KR20160056696A - 호환형 ｌｅｄ 튜브를 포함하는 ｌｅｄ 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류 전원, 상기 교류 전원에서 공급되는 교류 전압을 정류하기 위한 자기식 안정기 및 상기 자기식 안정기에 연결된 LED 튜브(tube)를 포함하되, 상기 LED 튜브는 상기 자기식 안정기에서 출력되는 전압을 직류로 변환하기 위한 부스트 컨버터(Boost converter)와, 상기 부스트 컨버터에 직렬로 연결되어 LED 출력단에 전압 및 전류를 공급하기 위한 벅 컨버터(Buck converter)와, 상기 부스트 컨버터와 벅 컨버터의 듀티(duty)를 조절하기 위한 마이크로 컨트롤러(Micro controller)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의하면 기존 형광등과 호환가능한 LED 튜브의 회로 구조를 제안함으로써, 2등용 LED 튜브를 직렬로 연결하는 경우에 임피던스 불평형에 의하여 LED 튜브가 둘 다 소등되거나, 하나의 LED 튜브가 소등되거나, 프리커 현상이 발생하는 문제를 개선한다는 효과가 있다.

Description

호환형 ＬＥＤ 튜브를 포함하는 ＬＥＤ 구동 장치 {Apparatus for driving light emitting diode including led tube of compatible type}

본 발명은 LED 튜브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 형광등 호환형 LED 튜브를 포함하는 LED 구동 장치에 관한 것이다.

현재 유럽에서는 1등용 및 2등용 형광등을 점등하는 데 전자식 안정기를 사용하는 국내와는 달리 아직까지 대부분 자기식 안정기가 사용되고 있다.

도 1은 기존에 사용되고 있는 형광등 구동 장치의 내부 연결 구조를 도시한 도면이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 형광등 구동 장치가 직렬 구조로 되어있어 하나의 형광등을 제거할 경우 두 개 모두 점등이 되지 않는 단점이 있다.

최근 에너지 절감과 친환경적인 특징을 바탕으로 LED(Light-Emitting Diode)가 빠른 속도로 조명산업의 여러 분야에 적용되면서 형광등을 LED로 대체하기 위한 많은 연구가 진행 중이다. 형광등을 LED 튜브(tube)로 교체하기 위하여 자기식 안정기 및 역률보상용 C를 제거하고, 직렬구조를 병렬구조로 형광등 등기구의 내부구조를 변경하면 큰 문제가 없지만 이는 유럽의 높은 인건비로 인하여 현실적으로 어렵다.

그러므로 자기식 안정기와 역률보상용 C는 그대로 두고 형광등만을 LED 구동회로를 내장한 LED 튜브로 대체할 수 있는 기술이 요구되게 되었다.

도 2는 자기식 안정기와 호환 가능한 LED 튜브의 구동 장치를 보여주는 회로도이다.

이와 같이 글로우 스타터(Glow Starter)를 제거하고 형광등 대신 LED 구동회로가 내장된 LED 튜브를 그대로 장착할 경우 크게 두 가지 문제가 발생한다.

첫째는 2등용 LED 튜브를 직렬로 연결하는 경우에 임피던스 불평형에 의하여 LED 튜브가 둘 다 소등되거나, 하나의 LED 튜브가 소등되거나, 프리커(Flicker) 현상이 발생하는 문제점이 있다.

둘째는 1등용 및 2등용 LED 튜브가 정상적으로 점등이 되는 경우에도 자기식 안정기와 역률보상용 C에 의하여 역률이 낮아지는 문제가 생긴다.

대한민국 공개특허 10-2014-0086561

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 글로우 스타터(Glow-starter) 방식의 2등용 형광등 안정기 1개와 호환 가능한 형광등 대체용 LED 튜브를 적용하고, 동시에 LED 튜브를 점등할 수 있는 LED 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 즉 본 발명의 목적은 글로우 스타터식 자기식 안정기 1개로 형광등 2개를 직렬 연결한 기존 구조에서 형광등 호환형 LED-튜브를 개발하는 것이다.

이를 위하여, 한 개의 LED-튜브를 교체할 수 있는 구조가 필요하며, 두 개의 형광등을 LED-튜브로 교체할 경우, 프리커나 점등불안 등 임피던스 불평형 문제의 해결이 필요하고, 구동회로의 소자의 발열이 50℃ 이하로 낮아야 하며, 자기의 안정기에서 80℃ 이하로 발열을 낮춰야하며, 두 개의 형광등의 점등 여부를 검출하여 2등용일 경우 거의 동시에 점등하도록 구현해야 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 교류 전원, 상기 교류 전원에서 공급되는 교류 전압을 정류하기 위한 자기식 안정기 및 상기 자기식 안정기에 연결된 LED 튜브(tube)를 포함하되, 상기 LED 튜브는 상기 자기식 안정기에서 출력되는 전압을 직류로 변환하기 위한 부스트 컨버터(Boost converter)와, 상기 부스트 컨버터에 직렬로 연결되어 LED 출력단에 전압 및 전류를 공급하기 위한 벅 컨버터(Buck converter)와, 상기 부스트 컨버터와 벅 컨버터의 듀티(duty)를 조절하기 위한 마이크로 컨트롤러(Micro controller)를 포함하여 이루어진다.

한 개의 LED 튜브로 구성되는 1등용 또는 두 개의 LED 튜브가 직렬로 연결되어 있는 2등용으로 되어 있을 수 있다.

상기 마이크로 컨트롤러는 각 LED 튜브에서 LED 램프의 점등 유무를 판별하여, 먼저 점등되는 LED 램프가 정상 상태에 진입하기 전에 나머지 LED 램프를 점등시키도록 제어할 수 있다.

상기 LED 튜브는 상기 부스트 컨버터의 온/오프(on/off)를 스위칭하기 위한 제1 스위치와, 상기 벅 컨버터의 온/오프를 스위칭하기 위한 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 스위치와 제2 스위치는 MOSFET로 구현되고, 상기 LED 튜브는 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 게이트를 구동시키는 회로의 전원을 공급하기 위한 보조전원을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 기존 형광등과 호환가능한 LED 튜브의 회로 구조를 제안함으로써, 2등용 LED 튜브를 직렬로 연결하는 경우에 임피던스 불평형에 의하여 LED 튜브가 둘 다 소등되거나, 하나의 LED 튜브가 소등되거나, 프리커 현상이 발생하는 문제를 개선한다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 자기식 안정기의 발열 문제를 해결하는 효과가 있다.

도 1은 기존에 사용되고 있는 형광등 구동 장치의 내부 연결 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 자기식 안정기와 호환 가능한 LED 튜브의 구동 장치를 보여주는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1등용 LED 튜브를 구동시키기 위한 LED 구동 장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2등용 LED 튜브를 구동시키기 위한 LED 구동 장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로컨트롤러를 이용한 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 1등용의 제어시퀀스이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2등용의 제어시퀀스이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 1등용 LED 구동 장치의 블럭도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 2등용 LED 구동 장치의 블럭도이다.
도 10은 도 8의 1등용 LED 구동 장치에서 자기식 안정기로 흐르는 전류(I_L)와 A-B단에 걸리는 전압 파형을 도시한 도면이다.
도 11은 도 9의 2등용 LED 구동 장치에서 자기식 안정기로 흐르는 전류(I_L)와 C-D단에 걸리는 전압 파형을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 전원의 회로도이다.
도 13은 도 12의 보조 전원 회로에서 C3=4.7uF일 때, 초기 스타트 파형을 도시한 그래프이다.
도 14는 도 12의 보조 전원 회로에서 인덕터 전류 및 스위치 D-S 간 전압 파형도이다.
도 15는 도 12의 보조 전원 회로에서 출력 전압 및 출력 전류의 파형도이다.
도 16은 CCM 모드의 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 17은 DCM 모드의 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정기의 코일 저항을 나타낸 등가회로도이다.
도 19는 도 18의 등가회로도에서 역률을 해석하기 위한 벡터(vector)도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정기 발열을 위한 회로도이다.
도 21은 도 20의 회로도의 안정기 발열의 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전력에 다른 역률의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 1등용 설계 사양표이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 2등용 설계 사양표이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1등용 LED 튜브를 구동시키기 위한 LED 구동 장치의 회로도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2등용 LED 튜브를 구동시키기 위한 LED 구동 장치의 회로도이다.

도 3은 1등용 제1 LED 튜브(100)에 내장된 LED 구동 회로의 블록도이고, 도 4는 1등용 LED 튜브가 직렬 연결된 2등용 LED 튜브를 구동시키기 위한 LED 구동 회로의 블록도를 보여준다.

즉, 도 4에서 제2 LED 튜브(200)와 제3 LED 튜브(300)가 직렬로 연결되어 있다.

도 3 및 도 4의 실시예에서, 입력전원은 AC 230V/50Hz를 상용전원으로 사용하고, 입력단에 병렬로 연결된 역률 보상용 C와 자기식 안정기를 구비하고 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, C1, C2의 양단 전압은 스위치 S1, S3의 동작에 따라 짧은 시간에 크게 변화하므로, C1, C2를 통하여 높은 피크(peak) 전류가 흐르게 된다.

마이크로 컨트롤러(micro controller)(210, 310)에 의하여 스위치 S1, S2, S3, S4가 고정 주파수, 고정 듀티(duty-cycle)로 제어된다. S1, S3에 의하여 제어되는 회로는 부스트 컨버터(Boost Converter) 구조의 회로이고, S2, S4에 의해서 제어되는 회로는 로우 사이드(low side) 벅 컨버터(Buck Converter) 구조의 회로이다.

보조 전원(220, 320)은 정상 상태에서 일정한 DC전압을 갖는 부스트 컨버터 출력단의 벌크 커패시터의 출력전압을 입력으로 받아온다. 보조 전원의 예로서, 회로의 구조가 Viper12A IC(Integrated Circuit)를 이용한 벅 컨버터구조로 구현될 수 있으며, 이에 대한 상세한 내용은 후술하기로 한다.

보조 전원(220, 320)의 출력 12V는 스위치 S1, S2, S3, S4의 게이트 구동회로의 전원으로 사용되며, 리니어 레귤레이터(Linear Regulator)의 출력 5V는 마이크로 컨트롤러(210, 310)의 전원으로 사용된다.

본 발명의 LED 구동 장치는 교류 전원, 교류 전원에서 공급되는 교류 전압을 정류하기 위한 자기식 안정기 및 자기식 안정기에 연결된 LED 튜브(tube)를 포함한다.

본 발명의 제1 실시예에서 하나의 LED 튜브로 구성된 1등용 LED 구동 장치와, 제2 실시예에서 두 개의 LED 튜브가 직렬로 연결된 2등용 LED 구동 장치의 두 가지 실시예를 제안한다.

본 발명에서 LED 튜브(100, 200, 300)는 자기식 안정기에서 출력되는 전압을 직류로 변환하기 위한 부스트 컨버터(Boost converter)와, 부스트 컨버터에 직렬로 연결되어 LED 출력단에 전압 및 전류를 공급하기 위한 벅 컨버터(Buck converter)와, 부스트 컨버터와 벅 컨버터의 듀티(duty)를 조절하기 위한 마이크로 컨트롤러(Micro controller)(110, 210, 310)를 포함하여 이루어진다.

도 4에서 본 발명의 제2 실시예에서 마이크로 컨트롤러(210, 310)는 각 LED 튜브(200, 300)에서 LED 램프의 점등 유무를 판별하여, 먼저 점등되는 LED 램프가 정상 상태에 진입하기 전에 나머지 LED 램프를 점등시키도록 제어한다.

LED 튜브(100, 200, 300)는 부스트 컨버터의 온/오프(on/off)를 스위칭하기 위한 제1 스위치(S1, S3)와, 벅 컨버터의 온/오프를 스위칭하기 위한 제2 스위치(S2, S4)를 포함한다.

본 발명에서 제1 스위치(S1, S3)와 제2 스위치(S2, S4)는 MOSFET로 구현되고, LED 튜브는 제1 스위치(S1, S3)와 제2 스위치(S2, S4)의 게이트를 구동시키는 회로의 전원을 공급하기 위한 보조전원(120, 220, 320)을 포함한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 전원의 회로도이다.

도 12는 Viper12A IC를 이용하여 제작된 보조 전원 회로의 회로도를 예시한 도면이다.

도 13은 도 12의 보조 전원 회로에서 C3=4.7uF일 때, 초기 스타트 파형을 도시한 그래프이다.

도 14는 도 12의 보조 전원 회로에서 인덕터 전류 및 스위치 D-S 간 전압 파형도이다.

도 15는 도 12의 보조 전원 회로에서 출력 전압 및 출력 전류의 파형도이다.

Viper12A는 DC 출력 12V/200mA(2.4W)의 낮은 출력 파워를 공급하기 위한 비 절연형 전원공급장치로서, 간단한 구조의 저가형 제품인 LED 디스플레이(display), 마이크로컨트롤러 구동용으로 널리 사용된다. 초기 구동방식은 드레인(drain)에 전압이 공급되면 Viper12A 내부의 정 전류원이 Vdd핀에 공급되어 C3가 충전된다.

Vdd핀의 전압이 14.5V이상이 되면 정 전류원의 공급이 차단되고 Viper가 동작을 시작한다.

도 13은 C3에 충전되는 전압의 파형과 이 전압이 14.5V에 도달한 후 Viper가 동작하여 출력전압과 출력전류가 정상적으로 나오는 파형을 보여준다. 만약 C3의 값이 적절하게 설정되지 못하면 충분한 에너지를 저장하지 못하여 초기 스타트를 수행할 수 없다.

도 14 및 도 15는 인덕터 전류와 스위치 Drain-source간 전압파형 및 출력 전압, 전류를 나타낸다. 인덕터의 전류가 CCM(Continuous-conduction mode)로 동작하고 있는 것을 알 수 있다. 동작 모드는 인덕터의 값에 따라 결정된다.

인덕터의 크기에 따라서 CCM(Continuous-conduction mode)와 DCM( Discontinuous-conduction mode)의 동작 모드가 결정된다. 다음 수학식 1은 CCM과 DCM의 경계인 BCM(Boundary-conduction mode)에서 동작하는 조건을 만족하는 인덕터의 값을 나타낸다.

Viper12A의 최대 드레인(Drain) 전류와 출력전류는 각각 320mA, 200mA로 제한되어있고 스위칭 주파수는 60kHz로 고정되어있다. 본 발명의 실시예에서의 실험에서는 출력 12V/170mA를 목표로 인덕터를 설계하여 다음 수학식 2와 같이 660uH의 값을 얻을 수 있다.

이 값은 BCM에서 동작하는 인덕터의 값을 의미하는 것으로 인덕터의 값을 크게하면 CCM에서 동작시킬 수 있다.

도 16은 CCM 모드의 전류 파형을 나타내고, 도 17은 DCM 모드의 전류 파형을 나타낸다.

도 16에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 인덕터의 값을 660uH이상으로 설정하면 인덕터의 최대 전류의 크기가 이를 평균한 출력전류와 비슷하지만, Viper에 내장된 MOSFET의 스위칭 손실이 증가하여 발열이 발생한다.

도 17에서 보는 바와 같이, MOSFET가 오프(Off)되었을 때 인덕터에 흐르는 전류가 0으로 떨어지게 되면 스위치가 온(On)이 될 때 전류가 0이므로 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 반면 인덕터의 흐르는 전류의 최대치는 인덕터의 전류를 평균한 출력전류의 2배 이상 커진다. 이 둘 사이의 관계는 실험을 통하여 발열과 인덕터에 흐를 수 있는 최대의 전류 및 인덕터 포화 등을 고려하여 적절한 인덕터 값을 선정해야한다.

도 14에서는 1mH의 인덕터의 값을 적용하여 CCM에서 동작한 경우의 파형을 나타낸 것이다.

본 발명에서는 마이크로컨트롤러를 이용한 고정 PWM제어 방법을 제안한다.

정 전압 및 정 전류제어방식의 IC(Integrated circuit)를 이용하여 2등용 LED 튜브를 구동할 경우, 한쪽에만 LED가 들어오거나 두 개의 LED가 모두 꺼지거나 또는 플리커 현상이 발생하는 문제가 발생한다.

도 4를 참조하면, 본 발명에서는 마이크로컨트롤러를 이용하여 두 개의 LED 튜브의 스위치 S1은 S3끼리 S2는 S4끼리 동기에 맞춰서 동작하도록, 가변 듀티의 고정적인 주파수를 갖는 PWM을 공급하여 스위치를 제어함으로써, 임피던스 불평형 현상을 해결할 수 있다.

본 발명에서 1등용 및 2등용으로 구동할 때 초기 마이크로프로세서가 동작하지 않을 때 LED 튜브에 인가되는 입력전압의 크기가 각각 다르다. 이를 이용하여 1등용 및 2등용 여부를 판단한 후 마이크로컨트롤러를 이용하여 스위치 S1, S2의 PWM 듀티의 변화를 주어서 제어를 할 필요가 있다.

도 3과 도 4에서 초기의 100ms이하의 짧은 시간동안 마이크로컨트롤러(210, 310)를 작동시키지 않으면 LED 튜브의 입력단이 끊어진 형태(아주 높은 임피던스)로 보이므로 모든 입력전압(입력AC 230V가 정류된 DC 325V)이 LED 튜브에 전부 걸리게 된다. 반면에 1등용 LED 튜브를 2개 직렬로 연결한 구조(200, 300)에서는 입력전압이 그대로 두 개의 LED 튜브에 절반씩 인가되어 전압분배에 의하여 1등용일 때 LED 튜브에 걸리는 전압의 절반이 되는 낮은 전압이 걸리게 된다. 본 발명에서는 이를 센싱하여 1등용과 2등용을 판단할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로컨트롤러를 이용한 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 1등용의 제어시퀀스이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2등용의 제어시퀀스이다.

도 6 및 도 7은 1등용 및 2등용에서의 시간에 따른 마이크로컨트롤러(110, 210, 310)의 전원 +5V와 벅 컨버터와 부스트컨버터의 듀티의 변화를 그래프로 나타낸다.

도 5를 참조하면, 부스트 컨버터 출력단의 벌크 커패시터가 충전되면 보조전원(120, 220, 320)이 동작하고, 리니어 레귤레이터(130, 230, 330)를 통과하여 +5V의 전원을 얻을 수 있다. 이 때 마이크로컨트롤러(110, 210, 310)가 동작하여 AVR내부의 CPU 클럭과 동시에 LCD를 포함한 외부의 주변기기들이 초기화된다(S501, S503).

다음으로 ADC0핀을 이용하여 부스트 컨버터 출력단 벌크 커패시터의 양단 전압(Vc)를 센싱한 후(S505), 1등용 및 2등용 여부를 판단한다. 즉, Vc가 기준치를 초과하는지 여부를 판단하여 1등용인지 2등용인지를 판단한다(S507). 예를 들어, 실험에 의하여 기준치가 250V로 설정될 수 있고, 이런 경우 Vc가 250V를 초과하면 1등용으로 판단하여 S509 내지 S513의 과정을 거치고, Vc가 250V를 초과하지 않으면 2등용으로 판단하여 S515 내지 S519의 과정을 거치게 된다.

1등용이면 도 6에 도시된 제어시퀀스를 따르고, 2등용이면 도 7에 도시된 제어시퀀스를 따른다.

1등용일 때와 2등용일 때의 제어시퀀스 자체는 비슷하지만 1등용·2등용 여부에 따라 벅 컨버터와 부스트컨버터의 듀티의 크기가 다른 것을 알 수 있다.

예를 들어, 실험 대상의 부하(load)에 따라서 듀티 크기가 결정되는데, 구체적인 예는 다음과 같다.

초기의 마이크로컨트롤러(110, 210, 310)에 전원 +5V가 인가되면 벅 컨버터의 듀티만 0에서 0.18로 서서히 올린다(S509, S515)). 그 후 벅 컨버터의 듀티는 0.18로 유지하고 부스트컨버터의 듀티를 1로 올린 후 서서히 내려서 1등용일 때는 0.57로(S511), 2등용일 때는 0.61로 맞춰준다(S517). 그리고 이 값을 계속 유지하고 다시 벅 컨버터의 듀티를 서서히 올려서 1등용일 때는 0.36으로(S513), 2등용일 때는 0.4로 설정하여 그 값을 유지해준다(S519).

결국 정상상태에서 벅 컨버터의 듀티는 1등용이 0.36, 2등용이 ０.4가 되고 부스트 컨버터의 듀티는 1등용이 0.57, 2등용이 0.61이 된다.

다음 키를 입력하고(S521), LCD를 출력하여 1등용인지 2등용인지를 표시하고, 벅 컨버터 듀티와 부스트 컨버터 듀티를 표시한다(S523).

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 1등용 LED 구동 장치의 블럭도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 2등용 LED 구동 장치의 블럭도이다.

도 10은 도 8의 1등용 LED 구동 장치에서 자기식 안정기로 흐르는 전류(I_L)와 A-B단에 걸리는 전압 파형을 도시한 도면이다.

도 11은 도 9의 2등용 LED 구동 장치에서 자기식 안정기로 흐르는 전류(I_L)와 C-D단에 걸리는 전압 파형을 도시한 도면이다. 도 9에서 E-F단에 걸리는 전압은 C-D단에 걸리는 전압과 같다.

도 8 내지 도 11을 참조하면, 1등용일 때와, 1등용을 직렬로 2개 연결한 2등용일 때, LED 튜브로 인가되는 전압의 크기는 60V, 54V로 그 차이가 크지 않다. 즉, 벅 컨버터의 듀티 또는 부스트 컨버터의 듀티가 1등용일 때와 1등용을 2개 직렬로 연결한 2등용일 때 큰 차이가 없는 것은, 1등용 자기식안정기(1.8H)와 2등용 자기식안정기(1.4H)의 차이에 의해서 실제로 LED 튜브에 걸리는 전압은 크게 변화가 없다는 것을 의미한다.

동작 초기에 시작부터 부스트 컨버터의 듀티를 올리게 되면 최대 600V이상의 높은 출력전압이 걸려서 회로를 구성하는 소자의 파손을 야기할 수 있기 때문에 초기의 일정시간 동안은 벅 컨버터만 구동한다.

그 후 부스트 컨버터의 듀티를 올려서 원하는 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 듀티를 유지한다. 이때 부스트 컨버터의 듀티를 한 번에 높게 올렸다가 서서히 내리는 이유는 진상역률에서 컨버터를 구동하지 않기 위해서이다.

보통의 전자기기들은 페란티현상을 예방하기 위하여 진상역률에서 구동하지 않고 지상역률에서 구동한다. 본 발명에서는 부스트 컨버터의 듀티가 작은 경우에는 진상역률에서 컨버터가 동작하기 때문에 듀티를 최대로 올려서 지상역률에서 컨버터가 동작하도록 한 후, 원하는 지점까지 내리는 방식으로 제어를 하였다.

키(Key) 입력부분과 LCD 출력부분은 추가적인 보조스위치를 이용하여 벅 컨버터 듀티와 부스트컨버터 듀티를 제어할 수 있는 것을 의미하는 것으로서, 실제 제품 생산과정에는 LCD와 보조스위치를 제거할 수 있고, 이 과정 또한 생략된다. 일련의 과정은 ADC0에서 주기적으로 Vc전압을 받아와서 반복적으로 이루어진다.

이제 본 발명에서 LED 구동 장치에서 발생하는 발열 문제 및 그 해결 방안을 설명하면 다음과 같다.

자기식 안정기에서 발열은 코일의 손실과 코어손실로 규정할 수 있으나 여기서는 코일의 손실만을 고려하여 설명한다. 본 발명의 LED 구동 장치에서 역률을 0.9이상으로 하고, 출력전력이 일정한 값 이하이면 안정기에서 발열이 발생하며, 그 원인은 다음과 같다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정기의 코일 저항을 나타낸 등가회로도이다.

도 19는 도 18의 등가회로도에서 역률을 해석하기 위한 벡터(vector)도이다.

도 18은 LCR미터기를 이용해 측정된 자기식안정기의 내부코일저항(R_coil)의 값을 고려하여 나타낸 1등용 전체 회로의 등가회로이고, 도 19는 역률 해석을 위한 벡터도를 나타낸다.

1.

이어야만

이 되며 이 때 I_in=100mA이면 약 23W, 50mA면 P_in=11.5W이다.

2.

이면 자기식 안정기 발열

이고, 지상이 되면 더욱 증가한다.

3.

가 적당한데 이 때 R_L에서 10.5W로는 설계가 불가능하다.

4.

이면 안정기에서 발열이 심하다, 즉, 소비 W가 높다. 이러한 상황의 예로써 측정된 회로 및 값은 도 20과 도 21과 같다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정기 발열을 위한 회로도이다.

도 21은 도 20의 회로도의 안정기 발열의 실험 결과를 나타낸 표이다.

위의 상황을 고려하여 PF와 P_o(출력전력)의 상관식을 얻은 것을 수치해석한 것이 다음 도 22이다.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 전력에 다른 역률의 상관관계를 도시한 그래프이다.

도 23 및 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 1등용 및 2등용 설계 사양표이다.

도 23 및 도 24를 참조하면, 1등용 기준으로 역률 0.8113을 얻을 수 있고 나머지의 설계사양은 만족하는 것을 볼 수 있다. 2등용 기준으로 역률 0.7342를 얻을 수 있지만 부스트 다이오드에서 64.5℃의 발열이 발생하고 특히, 자기식 안정기에서 100℃이상의 발열이 발생하는 문제가 발생한다.

이는 자기식 안정기를 통하여 흐르는 430mA의 높은 전류로 인한 자기식 안정기 손실로 인하여 발생한 문제이다. 필립스의 제품의 경우 자기식 안정기를 통하여 흐르는 전류가 380mA 이내로 약 50~60℃의 발열이 발생하므로 큰 문제가 되지 않고 있다.

도 23 및 도 24에서는 소비전력이 8W로 낮기 때문에 역률이 낮은 단점이 있다. 또한 역률이 지상역률이므로 자기식 안정기를 통하여 흐르는 전류가 커서 자기식 안정기의 발열이 발생한다. 이를 개선하기 위하여 위의 도 22를 참고하여 역률 0.9이상을 얻기 위해 22W의 LED 튜브를 설계한다.

결과적으로 출력 LED의 사양을 120V/66mA(8W)에서 120V/160mA(19W)로 상향 조정함으로써, 역률이 1등용일 때와 2등용일 때 각각 0.9661, 0.9964를 얻을 수 있고, 자기식 안정기를 통하여 흐르는 전류도 1등용일 때와 2등용일 때 각각 376mA, 390mA로 줄일 수 있다. 결과적으로 본 발명에서는 자기식 안정기의 발열을 80℃ 이내로 줄임으로써 문제를 해결할 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

100 제1 LED 튜브 200 제2 LED 튜브
300 제3 LED 튜브 110, 210, 310 마이크로컨트롤러
120, 220, 320 보조전원 130, 230, 330 리니어 레귤레이터

Claims (6)

1. 교류 전원;
   상기 교류 전원에서 공급되는 교류 전압을 정류하기 위한 자기식 안정기; 및
   상기 자기식 안정기에 연결된 LED 튜브(tube)를 포함하되,
   상기 LED 튜브는 상기 자기식 안정기에서 출력되는 전압을 직류로 변환하기 위한 부스트 컨버터(Boost converter)와, 상기 부스트 컨버터에 직렬로 연결되어 LED 출력단에 전압 및 전류를 공급하기 위한 벅 컨버터(Buck converter)와, 상기 부스트 컨버터와 벅 컨버터의 듀티(duty)를 조절하기 위한 마이크로 컨트롤러(Micro controller)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   한 개의 LED 튜브로 구성되는 1등용으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   두 개의 LED 튜브가 직렬로 연결되어 있는 2등용으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 마이크로 컨트롤러는 각 LED 튜브에서 LED 램프의 점등 유무를 판별하여, 먼저 점등되는 LED 램프가 정상 상태에 진입하기 전에 나머지 LED 램프를 점등시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 LED 튜브는 상기 부스트 컨버터의 온/오프(on/off)를 스위칭하기 위한 제1 스위치와, 상기 벅 컨버터의 온/오프를 스위칭하기 위한 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 스위치와 제2 스위치는 MOSFET로 구현되고,
   상기 LED 튜브는 상기 제1 스위치와 제2 스위치의 게이트를 구동시키는 회로의 전원을 공급하기 위한 보조전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
   

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