KR20140107836A - 발광 다이오드 조명 장치 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 조명 장치 및 그의 제어 방법을 개시하며, 상기 발광 다이오드 조명 장치는 교류를 변환하여 정류 전압으로 제공하는 전원부; 하나 이상의 발광 다이오드를 포함하는 복수 개의 발광 다이오드 채널로 구성되며 상기 정류 전압의 인가에 의하여 발광하는 광원; 및 상기 발광 다이오드 채널 별로 연결되는 복수 개의 스위칭 회로들을 통해 상기 정류 전압의 레벨 변화에 따른 전류 경로를 선택적으로 제공하며, 펄스 폭이 변동하는 제어 펄스를 이용하여 각 채널별 상기 전류 경로의 전류를 독립적으로 제어하는 제어 회로;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

발광 다이오드 조명 장치 및 그의 제어 방법{LED LIGHTING SYSTEM OF AC DIRECT TYPE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 조명 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 다이오드 조명 장치 및 그의 제어 회로에 관한 것이다.
에너지 절감을 위하여 발광 다이오드(LED)를 광원으로 하는 조명 기술의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
특히, 고 휘도 발광 다이오드는 에너지 소비량, 수명 및 광질 등과 같은 다양한 요소에서 다른 광원들과 차별화되는 이점을 갖는다.
그러나, 발광 다이오드를 광원으로 하는 조명 장치는 발광 다이오드가 전류에 의하여 구동되는 특성에 의하여 추가적인 회로가 많이 필요한 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하고자 개발된 일 예가 교류 다이렉트 방식(AC DIRECT TYPE)의 조명이다.
교류 다이렉트 방식의 발광 다이오드 조명은 상용 교류 전원에서 정류 전압을 생성하여 발광 다이오드를 구동하는 것이며 인덕터 및 캐패시터를 사용하지 않고 정류 전압을 입력 전압으로 바로 사용하기 때문에 역률(POWER FACTOR)이 양호한 특성이 있다.
상술한 교류 다이렉트 방식의 발광 다이오드 장치의 일예가 대한민국 특허등록 제10-1128680호에 개시된 바 있다.
그러나, 발광 다이오드 조명이 점차 보급됨에 따라서 발광 다이오드를 광원으로 하는 조명 장치는 낮은 소비전력과 개선된 역률을 보장하도록 요구되고 간소한 부품과 간단한 구조를 가질 것이 요구되는 실정이다.
본 발명의 목적은 발광 다이오드들을 광원으로 포함하는 조명 장치가 개선된 역률을 갖도록 구성하고, 정류 전압의 상태를 모니터링하여 조명을 제어하며, 그리고 발광에 소요되는 평균 전류를 제어하도록 전류 레귤레이션을 개선하는 발광 다이오드 조명 장치와 그의 제어 방법을 제공함에 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드 조명 장치는, 교류를 변환하여 정류 전압으로 제공하는 전원부; 하나 이상의 발광 다이오드를 포함하는 복수 개의 발광 다이오드 채널로 구성되며 상기 정류 전압의 인가에 의하여 발광하는 광원; 및 상기 발광 다이오드 채널 별로 연결되는 복수 개의 스위칭 회로들을 통해 상기 정류 전압의 레벨 변화에 따른 전류 경로를 선택적으로 제공하며, 펄스 폭이 변동하는 제어 펄스를 이용하여 채널별 상기 광원에 공급되는 평균 전류가 상기 정류 전압의 파형을 따라가도록 제어하는 제어 회로;를 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 발광 다이오드 조명 장치의 제어 방법은, 복수 개의 발광 다이오드 채널들을 제공하는 단계; 상기 발광 다이오드 채널 별로 전류 경로를 제공하기 위한 기준전압들을 제공하는 단계; 상기 정류 전압의 변화를 모니터링하여 모니터링 전압을 제공하는 단계; 및 상기 모니터링 전압과 상기 기준전압을 비교한 결과에 따라 상기 발광 다이오드 채널들 중 선택된 상기 발광 다이오드 채널에 상기 전류 경로를 제공하며, 펄스 폭이 변동하는 제어 펄스를 이용하여 채널별 상기 광원에 공급되는 평균 전류가 상기 정류 전압의 파형을 따라가도록 제어하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의하면, 정류 전압의 변화에 따라 조명이 제어되면서 조명을 위한 전류의 공급이 제어됨으로써 개선된 전류 레귤레이션 특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 상용 전원(AC 전원)에 흐르는 전류 고조파의 왜곡이 저감될 수 있어서 전류 파형이 보다 스무드(Smooth)하게 전압 파형을 따라 형성되므로 전류 파형의 왜곡이 완화될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드 조명 장치의 바람직한 실시예를 나타내는 회로도.
도 2는 도 1의 실시예의 동작 특성을 설명하는 파형도.
도 3은 도 1의 변형 실시예를 나타내는 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 조명 장치의 실시예는 교류 다이렉트 방식으로 구동된다. 본 발명에 따른 실시예는 정류 전압의 변화를 모니터링 전압으로 검출하여서 광원의 발광을 제어하고 광원에 공급되는 전류는 센싱 전압에 따른 제어 펄스로써 제어하는 구성을 개시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예는 전원 장치와 광원(12) 및 제어 회로(14)를 포함한다.
전원 장치는 교류 전압을 변환하여서 정류 전압을 출력하며, 교류 전압을 공급하는 교류 전원(VAC)과 교류 전압을 정류하여 정류 전압을 출력하는 정류 회로(10)를 포함한다. 여기에서 교류 전원(VAC)은 상용 교류 전원일 수 있다.
정류 회로(10)는 교류 전원(VAC)의 정현파 파형을 갖는 교류 전압을 전파 정류한 파형을 갖도록 정류 전압을 출력한다. 따라서, 정류 전압은 상용 교류 전압의 반 주기 단위로 전압 레벨이 승하강하는 리플 성분을 갖는 특성이 있다.
광원(12)은 직렬 연결된 복수 개의 발광 다이오드 채널을 포함하며, 본 발명에 따른 실시예로 발광 다이오드 채널은 3 개로 구성한 것을 예시한다.
각 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)은 각각 하나 이상의 직렬 연결된 발광 다이오드를 포함할 수 있고, 본 발명에 따른 실시예는 각 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)이 복수 개의 직렬 연결된 발광 다이오드를 포함한 것을 예시한다. 도면에서 복수 개의 직렬 연결된 발광 다이오드는 첫째 단과 마지막 단의 것만 도시하고 중간의 연결 관계는 생략하고 파선으로 도시하였다.
그리고, 제어 회로(14)는 각 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3) 별 턴온 전압에 대응하도록 정류 전압의 가변 폭을 복수의 구간들로 구분한다. 제어 회로(14)는 정류 전압의 변화를 모니터링하여 상기 구간 별로 광원(12)의 발광을 제어하고, 현재 정류 전압에 의하여 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)로 흐르는 전류를 센싱하여 발광을 위한 전류를 제어하는 기능을 갖는다. 본 발명에 따른 실시예는 제어 회로(14)에 의하여 정전류를 제어할 수 있으며, 제어 회로(14)에 의하여 형성되는 전류 경로도 정전류 경로로 제공될 수 있다.
상기한 제어 회로(14)의 제어에 의하여 광원(12)의 각 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)은 발광한다.
보다 구체적으로, 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)은 정류 전압이 상승하는 경우 정류 전압이 인가되는 쪽부터 시작하여 먼 곳으로 순차적으로 턴온되며, 그 결과 발광하는 발광 다이오드 채널의 수가 증가한다.
이와 반대로, 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)은 정류 전압이 하강하는 경우 정류 전압이 인가되는 쪽에서 먼 곳부터 시작하여 정류 전압이 인가되는 쪽으로 순차적으로 턴오프되며, 그 결과 발광하는 채널의 수가 감소한다.
이때, 제어 회로(14)는 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3) 중 현재 정류 전압 상태에 대응하는 것에 전류 경로를 제공하여서 발광을 제어한다.
광원(12)의 발광은 상술한 바와 같이 제어 회로(14)에 의하여 제어될 수 있으며, 제어 회로(14)는 기준전압 생성 회로(20), 전류 센싱 저항(Rs), 모니터링 회로(24), 펄스 생성부(26) 및 스위칭 회로들(30_1, 30_2, 30_3)을 포함한다.
여기에서, 기준전압 생성 회로(20)는 정전압(Vref)이 인가되는 직렬 연결된 다수의 저항 R1, R2, R3 및 R4를 포함한다.
저항 R1은 접지에 연결되고 저항 R4에는 정전압(Vref)이 인가된다. 이 중 저항 R4는 출력을 조정하기 위한 부하 저항으로 작용한다.
저항 R1, R2, R3은 서로 다른 레벨의 기준전압들(VREF1, VREF2, VREF3)을 출력하기 위한 것이다. 기준전압들(VREF1, VREF2, VREF3) 중에서, 기준전압 VREF1이 가장 낮은 전압 레벨을 가지며, 기준전압 VREF3이 가장 높은 전압 레벨을 갖는다.
즉, 각 저항 R1, R2, R3, R4는 도 2와 같이 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)로 인가되는 정류 전압의 상승에 대응하여 점점 높은 레벨을 가지는 기준전압들(VREF1, VREF2, VREF3)을 출력하도록 설정되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 기준전압들(VREF1, VREF2, VREF3)은 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3) 별로 연결되는 각 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)의 출력단의 턴온 전압들에 대응하도록 설정될 수 있다.
여기에서, 발광 다이오드 채널들(LED1, LED2, LED3) 별 턴온 전압은 각 채널 별 턴온에 필요한 전압으로 정의될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 발광 다이오드 채널(LED1)의 턴온에 필요한 전압이 발광 다이오드 채널(LED1)의 턴온 전압이며, 발광 다이오드 채널(LED1)의 턴온 전압은 발광 다이오드 채널(LED1)에 포함된 발광다이오드들을 턴온할 수 있는 레벨로 정의될 수 있다. 발광 다이오드 채널(LED1. LED2)의 턴온에 필요한 전압이 발광 다이오드 채널(LED2)의 턴온 전압이며, 발광 다이오드 채널(LED2)의 턴온 전압은 발광 다이오드 채널(LED1, LED2)에 포함된 발광다이오드들을 턴온할 수 있는 레벨로 정의될 수 있다. 발광 다이오드 채널(LED1. LED2, LED3)의 턴온에 필요한 전압이 발광 다이오드 채널(LED3)의 턴온 전압이며, 발광 다이오드 채널(LED3)의 턴온 전압은 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)에 포함된 발광다이오드들을 턴온할 수 있는 레벨로 정의될 수 있다.
여기에서, 정류 전압은 턴온 전압들을 기준으로 복수의 구간들로 구분할 수 있으며, 기준전압들은 각 구간 별 턴온 전압에 대응하는 레벨을 갖도록 설정될 수 있고, 정류 전압이 상승 또는 하강하여 상기한 특정 구간으로 진입하면 해당 구간에 대응하는 발광 다이오드 채널들이 턴온 또는 턴오프 될 수 있다.
도 2는 세 개의 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)을 구동하는 경우를 예시한 파형도이다.
도 2에서 정류 전압은 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)이 턴온되는 시점의 전압 값 즉 턴온 전압들을 기준으로 구간(CH1, CH2, CH3)이 구분되며, 구간(CH1, CH2, CH3) 별로 서로 다른 레벨의 기준전압들(VREF1, VREF2, VREF3)이 설정됨을 볼 수 있다. 그리고, 도 2에서 채널(CH1, CH2, CH3)을 세분화하면 기준전압들의 레벨은 실질적으로 정류 전압의 변화를 따라가도록 설계될 수 있다.
한편, 모니터링 회로(24)는 정류 회로(10)에서 출력되는 정류 전압을 분압하기 위하여 직렬로 연결된 저항들(Rd1, Rd2)을 포함하며, 저항들(Rd1, Rd2) 간의 노드를 통하여 모니터링 전압(VMON)이 출력된다. 모니터링 전압(VMON)은 정류 전압의 변화를 따르는 전압 레벨을 갖는다.
펄스 생성 회로는 펄스 생성부(26)와 전류 센싱 저항(Rs)을 포함한다.
전류 센싱 저항(Rs)은 턴온된 스위칭 회로로부터 유입되는 전류를 제공받으며 제공되는 전류에 의한 센싱 전압이 인가된다.
펄스 생성부(26)는 전류 센싱 저항(Rs)의 센싱 전압을 입력받아서 동작되며, 전류 경로가 제공되는 시점에 리셋되고, 정류 전압의 상승 또는 하강에 대응하여 펄스 폭이 점차 증가 또는 감소하는 제어 펄스를 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3로 제공하는 구성을 갖는다.
펄스 생성부(26)는 전류 경로가 제공되는 시점의 리셋을 위하여 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)의 비교부(50)의 스위칭 펄스를 인가받도록 구성된다. 그에 따라서, 펄스 생성부(26)는 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3) 별로 전류 경로의 제공이 개시되는 시점에 출력되는 제어 펄스를 리셋한다. 이때, 펄스 생성부(26)는 정류 전압이 상승하는 것에 대응하여 각 구간(CH1, CH2, CH3) 별로 최소 펄스 폭이 동일하게 설정되고, 각 구간(CH1, CH2, CH3) 내에서 정류 전압이 상승하는 것에 대응하여 펄스 폭이 점차 증가되도록 설정될 수 있다. 그리고, 펄스 생성부(26)는 각 구간(CH1, CH2, CH3) 내에서 정류 전압의 상승에 대응하여 펄스 폭이 점차 커지고 각 구간(CH1, CH2, CH3) 내에서 정류 전압의 하강에 대응하여 펄스 폭이 점차 감소하는 제어 펄스를 생성하여서 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)에 제공하는 구성을 갖는다.
보다 상세하게 펄스 생성부(26)는 정류 전압의 상승에 대응하여 각 구간 별로 제어 펄스의 펄스 폭이 리셋된 상태에서 점차 증가하도록 출력하는 경우 초기 펄스를 기준으로 다음에 순차적으로 출력되는 펄스의 폭을 초기 펄스의 펄스 폭의 2배, 3배 및 4배 등과 같이 증가시키거나 2배, 4배 및 8배와 같이 증가시킬 수 있다.
물론, 상기한 펄스 폭의 설정은 예시적인 것이며, 발광 다이오드 채널의 수가 늘어나면 그 만큼 펄스 폭의 변경하여 구현할 수 있고, 이는 제작자의 의도에 따라 다양하게 실시될 수 있다.
이와 반대로 펄스 생성부(26)는 정류 전압의 하강에 대응하여 각 구간 별로 제어 펄스의 펄스 폭이 리셋된 상태에서 점차 감소하도록 출력하는 경우 초기 펄스를 기준으로 다음에 순차적으로 출력되는 펄스의 폭을 초기 펄스의 펄스 폭의 1/2배, 1/3배 및 1/4배 등과 같이 감소시키거나 1/2배, 1/4배 및 1/8배와 같이 감소시킬 수 있다.
여기에서, 펄스 생성부(26)는 정류 전압의 상승에 대응한 초기 펄스와 하강에 대응한 초기 펄스의 펄스 폭은 다르게 제공함이 바람직하다.
한편, 스위칭 회로들(30_1, 30_2, 30_3)은 광원(12)을 턴온하기 위한 전류 경로를 스위칭에 의하여 제공한다.
각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)는 비교부(50)와 스위칭부를 포함한다. 스위칭부는 NMOS 트랜지스터(52)로 구성될 수 있다.
비교부(50)는 모니터링 전압과 자신의 기준전압(VREF1, VREF2, VREF3)을 비교한 결과를 펄스 생성부(26)에서 제공되는 제어 펄스의 펄스 폭에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스로 출력한다. 그리고, NMOS 트랜지스터(52)는 비교부(50)의 스위칭 펄스에 의하여 전류 경로를 제공하기 위한 스위칭 동작을 수행한다.
구체적으로 도시되지 않았으나, 비교부(50)는 기준전압과 모니터링 전압을 비교하여 그 결과를 출력하는 비교기(도시되지 않음) 및 비교기의 출력을 펄스 생성부(26)의 제어 펄스로 스위칭하여서 스위칭 펄스를 출력하는 스위칭 펄스 구동부(도시되지 않음)를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 스위칭 펄스 구동부는 전류 리미터(Current Limiter)로 구성될 수 있다.
기준전압들(VREF1, VREF2, VREF3)은 정류 전압이 인가되는 위치로부터 먼 발광 다이오드 채널(LED1, LED2.. LEDn)에 연결된 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)일수록 증가한 레벨로 제공된다. 다시 설명하면, 광원(12)에 포함되는 발광 다이오드 채널 개수가 N개일 때, N-1 번째 발광 다이오드 채널에 대응하는 스위칭 회로에 인가되는 기준전압의 레벨보다 N 번째 발광 다이오드 채널에 대응하는 스위칭 회로에 인가되는 기준전압의 레벨이 높다.
상기한 구성에 의하여 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)는 자신의 기준전압과 정류 전압에 의하여 변화하는 모니터링 전압(VMON)을 비교한다.
스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)의 비교기(50)는 모니터링 전압(VMON)이 각 기준전압보다 낮으면 제어 펄스에 의하여 구동되는 스위칭 펄스를 NMOS 트랜지스터(52)로 출력하고, NMOS 트랜지스터(52)는 스위칭 펄스에 응답하여 전류 경로를 제공한다.
이와 반대로 모니터링 전압(VMON)이 각 기준전압 이상 상승하면 비교기(50)는 스위칭 펄스를 출력하지 않고, 그에 응답하여 NMOS 트랜지스터(52)는 턴오프되어서 전류 경로를 제공하지 않는다.
도 1과 같이 구성되는 본 발명에 따른 실시예의 구체적인 동작을 도 2를 참조하여 설명한다.
정류 전압은 교류 전압(VAC)을 전파 정류한 파형과 같이 교류 전압(VAC)의 반주기 단위로 레벨의 상승 및 하강이 반복되는 리플 성분을 갖는다.
각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)는 자신에게 인가되는 기준전압(VREF1, VREF2, VREF3)과 모니터링 전압(VMON)을 비교하여 전류 경로를 선택적으로 제공하며, 모니터링 전압(VMON)이 기준전압(VREF1, VREF2, VREF3) 보다 높아지면 턴오프된다.
초기 상태의 정류 전압에 따른 모니터링 전압(VMON)은 기준전압(VREF1, VREF2, VREF3) 보다 낮은 상태이다. 그러므로, 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)는 턴온 상태를 유지한다.
정류 전압이 상승하여 발광 다이오드 채널(LED1)의 턴온 전압에 도달하면, 발광 다이오드 채널(LED1)은 턴온된다. 발광 다이오드 채널(LED1)가 턴온되면 스위칭 회로(30_1)에 의한 전류 경로가 제공되며, 전류 센싱 저항(Rs)에는 스위칭 회로(30_1)로부터 유입된 전류가 공급되고 센싱 전압이 형성된다.
정류 전압이 상승하면 모니터링 회로(24)의 모니터링 전압(VMON)도 상승하며, 정류 전압이 발광 다이오드 채널(LED2)을 턴온할 수 있는 턴온 전압에 도달하면 모니터링 전압(VMON)도 기준전압(VREF1) 이상으로 상승한다.
즉, 스위칭 회로(30_1)의 비교부(50)는 NMOS 트랜지스터(52)의 턴온 상태를 발광 다이오드 채널(LED2)가 턴온되기 전까지 유지하며, 정류 전압 상승에 따라서 기준전압(VREF1) 보다 모니터링 전압(VMON)이 높아지면 NMOS 트랜지스터(52)를 턴오프한다.
스위칭 회로(30_1)가 턴온된 상태에서, 펄스 생성부(26)는 전류 센싱 저항(Rs)의 전류의 흐름에 따라 형성되는 센싱 전압에 의하여 동작되어서 제어 펄스를 생성하여 스위칭 회로(30_1)의 비교부(50)의 펄스 입력단(PWM)으로 제공한다.
스위칭 회로(30_1)의 비교부(50)는 펄스 입력단(PWM)에 제어 펄스가 입력되면 제어 펄스에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스를 NMOS 트랜지스터(52)로 제공한다. 그러면, 도 2의 CH1 구간의 스위칭 펄스에 의하여 NMOS 트랜지스터(52)가 구동되어서 전류 경로 상의 전류의 흐름을 제어한다.
즉, 발광 다이오드 채널(LED1)은 정류 전압이 자신의 턴온 전압 이상으로 상승하면 턴온되어 발광하며, 이때 정류 전압의 상승에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스에 의하여 전류 경로 상의 전류의 흐름이 제어된다.
상기한 전류의 흐름을 제어하는 제어 펄스의 펄스 폭은 상술한 바와 같이 정류 전압의 상승에 대응하여 CH1 구간 내에서 점차 증가함이 바람직하다.
상기한 펄스 폭의 증가는 평균 전류를 선형적으로 증가시켜서 전류 효율을 개선하기 위한 것이다.
한편, 발광 다이오드 채널(LED1)이 발광한 후, 정류 전압이 계속 상승하여서 발광 다이오드 채널(LED2)의 턴온 전압에 도달하면, 발광 다이오드 채널(LED1, LED2)이 턴온하여 발광한다. 발광 다이오드 채널(LED2)가 턴온되면 스위칭 회로(30_2)에 의한 전류 경로가 제공되며, 전류 센싱 저항(Rs)에는 스위칭 회로(30_2)로부터 유입된 전류가 공급된다. 이때 스위칭 회로(30_1)는 모니터링 전압(VMON)이 기준전압(VREF1)보다 높아진 상태이므로 턴오프된다.
정류 전압의 상승에 따라서 모니터링 회로(24)의 모니터링 전압(VMON)도 상승하며, 정류 전압이 발광 다이오드 채널(LED3)을 턴온할 수 있는 턴온 전압에 도달하면 모니터링 전압(VMON)도 기준전압(VREF2) 이상으로 상승한다.
즉, 스위칭 회로(30_2)의 비교부(50)는 턴온 상태를 발광 다이오드 채널(LED3)이 턴온되기 전까지 유지하며 기준전압(VREF2) 보다 모니터링 전압(VMON)이 높아지면 NMOS 트랜지스터(52)를 턴오프한다.
스위칭 회로(30_2)가 턴온된 상태에서, 펄스 생성부(26)는 정류 전압의 상승에 대응하여 상술한 바와 같이 구간 내에서 펄스 폭이 점차 증가하는 제어 펄스를 생성하여서 스위칭 회로(30_2)의 비교부(50)의 펄스 입력단(PWM)으로 제공한다.
스위칭 회로(30_2)의 비교부(50)는 펄스 입력단(PWM)에 제어 펄스가 입력되면 제어 펄스에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스를 NMOS 트랜지스터(52)로 제공한다. 그러면, 도 2의 펄스(P2)과 같은 스위칭 펄스에 의하여 NMOS 트랜지스터(52)가 구동되어서 전류 경로 상의 전류의 흐름을 제어한다.
즉, 발광 다이오드 채널(LED2)은 정류 전압이 자신의 턴온 전압 이상으로 상승하면 턴온되어 발광하며, 이때 정류 전압의 상승에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스에 의하여 전류 경로 상의 전류의 흐름이 제어된다.
발광 다이오드 채널(LED1, LED2)이 발광한 후, 정류 전압이 계속 상승하여서 발광 다이오드 채널(LED3)의 턴온 전압에 도달하면, 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)이 턴온하여 발광한다. 발광 다이오드 채널(LED3)가 턴온되면 스위칭 회로(30_3)에 의한 전류 경로가 제공되며, 전류 센싱 저항(Rs)에는 스위칭 회로(30_3)로부터 유입된 전류가 공급된다. 스위칭 회로(30_2)는 모니터링 전압(VMON)이 기준전압(VREF2)보다 높아진 상태이므로 턴오프된다.
전류 센싱 저항(Rs)은 스위칭 회로(30_3)에 의한 전류 경로를 통한 전류가 흐르고, 펄스 생성부(26)는 전류 센싱 저항(Rs)의 센싱 전압의 인가에 따라 구동되어서 제어 펄스를 생성하여 스위칭 회로(30_3)의 비교부(50)의 펄스 입력단(PWM)으로 제공한다.
스위칭 회로(30_3)의 비교부(50)는 턴온된 상태에서 펄스 입력단(PWM)으로 제어 펄스가 입력되면 제어 펄스에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스를 NMOS 트랜지스터(52)로 제공한다. 그러면, 도 2의 펄스(P3)과 같은 스위칭 펄스에 의하여 NMOS 트랜지스터(52)가 구동되어서 전류 경로 상의 전류의 흐름을 제어한다.
즉, 발광 다이오드 채널(LED3)은 정류 전압이 자신의 턴온 전압 이상으로 상승하면 턴온되어서 발광하며, 이때 전류 경로 상의 전류에 대응하는 센싱 전압의 레벨을 따르는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스에 의하여 전류의 흐름이 제어된다.
본 발명에 따른 도 1의 실시예는 정류 전압의 상승에 대응하여 스위칭 회로(30_1)에서 스위칭 회로(30_3)로 순으로 전류 경로가 변경된다. 즉, 전류 경로가 정류 전압이 인가되는 위치로부터 먼 쪽으로 시프트된다.
그리고, 정류 전압이 상승함에 따라서 센싱 전압의 레벨이 상승하고, 펄스 발생부(26)는 정류 전압의 상승에 대응하여 각 구간 별로 상술한 바와 같이 펄스 폭(듀티 : Duty)이 점차 커지는 제어 펄스를 제공하며, 제어 펄스의 폭이 클 수록 NMOS 트랜지스터(52)에 인가되는 스위칭 펄스의 펄스 폭도 점차 커진다.
한편, 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)이 모두 턴온된 후 정류 전압은 하강한다.
정류 전압의 하강이 시작되면, 발광 다이오드 채널은 LED3, LED2, LED1의 순으로 소광된다. 그리고, 상기 소광에 대응하여 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)에 의한 전류 경로도 정류 전압이 인가되는 위치에서 먼 쪽에서 가까운 쪽으로 순차적으로 시프트되어 제공된다. 또한, 정류 전압의 하강에 따라서 펄스 생성부(26)는 정류 전압의 상승의 경우와 반대로 구간 별로 넓은 펄스 폭을 갖는 펄스를 초기 펄스로 하여 점차 펄스 폭이 줄어드는 펄스들을 포함하는 제어 펄스를 제공하며, 그에 따라 스위칭 펄스에 포함된 펄스들도 가변된다.
상술한 바와 같이, 도 1의 실시예는 정류 전압이 상승 또는 하강하면 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)이 순차적으로 턴온 또는 턴오프된다.
그리고, 정류 전압의 상승 또는 하강에 따라서 전류를 제어하는 스위칭 펄스의 폭이 가변됨에 따라서 발광 다이오드 채널을 발광하기 위한 평균 전류의 변화도 정류 전압의 변화를 따르는 효과를 얻는다. 즉, 많은 수의 발광 다이오드를 발광하기 위해서는 많은 양의 전류가 공급되고, 적은 수의 발광 다이오드를 발광하기 위해서는 적은 양의 전류가 공급된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예는 인덕터나 캐패시터 요소를 사용하지 않을 뿐만 아니라 각 채널 별로 정류 전압을 따라가는 모니터링 전압을 적용함으로써 최적의 역률이 보장되고 충분한 전류 레귤레이션 특성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 한 개의 전류 센싱 저항을 이용하여 발광 다이오드 채널 별로 전류 경로를 제공함으로써 발광 다이오드 구동 회로를 이루는 부품이 간소화되고 그에 따라 간단한 구조로 회로가 구현될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 실시예는 도 3과 같이 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3) 별로 독립적으로 펄스 발생 회로를 구성하는 것으로 실시될 수 있으며, 각 펄스 발생 회로는 전류 센싱 저항(Rs1, Rs2, Rs3) 및 펄스 생성부(26_1, 26_2, 26_3)를 포함한다.
도 3의 실시예는 도 1의 실시예와 비교하여 각 스위칭 회로(30_1, 30_2 ... 30_3)에 펄스 생성부(26_1, 26_2, 26_3)와 전류 센싱 저항(Rs1, Rs2 ... Rs3)을 각각 포함하는 독립적인 펄스 발생 회로를 채용한 구성이 다르며, 나머지 구성 요소는 도 1과 동일하므로 이에 대한 중복된 구성 설명과 동작 설명은 생략한다.
도 3의 구성에서, 각 전류 센싱 저항(Rs1, Rs2, Rs3)은 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3) 별 턴온 조건을 만족하도록 균일한 저항값을 가짐이 바람직하다.
도 3의 실시예는 도 1의 실시예와 같이 정류 전압이 상승과 하강에 따라 발광 다이오드 채널들(LED1, LED2, LED3)의 발광이 하나씩 증가하거나 하나씩 소광한다.
초기 상태의 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)는 모니터링 전압(VMON)과 자신의 기준전압(VREF1, VREF2, VREF3)의 차에 따라서 턴온 상태를 유지한다.
정류 전압의 상승에 따라서, 발광 다이오드 채널들(LED1, LED2, LED3)이 순차적으로 턴온되면, 그에 따라서 전류 경로도 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)에 의하여 시프트되면서 순차적으로 제공된다.
발광 다이오드 채널(LED1)이 턴온되면 전류 경로가 스위칭 회로(30_1)에 의하여 제공되며, 전류가 전류 센싱 저항(Rs1)으로 공급된다. 발광 다이오드 채널(LED1, LED2)이 턴온되면 전류 경로가 스위칭 회로(30_2)에 의하여 제공되며, 전류가 전류 센싱 저항(Rs2)에 공급된다. 그리고, 발광 다이오드 채널(LED1, LED2, LED3)이 턴온되면 전류 경로가 스위칭 회로(30_3)에 의하여 제공되며, 전류가 전류 센싱 저항(Rs3)에 공급된다.
각 펄스 생성부(26_1, 26_2, 26_3)는 자신의 전류 센싱 저항(Rs1, Rs2, Rs3)에 형성된 센싱 전압에 의하여 동작되면서 전류 경로가 제공되는 시점에 펄스의 발생이 리셋되며, 전류 경로가 변경되는 구간 내에서 점차적으로 펄스 폭이 증가하거나 감소하는 제어 펄스를 출력한다.
결국, 정류 전압의 증가에 따라서 전류 경로가 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)에 의하여 순차적으로 제공되며, 각 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)는 자신에 해당하는 펄스 생성부(26_1, 26_2, 26_3)의 도 2의 제어 펄스의 펄스 폭에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스로 전류의 흐름을 스위칭한다.
이와 반대로, 정류 전압이 하강하면, 정류 전압이 인가되는 위치에서 먼 쪽에서 가까운 쪽으로 전류 경로가 시프트되며, 결국 광원(12)의 발광을 제어하는 스위칭 펄스는 정류 전압의 하강에 따라서 전류 경로가 변경되는 각 구간 내에서 점차 펄스 폭이 줄어드는 펄스들을 포함한다.
도 1 및 도 3의 실시예는 스위칭 회로(30_1, 30_2, 30_3)의 비교부(50)에서 출력되는 스위칭 펄스의 펄스 폭이 정류 전압의 변화에 따라 구간 내에서 단계적으로 가변됨에 따라서 각 채널별 전류 경로의 전류를 독립적으로 제어하고, 평균 전류값이 도 2와 같이 입력되는 정류 전압을 따라가는 특성을 갖는다.
10 : 정류 회로 12 : 광원
14 : 제어 회로 20 : 기준전압 발생 회로
24 : 모니터링 회로 26_1, 26_2, 26_3 : 펄스 생성부
30_1, 30_2, 30_3 : 스위칭 회로 50 : 비교기
52 : NMOS 트랜지스터

Claims (13)

  1. 교류를 변환하여 정류 전압으로 제공하는 전원부;
    하나 이상의 발광 다이오드를 포함하는 복수 개의 발광 다이오드 채널로 구성되며 상기 정류 전압의 인가에 의하여 발광하는 광원; 및
    상기 발광 다이오드 채널 별로 연결되는 복수 개의 스위칭 회로들을 통해 상기 정류 전압의 레벨 변화에 따른 전류 경로를 선택적으로 제공하며, 펄스 폭이 변동하는 제어 펄스를 이용하여 각 채널별 상기 광원에 공급되는 평균 전류가 상기 정류 전압의 파형을 따라가도록 상기 제어 펄스의 상기 펄스 폭을 제어하는 제어 회로;를 포함함을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 전류 경로의 전류를 독립적으로 제어함을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제어 회로는,
    상기 정류 전압의 변화에 대응한 모니터링 전압을 제공하는 모니터링 회로;
    상기 스위칭 회로들 별로 서로 다른 레벨의 기준전압을 제공하는 기준전압 생성 회로;
    상기 모니터링 전압과 제공받은 상기 기준전압의 비교 결과에 따라 상기 전류 경로를 제공하고 상기 제어 펄스를 이용하여 상기 전류를 제어하는 상기 복수 개의 스위칭 회로; 및
    상기 전류 경로가 제공되는 시점에 리셋되며 상기 정류 전압의 상승에 대응하여 상기 펄스 폭이 점차 증가하고 상기 정류 전압의 하강에 대응하여 상기 펄스 폭이 점차 감소하는 상기 제어 펄스를 상기 복수 개의 스위칭 회로에 제공하는 펄스 발생 회로;를 포함하는 발광 다이오드 조명 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 펄스 발생 회로는,
    상기 복수 개의 스위칭 회로에 공통으로 연결되고 상기 전류에 대응하는 센싱 전압을 제공하는 전류 센싱 저항을 포함하며, 상기 센싱 전압의 인가에 의하여 동작되는 발광 다이오드 조명 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제어 회로는,
    상기 정류 전압에 대응한 모니터링 전압을 제공하는 모니터링 회로;
    상기 스위칭 회로들 별로 서로 다른 레벨의 기준전압을 제공하는 기준전압 생성 회로;
    상기 모니터링 전압과 제공받은 상기 기준전압의 비교 결과에 따라 상기 전류 경로를 제공하고 제어 펄스를 이용하여 상기 전류를 제어하는 상기 복수 개의 스위칭 회로; 및
    상기 전류 경로가 제공되는 시점에 리셋되며 상기 정류 전압의 상승에 대응하여 상기 펄스 폭이 점차 증가하고 상기 정류 전압의 하강에 대응하여 상기 펄스 폭이 점차 감소하는 상기 제어 펄스를 생성하여서 각각의 상기 스위칭 회로에 제공하는 복수 개의 펄스 발생 회로;를 포함하는 발광 다이오드 조명 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 각 펄스 발생 회로는,
    상기 복수 개의 스위칭 회로 별로 연결되어서 상기 전류에 대응하는 센싱 전압을 제공하는 복수 개의 전류 센싱 저항을 포함하며, 상기 센싱 전압의 인가에 의하여 동작되는 발광 다이오드 조명 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 펄스 발생 회로의 상기 복수 개의 전류 센싱 저항은 동일한 저항 값을 갖는 발광 다이오드 조명 장치.
  8. 제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 기준전압 생성 회로는,
    상기 발광 다이오드 채널들 중에 상대적으로 턴온 전압이 높은 발광 다이오드 채널에 연결된 스위칭 회로에 대하여 높은 기준전압을 제공하고 상기 턴온 전압이 상대적으로 낮은 상기 발광 다이오드 채널에 연결된 스위칭 회로에 대하여 낮은 기준전압을 제공하는 발광 다이오드 조명 장치.
  9. 제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 스위칭 회로는,
    상기 모니터링 전압과 상기 기준전압을 비교한 결과에 따라 출력 레벨을 결정하고 상기 제어 펄스의 펄스 폭에 대응하는 펄스 폭을 갖는 스위칭 펄스를 출력하는 비교부; 및
    상기 스위칭 펄스에 응답하여 상기 전류 경로를 선택적으로 제공하면서 상기 펄스 폭에 따라 상기 전류를 제어하는 스위칭 소자를 포함하는 발광 다이오드 조명 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 펄스 발생 회로는 상기 전류 경로가 제공되는 시점을 상기 스위칭 펄스에 의하여 판단하도록 구성되는 발광 다이오드 조명 장치.
  11. 전압의 레벨이 승하강하는 정류 전압을 이용하는 발광 다이오드 조명 장치의 제어 방법에서,
    복수 개의 발광 다이오드 채널들을 제공하는 단계;
    상기 발광 다이오드 채널 별로 전류 경로를 제공하기 위한 기준전압들을 제공하는 단계;
    상기 정류 전압의 변화를 모니터링하여 모니터링 전압을 제공하는 단계; 및
    상기 모니터링 전압과 상기 기준전압을 비교한 결과에 따라 상기 발광 다이오드 채널들 중 선택된 발광 다이오드 채널에 전류 경로를 제공하며, 펄스 폭이 변동하는 제어 펄스를 이용하여 채널별 상기 광원에 공급되는 평균 전류가 상기 정류 전압의 파형을 따라가도록 제어하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치의 제어 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 전류 경로의 전류는 독립적으로 제어함을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치의 제어 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제어 펄스는 상기 전류 경로가 제공되는 시점에 리셋하고, 상기 정류 전압의 상승에 대응하여 상기 펄스 폭이 점차 증가하고 상기 정류 전압의 하강에 대응하여 상기 펄스 폭이 점차 감소하도록 생성하여 제공하는 발광 다이오드 조명 장치의 제어 방법.
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