KR20170006475A

KR20170006475A - SMPS (Switching Mode Power Supply) 기반의 LED 구동장치 및 구동방법

Info

Publication number: KR20170006475A
Application number: KR1020150097128A
Authority: KR
Inventors: 유수근
Original assignee: 유수근
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2017-01-18

Abstract

SMPS (Switching Mode Power Supply) 기반의 LED 구동장치 및 구동방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 입력전원으로부터의 입력전압을 입력전류로 변환하여 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 전류공급부, 상기 전류공급부의 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 스위칭부 및 상기 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하여 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 구동제어부를 구비한, 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED(Light Emitting Diode) 구동장치를 제공한다.

Description

SMPS (Switching Mode Power Supply) 기반의 LED 구동장치 및 구동방법{Method and Apparatus for Driving Light Emitting Diode (LED) Based on Switching Mode Power Supply (SMPS)}

본 실시예는 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply: SMPS)기반의 LED 구동장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

종래의 LED 구동회로의 예로 정전류 및 정전압 구동을 하는 SMPS를 채택한 전력회로를 구성한 구동회로가 있다.

그러나 SMPS는 그 구성 부품 중 평활 콘덴서나 스위칭을 위한 PowerFET 등의 고장이 잦은 문제가 있다. 특히 평활 콘덴서로 사용되는 전해 콘덴서의 수명이 2~3년 정도밖에 되지 않아 장기간 수명을 유지해야 하는 LED 모듈에는 적합하지 않은 문제점이 있다. 이와 같은 고장의 원인 중 일부는 LED의 발열에 의한 온도 상승, 장시간의 지속적인 사용 시간 등의 동작환경에 의한 것으로 알려져 있다.

기존의 SMPS는 역률 조건을 만족시키는 동시에 입력의 변화에 따라 출력이 변동하는 것을 막기 위해서 복잡한 피드백 폐루프 회로를 포함한다. 이러한 복잡한 피드백 폐루프는 앞서 설명한 동작환경 내에서 평활 콘덴서나 스위치용 PowerFET의 고장을 한층 더 유발하는 원인이 될 수 있다.

최근에 개발되고 있는 일부 LED 구동회로는 SMPS를 채택하지 않고 AC Direct 방식을 채택하고 있다. 그러나 AC Direct 방식의 LED 구동회로는 SMPS만큼 넓은 범위의 입력전압을 커버하기가 힘들고, 높은 입력전압에서 전력손실이 크며, 광효율(lm/W)이 SMPS에 비해 낮다는 단점이 있다.

따라서, SMPS의 장점을 유지하면서, 복잡한 폐루프 회로를 포함하지 않음으로써 소자의 고장 가능성을 낮출 필요가 있다.

본 발명의 실시예들은, LED에 전원을 공급하는 데 있어, 복잡한 피드백 폐루프 회로를 포함하지 않고 고역률, 우수한 입력 대 출력변동률 특성을 가질 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 입력전원으로부터의 입력전압을 입력전류로 변환하여 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 전류공급부, 전류공급부의 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 스위칭부 및 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하여 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 구동제어부를 구비한, 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED(Light Emitting Diode) 구동장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에서, 구형파 신호의 구형파 주기(Tt), 구형파 폭(Ton) 및 전류공급부에 흐르는 전류값이 피크(Peak)에서 영(Zero)으로 되는 최대 방전 시간(Td_max)이 아래 수학식 1을 만족한다.

[수학식 1]

본 발명의 실시예에서, 구동제어부는 입력전압의 피크전압을 검출하는 제1피크디텍터 및 구형파 신호를 생성하는 구형파 발생기를 포함하고, 구형파 발생기에서 생성한 구형파 신호의 구형파 폭이 피크전압에 반비례하도록 제어한다.

본 발명의 실시예에서, 구동제어부는 입력전류의 피크전류를 검출하는 제2피크디텍터를 더 포함하고, 구형파 발생기에서 생성한 상기 구형파 신호의 구형파 주기가 피크전류에 비례하도록 제어한다.

본 발명의 실시예에서, 피크전압이 소정의 제1임계치를 초과하는 경우, 구형파 발생기에서 생성한 구형파 신호의 구형파 폭이 피크전압에 반비례하도록 제어한다.

본 발명의 실시예에서, 피크전류가 소정의 제2임계치를 초과하는 경우, 구형파 발생기에서 생성한 구형파 신호의 구형파 주기가 피크전류에 비례하도록 제어한다.

본 발명의 실시예에서, 구동제어부는 구형파 주기의 제어를 일정 시간 간격을 두고 주기적으로 수행한다.

본 발명의 실시예에서, 전류공급부는 인덕터를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 전류공급부는 트랜스포머를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 입력전류가 입력전압의 파형과 같은 모양의 파형을 갖는다.

본 발명의 실시예에 의하면, 입력전원으로부터의 입력전압을 입력전류로 변환하여 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 전류공급부, 전류공급부의 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 스위칭부 및 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하여 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 구동제어부를 구비하고, LED 모듈에 공급되는 입력전력이 입력전압이나 LED의 순방향 전압과 무관하게 소정의 상수에 의해서만 일정하게 정해지는, 스위칭 모드 파워 서플라이 (Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED (Light Emitting Diode) 구동 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에서, 구형파 신호의 구형파 주기(Tt), 구형파 폭(Ton) 및 상기 전류공급부에 흐르는 전류값이 피크(Peak)에서 영(Zero)으로 되는 최대 방전 시간 (Td_max)가 아래 수학식 1을 만족한다.

[수학식 1]

본 발명의 실시예에서, 구동제어부는 입력전류의 피크전류를 검출하는 제2피크디텍터를 더 포함하고, 구형파 발생기에서 생성한 구형파 신호의 구형파 주기가 피크전류에 비례하도록 제어한다.

본 발명의 실시예에서, 전류공급부는 인덕터를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 입력전원으로부터의 입력전압을 충전 및 방전하여 입력전류로 변환하는 과정, 입력전류를 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 과정, 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 과정 및 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하는 과정을 포함하고, 구형파 신호를 생성하는 과정은 구형파 신호의 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 과정을 포함하는, 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED(Light Emitting Diode) 구동방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 입력전원으로부터의 입력전압을 충전 및 방전하여 입력전류로 변환하는 과정, 입력전류를 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 과정, 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 과정 및 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하는 과정을 포함하고, 구형파 신호를 생성하는 과정은 구형파 신호의 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 과정을 포함하고, LED 모듈에 공급되는 입력전력이 입력전압이나 LED의 순방향 전압과 무관하게 소정의 상수에 의해서만 일정하게 정해지는, 스위칭 모드 파워 서플라이 (Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED (Light Emitting Diode) 구동방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, LED 모듈 구동시 입력전압의 변동에 둔감한 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 평활 콘덴서, 인덕터, LED 모듈의 순방향 전압 등과 관계없이 일정한 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 인덕터를 포함하는 LED 구동장치를 나타내는 회로구성도이다.
도 2는 도 1과 같은 구성에 의한 LED 구동장치의 개략적인 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동장치의 구동제어부의 개략적인 회로구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동제어부를 구체적으로 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광량 조절이 가능한 LED 구동장치를 나타내는 회로구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 트랜스포머를 포함하는 LED 구동장치를 나타내는 회로구성도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 인덕터를 포함하는 LED 구동장치를 나타내는 회로구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동장치(100)는 전류공급부(130), 구동제어부(140), 스위칭부(S1)를 포함한다.

LED 구동장치(100)는 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈(110)에 구동 전력을 공급하는 장치이다. LED 모듈(110)은 LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode), FOLED(Flexible Organic Light Emitting Diode), PhOLED(Phosphorescent Organic Light Emitting Diode), PLED(Polymer Light Emitting Diode), PM OLED(Passive Matrix OLED Device), POLED(Polymer Organic Light Emitting Diode), RCOLED(Resonant Color Organic Light Emitting Diode), SmOLED(Small Molecule Organic Light Emitting Diode), SOLED(Stacked Organic Light Emitting Diode), TOLED(Transparent Organic Light Emitting Diode) 또는 NOID(Neon Organic Iodine Diode)로 구현될 수 있다.

LED 구동장치(100)는 시간에 따라 변동하는 입력전압(Vi)을 인가받는다. LED 구동장치(100)에 인가되는 전원은 교류 전원이거나 직류 전원일 수 있다. 전원이 교류 전원인 경우, LED 구동장치(100)는 정류부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 정류부(120)는 용도에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 예컨대, 반파 정류회로, 전파 정류회로, 브리지 전파 정류회로, 반파 배전압 정류회로 또는 전파 배전압 정류회로와 같은 회로를 포함할 수 있다. 한편, 전원이 배터리와 같은 직류 전원인 경우, 방전 상태일 때와 완충 상태일 때의 전압 차이가 발생하는데 대략 20~30% 정도의 차이가 날 수 있다. 따라서 직류 전원의 경우에도 시간에 따라 입력전압(Vi)이 일시적으로 변동할 수 있으므로 입력 대 출력변동률을 양호하게 조절할 필요가 있다.

전류공급부(130)는 입력전원으로부터의 입력전압(Vi)을 입력전류(Ii)로 변환하여 LED 모듈(110)에 공급한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류공급부(130)는 인덕터(L1) 또는 트랜스포머(T1)를 포함한다. 전류공급부(130)는 환류 다이오드(D1) 및 출력 캐패시터(C1)와 연결되어 벅-부스트(Buck-Boost) 토폴로지 또는 플라이-백(Fly-Back) 토폴로지로 구성될 수 있다.

예컨대, 도 1을 참조하면, 전류공급부(130)는 인덕터(L1)의 제1단으로부터 시간에 따라 변동하는 입력전압(Vi)을 인가받는다. 환류 다이오드(D1)의 캐소드는 인덕터(L1)의 제1단에 연결되고, 애노드는 출력 캐패시터(C1)의 제1단에 연결된다. 출력 캐패시터(C1)는 LED 모듈(110)과 병렬로 연결된다. 인덕터(L1)의 제2단과 연결된 스위칭부(S1)의 스위칭 동작에 의하여, 인덕터(L1)는 충전 및 방전을 반복하며 LED 모듈(110)에 전력을 공급한다.

본 발명의 일 실시예에서는 스위칭부(S1)가 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 소자로 구현되어 있으나 다른 종류의 스위치 예컨대, 바이 폴라 트랜지스터(Bipolar Transistor)로도 구현될 수 있다. 스위칭부(S1)의 스위칭 동작은 구동제어부(140)가 생성한 구형파 신호(SW)에 의하여 결정되는데, 구형파 신호(SW)에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.

전류공급부(130)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 스위칭부(S1)가 턴-온되면, 입력전압(Vi)에 의하여 인덕터(L1) 전류(Il)는 Vi/L1의 기울기로 선형적으로 증가하고 에너지가 인덕터(L1)에 축적된다. 스위칭부(S1)가 턴-오프되면, 인덕터(L1)에 흐르던 전류(Il)는 발광부(110)와 환류 다이오드(D1)을 통하여 흐르며 발광부(110)에 전력을 공급하고, 출력 캐패시터(C1)에도 흘러 이를 충전시킨다. 이 과정에서 인덕터 전류(Il)는 -Vled/L1의 기울기를 가지고 선형적으로 감소한다.

도 2는 도 1과 같은 구성에 의한 LED 구동장치의 개략적인 타이밍도이다.

도 2는 입력전압(Vi)이 사인파이고 구형파 신호(SW)의 구형파 폭(Ton)과 구형파 주기(Tt)가 일정한 값으로 정해진 경우를 예시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스위칭부(S1)의 턴-온 시간(Ton) 동안 인덕터 전류(Il)가 피크값(Peak Value)까지 증가했다가, 턴-오프 시간(Tt-Ton)동안 다시 영(Zero)의 값까지 감소한다. 다시 말해, 스위칭부(S1)가 턴-오프되어 인덕터(L1)가 완전히 방전되기 전까지는 스위칭부(S1)가 다시 턴-온되지 않는다. 본 발명의 일 실시예가 이와 같이 동작하기 위한 조건에 대하여 설명하면 다음과 같다.

스위칭부(S1)가 턴-오프되어 전류공급부(130)에 흐르는 전류값 즉, 인덕터 전류값(Il)이 피크(Peak)에서 다시 영(Zero)으로 되는 방전시간을 Td라고 하면, Td는 입력전압(Vi)이 피크전압(Vp)일 때 최대값(Td_max)을 가진다. 왜냐하면, 인덕터 전압관계식 V=L*di/dt에 의하여 Td=L1/Vled*Il(Vled는 LED 모듈의 순방향 전압)로 나타낼 수 있으므로, Il이 최대일 때 Td 역시 최대가 되기 때문이다. 따라서, 인덕터 전류(Il)가 피크값까지 증가했다가 다시 완전히 방전되게 동작하기 위한 조건은 수학식 1과 같다.

전류공급부(130)는 구형파 주기(Tt)가 구형파 폭(Ton)과 인덕터(L1)의 최대 방전시간(Td_max)의 합보다 길다는 조건을 만족하는 구형파 신호(SW)에 의해 충전 및 방전을 반복한다.

도 2를 참조하면, 입력전압(Vi)이 사인파이면 입력전류(Ii)의 피크점들을 연결하여 형성되는 곡선 역시 사인파가 된다. 예컨대, 입력전압(Vi)이 수학식 2와 같은 사인파이면,

입력전류(Ii)의 피크점을 연결하여 얻어지는 엔벨로프(Envelope) 전류(Iip)는 아래 수학식 3과 같다.

따라서, 입력전압(Vi)과 입력전류의 엔벨로프 전류(Iip)의 위상이 일치하므로 역률이 1이 될 수 있다.

한편, 스위칭부(S1)가 턴-온 상태일 때, 다이오드(D1)에는 역바이어스가 인가되어 다이오드 전류(Id)가 흐르지 않는다. 그러나 스위칭부(S1)가 턴-오프 상태가 되면, 다이오드 전류(Id)는 인덕터 전류(Il)와 같아지며 피크값으로부터 0으로 감소한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 입력전류(Ii)의 입력단에 필터(미도시)를 더 포함하여 평균입력전류(Iiavg)가 흐르도록 할 수 있다. 이 경우에도 역시 평균입력전류(Iiavg)의 파형은 사인파가 되며, 입력전압(Vi)과 파형 및 위상이 거의 일치하여 역률이 1에 가까운 수준이 된다. 평균입력전류(Iiavg)는 아래 수학식 4와 같다.

수학식 3과 수학식 4를 참조하면, 평균입력전류(Iiavg)는 입력전압(Vi)의 피크전압(Vp)의 변동에 따라 진폭만 변하고 위상은 동일하므로 역률이 1이 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동장치의 구동제어부의 개략적인 회로구성도이다.

이하, 구형파 신호(SW)의 구형파 폭(Ton)과 구형파 주기(Tt)를 각각 독립적으로 조절하여 입력전압(Vi)이 변동하더라도 이에 둔감한 전력을 LED 모듈(110)에 공급하는 방법에 대해 설명한다.

도 3을 참조하면, 구동제어부(140)는 스위칭부(S1)를 제어하기 위해 구형파 신호(SW)를 생성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구동제어부(140)는 스위칭부(S1)의 제3단(게이트)에 연결되고 입력전압(Vi)을 인가받는다. 구동제어부(140)는 제1피크디텍터(310) 및 구형파 발생기(330)를 포함할 수 있으며, 제1피크디텍터(310)는 입력전압(Vi)의 피크전압(Vp)을 검출하고, 구형파 발생기(330)는 구형파 신호(SW)를 생성한다. 구동제어부(140)는 구형파 발생기(330)에서 생성한 구형파 신호(SW)의 구형파 폭(Ton)이 피크전압(Vp)에 반비례하도록 제어한다. 구형파 폭(Ton)은 아래 수학식 5와 같다.

구동제어부(140)는 입력전류(Ii)의 피크전류(Ip)를 검출하는 제2피크디텍터(320)를 더 포함할 수 있으며, LED 구동장치(100)는 전류검출저항(Rs)를 더 포함할 수 있다. 구동제어부(140)는 구형파 발생기(330)에서 생성한 구형파 신호(SW)의 구형파 주기(Tt)가 피크전류(Ip)에 비례하도록 제어하고, 구형파 주기(Tt)의 제어를 일정 시간 간격을 두고 주기적으로 수행한다. 구형파 주기(Tt)는 아래 수학식 6과 같다.

인덕터 전류(Il)에 대한 정보를 검출하기 위한 전류검출저항(Rs)은 제1단이 구동제어부(140) 및 스위칭부(S1)의 제2단(소스)에 연결되고, 제2단은 접지된다.

제1피크디텍터(310)가 검출한 피크전압(Vp)이 소정의 제1임계치를 초과하는 경우, 구동제어부(140)는 구형파발생기(330)에서 생성한 구형파 신호(SW)의 구형파 폭(Ton)이 피크전압(Vp)에 반비례하도록 제어한다. 이러한 동작은 입력전압의 비정상적인 단시간 변동 예컨대, 직류전압이 짧은 시간 동안 급변하는 경우 수행될 수 있다. 소정의 제1임계치는 미리 설정되는 값으로 예를 들어 정상전압의 110 % 값으로 설정될 수 있다.

제2피크디텍터(320)가 검출한 피크전류(Ip)가 소정의 제2임계치를 초과하는 경우, 구동제어부(140)는 구형파발생기(330)에서 생성한 구형파 신호(SW)의 구형파 주기(Tt)가 피크전류(Ip)에 비례하도록 제어한다. 이러한 동작은 일정 시간 간격을 두고 주기적으로 수행된다. LED 구동장치(100)에 포함된 인덕터는 일반적으로 장시간에 걸쳐 열화되기 때문에 입력전류(Ii) 역시 장시간에 걸쳐 변동한다. 따라서 피크전류(Ip)가 소정의 제2임계치를 초과하는지 일정 시간 간격을 두고 주기적으로 판단할 필요가 있다. 소정의 제2임계치는 미리 설정되는 값으로 예를 들어 초기 평균입력전류(Iiavg)의 110 % 값으로 설정될 수 있다.

수학식 5 및 수학식 6에서의 Kon과 Kt는 비례상수로서, 입력전압(Vi)이나 LED 모듈(110)의 순방향 전압(Vled)과는 무관하게 결정된다. 비례상수 Kon과 Kt에 대한 구체적인 설명은 다른 도면을 참조하여 후술한다.

수학식 5와 수학식 6에 의해 결정된 구형파 신호(SW)가 스위칭부(S1)에 인가되면 평균입력전류(Iiavg)는 수학식 7과 같다.

수학식 7을 이용하여 입력전력(Pi)을 구하면 수학식 8과 같다.

수학식 8을 참조하면, 입력전력(Pi)은 상수 Kon과 Kt에 의해서 결정되고, 입력전압(Vi)의 영향은 받지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류공급부(130)는 벅-부스트 방식으로 구성되어 있으므로 벅-부스트 방식의 특성상 입력전력(Pi)은 모두 LED 모듈(110)로 전달된다. 따라서 LED 모듈(110)에는 입력전압(Vi)의 변동에 둔감한 전력(Pi)이 공급되고 이에 따라 입력 대 출력변동률이 양호해질 수 있다.

수학식 8을 참조하면, 입력전력(Pi)을 결정하는 요소 중 LED나 평활 콘덴서가 영향을 미치는 요소는 없기 때문에 평활용 콘덴서의 존재 유무 및 LED 모듈(110)의 총 순방향 전압과 상관없이 일정한 전력이 LED 모듈(110)로 전달된다. 따라서, 본 발명은 평활 콘덴서의 짧은 수명으로 인해 발생하는 문제점을 해소할 수 있다.

입력전력(Pi)은 인덕터와 무관하게 일정한 값을 갖는다. 가령, 설계상의 인덕터 값보다 실제 인덕터 값이 작더라도 입력전류(Ii)의 피크전류(Ip)가 증가하여 구형파 신호(SW)의 구형파 주기(Tt)가 증가(주파수는 감소)할 뿐이고 입력전력(Pi)의 값은 일정하다.

입력전력(Pi)을 LED 모듈(110)의 순방향 전압(Vled)과 순방향 전류(Iled)로 나타내면 수학식 9와 같다.

순방향 전압(Vled)이 높아지더라도 입력전력(Pi)은 일정한 값을 유지하도록 순방향 전류(Iled)가 낮아진다.

본 실시예에서는, 입력전압(Vi)이 인가되면 구동제어부(140)에서 피크전압(Vp)을 검출하고 피크전압(Vp)에 반비례하도록 구형파 신호(SW)의 구형파 폭(Ton)을 결정한다. 이어서, Ton 이내에 구동제어부(140)가 입력전류(Ii)의 피크전류(Ip)를 검출하고 피크전류(Ip)에 비례하도록 구형파 신호(SW)의 구형파 주기(Tt)를 결정한다. 이러한 과정은 교류 전원의 반주기 이내로 결정된다. 즉, 교류 전원의 반주기 이내에 구형파 신호(SW)가 결정되면, 이후부터 결정된 구형파 신호(SW)가 스위칭부(S1)에 입력되고 수학식 8과 같은 일정한 입력전력(Pi)이 LED 모듈(110)에 공급된다. 따라서, 본 발명은 출력전류를 센싱하여 에러를 검출하는 회로나 노이즈/왜란(Disturbance)을 저감하기 위한 루프필터를 포함할 필요없이 간단한 구조만으로 일정한 전력을 공급한다. 특히 피드백 루프를 포함하지 않기 때문에 양의 피드백(Positive Feedback)으로 인한 고장 가능성이 매우 낮다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동제어부를 구체적으로 나타내는 회로도이다.

본 발명에 따른 구동제어부는 도 4에 도시된 실시예에 의하여 제한되지 않고, 캐패시터, 다이오드, 스위치, 비교기를 포함한 다양한 구조의 회로일 수 있다.

도 4를 참조하면, 입력전압(Vi)은 저항 R1, R2로 구성된 전압분배기에 의해 분배(a*Vi, 여기서 a는 R2/(R1+R2))되어 저항 R2의 제1단에 입력된다. 입력전류(Ii)는 전류검출저항(Rs)에 의해 전압(Rs*Ii)으로 변환되어 입력된다. 제1피크디텍터(310)는 다이오드와 캐패시터를 포함하며, 입력전압(a*Vi)의 피크전압(a*Vp)을 검출한다.

본 실시예에 따른 구동제어부(140)는 커런트 미러(Current Mirror) 회로(410, 420)를 포함할 수 있다. 제1커런트 미러회로(410)는 캐패시터(Con)를 충전시키기 위한 전류(Ion)를 생성한다. 전류 Ion은 아래 수학식 10과 같다.

전류 Ion이 캐패시터 Con에 공급되면, 캐패시터 Con은 충전되며, 이 때 캐패시터 Con의 양단 전압은 램프(Ramp) 파형으로 나타난다.

입력전류(Ii)는 전술한 바와 같이 전압(Rs*Ii)으로 변환되어 제2피크디텍터(320)로 입력된다. 제2피크디텍터(320)는 입력전류(Ii)의 피크전류(Ip)를 검출하여 전압신호(Rs*Ip)를 출력한다. 출력 전압신호(Rs*Ip)는 제2비교기(Comp2)의 비반전단자에 기준 전압으로서 입력된다.

제2커런트 미러회로(420)는 캐패시터(Ct)를 충전시키기 위한 전류(It)를 생성한다. 전류 It는 아래 수학식 11과 같다.

여기서, Vt는 일정한 전압이다. 전류 It가 캐패시터 Ct에 공급되면, 캐패시터 Ct는 충전되며, 이 때 캐패시터 Ct의 양단 전압은 램프 파형으로 나타난다. 캐패시터 Ct의 전압은 제2비교기(Comp2)의 비반전단자에 입력된다. 전류 It의 공급에 의해 캐패시터 Ct의 전압이 증가하다가 제2비교기(Comp2)의 반전단자에 인가되는 기준 전압(Rs*Ip)보다 커지면, 제2비교기(Comp2)는 하이(High) 신호를 출력한다. 이에 따라 스위치 Q2가 턴-온되어 캐패시터 Ct는 방전된다. 캐패시터 Ct가 방전되어 캐패시터 Ct 양단 전압이 영이 됨에 따라, 제2비교기(Comp2)는 로우(Low) 신호를 출력하고, 스위치 Q2는 턴-오프되어 캐패시터 Ct가 다시 충전된다. 캐패시터 Ct는 일정 시간 간격을 두고 주기적으로 충전 및 방전을 반복한다.

제2비교기(Comp2)의 출력신호는 스위치 Q1의 게이트로 입력된다. 따라서, 제2비교기(Comp2)에서 하이 신호가 출력되면 스위치 Q2는 턴-온되고 캐패시터 Con은 방전된다. 제2비교기(Comp2)에서 로우 신호가 출력되면 스위치 Q2는 턴-오프되고 캐패시터 Con은 다시 충전된다. 캐패시터 Con 역시 제2비교기(Comp2)의 출력 신호에 의해 일정 시간 간격을 두고 주기적으로 충전 및 방전을 반복한다.

제1비교기(Comp1)는 반전단자에 입력되는 캐패시터 Con의 전압과 비반전단자에 입력되는 기준 전압(Von)을 비교하여 구형파 신호(SW)를 생성한다. 예를 들어, 제1비교기(Comp1)는 캐패시터 Con의 전압이 기준 전압(Von)보다 작으면 하이 신호를 출력하고 기준 전압(Von)보다 크면 로우 신호를 출력한다. 기준 전압(Von)은 일정한 값을 가진다. 제1비교기(Comp1)에서 출력되는 구형파 신호(SW)의 구형파 폭(Ton)은 아래 수식 12와 같고, 구형파 주기(Tt)는 아래 수학식 13과 같다.

수학식 12와 수학식 13을 참조하면, 구형파 폭(Ton)은 입력전압(Vi)의 피크전압(Vp)에 반비례하고, 구형파 주기(Tt)는 입력전류(Ii)의 피크전류(Ip)에 비례한다.

전술한 수학식 5, 수학식 6, 수학식 12 및 수학식 13을 이용하여 비례상수 Kon 및 Kt를 구하면 아래 수학식 14 및 수학식 15와 같다.

수학식 14와 수학식 15를 수학식 8에 대입하면, 입력전력(Pi)은 아래 수학식 16과 같다.

수학식 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 입력전력(Pi)은 구동제어부(140)에 포함된 저항값과 캐패시터값, 일정한 값을 가지는 전압 Von 과 Vt, 그리고 저항 R1 및 R2에 의해 결정되는 상수 a에 의하여 결정된다. 입력전력(Pi)는 입력전압(Vi)이나 LED의 순방향 전압(Vled) 등과는 무관하게 독립적으로 결정된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광량 조절이 가능한 LED 구동장치를 나타내는 회로구성도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, LED 구동장치(100)는 LED 모듈(110)의 광량을 조절하기 위한 디머(510)를 더 포함할 수 있다. 일례로서, 디머(510)는 일정 범위의 전압을 LED 구동장치(100)에 인가함으로써 밝기를 조절할 수 있다. 예컨대, 0 V 내지 10 V의 전압 범위를 이용하는 제로-텐 디머(Zero to Ten Dimmer)가 사용될 수 있다. 이 경우, 제로-텐 디머는 10 V일 때 최대 밝기로, 0 V일 때 최소 밝기로 밝기를 조절할 수 있다.

도 5를 참조하면, 디머(510)를 구동제어부(140)와 연결하여 디밍 제어를 할 수 있다. 예컨대, 디머(510)의 출력전압(Vdim)을 구동제어부(140)로 인가하여 구형파 폭(Ton)을 조절하거나, 구형파 주기(Tt)를 조절하는 방식으로 디밍 제어를 할 수 있다. 구체적으로, 도 4의 제1비교기(Comp1)의 비반전단자에 Von 대신 Vdim을 인가하면 구형파 폭(Ton)을 조절하는 디밍 방식이 되고, Vt 대신 Vdim을 인가하면 구형파 주기(Tt)를 조절하는 디밍 방식이 된다. 디머(510)의 출력전압(Vdim) 인가에 따라 입력전력(Pi) 역시 이에 대응하여 변동하므로 디밍 제어를 간단히 구현할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 트랜스포머를 포함하는 LED 구동장치를 나타내는 회로구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류공급부(130)의 인덕터(L1) 대신에 트랜스포머(T1)를 포함할 수 있다. 전류공급부(130)에 포함된 트랜스포머(T1)는 스위칭부(S1)의 스위칭 동작에 의하여, 1차측 권선에 에너지를 축적하고 축적한 1차측 권선의 에너지를 2차측 권선으로 전달한다. 또한 전류공급부(130)는 플라이-백(Fly-back) 토폴로지로 구성될 수 있다. 예를 들면, 트랜스포머(T1)의 1차측 권선의 제1단에 입력전압(Vi)이 인가되고 2차측 권선의 제2단은 출력 캐패시터(C1)의 제2단에 연결된다. 스위칭부(S1)는 트랜스포머(T1)의 1차측 권선의 제2단에 연결된다. 다이오드(D1)의 애노드는 트랜스포머(T1)의 2차측 권선의 제1단에 연결되고, 캐소드는 출력 캐패시터(C1)의 제1단에 연결된다. LED 모듈(110)은 출력 캐패시터(C1)와 병렬로 연결된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따라 트랜스포머(T1)의 1차측 권선에 흐르는 전류 정보를 검출하기 위하여, 제1단이 스위칭부(S1)의 제2단에 연결되고 제2단은 접지되는 전류검출저항(Rs)을 더 포함할 수 있다. 구동제어부(140)는 전류검출저항(Rs)의 제1단에 연결되고 스위칭부(S1)의 제3단에 연결되며 입력전압(Vi)을 인가받아 스위칭부(S1)를 제어한다.

플라이-백 방식으로 구성된 전류공급부(130)는 벅-부스트 방식으로 구성된 전류공급부(130)와 동작이 동일하다. 스위칭부(S1)가 도통하면 트랜스포머(T1)의 1차측 권선으로 전류가 흐르게 되고, 이 권선에는 입력전압(Vi)이 유기된다. 한편, 2차측 권선에는 흑점의 방향에 의해 1차측과 반대 극성의 전압이 유기되므로, 환류 다이오드(D1)는 역바이어스되어 전류가 차단되고 1차측 권선의 자화 인덕턴스에만 에너지가 축적된다. 한편, 스위칭부(S1)가 차단되면, 2차측 권선에는 전술한 상태와 반대 극성의 전압이 유기되어 환류 다이오드(D1)를 도통시킴으로써 트랜스포머(T1)의 자화 인덕턴스에 축적된 에너지를 출력측으로 방출하게 된다. 도 5에서 예시하고 있는 LED 구동장치(100)는 인덕터(L1) 대신에 트랜스포머(T1)를 사용했을 뿐, 모든 동작은 전술한 바와 같다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110: LED 모듈 130: 전류공급부
140: 구동제어부 310,320: 피크 디텍터
330: 구형파 발생기 410,420: 커런트 미러회로
510: 디머

Claims

입력전원으로부터의 입력전압을 입력전류로 변환하여 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 전류공급부;
상기 전류공급부의 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 스위칭부; 및
상기 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하여 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 구동제어부
를 구비한,
스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED(Light Emitting Diode) 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 구형파 신호의 구형파 주기(Tt), 구형파 폭(Ton) 및 상기 전류공급부에 흐르는 전류값이 피크(Peak)에서 영(Zero)으로 되는 최대 방전 시간(Td_max)이 아래 수학식 1을 만족하는,
[수학식 1]

스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구동제어부는,
상기 입력전압의 피크전압을 검출하는 제1피크디텍터; 및
상기 구형파 신호를 생성하는 구형파 발생기
를 포함하고,
상기 구형파 발생기에서 생성한 상기 구형파 신호의 상기 구형파 폭이 상기 피크전압에 반비례하도록 제어하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제3항에 있어서,
상기 구동제어부는 상기 입력전류의 피크전류를 검출하는 제2피크디텍터를 더 포함하고,
상기 구형파 발생기에서 생성한 상기 구형파 신호의 상기 구형파 주기가 상기 피크전류에 비례하도록 제어하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제3항에 있어서,
상기 피크전압이 소정의 제1임계치를 초과하는 경우, 상기 구형파 발생기에서 생성한 상기 구형파 신호의 상기 구형파 폭이 상기 피크전압에 반비례하도록 제어하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제4항에 있어서,
상기 피크전류가 소정의 제2임계치를 초과하는 경우, 상기 구형파 발생기에서 생성한 상기 구형파 신호의 상기 구형파 주기가 상기 피크전류에 비례하도록 제어하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 구동제어부는 상기 구형파 주기의 제어를 일정 시간 간격을 두고 주기적으로 수행하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 전류공급부는 인덕터를 포함하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 전류공급부는 트랜스포머를 포함하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 입력전류가 상기 입력전압의 파형과 같은 모양의 파형을 갖는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
입력전원으로부터의 입력전압을 입력전류로 변환하여 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 전류공급부;
상기 전류공급부의 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 스위칭부; 및
상기 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하여 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 구동제어부
를 구비하고,
상기 LED 모듈에 공급되는 입력전력이 상기 입력전압이나 상기 LED의 순방향 전압과 무관하게 소정의 상수에 의해서만 일정하게 정해지는,
스위칭 모드 파워 서플라이 (Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED (Light Emitting Diode) 구동 장치.
제11항에 있어서,
상기 구형파 신호의 구형파 주기(Tt), 구형파 폭(Ton) 및 상기 전류공급부에 흐르는 전류값이 피크(Peak)에서 영(Zero)으로 되는 최대 방전 시간 (Td_max)가 아래 수학식 1을 만족하는,
[수학식 1]

스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 구동제어부는,
상기 입력전압의 피크전압을 검출하는 제1피크디텍터; 및
상기 구형파 신호를 생성하는 구형파 발생기
를 포함하고,
상기 구형파 발생기에서 생성한 상기 구형파 신호의 상기 구형파 폭이 상기 피크전압에 반비례하도록 제어하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제13항에 있어서,
상기 구동제어부는 상기 입력전류의 피크전류를 검출하는 제2피크디텍터를 더 포함하고,
상기 구형파 발생기에서 생성한 상기 구형파 신호의 상기 구형파 주기가 상기 피크전류에 비례하도록 제어하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제11항에 있어서,
상기 전류공급부는 인덕터를 포함하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제11항에 있어서,
상기 전류공급부는 트랜스포머를 포함하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제11항에 있어서,
상기 구동제어부는 상기 구형파 주기의 제어를 일정 시간 간격을 두고 주기적으로 수행하는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
제11항에 있어서,
상기 입력전류가 상기 입력전압의 파형과 같은 모양의 파형을 갖는,
스위칭 모드 파워 서플라이 방식의 LED 구동장치.
입력전원으로부터의 입력전압을 충전 및 방전하여 입력전류로 변환하는 과정;
상기 입력전류를 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 과정;
상기 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 과정; 및
상기 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하는 과정
을 포함하고,
상기 구형파 신호를 생성하는 과정은 상기 구형파 신호의 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 과정을 포함하는,
스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED(Light Emitting Diode) 구동방법.
입력전원으로부터의 입력전압을 충전 및 방전하여 입력전류로 변환하는 과정;
상기 입력전류를 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 모듈로 공급하는 과정;
상기 충전 및 방전을 위한 스위칭 동작을 하는 과정; 및
상기 스위칭 동작을 위한 구형파 신호를 생성하는 과정
을 포함하고,
상기 구형파 신호를 생성하는 과정은 상기 구형파 신호의 구형파 폭과 구형파 주기를 각각 독립적으로 제어하는 과정을 포함하고,
상기 LED 모듈에 공급되는 입력전력이 상기 입력전압이나 상기 LED의 순방향 전압과 무관하게 소정의 상수에 의해서만 일정하게 정해지는,
스위칭 모드 파워 서플라이 (Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식의 LED (Light Emitting Diode) 구동방법.