KR20160054912A - 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치 및 그 방법 - Google Patents

평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 조명에 관한 것으로 특히, 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 평균 전류 제어 발광 다이오드 구동 장치에 있어서, 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하는 광원; 전원을 광원에 공급하는 전원부; 상기 전원부와 연결되며, 상기 광원을 PWM 구동하기 위한 스위치 소자 및 감지 저항을 포함하는 전류 제어부; 상기 전류 제어부에 연결되어, 상기 광원에 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하도록 상기 PWM 구동의 듀티 값을 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치 및 그 방법 {Method and apparatus for driving light emitting diode using average current control}
본 발명은 발광 다이오드 조명에 관한 것으로 특히, 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
조명 기기에 대한 광원, 발광 방식, 구동 방식 등에 대한 연구들이 진행되고 있으며, 최근에는 효율, 색 다양성, 디자인의 자율성 등에 장점이 있는 발광 다이오드(light emitting diode; LED)가 조명의 광원으로 주목받고 있다.
이러한 LED는 순 방향으로 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자로서, 수명이 길고, 소비 전력이 낮으며, 대량 생산에 적합한 전기적, 광학적, 물리적 특성을 가지고 있다.
이와 같은 LED를 조명에 이용하기 위하여, LED를 안정적으로 구동할 수 있는 구동 회로가 요구된다.
LED 조명을 구현할 수 있는 전원특성은 전체성능을 결정하는 주요 요인 중의 하나이다. LED의 광출력은 전원의 변동에 따라 가변되므로, 광출력을 일정하게 하기 위해서는 전원 안전성이 매우 중요하다. 또한, 그 밝기를 안정적으로, 일정하게 제어하여야 하는 LED 조명의 특성상, LED 조명의 구동회로에서 정전류(constant current) 제어 방식이 선호되고 있다.
그러나 입력 전압 및 LED의 온도 등의 변동에 따라 LED에 인가되는 전류가 함께 변동하는 상황이 발생할 수 있으며, 이를 효율적으로 제어할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광원이 일정한 광속으로 구동될 수 있도록 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 평균 전류 제어 발광 다이오드 구동 장치에 있어서, 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하는 광원; 전원을 광원에 공급하는 전원부; 상기 전원부와 연결되며, 상기 광원을 PWM 구동하기 위한 스위치 소자 및 감지 저항을 포함하는 전류 제어부; 상기 전류 제어부에 연결되어, 상기 광원에 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하도록 상기 PWM 구동의 듀티 값을 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, ADC 단자를 포함하는 MCU를 이용할 수 있다.
이때, 상기 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하는 것은, 상기 감지 저항을 통하여 상기 광원에 흐르는 피크 전류를 검출하고 평균전류함수를 적용하여 수행될 수 있다.
이때, 상기 피크 전류는 상기 감지 저항에 걸리는 전압 값이 상기 MCU의 ADC 단자로 인가되어 감지될 수 있다.
또한, 상기 평균전류함수는, 상기 피크 전류와 듀티의 곱이 일정하도록 적용될 수 있다.
여기서, 상기 스위치 소자와 감지 저항 사이에는 상기 제어부와 연결되는 전류 감지단이 더 포함될 수 있다.
여기서, 상기 전원부는, 1차 측에 주 권선 및 보조 권선을 가지고, 2차 측에 출력 권선을 가지는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 1차 측의 주 권선에 연결되고, 교류 전원을 정류하는 정류부; 상기 트랜스포머의 2차 측 출력 권선에 연결되는 2차 정류부; 및 상기 2차 정류부를 통하여 정류된 전압을 상기 광원 측으로 전달하는 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 캐패시터와 제어부 사이에 연결되어, 상기 트랜스포머의 1차 측에서 2차 측으로 전달되는 에너지 양을 조절하기 위한 포토 커플러를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 방법에 있어서, 광원에 흐르는 전압 값을 인가받아 디지털 신호로 변환하는 단계; 상기 전압 값을 이용하여 광원에 흐르는 피크 전류를 검출하는 단계; 상기 광원에 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하도록 평균전류함수를 적용하는 단계; 상기 평균전류함수를 적용하여 듀티 값을 조절하여 상기 광원을 PWM 구동하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 평균전류함수는, 상기 피크 전류와 듀티의 곱이 일정하도록 적용될 수 있다.
여기서, 상기 피크 전류를 검출하는 단계는, 상기 광원에 연결된 감지 저항에 걸리는 전압 값을 디지털로 변환하여 감지할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
입력 전압 및 LED 온도 등의 변동에 상관없이 평균전류가 일정한 전류 값으로 LED를 구동할 수 있으므로, 항상 일정한 전류를 LED에 공급할 수 있다.
또한, 추가되는 부품이 없기 때문에 회로가 간단하고 저가격의 소형화된 회로구현이 가능하다.
한편, 특정 함수를 적용하여 LED 전류를 제어할 수 있어 원하는 설계된 전류 값이 적용된 조명을 구현할 수 있다.
도 1은 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제1예를 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1의 회로에 의한 LED 구동 시의 전류 파형을 나타내는 개략도이다.
도 3은 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제2예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제3예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제4예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제5예를 나타내는 회로도이다.
도 7은 전원부의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 8은 도 6의 회로에 의한 LED 구동 시의 전류 파형을 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제1예를 나타내는 회로도이다.
도 1은 발광 다이오드(LED)를 구동하기 위한 전류 제어 회로의 일례로서, 전원부(도 7 참고)로부터 인가되는 전원은 MCU(10)에 의하여 제어되는 스위치 소자(Q1)에 의하여 제어될 수 있다. 스위치 소자(Q1)에는 감지 저항(R1)이 연결될 수 있다.
이와 같이, MCU(10)에서 출력되는 PWM(pulse width modulation) 신호에 의하여 스위치 소자(Q1)의 온/오프(on/off)를 제어함으로써 LED에 흐르는 전류(LED 전류; ILED)를 제어할 수 있다.
이때, 스위치 소자(Q1)의 온/오프(on/off)를 제어함으로써 LED를 디밍(Dimming) 할 수 있으며, 스위치 소자(Q1)의 오프 시 LED에 흐르는 전류(ILED)가 차단되고, 스위치 소자(Q1)의 온 시에 아래의 수학식 1과 같이 입력전압(VIN), 스위치 소자 전압(VMOSFET) 및 저항(R1) 전압(VR)에 의하여 전압 분배된 LED 전압(VLED)과 LED온도에 의하여 LED 전류(ILED)가 제어된다.
Figure pat00001
그런데, 이러한 경우에는, 따라서, 입력 전압 및 LED 온도 등의 변동에 따라 LED 전류도 함께 변동할 수 있다.
도 2는 도 1의 회로에 의한 LED 구동 시의 전류 파형을 나타내는 개략도이다.
위에서 언급한 바와 같이, 입력 전압 및 LED 온도 등의 변동에 따라 LED 전류도 함께 변동할 수 있으므로, 도 2에서와 같이, LED의 평균 전류 역시 일정한 값을 유지하지 못할 수 있다. 도 2에서 P는 LED 피크 전류(Peak Current)이고, D는 PWM 구동시의 듀티(Duty)를 나타낸다.
따라서, 입력 전압 및 LED 온도 등의 변동에 따라 LED 조명 장치의 광속이 변동할 수 있다.
도 3은 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제2예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 선형(Linear) 방식 LED 전류 제어 회로를 나타내고 있으며, 오피 앰프(OP AMP; OP1)의 의하여 저항(R2)에 일정한 전류가 흐르도록 제어함으로써 LED 전류(ILED)를 정전류 제어할 수 있다.
이와 같은 제어에 의하여 LED에 흐르는 전류(ILED)를 일정하게 제어할 수 있다. 즉, 평균 전류와 광속을 일정하게 유지할 수 있다.
이러한 전류 제어 회로는, LED 전압과 일정한 저항(R1) 전압을 제외한 나머지 전압이 모두 스위치 소자(Q2)에 인가되므로 고출력용 MOSFET과 같은 스위치 소자(Q2)를 사용하는 것이 유리하다.
그러나, 고출력용 MOSFET의 경우 가격이 고가이고 크기가 커서 작고 저렴한 회로 설계에는 한계를 보일 수 있다.
도 4는 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제3예를 나타내는 회로도이고, 도 5는 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제4예를 나타내는 회로도이다.
여기서, 도 4는 강압 컨버터(buck converter)형 LED 전류 제어 회로를 나타내고 있으며, 도 5는 하이 사이드 강압 컨버터(high-side buck converter)형 LED 전류 제어 회로를 나타내고 있다.
이러한 도 4 및 도 5와 같은 강압 컨버터형 회로는 LED 드라이버(Driver) IC(30)를 활용하여 LED 전류(ILED)를 정전류로 제어하는 방식을 나타내고 있다.
도 4 및 도 5와 같은 강압 컨버터형 회로는 LED 드라이버(30)를 이용하여 스위치 소자(Q3, Q4)를 제어하며, 전원 측에서 전달되는 전력은 인덕터(L1, L2)에 저장되었다가 다이오드(D1, D2)에 의하여 출력(LED) 측으로 유기되어 전달된다.
이와 같이, 강압 컨버터와 같은 DC-DC 컨버터형 제어 회로나 선형 제어 회로는 효율이 높고 평균 전류와 광속을 안정적으로 일정하게 유지할 수 있다.
그러나 이와 같은 회로는 LED 드라이버 IC(30), 인덕터(L1, L2), 캐패시터 등의 부품이 필수적으로 사용되므로 소형 저비용 회로를 설계하는데 한계가 있을 수 있다.
도 6은 발광 다이오드 구동 장치의 전류 제어 회로의 제5예를 나타내는 회로도이다.
도 6을 참조하면, 전류 제어 회로는 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)를 포함하는 광원, 이 광원을 PWM 구동하기 위한 스위치 소자(Q5) 및 감지 저항(R4)을 포함하는 전류 제어부, 및 LED에 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하도록 PWM 구동의 듀티 값을 제어하는 제어부(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 스위치 소자(Q5)와 감지 저항(R4) 사이에는 제어부(100)와 연결되는 전류 감지단(110)이 연결될 수 있다.
여기서, LED에 공급되는 전원은 LED를 구동할 수 있는 DC 전원을 공급할 수 있는 다양한 전원부가 이용될 수 있다.
예를 들어, 도 7과 같은 전원부(20)가 이용될 수 있으며, 이러한 전원부(20)는 LED와 연결되어 LED 구동 전류(ILED)를 공급할 수 있다.
이러한 전원부(20)의 구체적인 일례는 트랜스포머(T1)를 이용하는 절연형을 이용할 수 있다.
입력 전원(21)으로 교류 전원 100 V 또는 220 V 등이 접속되고, 이 전원(21)에는 정류부(23)가 연결된다. 이러한 정류부(23)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
이러한 전원(21)과 정류부(23) 사이에는 전자기 간섭(electro-magnetic interference; EMI)을 줄여주기 위한 EMI 필터(22)가 구비될 수 있다.
정류부(23)에는 트랜스포머(T1)가 연결되는데, 이 트랜스포머(T1)는 플라이 백(Fly-back) 트랜스포머가 이용될 수 있다.
이와 같은 트랜스포머(T1)는 1차 측(Primary)에는 주권선(P1) 및 보조 권선(P2)을 가지고, 2차 측(Secondary)에 출력 권선(S1)을 가진다.
트랜스포머(T1)의 주권선(P1) 및 보조 권선(P2)에는 DCM(discontinuous current mode) 제어를 위한 전력 제어부(24)가 연결된다.
트랜스포머(T1)의 2차 측 출력 권선(S1)에는 2차 정류부(25)와, 이 2차 정류부(25)를 통하여 정류된 전압을 부하 측으로 전달하는 캐패시터(26)가 연결된다.
이러한 2차 정류부(25)와 캐패시터(26)에는 포토 커플러(27)를 통하여 제어부(24)와 연결되는 피드백 회로(28)가 결선된다.
피드백 회로(28)는 레퍼런스 전압을 설정하여 포토 다이오드 및 포토 트랜지스터로 이루어지는 포토 커플러에 전류를 발생시켜 1차 측에서 2차 측으로 전달되는 에너지의 양을 조절하게 된다.
여기서 전력 제어부(24)는 위에서 설명한, 즉, LED에 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하도록 PWM 구동의 듀티 값을 제어하는 제어부(100)가 동일하게 이용될 수도 있다.
한편, 전원부로서, 이러한 전원부(20) 이외에 보다 간단한 형태의 전원부가 이용될 수도 있음은 물론이다. 즉, LED를 구동할 수 있는 DC 전원을 공급할 수 있는 전원이라면 어느 것이든 이용될 수 있다. 또한, 다수의 LED가 적절하게 배치된다면 AC 전원이 직접 연결되어 이용될 수도 있다.
여기서, 제어부(100)는, ADC(analog to digital convertor) 단자를 포함하는 MCU(micro controller unit)를 이용할 수 있다. 이하, 제어부(100)는 MCU인 예로 설명한다.
이때, 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하는 것은, 감지 저항(R4)을 통하여 LED에 흐르는 피크 전류(Peak Current)를 검출하고 평균전류함수를 적용하여 수행될 수 있다.
이러한 피크 전류는 감지 저항(R4)에 걸리는 전압 값이 MCU(100)의 ADC 단자로 인가되어 감지될 수 있다.
이와 같은 평균전류함수의 적용은 피크 전류와 듀티(duty)의 곱이 일정하도록 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 도 6과 같은 회로의 구성에서, 감지 저항(R4)의 전압을 MCU(100)의 ADC 단자를 통하여 입력받아 LED의 피크 전류 검출함수 및 평균전류함수를 적용하여 PWM 듀티 값을 변경함으로써 LED의 평균 전류를 일정한 값 또는 특정 함수가 적용된 값으로 제어할 수 있다. 따라서, LED의 광속을 일정한 광속으로 유지할 수 있다.
도 8은 도 6의 회로에 의한 LED 구동 시의 전류 파형을 나타내는 개략도이다.
도 8에서 도시하는 바와 같이, 피크 전류(P)가 변경(P')됨에 따라 듀티가 D에서 D'으로 변경되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 평균전류함수를 적용하면 피크 전류(P)와 듀티(D)의 곱이 항상 일정한 값이 되도록 제어할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 입력 전압 및 LED 온도 등의 변동에 상관없이 평균전류가 일정한 전류 값으로 LED를 구동할 수 있으므로, 항상 일정한 전류를 LED에 공급할 수 있다.
또한, 추가되는 부품이 없기 때문에 회로가 간단하고 저가격의 소형화된 회로구현이 가능하다.
한편, 특정 함수를 적용하여 LED 전류를 제어할 수 있어 원하는 설계된 전류 값이 적용된 조명을 구현할 수 있다.
도 9는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9에서 도시하는 바와 같이, LED를 포함하는 광원의 구동 방법은 아래와 같은 단계들을 포함할 수 있다.
먼저, 광원에 흐르는 전압 값을 인가받아 디지털 신호로 변환하는 단계(S10)와, 전압 값을 이용하여 광원에 흐르는 피크 전류를 검출하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 이러한 단계(S10, S20)는 감지 저항(R4)에 걸리는 전압 값이 MCU(100)의 ADC 단자로 인가되어 디지털 신호로 변환되어 감지될 수 있다.
이후, 평균 전류가 일정한 전류 값을 인가하도록 평균전류함수를 적용하는 단계(S30)가 수행될 수 있다.
이와 같은 평균전류함수의 적용은 피크 전류와 듀티(duty)의 곱이 일정하도록 적용될 수 있다.
다음에, 평균전류함수를 적용하여 듀티 값을 조절하여 LED를 PWM 구동하는 단계(S40)가 수행될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10, 100: MCU, 제어부 20: 전원부
30: LED 드라이버 110: 전류 감지단

Claims (10)

  1. 평균 전류 제어 발광 다이오드 구동 장치에 있어서,
    적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하는 광원;
    전원을 광원에 공급하는 전원부;
    상기 전원부와 연결되며, 상기 광원을 PWM 구동하기 위한 스위치 소자 및 감지 저항을 포함하는 전류 제어부;
    상기 전류 제어부에 연결되어, 상기 광원에 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하도록 상기 PWM 구동의 듀티 값을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, ADC 단자를 포함하는 MCU를 이용하는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하는 것은,
    상기 감지 저항을 통하여 상기 광원에 흐르는 피크 전류를 검출하고 평균전류함수를 적용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 피크 전류는 상기 감지 저항에 걸리는 전압 값이 상기 MCU의 ADC 단자로 인가되어 감지되는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 평균전류함수는, 상기 피크 전류와 듀티의 곱이 일정하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스위치 소자와 감지 저항 사이에는 상기 제어부와 연결되는 전류 감지단이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전원부는,
    1차 측에 주 권선 및 보조 권선을 가지고, 2차 측에 출력 권선을 가지는 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 1차 측의 주 권선에 연결되고, 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 트랜스포머의 2차 측 출력 권선에 연결되는 2차 정류부; 및
    상기 2차 정류부를 통하여 정류된 전압을 상기 광원 측으로 전달하는 캐패시터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 장치.
  8. 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 방법에 있어서,
    광원에 흐르는 전압 값을 인가받아 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 전압 값을 이용하여 광원에 흐르는 피크 전류를 검출하는 단계;
    상기 광원에 평균 전류가 일정한 전류값을 인가하도록 평균전류함수를 적용하는 단계;
    상기 평균전류함수를 적용하여 듀티 값을 조절하여 상기 광원을 PWM 구동하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 평균전류함수는, 상기 피크 전류와 듀티의 곱이 일정하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 피크 전류를 검출하는 단계는, 상기 광원에 연결된 감지 저항에 걸리는 전압 값을 디지털로 변환하여 감지하는 것을 특징으로 하는 평균 전류 제어를 이용한 발광 다이오드 구동 방법.
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KR20130030386A (ko) * 2011-09-19 2013-03-27 주식회사 하이딥 디밍 제어 가능한 발광 소자 구동 장치 및 그 디밍 제어 방법
KR20140053651A (ko) 2012-10-26 2014-05-08 엘지전자 주식회사 단락 보호 기능을 가지는 발광 다이오드 조명 장치

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