영향을 미치지 못하므로 방전이 일어나는 기간(소등기간 또는 LED1만이 점등되는 기간)에 LED2(338)와, LED3(340) 및 LED4(342)는 병렬연결이 되어 고전압을 동시에 인가받을 수 있다. 즉 방전단을 나누어 연결하는 방법으로 각각의 LED어레이에 입력되는 전압을 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 LED어레이 및 구동장치의 회로도이다. 회로의 구조는 도 3에서 설명한 일 실시예의 구조와 같으나 충방전부(360)의 제1 커패시터(308)와 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(302) 사이에 추가적인 접지된 방전용 역바이어스 방지 소자, 충전용 역바이어스 방지 소자, 스위치, 커패시터를 연결하여, 충전 전압을 강압하여 방전하는 회로를 구현했다. 이하 추가된 소자들의 연결방식을 설명한다.
제1 커패시터의 타측과 제1 방전용 역바이어스 방지 소자(302)의 일단이 연결된 접점 사이에 제2 충전용 역바이어스 방지 소자(309)와 제2 커패시터(307)을 직렬로 연결하고 제1 커패시터(308)의 타단과 제2 충전용 역바이어스 방지 소자(309)의 음극 사이에 제2 방전용 역바이어스 방지 소자(301)의 양극을 연결한다. 음극은 접지 혹은 교류전원(300)의 음극에 연결한다. 제2 충전용 역바이어스 방지 소자(309)의 양극과 제2 커패시터(307) 사이에 제1 병렬 스위치(313)의 일단을 연결하고 타단은 제1 스위치의 타단에 연결한다.
이렇게 연결한 경우 충방전부(360)는 마치 단순한 구조의 스위치-커패시터 직류/직류 변압기(Switch-Capacitor DC/DC Convertor)처럼 동작한다. 즉 충전 스위치(SW2, 310)가 닫혔을 때 제2 커패시터(307)와 제1 커패시터(308)가 직렬로 연결되어 충전된 후 충전 스위치(SW2, 310)가 열리고 제1 스위치(SW1, 312)와 제1 병렬 스위치(SW1, 312)가 닫히면 제1 커패시터(308)와 제2 커패시터(307)는 제1 충전용 역바이어스 방지 소자(304)와 제2 역바이어스 방지 소자(309)로 인해 분절된 채 접지 전극과 방전단 사이에 병렬로 연결되어 방전이 일어난다. 따라서 제1 커패시터(308)와 제2 커패시터(307)의 용량이 같다면 충전시 인가된 전압의 절반 크기로 LED3(340) 또는 LED3(340)과 LED4(342)를 구동하게 된다. 물론 제1 커패시터(308)와 제2 커패시터(307)가 같은 크기일 필요는 없으므로 캐패시턴스 크기의 비율을 정하는 방법으로 방전전압의 크기를 조정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전류(I_IN), 출력전류들 및 스위치 동작 신호의 그래프이다. 입력전류는 출력전류를 제어함에 따라 결정된다. I1 내지 I4의 크기가 반드시 동일할 필요는 없으나 본 실시예에서는 동일하다고 가정한다. 이때 출력전류에 대하여 I1 내지 I4의 기여분은 점선 아래의 일정한 전류량이 된다. 이때 I3와 I4가 인가되는 고전압 부분에 있어서 SW2신호가 ON되어 I_CHG(322)가 동작함에 따라 과량의 전류가 더 흐를 수 있으므로 교류전원(300)에서 LED모듈부(370)로 입력되는 I_IN의 그래프는 입력 전압의 그래프와 유사한 형태가 된다.
이렇게 교류전원을 전파 정류하여 인가받아서 LED어레이에 흐르는 전류량을 각각 제어할 수 있는 LED모듈에 있어서, 커패시터를 연결하고 커패시터에 충전되는 시점과 방전되는 시점을 조절하여 방전시 LED어레이 중 일부를 추가로 점등할 수 있다. 이때 충전을 끝마치는 시점의 전압이 방전 시점의 전압을 결정하므로 충전 이 끝나는 시기를 결정하는 입력전압의 크기는 방전시 점등되는 LED어레이의 구동 임계 전압보다 높아야 한다.
기존에는 직렬로 연결된 LED어레이들에 대하여 고전압에서 구동될 때 THD 효율을 높이기 위하여 전류량을 증가시켰지만 본 발명은 도 3, 도 5, 도 6, 도 7에서 묘사한 실시예와 도 4에서 묘사한 구동 신호와 같이 고전압이 인가될 때 전류의 일부를 커패시터에 저장하고 이를 저전압이 구동될 때 방전함으로써 THD 효율성의 저하를 최소화하며 비교적 균일한 휘도를 유지하는 방법을 제시하였다. 이때 방전되는 전압의 크기나 방전시 점등되는 LED어레이의 선택은 간단한 회로 변경을 통하여 임의로 정할 수 있다.
지금까지의 설명에서는 LED어레이들에 흐르는 전류 및 동작을 직관적으로 설명하기 위하여 LED어레이가 직렬로 연결된 LED모듈부(370)에 충방전부(360)의 방전단이 역바이어스 방지 소자와 함께 연결된 측면에서 설명하였으나, LED어레이의 직렬연결을 포함하는 LED모듈이 방전단으로 분절된 채 역바이어스 방지 소자를 사이에 두고 직렬로 연결되었다고도 표현할 수 있다. 이 경우 LED모듈부(370)에 연결되는 방전단의 개수에 따라 LED모듈의 개수가 정해진다.(방전단의 개수 + 1) 도 6, 도 7을 통해 설명한 바와 같이, 충방전부(360)는 방전용 역바이어스 방지 소자, 충전용 역바이어스 방지 소자, LED모듈부에 타측이 연결된 스위치 및 커패시터를 추가로 연결하는 방법으로 강압된 전류를 제공할 수 있으며 이때 추가된 스위치의 타측을 실시예에서는 병렬로 연결하였으나 도 6과 같이 별개의 모듈에 인가할 수도 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300: 교류전원
301: 제2 방전용 역바이어스 방지 소자
302: 제1 방전용 역바이어스 방지 소자
304: 제1 충전용 역바이어스 방지 소자
305: 제2 역바이어스 방지 소자 306: 제1 역바이어스 방지 소자
307: 제2 커패시터 308: 제1 커패시터
309: 제2 충전용 역바이어스 방지 소자
310: 충전 스위치 311: 제2 스위치
312: 제1 스위치 313: 제1 병렬 스위치
314: 스위치 SW1 316: 스위치 SW1
318: 스위치 SW1' 320: 스위치 SW1'
322: I_CHG 324: I1
326: I2 328: I3_A
330: I4_A 332: I3_B
334: I4_B 336: LED1
338: LED2 340: LED3
342: LED4 360: 충방전부
370: LED모듈부

Claims (10)

  1. 리플 성분을 갖는 교류를 제공하는 교류전원;
    하나 이상의 LED어레이를 직렬로 연결하고, LED어레이 사이의 접점에는 스위칭 전류 리미터를 연결한 제1 내지 제 N LED모듈;
    상기 교류전원의 일측에 상기 제1 내지 제 N(단, N은 1 이상의 자연수) LED모듈이 순차적으로 연결되고, 상기 제1 내지 제 N LED모듈 사이마다 각각 제1 내지 제 (N-1)역바이어스 방지 소자가 순차적으로 연결되고, 각각의 [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수) LED모듈과 제 M 역바이어스 방지 소자의 접접]과 상기 교류전원의 타측 사이에는 구동용 스위칭 전류 리미터를 연결하고, 제 N LED모듈의 양단 중 역바이어스 방지 소자가 연결되지 않은 단자와 상기 교류전원의 타측 사이에는 구동용 스위칭 전류 리미터를 연결하는 LED모듈부;
    상기 교류전원의 일측에 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 일측을 연결하고 상기 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 타측과 모든 [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수)역바이어스 방지 소자와 제 M+1 LED모듈 사이의 접접] 사이에 제 1 내지 제 (N-1) 스위치가 병렬로 연결되고, 상기 제1 충전용 역바이어스 방지 소자의 타측에 제1 커패시터의 일측을 연결하고 상기 제1 커패시터의 타측과 상기 교류전원의 타측 사이에 충전용 스위칭 전류 리미터 및 제1 방전용 역바이어스 방지 소자를 병렬로 연결하는 충방전부; 및
    상기 LED모듈부로 공급되는 상기 교류전원의 전압이 증가함에 따라 상기 직렬 연결된 LED어레이를 순차 발광시키되, 상기 전압이 증가하여 소정치 이상인 경우 상기 제1 커패시터에 충전되고 상기 전압이 감소하여 특정치 이하인 경우 방전되도록 각각의 구동용 스위칭 전류 리미터, 상기 충전용 스위칭 전류 리미터 및 상기 제 1 내지 제 (N-1) 스위치를 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충방전부는,
    제2 방전용 역바이어스 방지 소자, 제1 병렬 스위치, 제2 커패시터 및 제2 충전용 역바이어스 방지 소자를 더 포함하되,
    상기 제1 커패시터의 타측에 제2 충전용 역바이어스 방지 소자의 일측이 연결되고, 상기 제2 충전용 역바이어스 방지 소자의 타측에 상기 제2 커패시터의 일측이 연결되고, 상기 제2 커패시터의 타측이 상기 제1 방전용 역바이어스 방지 소자와 상기 충전용 스위칭 전류 리미터의 접점에 연결되고, 상기 제1 커패시터의 타측과 상기 교류전원의 타측 사이에 상기 제2 방전용 역바이어스 방지 소자가 연결되고, 상기 제2 충전용 역바이어스 방지 소자와 상기 [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수)역바이어스 방지 소자와 제 M+1 LED모듈 사이의 접접] 사이에 상기 제1 병렬 스위치를 연결하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충방전부는,
    상기 제1 병렬 스위치의 일측과, [제 M(단, M은 1 이상 N-1 이하의 자연수)역바이어스 방지 소자와 제 M+1 LED모듈 사이의 접접 중 적어도 어느 하나] 사이에 병렬 스위치를 추가로 연결하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 역바이어스 방지 소자, 상기 충전용 역바이어스 방지 소자 및 상기 방전용 역바이어스 방지 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동용 스위칭 전류 리미터 및 상기 충전용 스위칭 전류 리미터는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 LED모듈부로 공급되는 전원의 전압이 증가함에 따라 상기 직렬 연결된 LED어레이를 순차 발광시키고 상기 전압이 감소함에 따라 상기 직렬 연결된 LED어레이를 순차 소등하되, 상기 전압이 증가하여 기설정된 임계치 이상인 경우 상기 제1 커패시터가 충전되도록 상기 충전용 스위칭 전류 리미터를 제어하고 상기 전압이 감소하여 기설정된 소정치 이하인 경우 상기 제1 커패시터가 상기 LED어레이에 추가로 전력을 공급하도록 상기 스위치와 상기 구동용 스위칭 전류 리미터를 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 커패시터가 방전할 때 상기 LED어레이가 추가로 점등될 수 있도록 상기 LED모듈부와 연결된 스위치들의 접점과 직접 연결된 LED모듈(제2 내지 제N 모듈)과 연결된 상기 구동용 스위칭 전류 리미터의 ON/OFF 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 교류전원은,
    교류전원을 전파 정류하여 주기적인 리플을 가진 전류인 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  9. 직렬 연결된 복수의 LED어레이를 갖고 상기 LED어레이의 각각에 흐르는 전류를 제어하는 구동용 전류 리미터가 연결된 LED모듈부를 구동하기 위한 구동 방법에 있어서,
    교류전원을 입력받아 전파 정류된 전원을 상기 LED모듈로 공급하는 과정;
    상기 전원의 전압이 기설정된 제1 임계치보다 높을 때 입력 전류를 축전하는 과정; 및
    상기 전원의 전압이 기설정된 제2 임계치보다 낮을 때 상기 LED어레이 중 일부에 전류를 방전하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 임계치는 상기 LED어레이 중 일부의 구동 임계 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 LED 구동 방법.

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