KR20160096524A - 고효율 led 조명장치 및 이의 led 구동 회로 - Google Patents

고효율 led 조명장치 및 이의 led 구동 회로 Download PDF

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Abstract

구동전압의 전압레벨에 따라 LED 그룹 간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 동시에 LED 그룹들의 순차구동을 제어하는 고효율 LED 조명장치 및 LED 구동 회로가 개시된다.

Description

고효율 LED 조명장치 및 이의 LED 구동 회로{A HIGH EFFICIENCY LED LIGHTING APPARATUS AND A LED DRIVING CIRCUIT THEREOF}
본 발명은 고효율 LED 조명장치 및 LED 구동 회로에 관한 것으로서, 더 구체적으로, 구동전압의 전압레벨에 따라 LED 그룹 간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 동시에 LED 그룹들의 순차구동을 제어하는 고효율 LED 조명장치 및 LED 구동 회로에 관한 것이다.
LED 구동은 직류구동 방식이 일반적이다. 직류구동 방식의 경우 SMPS 등의 AC-DC 컨버터가 필수적으로 요구되며, 이러한 전원 컨버터는 조명기구의 제조단가를 상승시키고, 조명기구의 소형화를 어렵게 하며, 조명기구의 에너지 효율을 떨어뜨리고, 짧은 수명으로 인해 조명기구의 수명을 단축시킨다는 문제점이 있다.
이러한 직류구동 방식의 문제점을 해결하기 위하여, LED의 교류구동 방식이 제안되었다. 그러나 이러한 기술에 따른 회로의 경우 입력전압과 LED에서 출력되는 전류의 불일치로 인하여 역률이 저하되는 문제가 있을 뿐 아니라, LED의 비발광 구간이 길어질 경우, 사용자가 조명의 깜빡거림을 인지하게되는 플리커 현상이 발생한다는 문제점이 있다.
최근 에너지 스타(Energy Star) 스펙(SPEC)의 플리커 수준의 기준이 되는 플리커의 정의와 규정은 아래와 같다.
(1) 플리커의 정의
플리커란 일정 시간 동안 조명의 밝기가 변화하는 현상을 지칭하며, 심할 경우 사용자가 빛이 흔들거리거나 또는 깜박거리는 현상을 인지할 수 있다. 이러한 플리커는 대부분 일정 시간 동안의 최대 광 출력과 최소 광 출력이 달라서 발생하게 되는 현상이다.
(2) 플리커를 나타내는 지표의 종류
a) 플리커 인덱스(Flicker Index) : 도 1에 도시된 바와 같이, 플리커 인덱스란, 1주기의 광출력 파형도 상에서, 평균 광출력 이상의 면적(Area1)을 전체 광출력 면적(Area1+Area2)으로 나눈 값을 의미한다. 따라서, 플리커 인덱스는 1주기 동안 평균 광출력 이상의 광이 얼마나 발생되는지를 수치적으로 나타내는 값으로서, 플리커 인덱스가 낮을수록 플리커 수준이 양호하다.
b) 퍼센트 플리커(Percent Flicker) 또는 변조 깊이(Modulation Depth) : 퍼센트 플리커란 일정시간 동안의 최소 광량과 최대 광량을 수치화한 지표를 지칭한다. 이러한 퍼센트 플리커는 100*(최대 광량 - 최소 광량)/(최대 광량 + 최소 광량)으로 산출될 수 있다.
(3) 에너지 스타 플리커 인덱스 규정
- 광 출력 파형(Light output waveform) ≥ 120Hz
- 플리커 인덱스 ≤ 주파수 X 0.001 (at Max. Dimmer, 800Hz 이상의 경우 제외)(따라서, 120 Hz에서의 플리커 인덱스 ≤ 0.12 )
이상에서 살펴본 바와 같이, LED 조명장치의 성능에 있어 플리커 수준이 중요한 기준으로 부각되고 있다.
이러한 추세에 따라, 교류 구동 LED 조명장치에 있어 플리커 성능을 개선하기 위하여 다양한 연구들이 진행되고 있다. 교류 구동 방식, 그 중에서도 특히 순차구동 방식의 LED 조명장치의 경우, 정류전압의 전압레벨에 따라 복수의 LED 그룹들이 순차적으로 점등되고 소등되기 때문에 동작구간별로 발광되는 LED들의 수가 차이나게 되어 동작구간별 광 출력의 편차가 크고, 그에 따라 플리커 성능이 대단히 열악하다.
따라서, 교류 방식의 LED 조명장치의 플리커 성능을 개선하기 위하여 다양한 연구들이 이루어졌으며, 그 대표적인 예가 구동전압의 전압레벨에 따라 다수의 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계를 제어하는 LED 조명장치이다. 도 1a는 플리커 성능을 개선하기 위한 종래기술에 따른 LED 조명장치의 개략적인 구성 블록도이다. 또한, 도 1b 내지 도 1f는, 정류전압의 전압레벨에 따른 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d) 간의 직병렬 연결관계를 개략적으로 도시한 개념도들이다. 이하에서, 도 1a 내지 도 1f를 참조하여, 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)의 구성과 기능 및 문제점에 대하여 간략하게 살펴보도록 한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)는 서지 보호부(10), 정류부(20), LED 발광부(30), LED 구동 제어부(40), 및 직병렬 제어 스위치부(50)를 포함할 수 있다.
종래기술에 따른 LED 조명장치(100)의 서지 보호부(10)는 교류전원과 정류부(20) 사이에 위치되어, 과전압 및 과전류로부터 정류부(20), LED 발광부(30), LED 구동 제어부(40), 및 직병렬 제어 스위치부(50)를 보호하는 기능을 수행하도록 구성된다. 이러한 서지 보호부(10)는 EMI 필터, 바리스터 등의 공지된 다양한 서지 보호 소자 및/또는 서지 보호 회로를 포함할 수 있으며, 이미 공지된 기술을 채택하고 있는 바, 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
종래기술에 따른 LED 조명장치(100)의 정류부(20)는 외부 전원으로부터 입력되는 교류 전압(VAC)을 정류하여 정류전압(Vrec)을 생성하고, 생성된 정류전압(Vrec)을 LED 발광부(30) 및 LED 구동 제어부(40)로 출력하도록 구성된다. 이러한 정류부(20)로서 전파 정류회로, 반파 정류회로 등 공지된 다양한 정류회로 중 하나가 이용될 수 있다.
종래기술에 따른 LED 조명장치(100)의 LED 발광부(30)는 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 n LED 그룹(32n)까지의 n개의 LED 그룹들로 구성될 수 있으며, LED 구동 제어부(40)의 제어에 따라 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계가 제어될 수 있도록 구성된다.
한편, 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)의 LED 구동 제어부(40)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 따라 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 n LED 그룹(32n) 간의 직병렬 연결관계를 제어하는 동시에, 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 n LED 그룹(32n)의 구동을 제어하는 기능을 수행하도록 구성된다.
전술한 바와 같은 직병렬 제어기능을 수행하기 위하여, 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)는 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계를 제어하기 위한 직병렬 제어 스위치부(50)를 포함하여 구성된다. 직병렬 제어 스위치부(50)는 제 1 스위치(S1) 내지 제 n-1 스위치(Sn-1)까지의 n-1개의 스위치를 포함하며, 각각의 스위치는 LED 구동 제어부(40)로부터 입력되는 제어명령에 따란 온/오프된다.
이하에서, 도 1b 내지 도 1f를 더 참조하여, 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)의 기능에 대하여 상세하게 살펴보도록 한다.
도 1b 내지 도 1f에 도시된 종래기술의 경우, 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d)의 4개의 LED 그룹들을 포함하며, 그에 따라 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d) 간의 직병렬 연결관계를 제어하기 위해 제 1 스위치(S1) 내지 제 3 스위치(S3)까지의 3개의 스위치를 포함하여 구성된 LED 조명장치이다.
이러한 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)에 있어, LED 구동 제어부(40)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨을 판단하고, 동작구간별로 제 1 스위치(S1) 내지 제 3 스위치(S3)를 제어하여 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d) 간의 직병렬 연결관계를 제어한다. 보다 구체적으로, LED 구동 제어부(40)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 이상이고 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 미만인 구간(제 1 동작구간)에서 제 1 스위치(S1), 제 2 스위치(S2) 및 제 3 스위치(S3)를 모두 턴-온하여, 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d)이 서로 병렬로 연결되도록 제어한다. 이러한 제 1 동작구간에서의 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d)의 연결관계가 도 1b에 도시되어 있다. 또한, LED 구동 제어부(40)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 이상이고 제 3 순방향 전압레벨(3Vf) 미만인 구간(제 2 동작구간)에서 제 1 스위치(S1) 및 제 3 스위치(S3)를 턴-오프하고 제 2 스위치(S2)를 턴-온하여, 제 1 LED 그룹(32a)과 제 2 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되고, 제 3 LED 그룹(32c)과 제 4 LED 그룹(32d)이 서로 직렬 연결되며, 직렬로 연결된 제 1 LED 그룹(32a) 및 제 2 LED 그룹(32b)과 직렬로 연결된 제 3 LED 그룹(32c) 및 제 4 LED 그룹(32d)이 서로 병렬로 연결되도록 제어한다. 이러한 제 2 동작구간에서의 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d)의 연결관계가 도 1c에 도시되어 있다. 또한, LED 구동 제어부(40)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 3 순방향 전압레벨(3Vf) 이상이고 제 4 순방향 전압레벨(4Vf) 미만인 구간(제 3 동작구간)에서 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)를 턴-오프하고 제 3 스위치(S3)를 턴-온하여, 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 3 LED 그룹(32c)이 서로 직렬로 연결되고, 직렬로 연결된 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 3 LED 그룹(32c)과 제 4 LED 그룹(32d)이 서로 병렬로 연결되도록 제어한다. 이러한 제 3 동작구간에서의 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d)의 연결관계가 도 1d에 도시되어 있다(동작모드 3-1). 한편, 이러한 제 3 동작구간에서 전력 효율을 증가시키기 위해, 제 4 LED 그룹(32d)에 연결된 제 4 정전류 스위치(CS4)를 턴-오프시킴으로써 제 4 LED 그룹(32d)을 소등하도록 구성될 수도 있다. 이러한 경우의 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d)의 연결관계가 도 1e에 도시되어 있다(동작모드 3-2). 마지막으로, LED 구동 제어부(40)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 4 순방향 전압레벨(4Vf) 이상인 구간(제 4 동작구간)에서 제 1 스위치(S1) 내지 제 3 스위치(S3)를 모두 턴-오프하여, 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹이 직렬로 연결되도록 제어한다. 이러한 제 4 동작구간에서의 제 1 LED 그룹(32a) 내지 제 4 LED 그룹(32d)의 연결관계가 도 1f에 도시되어 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 도 1a 내지 도 1f를 참조하여 설명한 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)의 경우, 동작구간별로 점등되는 LED들의 수가 동일하거나 또는 거의 비슷하여 플리커 성능의 개선을 기대할 수는 있다. 그러나, 이러한 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)는 다음과 같은 문제점들을 갖는다.
i) 첫째로, 이러한 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)는 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계 제어를 위하여 다수의 스위치들을 필요로 한다. 전술한 바와 같이, n개의 LED 그룹들의 직병렬 연결관계를 제어하기 위해 요구되는 스위치들의 수는 n-1개이다. 따라서, LED 조명장치(100)의 구성과 제어가 복잡하게 되어 실용성이 떨어지게 된다는 문제점이 있다.
ii) 둘째로, 이러한 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)는 다수의 스위치들이 복합적으로 동작하게 때문에 전원입력의 전력 품질이 저하되며, 스위치들의 스위칭 동작에 기인하는 EMI 문제가 발생할 위험성이 높다는 문제점이 있다.
iii) 셋째로, 전술한 바와 같은 종래기술에 따른 LED 조명장치(100)는 제 3 동작구간에서 2가지 모드 중 하나의 모드로 동작하게 구성된다. 즉, 도 1d에 도시된 바와 같은 동작모드 3-1의 경우, 전체 LED 그룹들이 동작하기 때문에 LED 이용률이 높아지는 반면 제 4 LED 그룹(32d)을 구동하기 위해 최소 제 4 LED 그룹(32d)에서 소비되는 전력의 2배가 손실로 발생하게 된다는 문제점이 있다. 반면, 도 1e에 도시된 바와 같은 동작모드 3-2의 경우, 전기적 효율이 향상되는 반면 제 4 LED 그룹(32d)이 동작하지 않는 구간이 발생하므로 LED 이용률이 저하되고, 동작구간에 걸쳐 LED 그룹들의 총 광출력에 편차가 발생하게 되어 LED 조명장치(100)의 광 특성을 저하시킨다는 문제점이 있다.
한편, 현재 각 국가별로 공급되는 상용 교류전원의 전압레벨이 상이하다. 예를 들어, 한국에서는 220V(rms)의 상용 교류전원이 공급되지만, 다른 나라에서는 120V(rms)의 상용 교류전원 또는 227V(rms)의 상용 교류전원이 공급될 수 있다. 따라서, 공급되는 상용 교류전원의 전압레벨과 무관하게 LED 조명장치를 구동하기 위해서는 LED 조명장치에 프리 볼트(free voltage) 기능을 수행할 수 있는 별도의 회로들이 추가되어야만 한다. 이는 특히 교류전원을 인가받아 LED를 직접적으로 구동하는 교류구동 LED 조명장치에서 문제가 될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 교류구동 LED 조명장치의 경우 조명장치 소형화, 제조단가 절감, 에너지 효율 제고, 수명 연장 등의 이유로 SMPS 등의 AC-DC 컨버터를 이용하지 않기 때문에, 전술한 바와 같은 프리 볼트 기능을 수행하기 위한 추가 회로를 교류 구동 LED 조명장치에 부가하는 것이 교류 구동 LED 조명장치가 추가하는 목적에 반하게 된다는 문제점이 있다. 따라서, 별도의 추가 회로를 부가하지 않고 프리 볼트 기능을 수행할 수 있는 교류 구동 LED 조명장치에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명은 정류전압의 전압레벨에 따라 LED 그룹 간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 동시에 LED 그룹들의 순차구동을 제어하는 고효율 LED 조명장치 및 LED 구동 회로를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 보상구간에서 정류전압의 입력을 차단함으로써 전력 효율을 제고할 수 있는 고효율 LED 조명장치 및 LED 구동 회로를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 별도의 추가 회로를 부가하지 않고 프리 볼트 기능을 수행할 수 있는 고효율 LED 조명장치 및 LED 구동 회로를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특유의 효과를 달성하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 교류전원에 연결되어 인가되는 교류전압을 전파정류하고, 전파정류된 정류전압을 구동전압으로서 LED 발광부에 제공하는 정류부; 제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(n은 2 이상의 양의 정수)을 포함하여 구성되며, 상기 정류부로부터 상기 구동전압을 공급받아 발광하는 LED 발광부; 상기 LED 발광부의 구동전압 입력노드와 제 m LED 그룹과 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 LED 그룹 내지 상기 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 상기 제 m+1 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 직병렬 제어 스위치부; 및 상기 구동전압의 전압레벨에 따라, 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹간의 직병렬 연결관계를 제어하며 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동 및 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동을 제어하는 LED 구동 제어부를 포함하는, LED 조명장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결되도록 상기 직병렬 제어 스위치부를 제어하며, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되도록 상기 직병렬 제어 스위치부를 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹들을 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 순차구동하며, 동시에 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹들을 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 순차구동하되, 상기 제 1 세트의 LED 그룹의 순차구동과 상기 제 2 세트의 LED 그룹의 순차구동은 서로 독립적으로 제어되도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 m은 1이며, 상기 제 1 세트의 LED 그룹은 상기 제 1 LED 그룹이고, 상기 제 2 세트의 LED 그룹은 제 2 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹을 포함하며, 상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결되도록 제어하고, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되도록 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 이상이고 상기 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서, 상기 제 1 LED 그룹을 점등상태로 유지하면서 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 상기 제 2 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹의 순차구동을 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는 동작구간별로 LED 구동전류(제 1 LED 구동전류 내지 제 n LED 구동전류) 값을 설정하고, 설정된 동작구간별 LED 구동전류 값에 따라 해당 동작구간에서의 LED 구동전류를 정전류 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제 1 LED 구동전류 내지 상기 제 n LED 구동전류는 동일한 값으로 설정될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는, 동작구간별로 발광되는 LED들의 총 수에 역비례하도록 각 동작구간별 LED 구동전류(제 1 LED 구동전류 내지 제 n LED 구동전류) 값을 설정하고, 설정된 동작구간별 LED 구동전류 값에 따라 해당 동작구간에서의 LED 구동전류를 정전류 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 충전구간에서 상기 정류전압을 이용하여 에너지를 충전하며, 보상구간에서 상기 LED 발광부에 구동전압을 제공하는 역률 보상부를 더 포함하며, 상기 LED 발광부는 상기 보상구간에서 상기 역률 보상부로부터 구동전압을 공급받아 발광하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 정류부와 상기 역률 보상부 사이에 직렬로 연결되며, 상기 LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 정류부로부터 출력되는 상기 정류전압을 선택적으로 차단하는 제 2 스위치부를 더 포함하며, 상기 LED 구동제어부는 상기 정류전압의 전압레벨을 판단하고, 상기 정류전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 미만이 구간에서 상기 제 2 스위치부를 턴-오프하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 2 스위치부를 턴-온하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(n은 2 이상의 양의 정수)을 포함하는 LED 발광부의 구동을 제어하는 LED 구동 회로로서, 교류전원에 연결되어 인가되는 교류전압을 전파정류하고, 전파정류된 정류전압을 구동전압으로서 LED 발광부에 제공하는 정류부; 구동전압 입력노드와 상기 LED 발광부의 제 m LED 그룹과 상기 LED 발광부의 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 LED 그룹 내지 상기 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 상기 제 m+1 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 직병렬 제어 스위치부; 및 상기 구동전압의 전압레벨에 따라, 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹간의 직병렬 연결관계를 제어하며 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동 및 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동을 제어하는 LED 구동 제어부를 포함하는, LED 구동 회로가 제공된다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결되도록 상기 직병렬 제어 스위치부를 제어하며, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되도록 상기 직병렬 제어 스위치부를 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹들을 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 순차구동하며, 동시에 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹들을 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 순차구동하되, 상기 제 1 세트의 LED 그룹의 순차구동과 상기 제 2 세트의 LED 그룹의 순차구동은 서로 독립적으로 제어될 수 있다.
바람직하게, 상기 m은 1이며, 상기 제 1 세트의 LED 그룹은 상기 제 1 LED 그룹이고, 상기 제 2 세트의 LED 그룹은 제 2 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹을 포함하며, 상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결되도록 제어하고, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되도록 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 이상이고 상기 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서, 상기 제 1 LED 그룹을 점등상태로 유지하면서 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 상기 제 2 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹의 순차구동을 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는 동작구간별로 LED 구동전류(제 1 LED 구동전류 내지 제 n LED 구동전류) 값을 설정하고, 설정된 동작구간별 LED 구동전류 값에 따라 해당 동작구간에서의 LED 구동전류를 정전류 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제 1 LED 구동전류 내지 상기 제 n LED 구동전류는 동일한 값으로 설정될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는, 동작구간별로 발광되는 LED들의 총 수에 역비례하도록 각 동작구간별 LED 구동전류(제 1 LED 구동전류 내지 제 n LED 구동전류) 값을 설정하고, 설정된 동작구간별 LED 구동전류 값에 따라 해당 동작구간에서의 LED 구동전류를 정전류 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 충전구간에서 상기 정류전압을 이용하여 에너지를 충전하며, 보상구간에서 상기 LED 발광부에 구동전압을 제공하는 역률 보상부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 정류부와 상기 역률 보상부 사이에 직렬로 연결되며, 상기 LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 정류부로부터 출력되는 상기 정류전압을 선택적으로 차단하는 제 2 스위치부를 더 포함하며, 상기 LED 구동제어부는 상기 정류전압의 전압레벨을 판단하고, 상기 정류전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 미만이 구간에서 상기 제 2 스위치부를 턴-오프하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 2 스위치부를 턴-온하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 교류전원에 연결되어 인가되는 교류전압을 전파정류하고, 전파정류된 정류전압을 구동전압으로서 LED 발광부에 제공하는 정류부; 제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(n은 2 이상의 양의 정수)을 포함하여 구성되며, 상기 정류부로부터 상기 구동전압을 공급받아 발광하는 LED 발광부; 상기 LED 발광부의 구동전압 입력노드와 제 m LED 그룹과 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 LED 그룹 내지 상기 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 상기 제 m+1 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 직병렬 제어 스위치부; 및 상기 구동전압의 주기당 평균 전압레벨에 따라 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동 및 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동을 제어하는 LED 구동 제어부를 포함하는, LED 조명장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는 상기 구동전압의 주기당 평균 전압레벨에 따라 LED 구동 전류의 크기를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(n은 2 이상의 양의 정수)을 포함하는 LED 발광부의 구동을 제어하는 LED 구동 회로로서, 교류전원에 연결되어 인가되는 교류전압을 전파정류하고, 전파정류된 정류전압을 구동전압으로서 LED 발광부에 제공하는 정류부; 구동전압 입력노드와 상기 LED 발광부의 제 m LED 그룹과 상기 LED 발광부의 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 LED 그룹 내지 상기 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 상기 제 m+1 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 직병렬 제어 스위치부; 및 상기 구동전압의 주기당 평균 전압레벨에 따라 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동 및 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동을 제어하는 LED 구동 제어부, LED 구동 회로가 제공된다.
바람직하게, 상기 LED 구동 제어부는 상기 구동전압의 주기당 평균 전압레벨에 따라 LED 구동 전류의 크기를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 정류전압의 전압레벨에 따라 LED 그룹 간의 직병렬 연결관계를 제어되며, 동시에 LED 그룹들의 순차구동이 제어되어 LED 조명장치의 전력 효율이 제고되는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 보상구간에서 정류전압의 입력을 차단함으로써 전력 효율이 제고되는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명은 별도의 추가 회로를 부가하지 않고 프리 볼트 기능을 제공할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
도 1a는 플리커 성능을 개선하기 위한 종래기술에 따른 LED 조명장치의 개략적인 구성 블록도.
도 1b 내지 도 1f는 종래기술에 따른 LED 조명장치의 정류전압의 전압레벨에 따른 제 1 LED 그룹 내지 제 4 LED 그룹 간의 직병렬 연결관계를 개략적으로 도시한 개념도들.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 구성 블록도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 회로도.
도 4a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 제 1 동작구간에서의 LED 그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 나타낸 개념도.
도 4b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 제 2 동작구간에서의 LED 그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 나타낸 개념도.
도 4c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 제 3 동작구간에서의 LED 그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 나타낸 개념도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 구동전압, LED 구동 전류들의 관계를 나타낸 파형도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 구성 블록도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 회로도.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 회로도.
도 9a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치가 120V(rms) 교류전원에 연결된 경우의 정류전압과 LED 구동전류의 관계를 나타내는 파형도.
도 9b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치가 220V(rms) 교류전원에 연결된 경우의 정류전압과 LED 구동전류의 관계를 나타내는 파형도.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
본 발명의 실시예에서, 용어 'LED 그룹'이란 복수의 LED들(또는 복수의 발광셀들)이 직렬/병렬/직병렬로 연결되어, LED 구동모듈의 제어에 따라 하나의 단위로서 동작이 제어되는(즉, 같이 점등/소등되는) LED들의 집합을 의미한다.
또한, 용어 '제 1 순방향 전압레벨(1Vf)'은 제 1 LED 그룹을 구동할 수 있는 임계 전압레벨을 의미하며, 용어 '제 2 순방향 전압레벨(Vf2)'은 직렬로 연결된 제 1 LED 그룹 및 제 2 LED 그룹을 구동할 수 있는 임계 전압레벨(즉, 제 1 LED 그룹의 순방향 전압레벨과 제 2 LED 그룹의 순방향 전압레벨을 더한 전압레벨)을 의미하고, 용어 '제 3 순방향 전압레벨(Vf3)'은 직렬로 연결된 제 1 내지 제 3 LED 그룹들을 구동할 수 있는 임계 전압레벨을 의미한다. 즉, '제 n 순방향 전압레벨(Vfn)'은 직렬로 연결된 제 1 내지 제 n LED 그룹들을 구동할 수 있는 임계 전압레벨(즉, 제 1 LED 그룹의 순방향 전압레벨 내지 제 n LED 그룹의 순방향 전압레벨들을 모두 더한 전압레벨)을 의미한다. 이하에서는, LED 그룹들이 모두 동일한 순방향 전압레벨을 갖는 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하지만, 필요에 따라 LED 그룹들 각각의 순방향 전압레벨이 서로 상이하게 설계될 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 이하에서, 제 1 순방향 전압레벨은 1Vf이며, 제 2 순방향 전압레벨은 2Vf이고, 마찬가지로 제 n 순방향 전압레벨은 nVf인 실시예를 기준으로 본 발명의 바람직한 실시예들이 설명될 것이다.
또한, 본 명세서에 있어, '제 1 동작구간'은 LED 발광부에 제공되는 구동전압이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 이상이고 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 미만인 구간을 의미하며, '제 2 동작구간'은 LED 발광부에 제공되는 구동전압이 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 이상이고 제 3 순방향 전압레벨(3Vf) 미만인 구간을 의미하며, 마찬가지로 '제 n 동작구간'은 LED 발광부에 제공되는 구동전압이 제 n 순방향 전압레벨(nVf) 이상인 구간을 의미한다.
또한, 본 명세서에 있어, '비보상 구간(또는 충전 구간)'이란 입력되는 정류전압(Vrec)이 구동전압(Vp)으로서 LED 발광부 등에 제공되며 역률 보상부가 정류전압(Vrec)에 의해 충전되는 구간을 의미하며, '보상 구간(또는 방전 구간)'이란 역률 보상부에 충전된 전하가 방전됨으로써 구동전압(Vp)이 LED 발광부 제공되는 구간을 의미한다. 예를 들어, 본 발명에 따른 역률 보상부가 제 1 순방향 전압레벨(1Vf)을 보상하도록 구성된 경우, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 미만인 구간에서는 역률 보상부에 의해 구동전압(Vp)이 LED 발광부에 제공되며, 이러한 경우 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 미만인 구간이 보상구간이 된다. 다른 예로서, 본 발명에 따른 역률 보상부가 제 2 순방향 전압레벨(2Vf)을 보상하도록 구성된 경우, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 미만인 구간이 보상구간이 된다.
또한, 본 명세서 내에서 임의의 특정 전압, 특정 시점, 특정 온도 등을 나타내기 위하여 사용되는 V1, V2, V3,..., t1, t2,..., T1, T2, T3, 등의 용어는 절대적인 값을 나타내기 위하여 사용되는 것이 아니라 서로를 구분하기 위하여 사용되는 상대적인 값이다.
고효율 LED 조명장치(1000)의 개괄
본 발명에 따른 고효율 LED 조명장치(1000)(이하, 'LED 조명장치'라고도 함)의 구체적인 구성 및 기능에 대하여 설명하기 전에, 본 발명의 LED 조명장치(1000)를 구성하기 위한 주요한 기술적 특징에 대하여 개략적으로 살펴보도록 한다. 본 발명을 이루는 주요한 기술적 특징은, 구동전압(Vp)의 전압레벨에 따라 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계 제어를 수행하는 동시에 LED 그룹들의 순차구동을 제어하는 것이다. 즉, 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 LED 조명장치는, 전술된 바와 같은 다수의 직병렬 제어 스위치들로 인한 문제점을 해결하기 위해 직병렬 제어 스위치의 수를 최소화하여 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계를 제어하는 동시에, 전력 손실로 인한 문제점을 해결하기 위해 LED 그룹들을 순차 구동시키도록 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 LED 조명장치(1000)는 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계 제어 및 LED 그룹들의 순차구동 제어를 동시에 수행하도록 구성되어 플리커 성능을 개선하고 전력 효율을 제고할 수 있게 된다.
제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(1000)의 구성 및 기능
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 구성 블록도이고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 회로도이다. 이하에서, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 구성과 기능에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 LED 조명장치(1000)는 정류부(200), 역률 보상부(300), LED 발광부(400), LED 구동 제어부(500), 및 직병렬 제어 스위치부(600)를 포함할 수 있다.
먼저, LED 발광부(400)는 복수의 LED 그룹들로 구성될 수 있으며, LED 발광부(400)에 포함된 복수의 LED 그룹들은 LED 구동 제어부(500)의 제어에 따라 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계가 제어되며, 동시에 순차구동되도록 구성될 수 있다. 도 2에는 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)까지의 3개의 LED 그룹들을 포함하고 있는 LED 발광부(400)가 개시되어 있으나, 필요에 따라 LED 발광부(400)에 포함되는 LED 그룹의 수가 다양하게 변경될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 다만, 이하에서는, 설명과 이해의 편의를 위하여 LED 발광부(400)가 3개의 LED 그룹들로 구성된 실시예를 기준으로 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, LED 발광부(400)는 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 n LED 그룹(미도시)까지의 n개의 LED 그룹들로 구성될 수도 있으며(n은 2 이상의 양의 정수), 본 발명의 기술적 요지를 그대로 포함하고 있는 한, 본 발명의 권리범위에 속함은 당업자에게 자명할 것이다.
한편, 실시예를 구성하기에 따라, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)은 서로 동일한 순방향 전압레벨을 가질 수도 있으며, 또는 각각 서로 상이한 순방향 전압레벨을 가질 수도 있다. 예를 들어, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 각각 상이한 수의 LED 소자를 포함하여 구성되는 경우 또는 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 상이한 방식의 직렬 또는 병렬 또는 직병렬 연결관계를 가질 경우, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)은 서로 다른 순방향 전압레벨을 가지게 될 것이다. 다만, 이하에서는, 설명 및 이해의 편의를 위하여, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 모두 동일한 순방향 전압레벨을 갖도록 구성된 실시예를 기준으로 본 발명에 따른 실시예들을 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 정류부(200)는 외부 전원으로부터 입력되는 교류전압(VAC)을 정류하여 정류전압(Vrec)을 생성 및 출력하도록 구성된다. 이러한 정류부(200)로서 전파 정류회로, 반파 정류회로 등 공지된 다양한 정류회로 중 하나가 이용될 수 있다. 정류부(200)는 생성된 정류전압(Vrec)을 역률 보상부(300), LED 발광부(400), LED 구동 제어부(500)로 제공하도록 구성된다. 도 3에는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)로 구성된 브리지 전파 정류회로가 도시되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 역률 보상부(300)는 충전구간에서 정류전압(Vrec)을 이용하여 에너지를 충전하며, 보상구간에서 LED 발광부(400)에 구동전압(Vp)을 제공하도록 구성된다. 도 3에는 제 1 커패시터(C1), 제 2 커패시터(C2) 및 3개의 역류 방지용 다이오드들(D5, D6, D7)로 구성된 밸리-필(valley-fill) 회로가 본 발명에 따른 역률 보상부(300)로서 도시되어 있으며, 이러한 밸리-필 회로는 제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹의 총 순방향 전압레벨(즉, nVf)의 1/2를 보상하도록 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 역률 보상부(300)가 이러한 밸리-필 회로에 한정되는 것은 아니며, 공지된 다양한 역률 보상회로들 중 하나가 필요에 따라 채택되어 사용될 수 있다. 밸리-필 회로의 구성과 기능에 대해서는 이미 공지된 기술을 채택하고 있는 바, 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명에 따른 역률 보상부(300)에 의해 보상되는 순방향 전압레벨은 역률 보상부(300)를 구성하는 에너지 충방전 소자(예를 들어, 도 3의 제 1 커패시터(C1), 제 2 커패시터(C2) 등)의 용량에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 일 실시예에 있어, 본 발명에 따른 역률 보상부(300)는 보상구간에서 적어도 제 1 순방향 전압레벨(1Vf)의 구동전압(Vp)을 공급하도록 구성될 수 있으며, 이러한 경우 LED 조명장치(1000)의 동작 중 적어도 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 이상의 구동전압(Vp)이 LED 발광부(400)에 공급된다. 또한, 다른 실시예에 있어, 본 발명에 따른 역률 보상부(300)는 보상구간에서 적어도 제 2 순방향 전압레벨(2Vf)을 보상하도록 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 LED 구동 제어부(500)는 구동전압(Vp)의 전압레벨을 판단하고, 구동전압(Vp)의 전압레벨에 따라 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430) 간의 직병렬 연결관계를 제어하고, 동시에 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)의 순차구동을 제어하도록 구성될 수 있다. 이러한 LED 구동 제어부(500)의 구체적인 구성 및 기능에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
본 발명에 따른 직병렬 제어 스위치부(600)는 LED 구동 제어부(500)의 제어에 따라 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계를 제어하는 기능을 수행하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 직병렬 제어 스위치부(600)는 구동전압 입력노드와 제 m LED 그룹과 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되어, LED 구동 제어부의 제어에 따라 제 1 LED 그룹 내지 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 제 m+1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하도록 구성될 수 있다. 이하에서, 'LED 그룹의 세트'란 직병렬 제어 스위치부(600)의 동작상태와 무관하게 서로 직렬로 연결되어 하나의 단위를 형성하며, 직병렬 제어 스위치부(600)의 동작상태에 따라 다른 LED 그룹의 세트와 직병렬 연결관계가 제어되는 LED 그룹(들)을 지칭한다. 제 1 세트의 LED 그룹과 제 2 세트의 LED 그룹은 서로 병렬로 연결된 상태에서는 각기 독립적으로 LED 구동 제어부(500)의 제어에 따라 순차구동되며, 서로 직렬로 연결된 상태에서는 함께 발광하게 된다.
도 2 및 도 3에는 m이 1인 실시예, 즉, 직병렬 제어 스위치부(600)가 구동전압 입력노드와 제 1 LED 그룹(410) 및 제 2 LED 그룹(420) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부(500)로부터 입력되는 제어신호에 따라 턴-온되어 제 4 경로(P4)를 연결하거나 또는 턴-오프되어 제 4 경로(P4)를 분리함으로써 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430) 간의 직병렬 연결관계를 제어하도록 구성된 실시예가 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 직병렬 제어 스위치부(600)가 턴-온되는 경우 제 4 경로(P4)가 연결되며, 그에 따라 제 1 LED 그룹(410)과 제 2 LED 그룹(420)(또는 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430))이 병렬로 연결된다. 반면, 직병렬 제어 스위치부(600)가 턴-오프 되는 경우 제 4 경로(P4)가 분리되며, 그에 따라 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 직렬로 연결된다. 이러한 경우, 제 1 세트의 LED 그룹은 제 1 LED 그룹(410)만을 포함하게 되므로 순차구동 제어되지 않는 반면, 제 2 세트의 LED 그룹은 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)을 포함하고 구동전압(Vp)의 전압레벨에 기초해 LED 구동 제어부(500)에 의해 순차구동 제어된다. 또 다른 실시예에 있어, 제 1 세트의 LED 그룹이 복수의 LED 그룹들을 포함하고, 제 2 세트의 LED 그룹이 복수의 LED 그룹들을 포함하는 경우, 제 1 세트의 LED 그룹에 속하는 LED 그룹들이 순차구동 제어되며 동시에 제 2 세트의 LED 그룹에 속하는 LED 그룹들이 순차구동 제어될 수 있다. 이때, 제 1 세트의 LED 그룹의 순차구동 제어와 제 2 세트의 LED 그룹의 순차구동 제어가 서로 독립적으로 LED 구동 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 직병렬 제어 스위치부(600)의 구성 및 연결관계는 예시적이며, 필요에 따라 전술한 바와 같이 직병렬 제어 스위치부(600)가 다양한 위치들 중 하나에 연결되어 LED 그룹들 간의 직병렬 연결관계를 제어할 수 있다는 점을 주의해야 한다. 즉, 본 발명에 따른 직병렬 제어 스위치부(600)가 연결되는 노드의 위치에 따라, 노드 앞에 위치된 LED 그룹들과 노드 뒤에 위치된 LED 그룹들이 서로 병렬로 연결되거나 또는 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, LED 발광부(400)가 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 4 LED 그룹(미도시)까지의 4개의 LED 그룹들로 구성되고, 직병렬 제어 스위치부(600)가 제 2 LED 그룹(420)과 제 3 LED 그룹(430) 사이에 연결되는 경우, 직병렬 제어 스위치부(600)는 제 1 LED 그룹(410) 및 제 2 LED 그룹(420)(제 1 세트의 LED 그룹)과 제 3 LED 그룹(430) 및 제 4 LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹)의 직병렬 연결관계를 제어할 수 있다. 다른 예를 들어, LED 발광부(400)가 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 4 LED 그룹(미도시)까지의 4개의 LED 그룹들로 구성되고, 직병렬 제어 스위치부(600)가 제 1 LED 그룹(410)과 제 2 LED 그룹(420) 사이에 연결되는 경우, 직병렬 제어 스위치부(600)는 제 1 LED 그룹(410)(제 1 세트의 LED 그룹)과 제 2 LED 그룹(420) 내지 제 4 LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹)의 직병렬 연결관계를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제 1 세트의 LED 그룹에 속한 LED 그룹(들)은 직병렬 제어 스위치부(600)의 동작상태와 무관하게 서로 직렬로 연결되어 제 1 세트의 LED 그룹을 형성하며, 직병렬 제어 스위치부(600)의 동작상태에 따라 제 2 세트의 LED 그룹에 속한 LED 그룹(들)과 직렬 또는 병렬로 연결된다. 또한, 본 발명에 따른 LED 조명장치(1000)에 있어, 동일한 세트에 속한 LED 그룹들이 LED 구동 제어부(500)의 제어에 따라 순차구동될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 있어, 제 2 세트의 LED 그룹에 속한 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)이 순차구동될 수 있으며, 이에 따라 전력 효율을 높일 수 있다. 이러한 LED 그룹의 세트 내에서의 순차구동에 대해서는 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 후술하도록 한다. 한편, 도 3을 참조하면, 전술한 바와 같이 직병렬 제어 스위치부(600)는, 제 1 직병렬 제어 스위치(S1), 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2) 및 제너 다이오드(D2)로 구성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도시되지는 않았지만, 본 발명에 따른 LED 조명장치(1000)가 교류전원과 정류부(200) 사이에 위치되어, 과전압 및 과전류로부터 정류부(200), 역률 보상부(300), LED 발광부(400), LED 구동 제어부(500), 및 직병렬 제어 스위치부(600)를 보호하는 기능을 수행하도록 구성된 서지 보호부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
또한, 실시예에 따라, 전술한 바와 같은 정류부(200), 역률 보상부(300), LED 구동 제어부(500), 및 직병렬 제어 스위치부(600) 중 일부 또는 그 전부가 LED 구동 회로를 구성할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 전술한 바와 같은 LED 구동 회로가 집적회로(Integrated Circuit: IC)로 집적되어 LED 구동 IC를 구성할 수도 있다.
이하에서, 도 3 및 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 이상에서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 LED 조명장치(1000)의 구성 및 기능에 대하여 보다 상세하게 살펴보도록 한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 구동 제어부(500)는, 제어모듈(500), 비교모듈(520), 내부 전원모듈(530), 보호모듈(540), 제 1 정전류 스위치(CS1), 제 2 정전류 스위치(CS2), 제 3 정전류 스위치(CS3), 디밍 제어모듈(550) 및 LED 구동전류 설정모듈(560)을 포함할 수 있다.
내부 전원모듈(530)은 입력되는 구동전압(Vp)으로부터 LED 구동 제어부(500) 내부에서 사용되는 내부 전원을 생성하고, 구성요소들로 생성된 내부 전원을 공급하도록 구성된다.
보호모듈(540)은 크게 2가지 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 첫째, 본 발명에 따른 보호모듈(540)은 LED 구동 제어부(500) 내부에 구비된 온도 센서(미도시)로부터 출력되는 온도 정보를 입력받고, 입력된 온도 정보에 따라 현재 검출되는 LED 구동 제어부(500) 내부 온도가 미리 설정된 온도(예를 들어, 150℃) 이상인 경우 LED 구동 제어부(500)의 동작을 중단하도록 구성될 수 있다. 둘째, 본 발명에 따른 보호모듈(540)은 입력되는 구동전압(Vp)을 모니터링하고, 과전압 또는 과전류가 입력되는 경우 LED 구동 제어부(500)의 동작을 중단하도록 구성될 수 있다.
비교모듈(520)은 입력되는 구동전압(Vp)을 미리 설정된 설정값들과 비교하고, 그 비교결과를 제어모듈(500)로 출력하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 비교모듈(520)은 입력되는 구동전압(Vp)의 전압레벨과 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 내지 제 3 순방향 전압레벨(3Vf)을 비교하고, 현재 입력되고 있는 구동전압(Vp)이 제 1 동작구간 내지 제 3 동작구간 중 어떠한 동작구간에 속하는지에 대한 비교 결과를 제어모듈(500)로 출력하도록 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 있어, 비교모듈(520)은 구동전압(Vp)의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 이상이고 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 미만인 경우 제 1 동작구간에 해당되는 비교 결과를 출력하며, 구동전압(Vp)의 전압레벨이 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 이상이고 제 3 순방향 전압레벨(3Vf) 미만인 경우 제 2 동작구간에 해당되는 비교 결과를 출력하고, 구동전압(Vp)의 전압레벨이 제 3 순방향 전압레벨(3Vf) 이상인 경우 제 3 동작구간에 해당되는 비교 결과를 출력하도록 구성될 수 있다.
제어모듈(500)은 비교모듈(520)로부터 입력되는 비교 결과에 따라 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430) 간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 동시에 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)의 순차구동을 제어하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제어모듈(500)은 비교모듈(520)로부터 입력되는 비교 결과에 따라 직병렬 제어 스위치부(600)를 턴-온하거나 또는 턴-오프하여 제 1 LED 그룹(410)과 제 2 LED 그룹(420)(또는 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430))과의 직병렬 연결관계를 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제어모듈(500)은 비교모듈(520)로부터 입력되는 비교 결과에 따라 제 1 정전류 스위치(CS1), 제 2 정전류 스위치(CS2), 및 제 3 정전류 스위치(CS3) 각각의 턴-온 및 턴-오프를 제어하여 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)의 동작상태를 제어할 수 있다.
제 1 정전류 스위치(CS1), 제 2 정전류 스위치(CS2) 및 제 3 정전류 스위치(CS3)는 전술한 바와 같이, 제어모듈(500)의 제어에 따라 턴-온 또는 턴-오프될 수 있다. 더 구체적으로, 제 1 정전류 스위치(CS1)는 제어모듈(500)의 제어에 따라 제 1 전류 경로(P1)를 연결하거나 또는 분리하도록 구성되며, 제 2 정전류 스위치(CS2)는 제어모듈(500)의 제어에 따라 제 2 전류 경로(P2)를 연결하거나 또는 분리하도록 구성되고, 제 3 정전류 스위치(CS3)는 제어모듈(500)의 제어에 따라 제 3 전류 경로(P3)를 연결하거나 또는 분리하도록 구성될 수 있다. 또한, 제 1 정전류 스위치(CS1), 제 2 정전류 스위치(CS2) 및 제 3 정전류 스위치(CS3)는 제어모듈(500)의 제어에 따라 각각의 스위치를 통해 흐르는 LED 구동전류(ILED)의 전류값을 제어하도록 구성될 수 있다. 이러한, 이러한 제 1 정전류 스위치(CS1) 내지 제 3 정전류 스위치(CS3)는 다양한 공지된 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제 1 정전류 스위치(CS1) 내지 제 3 정전류 스위치(CS3) 각각은 전류 검출하기 위한 센싱 저항, 기준 전류 값과 현재 검출된 전류 값을 비교하기 위한 차동 증폭기, 차동 증폭기의 출력에 따라 경로의 연결을 제어하며, 또한 경로가 연결된 경우 경로를 통해 흐르는 LED 구동전류 값을 정전류로 제어하도록 구성되는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 또한, 정전류 스위치를 구성하는 스위칭 소자는 BJT(bipolar junction transistor), FET(field effect transistor) 등의 공지된 다양한 전자식 스위칭 소자들 중 하나로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제어모듈(500)은 디밍 제어모듈(550) 및 LED 구동전류 설정모듈(560)로부터 입력되는 구동전류 설정값에 따라 제 1 정전류 스위치(CS1), 제 2 정전류 스위치(CS2), 및 제 3 정전류 스위치(CS3) 각각을 제어하여, 제 1 LED 구동전류(ILED1), 제 2 LED 구동전류(ILED2), 및 제 3 LED 구동전류(ILED3) 각각을 미리 설정된 값에 따라 정전류로 제어하도록 구성될 수 있다. 실시예를 구성하기에 따라, 제 1 LED 구동전류(ILED1) 내지 제 3 LED 구동전류(ILED3)는 각기 상이한 값으로 설정될 수도 있으며, 또는 모두 동일한 값으로 설정될 수도 있다. 일 실시예에 있어, 동작구간별 광 출력 편차를 줄이고 플리커 성능을 개선하기 위하여, 제 1 LED 구동전류(ILED1) 내지 제 3 LED 구동전류(ILED3)가 모두 동일한 값으로 설정될 수도 있다. 다른 실시예에 있어, LED 조명장치(1000)의 플리커 성능을 더욱 개선하기 위하여 2개의 LED 그룹만이 발광하는 동작구간에서 흐르는 LED 구동전류의 설정값을 3개의 LED 그룹 모두가 발광하는 동작구간에서 흐르는 LED 구동전류의 설정값보다 더 크게 설정할 수도 있다. 또 다른 실시예에 있어, 전고조파 왜곡(total hormonic distortion: THD)을 감소시키고 역률(power factor: PF)을 개선하기 위하여, LED 구동전류(ILED)가 제 1 LED 구동전류(ILED1)로부터 제 3 LED 구동전류(ILED3)까지 순차적으로 증가하는 방식으로 설정될 수 있다.
이하에서, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 전술한 바와 같이 구성되는 본원발명의 제 1 실시예에 따른 제어모듈(500)의 제어과정에 대해 동작구간별로 살펴보도록 한다.
도 4a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(1000)의 제 1 동작구간에서의 LED 그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 나타낸 개념도이다. 전술한 바와 같이, 구동전압(Vp)의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 이상이고 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 미만인 제 1 동작구간에 해당하는 경우, 구동전압(Vp)이 하나의 LED 그룹만을 구동시킬 수 있다. 따라서, 이러한 제 1 동작구간 동안, 제어모듈(500)은 직병렬 제어 스위치부(600)를 턴-온하여 제 4 경로(P4)를 연결하고, 동시에 제 1 정전류 스위치(CS1) 및 제 2 정전류 스위치(CS2)를 턴-온하여 제 1 전류 경로(P1) 및 제 2 전류 경로(P2)가 연결되게 하며, 제 3 정전류 스위치(CS3)를 턴-오프하여 제 3 전류 경로(P3)가 분리되게 한다. 제 1 동작구간에서의 제어모듈(500)의 스위치 제어결과가 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 동작구간에서 제 1 LED 그룹(410)이 제 2 LED 그룹(420)과 병렬로 연결되어 발광하게 되며, 제 1 LED 그룹(410)을 통해 흐르는 제 1 LED 구동전류(ILED1)가 제 1 정전류 스위치(CS1)에 의해 정전류 제어되고, 제 2 LED 그룹(420)을 통해 흐르는 제 2 LED 구동전류(ILED2)가 제 2 정전류 스위치(CS2)에 의해 정전류 제어된다.
또한, 도 4b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(1000)의 제 2 동작구간에서의 LED 그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 나타낸 개념도이다. 전술한 바와 같이, 구동전압(Vp)의 전압레벨이 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 이상이고 제 3 순방향 전압레벨(3Vf) 미만인 제 2 동작구간에 해당하는 경우, 구동전압(Vp)이 두개의 LED 그룹을 구동시킬 수 있다. 따라서, 이러한 제 2 동작구간 동안, 제어모듈(500)은 직병렬 제어 스위치부(600)를 턴-온하여 제 4 경로(P4)를 연결하고, 동시에 제 1 정전류 스위치(CS1)를 턴-온하여 제 1 전류 경로(P1)를 연결하며, 제 2 정전류 스위치(CS2)를 턴-오프하여 제 2 전류 경로(P2)가 분리되게 하는 동시에 제 3 정전류 스위치(CS3)를 턴-온하여 제 3 전류 경로(P3)가 연결되게 한다. 제 2 동작구간에서의 제어모듈(500)의 스위치 제어결과가 도 4b에 도시되어 있다. 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 동작구간에서 제 1 LED 그룹(410)(제 1 세트의 LED 그룹)이 서로 직렬로 연결된 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)(제 2 세트의 LED 그룹)과 병렬로 연결되어, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430) 모두가 발광하게 된다. 제 2 동작구간에서, 제 1 LED 그룹(410)을 통해 흐르는 제 1 LED 구동전류(ILED1)는 제 1 정전류 스위치(CS1)에 의해 미리 설정된 제 1 LED 구동전류 값으로 정전류 제어되며, 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹을 통해 흐르는 제 3 LED 구동전류(ILED3)가 미리 설정된 제 3 LED 구동전류 값으로 정전류 제어된다.
또한, 도 4c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(1000)의 제 3 동작구간에서의 LED 그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 나타낸 개념도이다. 전술한 바와 같이, 구동전압(Vp)의 전압레벨이 제 3 순방향 전압레벨(3Vf) 이상인 제 3 동작구간에 해당하는 경우, 구동전압(Vp)이 세개의 LED 그룹을 구동시킬 수 있다. 따라서, 이러한 제 3 동작구간 동안, 제어모듈(500)은 직병렬 제어 스위치부(600)를 턴-오프하여 제 4 경로(P4)를 분리하고, 동시에 제 1 정전류 스위치(CS1)를 턴-오프하여 제 1 전류 경로(P1)를 분리하고 제 2 정전류 스위치(CS2)를 턴-오프하여 제 2 전류 경로(P2)를 분리하며, 제 3 정전류 스위치(CS3)를 턴-온하여 제 3 전류 경로(P3)가 연결되게 한다. 제 3 동작구간에서의 제어모듈(500)의 스위치 제어결과가 도 4c에 도시되어 있다. 도 4c에 도시되어 있는 바와 같이, 제 3 동작구간에서 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 직렬로 연결되어 모두 발광하게 되며, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)을 통해 흐르는 제 3 LED 구동전류(ILED3)가 제 3 정전류 스위치(CS3)에 의해 미리 설정된 제 3 LED 구동전류 값으로 정전류 제어된다.
LED 조명장치(1000)의 구동제어 과정의 일 예
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 구동전압, LED 구동 전류들의 관계를 나타낸 파형도이다. 이하에서, 도 5를 참조하여, 이상에서 도 2 내지 도 4c를 참조하여 설명된 LED 조명장치(1000)의 구동제어 과정에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 5의 (a)는 LED 발광부(400)에 공급되는 구동전압(Vp)의 파형도이며, 도 5의 (b)는 제 1 정전류 스위치(CS1)를 통해 흐르는 제 1 LED 구동전류(ILED1)의 파형도이고, 도 5의 (c)는 제 2 정전류 스위치(CS2)를 통해 흐르는 제 2 LED 구동전류(ILED2)의 파형도이며, 도 5의 (d)는 제 3 정전류 스위치(CS3)를 통해 흐르는 제 3 LED 구동전류(ILED3)의 파형도이다.
LED 조명장치(1000)에 처음 전원이 인가되면 역률 보상부(300)가 충전되어 있지 않기 때문에 어떠한 LED 그룹도 발광하지 않는다. 시간의 경과에 따라 정류전압(Vrec)이 점차 상승하여, LED 발광부(400)에 공급되는 구동전압(Vp)의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf)에 도달하는 시점(t1)에, LED 구동 제어부(500)는 직병렬 제어 스위치부(600)를 턴-온하여 제 4 경로(P4)를 연결하여, 제 1 LED 그룹(410)과 제 2 LED 그룹(420)이 서로 병렬로 연결되도록 제어한다. 동시에, LED 구동 제어부(500)는 제 1 정전류 스위치(CS1)를 턴-온하여 제 1 전류 경로(P1)를 연결하고, 제 2 정전류 스위치(CS2)를 턴-온하여 제 2 전류 경로(P2)를 연결하고, 제 3 정전류 스위치(CS3)를 턴-오프하여 제 3 전류 경로(P3)를 분리한다. 제 3 정전류 스위치(CS3)를 턴-오프하는 것은, 전술한 바와 같이 제 1 동작구간 동안 공급되는 구동전압(Vp)이 하나의 LED 그룹만을 발광시킬 수 있는 전압레벨이기 때문이다. 따라서, 이러한 구간에서 제 1 LED 그룹(410) 및 제 2 LED 그룹(420)이 발광하게 되고, 제 3 LED 그룹(430)은 소등된 상태를 유지하게 된다. 또한, 전술한 바와 같이, 이러한 구간에서, 제 1 LED 그룹(410)을 통해 흐르는 제 1 LED 구동전류(ILED1)가 제 1 정전류 스위치(CS1)에 의해 미리 설정된 제 1 LED 구동전류(ILED1)의 설정값으로 정전류 제어되며, 제 2 LED 그룹(420)을 통해 흐르는 제 2 LED 구동전류(ILED2)가 제 2 정전류 스위치(CS2)에 의해 미리 설정된 제 2 LED 구동전류(ILED2)의 설정값으로 정전류 제어된다.
시간의 경과에 따라 구동전압(Vp)이 상승하여 제 2 순방향 전압레벨(2Vf)에 도달하는 시점(t2)에, LED 구동 제어부(500)는 제 2 정전류 스위치(CS2)를 턴-오프하여 제 2 전류 경로를 분리하고, 제 3 정전류 스위치(CS3)를 턴-온하여 제 3 전류 경로(P3)를 연결한다. 따라서, 이러한 구간에서, 제 1 LED 그룹(410)이 서로 직렬로 연결된 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)과 병렬로 연결되며, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430) 모두가 발광하게 된다. 또한, 전술한 바와 같이, 이러한 구간에서, 제 1 LED 그룹(410)을 통해 흐르는 제 1 LED 구동전류(ILED1)가 제 1 정전류 스위치(CS1)에 의해 미리 설정된 제 1 LED 구동전류(ILED1)의 설정값으로 정전류 제어되며, 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)을 통해 흐르는 제 3 LED 구동전류(ILED3)가 제 3 정전류 스위치(CS3)에 의해 미리 설정된 제 3 LED 구동전류(ILED3)의 설정값으로 정전류 제어된다.
계속해서, 시간의 경과에 따라 구동전압(Vp)이 상승하여 제 3 순방향 전압레벨(3Vf)에 도달하는 시점(t3)에, LED 구동 제어부(500)는 직병렬 제어 스위치부(600)를 턴-오프하여 제 4 경로(P4)를 분리하여 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 서로 직렬로 연결되도록 제어한다. 동시에, LED 구동 제어부(500)는 제 1 정전류 스위치(CS1)를 턴-오프하여 제 1 전류 경로(P1)를 분리한다. 따라서, 따라서, 이러한 구간에서, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 서로 직렬로 연결되어 모두 발광하게 되며, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)을 통해 흐르는 제 3 LED 구동전류(ILED3)가 제 3 정전류 스위치(CS3)에 의해 미리 설정된 제 3 LED 구동전류(ILED3)의 설정값으로 정전류 제어된다. 또한, 이러한 제 3 동작구간 동안 역률 보상부(300)가 충전된다.
마찬가지로, 구동전압(Vp)이 최고점을 지나 점차 하강하여 제 3 순방향 전압레벨(3Vf)에 도달하는 시점(t4)에, LED 구동 제어부(500)는 직병렬 제어 스위치부(600)를 턴-온하여 제 4 경로를 연결함으로써 제 2 동작구간에 진입한다. 따라서, 제 1 LED 그룹(410)이 서로 직렬로 연결된 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)과 병렬로 연결되며, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 모두 발광한다.
또한, 구동전압(Vp)이 점차 하강하여 제 2 순방향 전압레벨(2Vf)에 도달하는 시점(t5)에, LED 구동 제어부(500)는 제 4 경로(P4)를 연결상태로 유지하면서, 제 3 정전류 스위치(CS3)를 턴-오프하고 제 2 정전류 스위치(CS2)를 턴-온하여 제 1 동작구간에 진입한다. 따라서, 제 1 LED 그룹(410) 및 제 2 LED 그룹(420)이 서로 병렬로 연결되어 발광하게 된다.
한편, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 계속해서 하강하여 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 미만이 되는 시점(t6)이 되면, 역률 보상부(300)에 충전되었던 전하가 방전되어 LED 발광부(400)에 구동전압(Vp)이 공급된다. 이러한 보상구간은 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 다시 상승하여 제 1 순방향 전압레벨(1Vf)에 도달하는 시점(t7)까지 이어진다.
전술한 바와 같은 제어과정이 정류전압(Vrec)의 1주기마다 반복되어, 본 발명에 따른 LED 조명장치(1000)의 구동제어가 이루어진다.
제 2 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(2000)의 구성 및 기능
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 구성 블록도이고, 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치의 회로도이다. 이하에는, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 LED 조명장치(2000)의 구성 및 기능에 대하여 살펴보도록 한다.
도 6 및 도 7에 도시된 LED 조명장치(2000)의 경우, 전력 효율을 더 개선하기 위하여 보상구간 동안 정류부(200)로부터 정류전압(Vrec)의 입력을 차단하기 위한 제 2 스위치부(700)를 더 포함하며, 제 2 스위치부(700)를 추가로 제어하도록 LED 구동 제어부(500)가 구성된다는 점을 제외하면, 도 2 내지 도 5를 참조하여 이상에서 설명된 제 1 실시예에 따른 LED 조명장치(1000)의 구성 및 기능이 유사하다. 따라서, 이하에서는 중복되거나 또는 유사한 부분에 대해서는 이상의 설명을 참조하며, 차이점을 위주로 본 발명의 제 2 실시예에 따른 LED 조명장치(2000)의 구성 및 기능에 대하여 설명하도록 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 LED 조명장치(2000)는 전력 효율을 더 개선하기 위하여 역률 보상부(300)로부터 구동전압(Vp)이 공급되는 보상구간 동안 정류전압(Vrec)의 입력을 차단하도록 구성될 수 있다. 즉, 보상구간 동안 입력되는 정류전압(Vrec)은 LED 조명장치(2000)에서 사용되지 않고 낭비되는 전력이므로, 다른 실시예에 따른 LED 조명장치(2000)는 이러한 보상구간 동안 정류전압(Vrec)의 입력을 차단함으로써 전력 효율을 더 개선하도록 구성된다. 이러한 기능을 수행하기 위하여, 다른 실시예에 따른 LED 조명장치(2000)는 정류부(200)와 역률 보상부(300) 사이에 위치되어 LED 구동 제어부(500)의 제어에 따라 턴-온되거나 또는 턴-오프되는 제 2 스위치부(700)를 포함할 수 있다.
이러한 실시예에 있어, 도 7에 도시된 바와 같이, LED 구동 제어부(500)는 정류부(200)의 출력단과 연결된 Vsen 단자를 통해 정류전압(Vrec)을 입력받아 정류전압(Vrec)의 전압레벨을 판단하며, 판단된 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 따라 보상구간 진입 여부 및 보상구간 이탈 여부를 판단하도록 구성된다. 보상구간에 진입한 것으로 판단되는 경우, LED 구동 제어부(500)는 Gate Driver_2 단자를 통해 제 2 스위치부(700)로 제 2 스위치부(700)를 턴-오프하기 위한 제어신호를 출력한다. 제 2 스위치부(700)는 LED 구동 제어부(500)로부터 입력되는 제어신호에 따라 턴-오프되며, 그 결과 정류전압(Vrec)의 입력이 차단된다. 또한, 보상구간을 이탈하는 것으로 판단되는 경우, LED 구동 제어부(500)는 Gate Driver_2 단자를 통해 제 2 스위치부(700)로 제 2 스위치부(700)를 턴-온하기 위한 제어신호를 출력한다. 제 2 스위치부(700)는 LED 구동 제어부(500)로부터 입력되는 제어신호에 따라 턴-온되며, 그 결과 정류전압(Vrec)이 다시 공급된다.
한편, 전술한 바와 같이, 역률 보상부(300)에 의해 보상되는 구동전압(Vp)은 역률 보상부(300)를 구성하는 커패시터의 용량을 필요에 따라 선택함으로써 다양하게 변경될 수 있다. 따라서, 역률 보상부(300)가 제 1 순방향 전압레벨(1Vf)을 보상하도록 구성된 실시예의 경우, LED 구동 제어부(500)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 미만으로 하강되는 시점에 제 2 스위치부(700)를 턴-오프하며, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨(1Vf) 이상으로 상승하는 시점에 제 2 스위치부(700)를 턴-온하게 된다. 반면, 역률 보상부(300)가 제 2 순방향 전압레벨(2Vf)을 보상하도록 구성된 실시예의 경우, LED 구동 제어부(500)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 미만으로 하강되는 시점에 제 2 스위치부(700)를 턴-오프하며, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 2 순방향 전압레벨(2Vf) 이상으로 상승하는 시점에 제 2 스위치부(700)를 턴-온하게 된다.
또한, 전술한 바와 같이, 정류부(200), 역률 보상부(300), LED 구동 제어부(500), 및 직병렬 제어 스위치부(600) 중 일부 또는 그 전부가 LED 구동 IC를 구성하는 실시예에 있어, 이러한 제 2 스위치부(700)가 LED 구동 IC 내에 포함될 수도 있다.
제 3 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(3000)의 프리 볼트( free voltage ) 기능의 구현
한편, 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(1000) 및 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(2000)는 프리 볼트 기능을 수행하기 위한 별도의 추가적인 회로를 부가하지 않더라도 필요에 따라 프리 볼트 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 설명 및 이해의 편의를 위하여 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치(1000)를 참조하여, 본 발명에 따른 프리 볼트 기능의 구현예(즉, 제 3 실시예에 따른 LED 조명장치(3000))에 대하여 설명하지만, 동일한 기술적 사상이 본 발명의 다른 실시예들에도 동일하게 적용될 수 있다는 것을 주의해야 한다.
이상에서 설명된 내용과 동일한 기술적 사상에 대해서는 이상의 설명을 원용하기로 하며, 이하에서는 프리 볼트 기능을 구현하기 위한 구성 및 그 기능에 대해서 주로 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명에 있어 프리 볼트 기능을 구현하기 위한 핵심적인 아이디어는, LED 조명장치(3000)가 연결된 교류전원의 규격(즉, LED 조명장치(3000)에 입력되는 교류전원의 실효 전압 값)을 검출하고, 검출된 교류전원의 규격 하에서 원활하게 구동되는 것을 보장하도록 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)의 직병렬 연결관계를 제어하는 것이다. 예를 들어, 종래기술에 따른 순차구동 방식의 LED 조명장치(미도시)로서, 제 1 LED 그룹 내지 제 3 LED 그룹을 포함하여 구성되는 LED 발광부가 60V의 제 1 순방향 전압레벨(Vf1), 120V의 제 2 순방향 전압레벨(Vf2), 160V의 제 3 순방향 전압레벨(Vf3)을 갖도록 구성된 경우를 가정한다. 이러한 경우, 종래기술에 따른 LED 조명장치가 220V(rms) 또는 277V(rms) 교류전원에 연결되는 경우 제 1 LED 그룹 내지 제 3 LED 그룹이 서로 직렬로 연결된 상태로 모두 동작할 수 있지만, 종래기술에 따른 LED 조명장치가 120V(rms)의 교류전원에 연결된 경우 제 1 LED 그룹 내지 제 3 LED 그룹이 서로 직렬로 연결된 상태로 모두 동작할 수 없다. 즉, 종래기술에 따르면, 120V(rms)의 교류전원에 연결된 경우에 있어, 서로 직렬로 연결된 제 1 LED 그룹 내지 제 3 LED 그룹 중 제 3 LED 그룹이 계속해서 발광하지 않게 된다는 문제점이 있다. 유사하게, 종래기술에 따르면, 제 1 세트의 LED 그룹(제 1 LED 그룹)과 제 2 세트의 LED 그룹(서로 직렬로 연결된 제 2 LED 그룹 및 제 3 LED 그룹)이 서로 병렬로 연결된 상태에서 220V(rms) 또는 277V(rms) 교류전원에 연결되는 경우, 전력 효율이 떨어지게 된다는 문제점이 있다.
전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 LED 조명장치(3000)는 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨을 검출하며, 이를 미리 설정된 제 1 평균 전압 기준레벨과 비교하여 현재 연결된 교류전원의 규격(즉, 연결된 교류전원이 공급하는 실효 전압레벨)을 판단하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 예를 들어, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 LED 조명장치(3000)는 소정의 주기들(예를 들어, 10~40 주기) 동안 공급되는 정류전압(Vrec)을 누적하고, 이에 기초하여 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨을 검출할 수 있다.
즉, 120V(rms)의 교류전원은 특정한 값의 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨을 가질 것이며, 220V(rms)의 교류전원이 다른 특정한 값의 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨을 가질 것이고, 277V(rms)의 교류전원이 또 다른 특정한 값의 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨을 가질 것이다. 따라서, 공급되는 정류전압의 주기당 평균 전압레벨을 검출함으로써, LED 조명장치(3000)가 연결된 교류전원의 규격을 판단할 수 있다. 이상의 구체적인 수치들은 모두 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 다양한 수치들이 적용될 수 있다. 예를 들어, 교류전원이 100V, 300V 등의 실효 전압을 가질 수도 있으며, 이러한 모든 경우들에 본 발명이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 이상에서 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨을 검출하여 현재 연결된 교류전원의 규격(실효전압)을 판단하도록 구성된 실시예에 대해서 설명하였지만, 이러한 원리가 역률 보상부(300)를 포함하여 구성된 LED 조명장치(3000)에도 동일하게 적용될 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 즉, LED 조명장치(3000)가 역률 보상부를 포함하여 구성되는 경우, LED 조명장치(3000)는 LED 발광부(400)에 공급되는 구동전압(Vp)의 주기당 평균 전압레벨을 검출함으로써 LED 조명장치(3000)가 연결된 교류전원의 성능을 판단하도록 구성될 수 있다. 이하에서는 설명 및 이해의 편의를 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이, LED 조명장치(3000)가 역률 보상부를 포함하지 않으며, 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨을 검출하여 교류전원의 규격을 판단하도록 구성된 실시예를 기준으로 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 보다 바람직하게, 일 실시예에 있어, 본 발명에 따른 LED 조명장치(3000)는 연결된 교류전원의 정확한 규격을 판단하지 않고, 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨과 미리 설정된 제 1 평균 전압 기준레벨을 비교하고, 그 결과에 따라 제 1 직병렬 제어 스위치(S1)의 개폐를 제어하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 제 1 평균 전압 기준레벨은 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)의 직병렬 연결관계를 제어하기 위한 교류전원의 특정 실효전압에 대응되는 값일 수 있다. 즉, LED 조명장치(3000)는 연결된 교류전원의 실효 전압이 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 서로 직렬로 연결된 상태로 구동하기에 충분히 큰지 아니면 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)을 병렬로 연결된 상태로 구동해야할 정도로 작은지만을 판단하고, 그러한 판단에 기초하여 제 1 직병렬 제어 스위치(S1)의 개폐를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같은 예(LED 발광부(400)가 60V의 제 1 순방향 전압레벨(Vf1), 120V의 제 2 순방향 전압레벨(Vf2), 160V의 제 3 순방향 전압레벨(Vf3)을 갖도록 구성된 경우)에 있어, 연결된 교류전원이 220V 또는 277V의 실효 전압을 갖는 경우 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 서로 직렬로 연결되어 구동되기에 충분히 큰 실효 전압을 가지며, 반면 연결된 교류전원이 120V의 실효 전압을 갖는 경우 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 서로 병렬로 연결된 상태로 구동되어야할 정도로 작은 실효 전압을 갖는다. 따라서, 일 실시예에 있어, 본 발명에 따른 LED 조명장치(3000)는 120V(rms)와 277V(rms) 사이의 임의의 기준 실효 전압(예를 들어, 200V(rms))에 대응되도록 제 1 평균 전압 기준레벨을 설정하고, 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨과 미리 설정된 제 1 평균 전압 기준레벨을 비교함으로써 현재 연결된 교류전원의 성능을 판단할 수 있게 된다.
전술한 바와 같은 기능을 수행하기 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 LED 구동 제어부(3500)는 비교모듈(3550) 및 제어모듈(3510)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 비교모듈(3550)은 전술한 바와 같은 기능을 수행하기 위하여 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨을 검출하고, 검출된 평균 전압레벨과 미리 설정된 제 1 평균 전압 기준레벨을 비교한 후 그 비교결과를 제어모듈(3510)로 출력하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제어모듈(3510)은 비교모듈(3550)로부터 입력되는 비교결과에 따라 제 1 직병렬 제어 스위치(S1)의 개폐를 제어하도록 구성된다. 즉, 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨이 제 1 평균 전압 기준레벨 이상인 경우, 제어모듈(3510)은 제 1 직병렬 제어 스위치(S1)를 개방하여 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 서로 직렬로 연결되도록 제어한다. 반면, 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨이 제 1 평균 전압 기준레벨 미만인 경우, 제어모듈(3510)은 제 1 직병렬 제어 스위치(S1)를 폐쇄하여 제 1 세트의 LED 그룹(제 1 LED 그룹(410))과 제 2 세트의 LED 그룹(제 2 LED 그룹(420) 내지 제 3 LED 그룹(430))이 서로 병렬로 연결되도록 제어한다. 이에 따라, 현재 연결된 교류전원의 규격에 따라 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430) 간의 직병렬 연결 제어가 수행될 수 있다. 한편, 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨이 시간에 따라 변화하지 않고 일정하기 때문에, 이러한 직병렬 연결 제어는 LED 조명장치(3000)가 처음 기동될 때 1번만 수행된다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 비교모듈(3550) 및 제어모듈(3510)은 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 동일하게 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)의 순차구동을 제어하기 위한 일련의 기능(예를 들어, 정류전압(Vrec)의 순시값 검출 및 그에 따른 제 1 정전류 스위치(CS1) 내지 제 3 정전류 스위치(CS3)의 제어 등)을 동일하게 수행하도록 구성된다.
따라서, 본 발명의 제 3 실시예에 따르면, 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨이 제 1 평균 전압 기준레벨 이상인 경우 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 서로 직렬로 연결된 상태에서 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 따라 순차구동되며, 정류전압(Vrec)의 주기당 평균 전압레벨이 제 1 평균 전압 기준레벨 미만인 경우 제 1 세트의 LED 그룹과 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결된 상태에서 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)이 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 따라 순차구동된다.
또한, 일 실시예에 있어, 본 발명에 따른 제어모듈(3510)은 판단된 교류전원의 규격에 따라 LED 구동전류(ILED)의 크기를 제어하도록 더 구성될 수 있다. 즉, 예를 들어, 120V(rms) 교류전원, 220V(rms) 교류전원, 277V(rms) 교류전원 각각에서 LED 조명장치(3000)에 입력되는 입력 전력이 동일해야 하므로, 본 발명에 따른 제어모듈(3510)은 각각의 교류전원별 입력 전력의 편차가 10% 내지 30% 범위 내에 있을 수 있도록 판단된 교류전원의 규격에 따라 LED 구동전류(ILED)의 크기를 제어하도록 구성된다. 즉, 제어모듈(3510)은 연결된 교류전원의 실효 전압 값에 반비례적인 관계가 성립하도록 교류전원별로 LED 구동전류(ILED)의 값을 제어하도록 구성된다.
한편, 도 9a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치가 120V(rms) 교류전원에 연결된 경우의 정류전압(Vrec)과 LED 구동전류(ILED)의 관계를 나타내는 파형도이며, 도 9b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고효율 LED 조명장치가 220V(rms) 교류전원에 연결된 경우의 정류전압(Vrec)과 LED 구동전류(ILED)의 관계를 나타내는 파형도이다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 실시예의 경우, 이상에서 전술된 바와 같이, LED 발광부(400)가 60V의 제 1 순방향 전압레벨(Vf1), 120V의 제 2 순방향 전압레벨(Vf2), 160V의 제 3 순방향 전압레벨(Vf3)을 갖도록 구성된 것으로 가정한다. 이하에서는, 도 9a 및 도 9b를 참조하여, 전술한 바와 같은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 LED 조명장치(3000)가 120V(rms) 교류전원, 220V(rms) 교류전원에 각기 연결되는 경우의 동작에 대해 살펴보도록 한다.
먼저, 이상에서 살펴본 바와 같이, 120V(rms) 교류전원은 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)을 서로 직렬로 연결된 상태로 구동할 수 없는 교류전원이다. 따라서, 제어모듈(3510)의 제어에 따라 제 1 직병렬 제어 스위치(S1)가 폐쇄된 상태로 유지되며, 제 1 세트의 LED 그룹(제 1 LED 그룹(410))과 제 2 세트의 LED 그룹(제 2 LED 그룹(420) 내지 제 3 LED 그룹(430))이 서로 병렬로 연결된 상태로 유지된다. 따라서, 이러한 상태에서, 도 9a의 상단에는 정류전압(Vrec)과 제 1 세트의 LED 그룹, 즉, 제 1 LED 그룹(410)을 통해 흐르는 LED 구동전류(ILED)의 관계가 도시되어 있으며, 도 9a의 하단에는 정류전압(Vrec)과 제 2 세트의 LED 그룹, 즉, 서로 직렬로 연결된 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)을 통해 흐르는 LED 구동전류(ILED)의 관계가 도시되어 있다. 도 9a의 상단 및 하단에서 확인할 수 있는 바와 같이, 제 1 세트의 LED 그룹과 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결된 상태에서 독립적으로 제어된다. 특히, 제 2 세트의 LED 그룹에 속하는 제 2 LED 그룹(420) 및 제 3 LED 그룹(430)이 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 따라 순차구동됨을 확인할 수 있다.
반면, 이상에서 살펴본 바와 같이, 220V(rms) 교류전원은 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)을 서로 직렬로 연결된 상태로 구동할 수 있는 교류전원이다. 따라서, 제어모듈(3510)의 제어에 따라 제 1 직병렬 제어 스위치(S1)가 개방된 상태로 유지되며, 제 1 LED 그룹(410) 내지 제 3 LED 그룹(430)이 서로 직렬로 연결된 상태에서 제어모듈(3510)에 의해 순차구동된다. 이러한 과정이 도 9b에 도시되어 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 조명장치(3000)는 LED 조명장치(3000)에 입력되는 입력 전력의 교류전원별 전력 편차가 10%~30% 내로 유지될 수 있도록 교류전원별로 LED 구동전류(ILED)의 크기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 220V(rms) 교류전원에 연결된 LED 조명장치(3000)의 LED 구동전류'(ILED')는 120V(rms) 교류전원에 연결된 LED 조명장치(3000)의 LED 구동전류(ILED)의 약 1/2로 정전류 제어될 수 있다. 도 9a에는 120V(rms) 교류전원에 연결된 LED 조명장치(3000)의 제 1 LED 구동전류(ILED1), 제 2 LED 구동전류(ILED2) 및 제 3 LED 구동전류(ILED3)가 도시되어 있으며, 도 9b에는 220V(rms) 교류전원에 연결된 LED 조명장치(3000)의 제 1 LED 구동전류'(ILED1'), 제 2 LED 구동전류'(ILED2') 및 제 3 LED 구동전류'(ILED3')가 도시되어 있다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제 1 LED 구동전류'(ILED1')의 크기, 제 2 LED 구동전류'(ILED2')의 크기 및 제 3 LED 구동전류'(ILED3')의 크기는 각기 제 1 LED 구동전류(ILED1)의 크기, 제 2 LED 구동전류(ILED2)의 크기 및 제 3 LED 구동전류(ILED3)의 크기의 약 1/2 크기로 정전류 제어된다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고효율 LED 조명장치의 다양한 실시예들에 대하여 살펴보았다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 고효율 LED 조명장치는 구동전압의 전압레벨에 따라 LED 그룹 간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 동시에 LED 그룹들의 순차구동을 제어하여 LED 조명장치의 전력 효율을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 고효율 LED 조명장치는 보상구간에서 정류전압의 입력을 차단함으로써 LED 조명장치의 전력 효율을 더 개선할 수 있다.

Claims (24)

  1. 교류전원에 연결되어 인가되는 교류전압을 전파정류하고, 전파정류된 정류전압을 구동전압으로서 LED 발광부에 제공하는 정류부;
    제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(n은 2 이상의 양의 정수)을 포함하여 구성되며, 상기 정류부로부터 상기 구동전압을 공급받아 발광하는 LED 발광부;
    상기 LED 발광부의 구동전압 입력노드와 제 m LED 그룹과 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 LED 그룹 내지 상기 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 상기 제 m+1 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 직병렬 제어 스위치부; 및
    상기 구동전압의 전압레벨에 따라, 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹간의 직병렬 연결관계를 제어하며 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동 및 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동을 제어하는 LED 구동 제어부를 포함하는, LED 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결되도록 상기 직병렬 제어 스위치부를 제어하며, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되도록 상기 직병렬 제어 스위치부를 제어하는, LED 조명장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹들을 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 순차구동하며, 동시에 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹들을 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 순차구동하되,
    상기 제 1 세트의 LED 그룹의 순차구동과 상기 제 2 세트의 LED 그룹의 순차구동은 서로 독립적으로 제어되는, LED 조명장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 m은 1이며,
    상기 제 1 세트의 LED 그룹은 상기 제 1 LED 그룹이고, 상기 제 2 세트의 LED 그룹은 제 2 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹을 포함하며,
    상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결되도록 제어하고, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되도록 제어하는, LED 조명장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 이상이고 상기 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서, 상기 제 1 LED 그룹을 점등상태로 유지하면서 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 상기 제 2 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹의 순차구동을 제어하는, LED 조명장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는 동작구간별로 LED 구동전류(제 1 LED 구동전류 내지 제 n LED 구동전류) 값을 설정하고, 설정된 동작구간별 LED 구동전류 값에 따라 해당 동작구간에서의 LED 구동전류를 정전류 제어하는, LED 조명장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 LED 구동전류 내지 상기 제 n LED 구동전류는 동일한 값으로 설정되는, LED 조명장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는, 동작구간별로 발광되는 LED들의 총 수에 역비례하도록 각 동작구간별 LED 구동전류(제 1 LED 구동전류 내지 제 n LED 구동전류) 값을 설정하고, 설정된 동작구간별 LED 구동전류 값에 따라 해당 동작구간에서의 LED 구동전류를 정전류 제어하는, LED 조명장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    충전구간에서 상기 정류전압을 이용하여 에너지를 충전하며, 보상구간에서 상기 LED 발광부에 구동전압을 제공하는 역률 보상부를 더 포함하며,
    상기 LED 발광부는 상기 보상구간에서 상기 역률 보상부로부터 구동전압을 공급받아 발광하는, LED 조명장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 정류부와 상기 역률 보상부 사이에 직렬로 연결되며, 상기 LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 정류부로부터 출력되는 상기 정류전압을 선택적으로 차단하는 제 2 스위치부를 더 포함하며,
    상기 LED 구동제어부는 상기 정류전압의 전압레벨을 판단하고, 상기 정류전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 미만이 구간에서 상기 제 2 스위치부를 턴-오프하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 2 스위치부를 턴-온하는, LED 조명장치.
  11. 제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(n은 2 이상의 양의 정수)을 포함하는 LED 발광부의 구동을 제어하는 LED 구동 회로로서,
    교류전원에 연결되어 인가되는 교류전압을 전파정류하고, 전파정류된 정류전압을 구동전압으로서 LED 발광부에 제공하는 정류부;
    구동전압 입력노드와 상기 LED 발광부의 제 m LED 그룹과 상기 LED 발광부의 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 LED 그룹 내지 상기 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 상기 제 m+1 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 직병렬 제어 스위치부; 및
    상기 구동전압의 전압레벨에 따라, 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹간의 직병렬 연결관계를 제어하며 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동 및 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동을 제어하는 LED 구동 제어부를 포함하는, LED 구동 회로.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결되도록 상기 직병렬 제어 스위치부를 제어하며, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되도록 상기 직병렬 제어 스위치부를 제어하는, LED 구동 회로.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹들을 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 순차구동하며, 동시에 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹들을 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 순차구동하되,
    상기 제 1 세트의 LED 그룹의 순차구동과 상기 제 2 세트의 LED 그룹의 순차구동은 서로 독립적으로 제어되는, LED 구동 회로.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 m은 1이며,
    상기 제 1 세트의 LED 그룹은 상기 제 1 LED 그룹이고, 상기 제 2 세트의 LED 그룹은 제 2 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹을 포함하며,
    상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 병렬로 연결되도록 제어하고, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 n 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결되도록 제어하는, LED 구동 회로.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는, 상기 구동전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 이상이고 상기 제 n 순방향 전압레벨 미만인 구간에서, 상기 제 1 LED 그룹을 점등상태로 유지하면서 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 상기 제 2 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹의 순차구동을 제어하는, LED 구동 회로.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는 동작구간별로 LED 구동전류(제 1 LED 구동전류 내지 제 n LED 구동전류) 값을 설정하고, 설정된 동작구간별 LED 구동전류 값에 따라 해당 동작구간에서의 LED 구동전류를 정전류 제어하는, LED 구동 회로.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 LED 구동전류 내지 상기 제 n LED 구동전류는 동일한 값으로 설정되는, LED 구동 회로.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는, 동작구간별로 발광되는 LED들의 총 수에 역비례하도록 각 동작구간별 LED 구동전류(제 1 LED 구동전류 내지 제 n LED 구동전류) 값을 설정하고, 설정된 동작구간별 LED 구동전류 값에 따라 해당 동작구간에서의 LED 구동전류를 정전류 제어하는, LED 구동 회로.
  19. 제 11 항에 있어서,
    충전구간에서 상기 정류전압을 이용하여 에너지를 충전하며, 보상구간에서 상기 LED 발광부에 구동전압을 제공하는 역률 보상부를 더 포함하는, LED 구동 회로.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 정류부와 상기 역률 보상부 사이에 직렬로 연결되며, 상기 LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 정류부로부터 출력되는 상기 정류전압을 선택적으로 차단하는 제 2 스위치부를 더 포함하며,
    상기 LED 구동제어부는 상기 정류전압의 전압레벨을 판단하고, 상기 정류전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 미만이 구간에서 상기 제 2 스위치부를 턴-오프하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 제 1 순방향 전압레벨 이상인 구간에서 상기 제 2 스위치부를 턴-온하는, LED 구동 회로.
  21. 교류전원에 연결되어 인가되는 교류전압을 전파정류하고, 전파정류된 정류전압을 구동전압으로서 LED 발광부에 제공하는 정류부;
    제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(n은 2 이상의 양의 정수)을 포함하여 구성되며, 상기 정류부로부터 상기 구동전압을 공급받아 발광하는 LED 발광부;
    상기 LED 발광부의 구동전압 입력노드와 제 m LED 그룹과 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 LED 그룹 내지 상기 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 상기 제 m+1 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 직병렬 제어 스위치부; 및
    상기 구동전압의 주기당 평균 전압레벨에 따라 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동 및 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동을 제어하는 LED 구동 제어부를 포함하는, LED 조명장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는 상기 구동전압의 주기당 평균 전압레벨에 따라 LED 구동 전류의 크기를 제어하는, LED 조명장치.
  23. 제 1 LED 그룹 내지 제 n LED 그룹(n은 2 이상의 양의 정수)을 포함하는 LED 발광부의 구동을 제어하는 LED 구동 회로로서,
    교류전원에 연결되어 인가되는 교류전압을 전파정류하고, 전파정류된 정류전압을 구동전압으로서 LED 발광부에 제공하는 정류부;
    구동전압 입력노드와 상기 LED 발광부의 제 m LED 그룹과 상기 LED 발광부의 제 m+1 LED 그룹(m은 1 이상이고 n-1 이하인 양의 정수) 사이의 노드에 병렬로 연결되며, LED 구동 제어부의 제어에 따라 상기 제 1 LED 그룹 내지 상기 제 m LED 그룹(제 1 세트의 LED 그룹) 및 상기 제 m+1 LED 그룹 내지 상기 제 n LED 그룹(제 2 세트의 LED 그룹) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 직병렬 제어 스위치부; 및
    상기 구동전압의 주기당 평균 전압레벨에 따라 상기 제 1 세트의 LED 그룹과 상기 제 2 세트의 LED 그룹간의 직병렬 연결관계를 제어하며, 상기 구동전압의 전압레벨에 따라 상기 제 1 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동 및 상기 제 2 세트의 LED 그룹 내의 LED 그룹의 순차구동을 제어하는 LED 구동 제어부, LED 구동 회로.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 LED 구동 제어부는 상기 구동전압의 주기당 평균 전압레벨에 따라 LED 구동 전류의 크기를 제어하는, LED 구동 회로.
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