KR20150069382A

KR20150069382A - Ｌｅｄ 구동회로

Info

Publication number: KR20150069382A
Application number: KR1020130155704A
Authority: KR
Inventors: 홍성수; 이용철; 정광순; 박준우
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-06-23
Also published as: KR101625069B1

Abstract

본 발명은 세픽 컨버터를 적용하여 부피와 가격을 저감시키고 전력효율을 향상시키는 LED 구동회로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 LED 구동회로는, 트랜스포머의 1차측에 형성된 1차측 회로; 및 상기 트랜스포머의 2차측에 형성된 하나 이상의 2차측 회로; 를 포함하고, 상기 1차측 회로에 저장된 에너지 중 상기 2차측 회로로 전송하고 남은 에너지를 상기 1차측 회로의 입력단으로 회귀시킨다.

Description

ＬＥＤ 구동회로{LED DRIVING CIRTUIT}

본 발명은 LED 구동회로에 관한 것으로서, 특히 세픽 컨버터를 적용하여 부피와 가격을 저감시키고 전력효율을 향상시키는 LED 구동회로에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 헤드 라이트용 배터리 전원장치는 LED(Lignt Emitting Diode)의 구동을 위하여 각 출력단에 벅 컨버터(Buck Converter) 또는 부스트 컨버터(Boost Converter)를 사용하여 LED 전류를 제어하고 있다.

이러한 LED 구동 시스템에 전압을 공급하기 위한 전원장치에 있어서, 하나의 컨버터에 하나의 출력만을 만들면 전류 정밀도가 뛰어나 출력전압의 변동범위를 줄일 수 있어 제품의 효율성과 안전성이 보장되는 장점이 있으나, 도 1에서와 같이 다수의 출력단을 만드는 경우 각 출력단마다 독립된 컨버터를 구성해야 하므로 가격이 상승하고 부품 수가 증가하여 제품의 부피가 커지는 단점이 있다.

따라서 최근에는 한 개의 컨버터를 사용하여 다중출력을 얻는 방식이 많이 사용되고 있다. 한 개의 컨버터를 사용한 다중출력 방식은 주 출력만 제어하는 크로스 레귤레이션(Cross-Regulation) 방식과, 주 출력을 제어하면서 2차측 제어회로를 추가하여 사용하는 SSPR(Secondary Side Post Regulation) 방식이 있다. 주 출력단만 제어하고 나머지 출력단은 트랜스포머의 권선비(trun ration)에 의해 제어되는 크로스 레귤레이션 방식의 경우 가격은 저렴해지지만 부 출력단의 정밀제어가 불가능하므로 부하변동이 심한 시스템에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.

반면에, 주 출력단을 제어하면서 나머지는 2차측 제어회로를 추가하여 사용하는 SSPR 방식의 경우 빠른 동적특성을 가지기 때문에 출력전압의 변동범위를 줄일 수 있어 제품의 신뢰성이 보장되며 다양한 분야에 적용가능한 장점이 있다.

그러나, 이러한 SSPR 방식은 부 출력단의 스위칭 제어신호가 주 출력단의 스위칭 제어신호와 동기를 맞추어야 하므로 제어회로가 복잡해지는 단점이 있고 전자자폐(EMI:electromagnetic interference) 규제를 만족시키기 위해 전원회로의 입력단에 LC 필터를 사용하게 된다. 따라서, 추가로 입력단에 인덕터와 커패시터를 삽입해야 하며 전원장치에 따라 LC 필터의 크기가 증가할 경우 입력단의 부피가 커져 전원회로 전체의 부피가 커지는 단점이 있다.

한국등록특허 제0729835호

이에, 본 발명은 트랜스포머의 2차측으로 전달하고 남은 1차측의 에너지를 입력단으로 회귀시키도록 하는 LED 구동회로를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 트랜스포머의 1차측 스위치의 듀티비(duty ratio)를 고정하고 2차측에 SSPR 방식으로 제어되는 스위치를 사용함으로써 단순화된 구조를 갖는 LED 구동회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 세픽 컨버터를 적용하여 LED 구동회로를 구현함으로써 기존의 LED 구동회로에서 2차측에 사용하던 벅 컨버터 또는 부스트 컨버터를 배제하여 부피 및 가격을 저감시키고 전력변환의 효율을 향상시킬 수 있는 LED 구동회로를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.

본 발명에 따른 LED 구동회로는,

트랜스포머의 1차측에 형성된 1차측 회로; 및 상기 트랜스포머의 2차측에 형성된 하나 이상의 2차측 회로; 를 포함하고, 상기 1차측 회로에 저장된 에너지 중 상기 2차측 회로로 전송하고 남은 에너지를 상기 1차측 회로의 입력단으로 회귀시킨다.

본 발명에서, 상기 1차측 회로는, 입력전원(Vin)에 제1인덕터(L1)와 제1커패시터(C1)이 직렬연결되고, 상기 입력전원(Vin)과 상기 제1인덕터(L1) 사이에 링크 커패시터(Clink)와, 상기 제1인덕터(L1)와 상기 제1커패시터(C1) 사이에 제1스위치(M1)가 각각 상기 입력전원(Vin)에 각각 병렬연결된다.

본 발명에서, 상기 1차측 회로는, 상기 제1인덕터(L1) 및 제1커패시터(C1)의 직렬연결에 제1다이오드(D1)가 병렬연결되고 제1인덕터(L1) 및 상기 트랜스포머의 내부 자화인덕터(Lm)에 축적된 에너지를 상기 제1다이오드(D1)를 통해 입력전원(Vin)측으로 회귀시킨다.

본 발명에서, 상기 2차측 회로는, 상기 트랜스포머의 2차측의 전류를 스위칭하는 제2스위치(Ms); 및 상기 제2스위치(Ms)에 병렬연결되어 상기 전류에 의한 전압을 평활하는 제2커패시터(Co); 를 포함한다.

본 발명에서, 상기 제1스위치(M1)은 고정된 듀티비(duty ratio)로 턴온/턴오프 동작을 수행한다.

본 발명에서, 상기 제2스위치(Ms)는 상기 2차측 회로의 부하에 따라 SSPR(Secondary Side Post Regulator) 방식으로 제어된다.

본 발명에서, 상기 1차측 회로(100) 및 2차측 회로(200)는 세픽 컨버터로 구현된다.

본 발명에서, 상기 1차측 회로의 제1스위치(M1) 및 2차측 회로의 제2스위치(Ms)가 턴온되면 상기 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(Lm)에 에너지가 축적되고 이후에 상기 제1스위치(M1)이 턴오프되면 상기 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(Lm)에 저장된 에너지는 2차측 회로로 전달된다.

본 발명에서, 상기 2차측 회로의 출력단이 둘 이상인 경우 상기 출력단의 출력전압이 낮은 순서대로 상기 제2다이오드(Ds)가 도통되어 해당 2차측 회로로 에너지가 전달된다.

본 발명에서, 상기 제1인덕터(L1) 및 상기 제2인덕터(Lm)에 축적된 에너지가 상기 2차측 회로로 전달되는 상태에서 상기 제2스위치(Ms)가 턴오프되면 상기 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(Lm)에 저장된 에너지가 상기 1차측 회로의 제1다이오드(D1)를 통해 입력단으로 회귀된다.

본 발명에 의하면 기존의 LED 구동회로에 적용되는 벅 컨버터 또는 부스트 컨버터를 배제함으로써 부피 및 원가를 저감시킬 수 있고 전원장치의 전력변환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 자동차의 헤드 라이트용 LED 구동회로에 적용할 경우 배터리 전원과 입력 링크 커패시터 사이의 배선길이가 길어지기 때문에 선로 상의 누설 인덕턴스가 증가하여 등가적으로 LC 필터와 같이 성능을 나타낼 수 있기 때문에 EMI 저감을 위한 LC 필터를 추가로 삽입하지 않아도 된다.

도 1은 종래기술에 따른 각 출력단에 개별 컨버터를 적용한 다중 출력방식의 LED 구동회로도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 세픽 컨버터를 적용한 LED 구동회로도.
도 3은 도 2의 실시 예에 따른 주요 소자의 전류파형도.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 구동회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 LED 구동회로는 트랜스포머(transformer)(300)를 중심으로 서로 절연되는 1차측 회로(100)와 2차측 회로(200)를 포함한다. 본 실시 예에서 1차측 회로(100)와 2차측 회로(200)는 예컨대 세픽 컨버터(Sepic Converter)로 구현된다. 1차측 회로(100)는 입력전원(Vin)에 제1인덕터(L1)와 제1커패시터(C1)이 직렬연결되고, 입력전원(Vin)과 제1인덕터(L1) 사이에 링크 커패시터(Clink)와, 제1인덕터(L1)와 제1커패시터(C1) 사이에 제1스위치(M1)가 각각 입력전원(Vin)에 병렬연결된다. 또한, 이러한 제1인덕터(L1)과 트랜스포머(300)의 내부 자화 인덕터(Lm)에 축적되는 에너지를 입력전원(Vin)측으로 회귀하도록 하기 위한 제1다이오드(D1)를 포함한다.

본 실시 예에서 LED 구동회로는 적어도 하나의 2차측 회로(200)를 포함할 수 있다. 즉, 하나의 LED를 구동할 수도 있으며 둘 이상의 LED를 구동할 수도 있다. 따라서 다채널 LED 구동회로를 구현할 경우 2차측 회로(200)는 각 LED의 개수에 대응하도록 구현되는 것이다. 이러한 2차측 회로(200)는 트랜스포머(300)의 2차측에 발생되어 제2다이오드(Ds)를 통해 흐르는 전류를 스위칭하는 제2스위치(Ms), 제2스위치(Ms)에 병렬연결되어 이러한 전류에 의한 전압을 평활하는 제2커패시터(Co)를 포함한다. 제2커패시터(Co)에는 LED가 연결되며 내부에 축적된 에너지로 LED를 구동한다. 이때, 다채널 LED 구동회로의 경우 동일한 회로를 다수 개로 병렬연결하여 각각의 LED를 구동하도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 LED 구동회로에서 1차측 회로(100)의 제1스위치(M1)는 고정된 듀티비(duty ration)로 동작하고 2차측 회로(200)의 제2스위치(Ms)는 SSPR(Secondary Side Post Regulator) 방식으로 제어된다. 이러한 제1스위치(M1)의 듀티비를 고정함으로써 LED로 공급하는 전원은 2차측 회로(200)의 제2스위치(Ms)의 듀티비 조정을 통해 제공되도록 한다. 이와 같이 본 발명에서는 LED 구동회로에 세픽 컨버터를 적용함으로써 트랜스포머(300)의 1차측 회로(100)에서 제1스위치(M1)의 듀티비를 고정하기 때문에 종래기술에 비해 회로의 제어가 간편하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서는 1차측 회로(M1)가 턴온(turn-on)되는 동안에는 제1인덕터(L1) 및 자화인덕터(Lm)에 에너지가 저장되고 적어도 하나의 부하측(LED)에서 필요한 에너지를 트랜스포머(300)를 통해 2차측 회로(200)로 전달한다. 만약 제1인덕터(L1) 및 자화인덕터(Lm)에 저장된 에너지 중 부하측(LED)에 필요한 에너지를 전달하고 남은 에너지는 1차측 회로(100)의 제1다이오드(D1)을 통해 입력단으로 회귀된다. 여기서 부하측에 필요한 에너지는 제2스위치(Ms)가 턴온된 상태에서 제1스위치(M1)가 턴오프되면 1차측 회로(100)의 제1인덕터(L1) 및 자화인덕터(Lm)에서 2차측 회로(200)로 전달되며 2차측 회로(200)에 필요한 에너지가 모두 전달되면 제2스위치(Ms)가 턴오프되고 에너지 전달은 중단된다. 이때, 제1인덕터(L1) 및 자화인덕터(Lm)에서 2차측 회로(200)로 전달하고 남은 에너지는 제1다이오드(D1)를 통해 입력단으로 회귀되는 것이다.

이때, 본 발명의 LED 구동회로를 예컨대 자동차의 헤드 라이트용으로 적용하는 경우 배터리 전원(Vin)과 링크 커패시터(Clink) 사이의 배선길이가 길어지기 때문에 선로 상의 기생 인덕턴스(Leakage inductance)가 증가하여 등가적으로 LC 필터로 나타나게 된다. 따라서 1차측 회로(100)에서 제1 다이오드(D1)를 통해 제1,2 인덕터(L1,Lm)에 저장된 에너지가 입력단으로 회귀될 때 그 회귀되는 구형파전류는 링크 커패시터(Clink)로 흐르므로 전자차폐(EMI:ElectroMagnetic Interference) 저감을 위한 LC필터를 추가로 삽입하지 않아도 되는 장점이 있다.

도면에는 다수의 LED가 연결된 다채널 LED 구동회로가 도시되어 있으나 상술한 바와 같이 하나의 LED가 연결될 수도 있다. 다채널 LED 구동회로의 경우 2차측 회로(200)가 병렬로 다수 개 연결된다. 동작원리는 모두 동일하므로 중복설명은 생략한다. 이때, LED의 구동은 부하의 크기에 대응하여 각각의 2차측 회로(200)의 제2스위치(Ms)의 듀티비의 조정을 통해 구현할 수 있도록 한다. 이러한 다채널 LED 구동회로의 경우에도 각각의 제2차측 회로(200)에서 LED의 출력전압이 낮은 순서대로 제2스위치(Ms)를 턴온시킴으로써 대응되는 제2다이오드(Ds)가 순차적으로 도통하도록 하여 각각의 LED를 구동시킨다. 이때 각 LED에 필요한 에너지를 제외한 나머지는 1차측 회로(100)의 제1다이오드(D1)를 통해 입력단으로 회귀된다.

도 3은 도 2의 실시 예에 따른 주요 소자의 전류파형도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 세픽 컨버터를 이용한 LED 구동회로에서 t0~t1 동안 제1스위치(M1)가 턴온되고 t0~t2 동안 제2스위치(Ms)가 턴온되는 것으로 설정하면 제1인덕터(L1)에서의 전류(I1)는 제1스위치(M1)가 턴온(turn-on)되는 동안 증가한다. 이후 제1스위치(M1)가 턴오프(turn-off)되면 내부에 축적된 에너지가 소비되므로 점차 감소된다. 또한, 트랜스포머(300)의 자화인덕터(Lm)의 전류(Im)도 I1와 동일한 파형을 나타낸다. 이는 제1인덕터(L1)와 마찬가지로 제1스위치(M1)가 턴온(turn-on)되는 동안 에너지가 계속 증가하여 에너지가 축적되고 제1스위치(M1)가 턴오프(turn-off)되면 내부의 에너지를 소비하게 되므로 감소한다. 이때, 트랜스포머(300)의 2차측 회로(200)에서의 전류(Is)는 제1스위치(M1)가 턴오프되어(t1시점) 2차측으로 에너지가 전달되는 순간 발생하며 제1인덕터(L1) 및 자화인덕터(Lm)에 저장된 에너지가 부하 측으로 전달되는 동안 서서히 감소되는 형태를 보인다. 이는 물론 제2스위치(Ms)가 턴온되는 동안에 이루어지며 제2스위치(Ms)가 턴오프되면 0(zero)가 된다(t2시점).

특히, 본 발명에서는 제1인덕터(L1) 및 자화인덕터(Lm)에 축적된 에너지에서 부하단에서 필요로 하는 에너지를 제공하고 남은 에너지를 제1다이오드(D1)를 통해 입력단으로 회귀시킬 때, 제2스위치(Ms)가 턴오프되면 2차측 회로(200)로의 에너지 전달은 중단되어 2차측 회로(200)에서의 전류(Is)는 0(zero)가 되고 남은 에너지는 제1다이오드(D1)를 통해 회귀되므로 제2스위치(Ms)가 턴오프되는 시점(t2)에 제1다이오드(D1)에서의 전류(Id)가 발생한다. 이러한 전류(Id)는 제1,2스위치(M1,Ms)가 턴온되는 시점(t3)에 0(zero)이 된다.

상기와 같이 이러한 파형들은 t0~t3 시간동안에 걸쳐 3개의 모드로 구분될 수 있다. 이후에는 3개의 모드가 반복된다. 이하에서는 각 모드별로 LED 구동회로의 동작을 보다 구체적으로 설명한다.

제1모드(t0~t1)는 1차측 회로(100)의 제1스위치(M1)와 SSPR 제어를 위한 2차측 회로(200)의 제2스위치(Ms)가 턴온되면 시작된다. 제1스위치(M1)은 고정된 듀티비로 동작하며 제1스위치(M1)이 턴온되는 동안 제1인덕터(L1)와 자화인덕터(Lm)에 각각 에너지가 축적된다.

제2모드(t1~t2)는 1차측 회로(100)의 제1스위치(M1)이 턴오프됨과 함께 시작된다. 제2모드에서 제1인덕터(L1)에 저장된 에너지와 자화인덕터(Lm)에 저장된 에너지는 2차측 회로(200)로 전달된다. 만약, 도 2에서와 같이 다중채널 LED 구동회로인 경우 각 2차측 회로(200)의 출력전압이 낮은 순서부터 제2스위치(Ms)에 의해 제2다이오드(Ds)가 도통되어 2차측 회로(200)의 출력단(LED)으로 에너지를 전달하게 된다. 이는 제1스위치(M1)의 턴온/턴오프에 따라 제1인덕터(L1)은 부스트 컨버터(Boost Converter)처럼 동작되며 제2인덕터(Lm)은 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter)와 같이 동작된다. 따라서, 트랜스포머(300)의 닷(dot)방향은 도 2에서와 같이 같은 방향이 되어야 한다.

제3모드(t2~t3)는 제2스위치(Ms)가 턴오프되면 시작된다. 제3모드에서는 제1인덕터(L1)와 자화인덕터(Lm)에 저장된 에너지 중 2차측 회로(200)의 부하단에서 필요로 하는 에너지를 제외한 나머지가 1차측 회로(100)의 제1다이오드(D1)를 통해 입력단으로 회귀된다.

상술한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 1차측 회로 200 : 2차측 회로
300 : 트랜스포머

Claims

트랜스포머(300)의 1차측에 형성된 1차측 회로(100); 및
상기 트랜스포머(300)의 2차측에 형성된 하나 이상의 2차측 회로(200); 를 포함하고,
상기 1차측 회로(100)에 저장된 에너지 중 상기 2차측 회로(200)로 전송하고 남은 에너지를 상기 1차측 회로(100)의 입력단으로 회귀시키는 LED 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 1차측 회로(100)는,
입력전원(Vin)에 제1인덕터(L1)와 제1커패시터(C1)이 직렬연결되고,
상기 입력전원(Vin)과 상기 제1인덕터(L1) 사이에 링크 커패시터(Clink)와, 상기 제1인덕터(L1)와 상기 제1커패시터(C1) 사이에 제1스위치(M1)가 각각 상기 입력전원(Vin)에 각각 병렬연결되는 LED 구동회로.
제2항에 있어서, 상기 1차측 회로(100)는,
상기 제1인덕터(L1) 및 제1커패시터(C1)의 직렬연결에 제1다이오드(D1)가 병렬연결되고 제1인덕터(L1) 및 상기 트랜스포머(300)의 내부 자화인덕터(Lm)에 축적된 에너지를 상기 제1다이오드(D1)를 통해 입력전원(Vin)측으로 회귀시키는 LED 구동회로.
제3항에 있어서, 상기 2차측 회로(200)는,
상기 트랜스포머(300)의 2차측의 전류를 스위칭하는 제2스위치(Ms); 및
상기 제2스위치(Ms)에 병렬연결되어 상기 전류에 의한 전압을 평활하는 제2커패시터(Co); 를 포함하는 LED 구동회로.
제4항에 있어서,
상기 제1스위치(M1)은 고정된 듀티비(duty ratio)로 턴온/턴오프 동작을 수행하는 LED 구동회로.
제4항에 있어서,
상기 제2스위치(Ms)는 상기 2차측 회로(200)의 부하에 따라 SSPR(Secondary Side Post Regulator) 방식으로 제어되는 LED 구동회로.
제4항에 있어서,
상기 1차측 회로(100) 및 2차측 회로(200)는 세픽 컨버터로 구현되는 LED 구동회로.
제4항에 있어서,
상기 1차측 회로(100)의 제1스위치(M1) 및 2차측 회로(200)의 제2스위치(Ms)가 턴온되면 상기 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(Lm)에 에너지가 축적되고 이후에 상기 제1스위치(M1)이 턴오프되면 상기 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(Lm)에 저장된 에너지는 2차측 회로(200)로 전달되는 LED 구동회로.
제8항에 있어서,
상기 2차측 회로(200)의 출력단이 둘 이상인 경우 상기 출력단의 출력전압이 낮은 순서대로 상기 제2다이오드(Ds)가 도통되어 해당 2차측 회로(200)로 에너지가 전달되는 ED 구동회로.
제8항에 있어서,
상기 제1인덕터(L1) 및 상기 제2인덕터(Lm)에 축적된 에너지가 상기 2차측 회로(200)로 전달되는 상태에서 상기 제2스위치(Ms)가 턴오프되면 상기 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(Lm)에 저장된 에너지가 상기 1차측 회로(100)의 제1다이오드(D1)를 통해 입력단으로 회귀되는 LED 구동회로.