KR20160097809A - Led 구동 회로 - Google Patents

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KR20160097809A KR1020150020136A KR20150020136A KR20160097809A KR 20160097809 A KR20160097809 A KR 20160097809A KR 1020150020136 A KR1020150020136 A KR 1020150020136A KR 20150020136 A KR20150020136 A KR 20150020136A KR 20160097809 A KR20160097809 A KR 20160097809A
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Abstract

본 발명은 교류 전원에서 구동되는 LED(Light Emitting Diode) 구동 회로에 관한 것이다. 본 발명은 전원 전압의 변동에 따라, 전원 전압이 떨어진 경우, 한 주기에서의 밝기의 변화가 적고, 전원 전압이 표준 상태 또는 그 이상의 경우에는 밝기가 일정하도록 정전류 제어하여 밝기의 공차가 적고, 효율도 개선 가능한 것으로, SMPS를 사용한 LED 구동 회로와 비교하여 저가로 실현 가능한 LED 구동 회로가 제안된다.

Description

LED 구동 회로{LED Driver Circuit}
본 발명은 LED(Light Emitting Diode) 구동 회로에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 교류 전원에서 작동하며, 전원 전압의 변동에 의해 전원 전압이 떨어지면 스위치에 의해 선택적으로 구동되는 부 LED부를 이용하여 플리커(Flicker)를 작게 억제하여 전원 전압이 표준(typical)상태에서는 전류가 일정하고, 더욱 높은 효율을 갖는 LED 구동 회로에 관한 것이다.
조명용 광원은 주로 백열등이나 형광등을 사용해 왔으나 최근 전력 효율과 조도의 세기를 고려하여 더 효율적인 LED로 광원을 대체하는 추세이다. 이런 LED를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 방법들이 논의되고 있다.
LED 조명장치는 기본적으로 출력이 직류 전류 구동이다. 따라서 교류 전원을 사용하는 가정 등에서는 SMPS(Switched-Mode-Power-Supply)의 교류-직류 변환기와 같은 별도의 회로를 포함하여야 했다. 이에 따라 조명장치의 회로 구성이 복잡해지고, 제작 단가가 높아지는 문제가 있어왔다.
한편, SMPS가 아닌, 선형 타입의 구동 회로는 회로가 간단하고, 전파 방해 잡음 문제(Electro Magnetic Interference: EMI)도 없고, 저가로 실현 가능하지만, 교류의 특성상 구동 전류가 시간에 따라 변하며 이에 따라 LED의 광출력이 일정하지 않고, LED가 빛을 출력하지 않는 구간도 존재하여 플리커(flicker) 성능이 떨어질 수 있다. 플리커는 눈에 피로감을 유발할 수 있으며, 신경계 질환 및 스트레스의 원인이 된다고 하여 일부 국가에서는 플리커 비율을 일정 수준 이하로 제한하기도 한다.
또한 선형 타입 LED 구동 회로의 경우 SMPS에 비해 전원 전압의 변동이나 부품에 차이가 생기면 출력 전류(또는 LED 구동전류)의 변화가 크고, 효율을 올리려고 하면 출력 전류의 변화율이 더 커지게 되어, 그 문제를 해결하기 위해 일반적으로 효율이 나쁘다.
이하에서 도 1a 및 1b를 참조하여, 종래기술에 따른 선형 타입 LED 구동 회로의 LED 조명장치(1000-1)를 살펴보고, 문제점을 정리해보겠다.
종래기술에 따른 선형 타입 LED 구동 회로의 교류구동 LED 조명장치(1000-1)에 대한 설명
도 1a는 종래기술에 따른 교류 전원에서 구동되는 LED 조명장치(1000-1)의 구성도이고, 도 1b는 입력된 교류 전압을 정류부(10)에서 정류하여 출력한 정류 전압(Va) 및 구동 전류(ILED)의 파형도이다.
도 1a는 종래기술에 따른 LED 조명장치(1000-1)의 구성 블럭도, 각 필수 소자에 인가되는 전압, 및 구동 전류(ILED)의 방향 등이 도시되어 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 LED 조명장치(1000-1)는 LED 조명장치(1000-1)의 입력단에 위치한 정류부(10)가 입력된 전압을 정류하여 정류 전압(Va)을 생성하고, 이 정류 전압(Va)과 정류 전압(Va)에 의해 발생하는 구동 전류(ILED)를 LED부(50)에 인가함으로써 LED부(50)가 빛을 출력하도록 구성된다. 종래 기술에 따른 LED 조명장치(1000-1)는 정류부(10)와 LED부(50)을 포함한다.
정류부(10)는 입력된 전압을 정류(전파정류 또는 반파정류)하여 정류된 정류 전압(Va)을 출력한다. 도 1b는 전파정류의 예이다. 이를 위해 종래기술에 따른 정류부(10)는 브릿지 다이오드 또는 다이오드로 구성될 수 있다.
LED부(50)는 정류 전압(Va)이 인가되면 빛을 출력하도록 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 LED로 구성될 수 있다.
도1b에 도시된 바와 같이, 정류 전압(Va) 및 구동 전류(ILED)는 모두 정현파 형태의 곡선을 띄고 있다. 구동 전류(ILED)의 크기가 변하므로 LED의 광출력이 일정하지 않게 되며, 구동 전류(ILED)가 0이 되는 구간에 LED가 빛을 출력하지 않게 된다. 결국, 종래기술에 따른 LED 조명장치(1000-1)는 220V/60Hz의 상용전원이 입력되면, 1초에 120회 깜빡이는 현상이 발생한다. 이렇게 조명장치의 광출력이 일정하지 못하고 깜빡이는 현상을 플리커(flicker)현상이라고 한다. 플리커현상은 120Hz의 경우 사람이 시각적으로 느낄 수는 없으나 눈에 피로감을 유발할 수 있으며, 신경계질환 스트레스 등의 원인이 될 수 있다. 외국에서는 플리커율을 표시하게 하거나 생산 가이드라인을 제시하는 등 조명장치에서의 플리커를 줄이기 위한 노력을 계속 하고 있다.
도 1a에 도시되어 있는 LED 조명장치(1000-1)에서 빛을 출력하는 LED의 숫자는 항상 동일하여 LED 조명장치(1000-1)의 조도 세기는 구동 전류(ILED)와 비례한다. LED 조명장치(1000-1)의 효율을 높이기 위해 LED부(50)에 LED를 추가로 연결하여 LED 순방향전압(Vf)을 더 높게 하는 방법도 생각해 볼 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1
Figure pat00002
수학식 2
Figure pat00003
수학식 3
하지만 수학식1 내지 3에서 볼 수 있듯이, 구동 전류(ILED)는 정류 전압(Va)와 LED 순방향전압(Vf)에 의해서 변화된다. 또한 종래기술에 따른 LED 조명장치(1000-1)의 조도의 세기는 구동되는 LED의 숫자가 일정하므로 구동 전류(ILED)에 비례한다.
Figure pat00004
수학식 4
△ILED/ILED는 구동 전류(ILED)의 변화율이다. LED 순방향전압(Vf)이 커지면 정류 전압(Va)과의 차이가 줄어들어 구동 전류(ILED)의 변화율이 커지게 되고, LED 조명장치의 조도 세기의 변화가 정류 전압(Va) 또는 LED 순방향전압(Vf)의 변화에 따라 더 커지는 문제점이 발생한다.
정리하자면, 종래 기술에 따른 교류 전원에서 구동되는 LED 조명장치(1000-1)는 교류 전원의 특성에 의해 두 가지 문제가 발생한다. 첫 번째, 입력 전압의 크기가 시간에 따라 변하여 구동 전류(ILED)역시 시간에 따라 변하게 된다. 구동 전류(ILED)가 변함에 따라 광출력이 변하게 되고, 또한 구동 전류(ILED)가 0이 되는 구간이 발생하여 LED 조명장치(1000-1)의 플리커 성능이 떨어진다. 두 번째, 전원 전압의 변동과 LED 순방향전압(Vf)의 공차에 대해 구동 전류(ILED)를 크게 하여 효율성을 개선하려고 하면 구동 전류(ILED)의 변화율이 더 커진다. 따라서 효율을 좋게 할 수 없다.
이하에서는 상술한 LED 조명장치(1000-1)의 첫 번째 문제점인 플리커 현상을 개선한 LED 조명장치(1000-2)에 대해서 설명하겠다.
플리커현상을 개선한 LED 조명장치(1000-2)
도 2를 참조하면 충방전부(20) 및 정전류 제어부(30)를 포함하는 LED 조명장치(1000-2)의 회로도가 도시되어 있다. 도 3 에는 LED 조명장치(1000-2)의 정류 전압(Va), 구동 전압(Vc), 및 정전류 제어된 LED 구동 전류(ILED)의 파형이 도시되어 있다. 이하 도 2, 및 도 3을 참조하여 플리커 현상을 개선한 LED 조명장치(1000-2)에 대해서 설명하겠다.
도 2에 도시되어 있는 LED 조명장치(1000-2)는 교류 전압의 입력을 받아 LED를 구동하여 빛을 출력하는 장치이다. 그러나 상술한 종래기술에 따른 LED 조명장치(1000-1)와 다르게 구동 전압(Vc)이 LED 순방향전압(Vf) 보다 항상 큰 값을 유지하며, 구동 전압(Vc)에 의해 발생하는 구동 전류(ILED)가 0이 되지 않는다. 이렇게 플리커 현상이 개선된 LED 조명장치(1000-2)는 도 2를 참조하면 충방전부(20)와 정전류 제어부(30)를 더 포함한다.
도 2를 참조하면, 충방전부(20)는 충전구간 동안 정류부(10)에서 입력된 정류 전압(Va)으로부터 전하를 충전하고, 방전구간 동안 전하를 방전하여 정류 전압(Va)을 평활화하여 구동 전압(Vc)을 정전류 제어부(30)을 통해 LED부(50)에 출력하도록 구성될 수 있다. 도 3을 참조하면, 전파 정류된 정류 전압(Va)과 정전류 제어부(30)을 통해 LED부(50)에 인가되는 구동 전압(Vc)이 도시되어 있다. 제 1 구간(t1<t<t2)동안 충방전부(20)는 평활화 소자(이를 테면, 커패시터)의 양 단자 전압이 정류된 정류 전압(Va)보다 낮으므로 정류 전압(Va) 으로부터 전하를 충전한다. 충방전부(20)는 제 1 구간(t1<t<t2, t3<t<t4)사이에 충전되며, 제 2 구간(t0<t<t1, t2<t<t3)동안 방전하여 평활화 소자의 양단자간 전압이 정류 전압(Va) 대신 구동 전압(Vc)으로서 정전류 제어부(30)를 통해 LED부(50)에 인가되도록 구성될 수 있다.
LED 조명장치(1000-2)의 충방전부(20)는 구동 전압(Vc)이 LED 순방향전압(Vf)보다 작은 값을 갖지 않도록 구성된다. 충전이 끝나고 전하가 방전되는 동안(t2<t<t3) 구동 전압(Vc)은 서서히 낮아진다. 전하의 방전에 의해 낮아지는 구동 전압(Vc)의 변화량은 충방전부(20)의 평활화 소자의 용량과 구동 전류(ILED)에 의해 결정된다. 충방전부(20)는 방전구간 동안 방전에 의해 구동 전압(Vc)의 레벨이 낮아지더라도 구동 전압(Vc)의 최소값이 LED 순방향전압(Vf)보다 낮아지지 않도록 하는 용량의 평활화 소자인 커패시터로 구성되며, 이에 따라 정전류 제어부(30)를 통해 LED부(50)가 항시 구동된다.
정전류 제어부(30)는 구동 전류(ILED)의 정전류 제어를 수행하도록 구성된다. 정전류된 구동 전류(ILED)의 파형이 도 3에 도시되어 있다. 정전류 제어부(30)는 선택적으로 충방전부(20)와 LED부(50)의 사이 또는 LED부(50)의 캐쏘드(cathode)단과 접지의 사이에 직렬로 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 정류부에서 정류하여 제공되는 정류 전압(Va)과 정류 전압(Va)을 평활화한 구동 전압(Vc)의 파형이 도시되어 있다. LED부(50)는 상술한대로 평활화되어 출력되는 구동 전압(Vc)과 정전류 제어된 구동 전류(ILED)의 입력을 받아 빛을 출력한다. 구동 전압(Vc)의 크기가 LED 순방향전압(Vf) 이하로 떨어지지 않으므로 구동 전압(Vc)에 의해 발생한 구동 전류(ILED)가 0으로 떨어지지 않으며, LED부(50)의 광출력의 세기는 동일하게 유지되어 플리커 성능이 개선 될 것이다.
지금까지, 종래기술에 따른 LED 조명장치(1000-1)와 LED 조명장치(1000-1)의 문제점 중 플리커 성능을 개선하기 위해 충방전부(20)와 정전류 제어부(30)를 더 포함하는 LED 조명장치(1000-2)에 대해서 설명하였다. 여기에서 효율을 좋게 하기 위해서는 LED 순방향전압(Vf)의 값을 크게 하면 좋지만, 그러기 위해서는 구동 전압(Vc)의 값도 크게 설정할 필요가 있다. 그런데 구동 전압(Vc)의 값이 클수록 전원 전류의 도통 각이 좁아져 고조파 성분이 증가하기 때문에 전원 전류 고조파 규제를 만족하기 위해 구동 전압(Vc)을 크게 하는 것에는 상한이 존재한다. 또한 전원 전압의 변동을 예를 들면 ±10%의 범위에서 고려하면, 표준 상태(typical)와 비교하여 전원 전압이 10퍼센트가 낮아지면 구동 전압(Vc)의 값도 이에 따라서 낮아진다. LED 순방향전압(Vf)은 전원 전압에 관계 없이 일정하기 때문에 구동 전압(Vc)의 최소값이 LED 순방향전압(Vf)보다 크기 위해서는, 표준 상태에서 구동 전압(Vc)와 LED 순방향전압(Vf)의 차에 여유가 필요하다. 만약 전원 전압 변동이 10%가 낮아져 구동 전압(Vc)의 값이 LED 순방향전압(Vf)보다 작아지는 경우, 그 구간에서 LED가 꺼지며 플리커가 발생하게 된다. 전원 전압의 변동을 고려하지 않고 표준 상태만을 생각하면 구동 전압(Vc)와 LED 순방향전압(Vf)의 값을 가능한 적게 설정하는 것으로 효율을 높이는 것이 가능하지만, 전원 전압의 변동에 의해 전원 전압이 떨어진 경우에는 구동 전압(Vc)도 낮아지지만 이 경우에도 구동 전류(ILED)가 일정하기 위해 구동 전압(Vc)이 LED 순방향전압(Vf)보다 클 필요가 있기 때문에, 표준 상태에서 구동 전압(Vc)과 LED 순방향전압(Vf)의 차에 여분의 마진(margin)이 필요하며, LED 순방향전압(Vf)의 값을 크게 설정할 수 없고 효율이 나빠져 버리는 문제가 있다. 이때 표준 상태에서 충분한 마진이 확보되지 않은 경우 표준 상태에서는 문제가 없어도 전원 전압이 떨어진 경우 구동 전류(ILED)의 변동이 커지고, 경우에 따라서는 구동 전류(ILED)가 0이 되는 구간이 발생할 가능성이 있어, 플리커 성능이 악화된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명은 정류 전압을 평활화하고, 구동 전류를 정전류 제어하여 교류 전원에서도 플리커 성능이 향상되고, 전원 전압의 변동에 의해 전원 전압이 떨어진 경우를 고려하여 설계한 경우에도 효율적인 LED 구동 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 저가의 스위칭 소자를 사용하여 전원 전압의 변동을 고려하여 설계를 한 경우에도 표준 상태에서 효율이 좋고, 표준 상태에서는 밝기가 일정하며, 전원 전압이 떨어진 경우에도 LED가 꺼지는 구간이 발생하지 않고, 한 주기 내에서 밝기의 변화가 적은 LED 조명장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명은 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명 특유의 효과를 달성하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주 LED부와 부 LED부를 제어하며, 정전류 제어부를 포함하는 LED 구동 회로로서,
교류 전압을 정류하여 정류 전압을 제공하는 정류부;
상기 정류부와 병렬로 연결되며, 상기 정류 전압을 평활화하여 상기 주 LED부를 구동하기 위해 필요한 LED 순방향전압 이상의 구동 전압을 제공하는 충방전부, 상기 충방전부의 출력단에 연결되며, 상기 구동 전압과 임계 전압의 크기를 비교하여, 상기 구동 전압의 크기가 상기 임계 전압의 크기 보다 작으면 스위치를 닫고, 상기 구동 전압의 크기가 상기 임계 전압의 크기 보다 크면 상기 스위치를 열도록 제어하는 스위치 제어부, 상기 부 LED부와 병렬로 연결되며, 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 전류 바이패스(by-pass) 경로를 여닫는 스위치를 포함하되, 상기 부 LED부는 상기 정전류 제어부를 통해 상기 충방전부와 상기 주 LED부의 애노드(anode)단 사이에 직렬로 연결되며, 상기 전류 바이패스 경로가 열려있는 동안 상기 구동 전압을 입력 받아 구동되는, 교류 전원에서 작동하는 LED 구동 회로가 제공된다.
상기 정전류 제어부는 선택적으로 상기 충방전부 및 부 LED부의 사이 또는 상기 주 LED부의 캐쏘드단과 접지 사이에 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따르면, 정류 전압이 평활화되고, 구동 전류가 정전류 제어됨으로써 표준 상태에서, LED 광출력이 일정하게 되어, 플리커 성능이 개선되는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 정류 전압의 크기가 주 LED부를 구동하기에 필요한 전압 이상인 구간에서만 스위칭을 통해 부 LED부가 추가적으로 구동되도록 제어하여 전원 전압의 변동을 고려하여 설계를 한 경우 표준 상태에서 구동 전압과 LED 순방향전압의 마진을 작게 할 수 있기 때문에 LED 순방향전압을 큰 값을 설정하기가 가능하며, LED 구동 회로의 효율을 높이는 효과를 기대할 수 있다. 또한 전원 전압의 변동에 따라 전압이 떨어진 경우에도 LED가 꺼지는 구간이 발생하지 않고, 1주기 내에서 밝기의 변화가 적어진다. 또한 기존의 도 2의 회로와 LED 순방향전압의 값을 동일하게 설정한 경우에는 효율에서 큰 차이는 없지만, 구동 전압과 LED 순방향전압의 마진을 작게 할 수 있기 때문에 구동 전압의 값을 낮출 수 있게 되고, 입력 전류의 도통 각이 넓어지고, 전원 전류 고조파 성분이 적어지고, 역률을 개선할 수 있다. 또한 SMPS를 사용하는 LED 구동 회로와 비교하여 EMI 문제가 발생하지 않으며, 저가인 장점이 있다.
도 1a은 종래 기술에 따른 LED 조명장치의 구성도이다.
도 1b는 종래 기술에 따른 LED 조명장치에 인가되는 정류 전압(Va), 구동 전류(ILED),및 LED 순방향전압(Vf)를 나타낸 파형도이다. (0<t<t1, t2<t<t3 구간에서는 LED 순방향전압(Vf) = 정류 전압(Va)이다.)
도 2는 종래 기술에 따른 플리커 성능을 개선하기 위해 충방전부 및 정전류 제어부를 더 포함하는 LED 조명장치의 구성도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 충방전부 및 정전류 제어부를 포함하는 LED 조명장치에 인가되는 정류 전압(Va), 구동 전압(Vc), LED 순방향전압(Vf), 및 정전류 제어된 구동 전류(ILED)를 나타낸 파형도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류 제어부, 스위치, 부 LED부, 및 스위치 제어부를 더 포함하는 LED 조명장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 전압(Vc)(전원 전압이 표준인 경우(A)와 전원 전압이 떨어진 경우(B)), 부 LED부의 전압(Vn), 및 추가 LED를 구동하기 위한 최소 전압인 임계 전압(Vth)을 나타낸 파형도이다.
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 배타적인 필요가 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 청구 항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구 항에 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 실시예
본 발명의 실시예에서 용어 'LED 순방향전압'이란 본 발명에 따른 주 LED부의 구동을 위해 필요한 전압을 의미한다.
본 발명의 실시예에서 용어 '구동 전압'이란 정류부에서 출력한 정류 전압을 본 발명에 따른 충방전부에서 평활화하여 주 LED부, 부 LED부, 및 정전류 제어부 등 LED 조명장치의 다른 소자에 제공하는 전압을 의미한다. 구동 전압의 크기는 변하지만 구동 전압의 최소 값은 LED 순방향전압 보다는 항상 크게 설정된다.
본 발명의 실시예에서 용어 '구동 전류'란 구동 전압에 의해 주 LED부 및 스위치가 닫힌 상태에서는 스위치에, 스위치가 열린 상태에서는 부 LED부에 인가되는 전류를 의미한다.
본 발명의 실시예에서 용어 '임계 전압'이란 본 발명에 따른 부 LED부를 더 구동하기에 필요한 최소 전압을 의미한다.
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 값을 나타낸다.
본 발명에 따른 LED 조명장치(2000)의 구성과 기능
도 4에는 부 LED부(501)와 스위치(SW), 및 스위치 제어부(400)를 더 포함하는 LED 조명장치(2000)의 구성도가 도시되어 있고, 도 5에는 구동 전압(Vc), 부 LED부(501)에 인가되는 전압(Vn), 및 조명장치의 임계 전압(Vth)의 파형도가 도시되어 있다. 이하 도 4 및 도 5를 참조하여, 정전류 제어부(300), 스위치(SW), 스위치 제어부(400), 및 부 LED부(501)를 포함하는 LED 조명장치(2000)에 대해서 설명하겠다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명장치(2000)는 표준 상태에서의 전력 소모 효율을 높이기 위해 상술한 플리커현상을 개선한 LED 조명장치(1000-2)에서 스위치(SW), 스위치 제어부(400) 및 부 LED부(501)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 스위치 제어부(400)는 정전류 제어부(300)를 통해 부 LED부(501)과 병렬로 연결되도록 충방전부(200)와 주 LED부(500)사이에 직렬로 연결되며, 충방전부(200)로부터 입력되는 구동 전압(Vc)과 임계 전압(Vth)을 비교하도록 구성될 수 있다. 구동 전압(Vc)은 정류부(100)에서 출력한 정류 전압(Va)를 충방전부(200)에서 평활화하여 제공하는 전압으로, 주 LED부(500), 부 LED부(501), 정전류 제어부(300), 및 스위치 제어부(400)에 인가된다. 구동 전압(Vc)의 크기는 변하지만 주 LED부(500)를 구동하기 위한 LED 순방향전압(Vf)보다는 항상 큰 값을 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 주 LED부(500)는 구동 전압(Vc)의 크기가 변함과 무관하게 이하에서 설명하는 어떤 구간에서도 항상 구동되도록 구성된다. 본 발명에 따른 스위치 제어부(400)는 구동 전압(Vc)이 임계 전압(Vth) 보다 크면 턴오프(turn-off)해서 스위치(SW)가 열리도록 제어하고, 구동 전압(Vc)이 임계 전압(Vth) 보다 작으면 턴온(turn-on)해서 스위치(SW)가 닫히도록 제어하게 구성될 수 있다. 전원 전압이 표준 상태(도 5에서 구동 전압(Vc)이 A 위치에 있을 때)시 구동 전압(Vc)의 최소값이 임계 전압(Vth) 이상이 되도록 저항(R1)과 충방전부(200)의 평활화 소자의 커패시턴스를 설정한다, 즉 표준 상태에서는 스위치는 항상 턴오프(turn-off)상태이며, 부 LED부(501)를 포함하여 모든 LED가 모든 구간에서 빛을 출력한다. 한편, 전원 전압의 변동에 의해 전원 전압이 떨어진 경우(도 5에서 구동 전압(Vc)이 B 위치에 있을 때)에는 구동 전압(Vc)의 값도 작아지기 때문에 구동 전압(Vc)의 전압 값과 임계 전압(Vth)의 대소 관계에 따라 스위치가 턴온(turn-on)되거나 턴오프(turn-off)된다. 정전류 제어부(300)에 의해 구동 전류(ILED)는 스위치의 상태에 관계 없이 일정하다. 그러나 스위치가 턴온(turn-on)된 구간에서 부 LED부(501)가 꺼지며, 점등하는 LED의 개수가 n+1에서 n개로 줄어들어 밝기가 n/(n+1)의 비율만큼 줄어들게 된다. 만약 전원 전압이 떨어지고 구동 전압(Vc)가 임계 전압(Vth) 이하로 떨어진 상태에서도 스위치가 항상 턴오프(turn-off)상태인 경우에는 정전류 제어부(300), 부 LED부(501), 및 주 LED부(500) 모두를 구동하기에는 구동 전압(Vc)가 너무 낮아 제대로 작동하지 못하고 구동 전류(ILED)가 크게 변화한다. 경우에 따라서 구동 전류(ILED)가 0이되는 구간이 발생할 수도 있다.
도 5에 구동 전압(Vc)(전원 전압이 표준인 경우와 전원 전압이 떨어진 경우), 임계 전압(Vth), 및 부 LED부(501)에 인가되는 전압(Vn)의 관계가 파형도로써 도시되어 있다.
스위치(SW)는 부 LED부(501)와 병렬로 연결되며, 스위치 제어부(400)의 제어에 따라 열리고 닫히는 역할을 수행한다. 스위치(SW)가 닫히면 전류 바이패스(by-pass)경로가 형성되어 구동 전류(ILED)가 스위치(SW)를 따라 흐르게 되며, 스위치(SW)가 열리면 전류 바이패스 경로가 끊어지고 부 LED부(501)에 구동 전류(ILED)가 흐르게 될 것이다.
본 발명에 따른 부 LED부(501)는 상술한 스위치(SW)의 여닫힘에 따라 구동되는 하나 이상의 LED를 포함하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 부 LED부(501)는 주 LED부(500)의 애노드(anode)단과 충방전부(200)의 출력단 사이에 병렬로 연결된 스위치(SW)와 함께 직렬로 연결된다. 본 발명에 따른 부 LED부(501)는 스위치(SW)의 여닫힘에 따라 작동될 수 있는데, 스위치(SW)가 열려있는 동안에는 전류의 바이패스(by-pass) 구간이 오픈(open)되므로 부 LED부(501)에 전압(Vn)이 인가되어 빛을 출력하고, 스위치(SW)가 닫혀있는 동안에는 전류 바이패스(by-pass)구간이 쇼트(short)되어 부 LED부에 전압(Vn)이 인가되지 않아 빛을 출력하지 않게 된다. 다시 말하면, 구동 전압(Vc)의 크기가 임계 전압(Vth)보다 큰 구간 동안, 스위치(SW)가 열리며, 부 LED부(501)가 구동된다. 구동 전압(Vc)의 크기가 임계 전압(Vth)보다 작은 구간 동안에는, 스위치(SW)가 닫히며, 부 LED부(501)는 구동되지 않는다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 부 LED부(501)는 도 4와 상술한 주 LED부(500)와 충방전부(200) 사이의 위치에 한정되지 아니한다. 본 발명에 따른 부 LED부(501)는 주 LED부(500)의 직렬로 연결된 다수의 LED들 사이(예를 들면, 부 LED부(501)는 두 임의의 LED들 사이에 연결되거나, 다수의 추가 LED가 주 LED부의 사이사이에 지그재그로 위치할 수도 있다.)에 위치하도록 구성될 수 있고, 또한 주 LED부(500)의 마지막 단과 접지 사이에 위치하도록 구성될 수 있다.
정전류 제어부(300)는 LED 조명장치(1000-2)의 설명에서 상술한 바와 같이 주 LED부(500)의 출력단과 접지 사이에 위치하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 주 LED부(500)는 구동 전압(Vc)과 구동 전류(ILED)가 인가되면 빛을 출력하도록 구성된다. 주 LED부(500)는 다수의 LED(LED1~LEDn)가 직렬로 연결되도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 주 LED부(500)는 구동 전압(Vc)이 항상 LED 순방향전압(Vf)보다 큰 값을 가지므로 구동 전압(Vc)의 크기가 변화하는 것과 무관하게, 또한 스위치(SW)의 동작과 무관하게 항상 동작하도록 구성될 수 있다.
여기서 (구동 전압(Vc) LED 순방향전압(Vf)의 총 값) * 구동전류(ILED)는 손실로서 효율 악화의 요인이 된다. 따라서 총 LED 순방향전압(Vf)의 레벨을 구동 전압(Vc)레벨에 가까이 접근시킴으로써 효율을 향상시킬 수 있다. (단 구동 전압(Vc)가 총 LED 순방향전압(Vf)보다 크다는 조건이 필요하다.) 총 LED 순방향전압(Vf)은 도 2에서는 도시된 LED 순방향전압(Vf)이며, 도 4에서는 LED 순방향전압(Vf)에 부 LED부(501)에 인가되는 전압(Vn)을 더한 값이 된다.) 도 5는 전원 전압이 표준 상태(A)와 전원 전압이 떨어진 경우(B)에서의 구동 전압(Vc)을 나타낸다. 임계 전압(Vth)는 정전류 제어부를 포함하여 주 LED부(500) 및 부 LED부(501)의 n+1개(또는 n+1 블록의)의 LED를 구동하는데 필요한 최소 전압이며, 전원 전압의 변동에 관계없이 일정하다. 전원 전압이 표준 상태(A)인 경우, 구동 전압(Vc)의 최소값은 임계 전압(Vth)보다 크며, 항상 n+1개 (또는 n+1 블록의)의 LED가 일정한 밝기로 켜진다. 한편, 전원 전압이 떨어진 경우 (B) 도 5에 도시된 바와 같이, 구동 전압(Vc)의 크기가 임계 전압(Vth)보다 작아지는 구간(tb<t<tc)이 발생하고 이 구간에서 스위치를 턴온하여 부 LED부(501)의 출력을 멈춘다. 이 경우 구동 전압(Vc)의 최소값은 정전류 제어부(300)를 포함하여 n개(또는 n 블록의)의 LED를 구동하는데 충분히 필요한 전압으로 한다. 스위치의 턴온 또는 턴오프 상태와 상관 없이 정전류 제어부에 의해 구동 전류(ILED)는 일정하지만, 추가 LED부(501)가 출력을 멈춤으로써 스위치가 턴오프된 구간의 밝기 100%에 비해 턴온된 구간의 밝기는 n/(n+1)의 비율로 줄어들게 되나, n의 수를 크게 함으로써 밝기의 변화를 적게 하는 것이 가능하다. 만약, 이 구간에서도 스위치가 계속 턴오프 상태라고 하면 (즉, 스위치가 없는 것과 마찬가지인 상태) 이 구간에서는 n+1개 (또는 n+1 블록의)의 LED를 정상적으로 구동할 수 없어 구동 전류(ILED)가 크게 감소한다. 또는 구동 전류(ILED)가 0이 될 가능성도 있어, 플리커 특성이 악화된다. 종래 충방전부(20)와 정전류 제어부(30)를 포함하는 LED 구동 회로(1000-2)에서도 전원 전압이 표준 상태만을 생각할 경우에는 총 LED 순방향전압(Vf)을 순방향전압(Vf)에 추가적으로 LED를 더 구비하여 크게 설정할 수 있지만, 전원 전압이 떨어진 경우에는 위와 같은 문제가 발생하며 이를 피하기 위해 결국 총 LED 순방향전압(Vf)을 더 늘릴 수 없고 LED부(50)의 순방향전압에 한정된다. 이와 같이, 본 발명에서는 총 LED 순방향전압(Vf)을 종래 기술보다 더 크게 설정할 수 있기 때문에 효율 개선이 가능해진다. 또한 전원 전압이 떨어진 경우에도 밝기 변화가 적은 구동 회로가 실현 가능해진다.
더하여 본 발명에 따른 구동 회로는 반드시 주 LED부 및 부 LED부의 구동을 제어하기 위해서만 아니라, 주 피제어소자부 및 부 피제어소자부의 구동을 제어할 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명에 따른 주 피제어소자부 및 부 피제어소자부의 구동을 제어하는 구동 회로는 정류부, 충방전부, 스위치 제어부, 및 스위치를 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 정류부 및 충방전부는 전원 전압을 정류하고 평활화 하여 구동 전압을 제공하도록 구성될 수 있다. 이때 평활화된 구동 전압의 크기의 최소값이 항상 주 피제어소자부의 구동을 위해 필요한 전압보다 항상 큰 값을 가지도록 충방전부의 커패시턴스가 조절된다. 즉 전원 전압이 가해지는 동안 주 피제어소자부는 구동 회로에 의해서 상시 구동되도록 제어된다.
본 발명에 따른 스위치 제어부는 구동 전압과 임계 전압을 비교하여, 구동 전압의 크기가 임계 전압의 크기보다 작으면 스위치를 닫고, 수동 전압의 크기가 임계 전압의 크기보다 크면 스위치를 여는 제어를 하도록 구성될 수 있다. 표준 상태에서는 평활화된 구동 전압의 크기가 주 피제어소자부와 부 피제어소자부의 구동을 위해서 필요한 최소 값 보다 큰 값을 갖게 되므로, 스위치는 항상 열려있으며 전류의 바이패스 경로가 형성되지 않아 부 피제어소자부는 어느 구간에서도 항상 구동되도록 제어된다. 하지만 전원 전압이 변동에 의해 낮아진 상태에서는 (이러한 경우라도 구동 전압의 최소 값은 주 피제어소자부의 구동을 위해 필요한 값 보다 크다.) 구동 전압의 크기가 부 피제어소자부를 더 구동하기 위해 필요한 임계 전압의 크기보다 낮아지는 구간이 발생할 수 있다. 이 때 본 발명에 따른 스위치 제어부는 스위치를 닫도록 제어하여 전류가 흐를 바이패스 경로를 형성하여, 부 피제어소자부의 구동을 멈출 수 있다.
부 피제어소자부는 충방전부와 주 피제어소자부의 시작단의 사이에 직렬로 연결되며, 스위치와 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에 따르면 부 피제어소자부는 주 피제어소자부의 소자들 사이에 직렬로 연결되도록 구성될 수 있으며, 또한 주 피제어소자부의 마지막단과 접지 사이에 직렬로 연결되도록 구성될 수 있다.
다른 일 실시예예 따르면, 구동 회로는 전류를 정전류 제어하는 정전류 제어부를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 정전류 제어부는 충방전부와 부 피제어소자부 사이에 직렬로 연결되거나 주 피제어소자부와 접지 사이에 직렬로 연결될 수 있다.
100 - 정류부 200 - 충방전부
300 - 정전류제어부 400 - 스위치 제어부
500 - 주 LED부 501 - 부 LED부

Claims (10)

  1. 주 LED부와 부 LED부를 제어하며, 정전류 제어부를 포함하는 LED 구동 회로로서,
    교류 전압을 정류하여 정류 전압을 제공하는 정류부;
    상기 정류부와 병렬로 연결되며, 상기 정류 전압을 평활화하여 상기 주 LED부를 구동하기 위해 필요한 LED 순방향전압 이상의 구동 전압을 제공하는 충방전부;
    상기 충방전부의 출력단에 연결되며, 상기 구동 전압과 임계 전압의 크기를 비교하여, 상기 구동 전압의 크기가 상기 임계 전압의 크기 보다 작으면 스위치를 닫고, 상기 구동 전압의 크기가 상기 임계 전압의 크기 보다 크면 상기 스위치를 열도록 제어하는 스위치 제어부;
    상기 부 LED부와 병렬로 연결되며, 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 전류 바이패스(by-pass) 경로를 여닫는 스위치를 포함하되,
    상기 부 LED부는 상기 정전류 제어부를 통해 상기 충방전부와 상기 주 LED부의 애노드(anode)단 사이에 직렬로 연결되며, 상기 전류 바이패스 경로가 열려있는 동안 상기 구동 전압을 입력 받아 구동되는, 교류 전원에서 작동하는 LED 구동 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부 LED부는 상기 주 LED부의 LED들 사이에 직렬로 연결되는 LED 구동 회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 부 LED부는 상기 주 LED부의 캐쏘드(cathode)단과 접지 사이에 직렬로 연결되는, LED 구동 회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 정전류 제어부는 상기 충방전부 및 상기 부 LED부의 사이에 직렬로 연결되며, 상기 주 LED부 및 부 LED부에 인가되는 구동 전류를 정전류로 제어하는, LED 구동 회로.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 정전류 제어부는 상기 주 LED부의 캐쏘드단과 접지 사이에 직렬로 연결되며, 상기 주 LED부 및 부 LED부에 인가되는 구동 전류를 정전류로 제어하는, LED 구동 회로.
  6. 주 피제어소자부와 부 피제어소자부의 구동을 제어하는 구동 회로로서,
    교류 전압을 정류하여 정류 전압을 제공하는 정류부;
    상기 정류부와 병렬로 연결되며, 상기 정류 전압을 평활화하여 주 피제어소자부의 구동을 위해 필요한 전압 이상의 구동 전압을 제공하는 충방전부;
    상기 충방전부의 출력단에 연결되며, 상기 구동 전압과 임계 전압의 크기를 비교하여, 상기 구동 전압의 크기가 상기 임계 전압의 크기 보다 작으면 스위치를 닫고, 상기 구동 전압의 크기가 상기 임계 전압의 크기 보다 크면 상기 스위치를 열도록 제어하는 스위치 제어부;
    상기 부 피제어소자부와 병렬로 연결되며, 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 전류 바이패스(by-pass) 경로를 여닫는 스위치를 포함하며,
    상기 부 피제어소자부는 상기 주 제어소자부와 상기 충방전부 사이에 직렬로 연결되며, 상기 전류 바이패스 경로가 열려있는 동안 상기 구동 전압을 입력 받아 구동되는, 교류 전원에서 작동하는 구동 회로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 부 피제어소자부는 상기 주 피제어소자부의 소자들 사이에 직렬로 연결되는 구동 회로.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 부 피제어소자부는 상기 주 피제어소자부의 출력단과 접지 사이에 직렬로 연결되는, 구동 회로.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 충방전부 및 상기 부 피제어소자부의 사이에 직렬로 연결되며, 상기 주 피제어소자부 및 부 피제어소자부에 인가되는 구동 전류를 정전류로 제어하는 정전류 제어부를 더 포함하는, 구동 회로.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 주 피제어소자부의 마지막단과 접지 사이에 직렬로 연결되며, 상기 주 피제어소자부 및 부 피제어소자부에 인가되는 구동 전류를 정전류로 제어하는 정전류 제어부를 더 포함하는, 구동 회로.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140045094A (ko) * 2012-10-08 2014-04-16 서울반도체 주식회사 Led 연속구동을 위한 led 구동장치 및 구동방법
KR20140081292A (ko) * 2012-12-21 2014-07-01 주식회사 포스코엘이디 전원전류의 전고조파 왜곡을 개선하는 led 조명장치

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