KR20170060040A - 스마트 조명 시스템 - Google Patents

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Abstract

다채널 전류 레귤레이터가 조명 시스템 내의 채널과 관련된 부하로 최대 전류를 전달하도록 구성된다. 상이한 채널은 상이한 최대 전류를 가질 수 있으며 최대 전류 사이의 비가 고정된다. 동작 중에, 각 채널의 전류는 부하로 흐르는 전류를 제어하는 펄스 스트림에 의해 개별적으로 변조될 수 있다.

Description

스마트 조명 시스템{SMART LIGHTING SYSTEM}
다채널 전류 레귤레이터는 전통적으로 각 채널에서 동일하거나 유사한 최대 전류를 소스 또는 싱크하도록 설계된다. 이 접근은 부하가 채널에 고르게 분배되는 애플리케이션에 적합하다.
그러나, 각 채널에 대한 요구 전류가 상이한 애플리케이션들이 있다. 이 경우에서, 전류 레귤레이터 설계의 이러한 접근은 적합하지 않다. 예를 들면, 전류 레귤레이터가 상이한 색의 다중 LED 스트링을 구동하는 데 사용될 때, 특히 각 채널이 조광기에 의해 조정될 수 있을 때, 전통적인 전류 레귤레이터 설계는 낭비적이고 값비싸며 "스마트-조명" 시스템에 통합되기 어렵다.
이 결함의 원인은 상이한 색상의 빛에 대한 인간의 감각의 차이로 인하여 색상 혼합에서 최적인 상이한 색상의 LED로부터의 루멘(lumen)이 상이한 점이다. 예를 들면, 다양한 색 온도의 식별 가능한 백색광을 생성하고자 녹색 및 적색 광과 혼합하는 청색광에 대해서는 루멘이 더 적어진다. 녹색 광을 구동하는 채널이 동일한 전류 성능을 위해 설계된 경우, 청색 채널은 종종 과도하게 설계되고 에너지 효율이 떨어진다.
더 심각한 결함은 스마트 조명 시스템으로 통합될 때, 이러한 전류 레귤레이터가 다른 양상에서 시스템 성능을 불량하게 하는 점이다. 즉, 상관 색 온도(correlated color temperature, CCT) 튜너블 또는 컬러 튜너블 시스템 내에서, 예를 들면, 각 채널이 최대 루멘으로부터 최소 루멘으로 고해상도로 별도로 튜닝이 가능한 것이 바람직하다. 모든 채널이 동일하거나 유사한 피크 전류 용량을 갖는 전통적인 다채널 전원으로는 그 최대 용량을 전달할 필요가 없는 채널이 정상 동작에서는 튜닝되지 않는 사용되지 않는 전류 헤드룸(head room)을 가진다. 한편, 튜닝 회로는 종종 조명 시스템의 나머지 부분과 호환되도록 하기 위하여 전체 전류 범위에 대해 설계된다. 과도하게 설계된 채널에 대한 명백한 동적 범위는 좋지 않다. 결과적으로 시스템 동적 범위가 열등하게 된다. 이 문제는 일반적으로 인식되지 않았으며 이 발명 이전에는 해결되지 않았다.
발명자는 현재의 스마트 조명 시스템의 단점을 인식하고 해결책을 발명하고자 노력하였으며, 그 해결책이 이 명세서에 개시되고 이하에서 요약된다.
본 발명의 일 양상은 각 채널이 부하로 최대 전류를 전달할 수 있지만 상이한 채널은 상이한 최대 전류를 가질 수 있으며, 최대 전류 사이의 비가 고정되도록 구성되는 다채널 전류 레귤레이터에 관한 것이다. 예를 들면, 스마트 조명 시스템을 위해 설계된 4채널 전류 레귤레이터에서 4채널의 최대 전류는 1:1:0.75:0.25의 비를 따른다.
이 명세서에서, 최대 전류는 제품과 해당 제품이 집적된 시스템이 안전하게 기능할 수 있는 충분한 동작 마진을 가지고 채널이 소스 또는 싱크할 수 있는 전류로 이해되어야 한다. 각 채널에 흐르는 전류는 짧은 시간 동안 최대값을 넘을 수도 있지만 신뢰성 있고 안전한 동작을 위해 이러한 실시는 추천되지 않는다.
다채널 전류 레귤레이터는 집적 회로의 형태로 구현될 수 있다. 현재로서는, 규소가 집적 회로 제조를 위해 선호되는 재료이지만, 탄화규소, 질화갈륨, 갈륨비소 등과 같은 다른 반도체 재료가 또한 고려될 수 있다.
달리 언급되지 않는 한, 본 명세서에 기술된 모든 구현예는 제조 제한이 있는 제품이며, 따라서 구현예와 관련된 임의의 수는 통상적인 산업 허용오차를 갖는 것으로 취급되어야 한다. 예를 들면, 이 명세서에서 1:1의 비는 수학적으로 1:1에 가까우며 LED 조명 시스템에 대해 상업적으로 받아들여지는 비를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다른 양상은 각 채널의 최대 전류가 조정될 수 있지만 그 조정이 채널 사이의 비를 교란하지 않으며, 비가 고정된 상태로 유지되는 점이다.
유연함을 위하여, 각 채널의 최대 전류가 개별적으로 조정 가능한 것이 고려될 수 있지만, 모든 채널의 최대 전류를 공통 메커니즘으로 조정하여 조정 후에도 최대 전류 사이의 비가 교란되지 않고 유지되도록 하는 것이 더 경제적이다.
본 발명의 다른 양상은 최대 전류의 비가 고정되지만, 각 채널의 실제 전류는 변조를 통해 개별적으로 조정될 수 있는 점이다.
전류가 변조될 수 있는 하나의 방법은 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM)이다. 이 방법으로, 일부 실시예에서 LED 광원으로 흘러 들어가거나 이로부터 흘러나오는 전류가 스위칭 장치가 열렸을 때 흐르도록 허용되고 닫혔을 때 제한된다. 식별 가능한 시간 동안의 전류의 양 또는 상기 시간 동안 광원으로부터 방출되는 광량이 스위칭 장치를 작동시키는 펄스 스트림의 듀티 사이클을 변경시킴에 의해 변조된다.
채널에서 전류 흐름을 변조하는 데 채용될 수 있는 다른 방법은, 펄스 스트림은 일정한 듀티 사이클을 유지하지만 펄스 스트림의 주파수가 변하는 펄스 주파수 변조를 포함한다.
전압 또는 전류 펄스 스트림은 연속되는 펄스로 이루어지며, 이들 각각은 고수준과 저수준을 갖는다. 펄스의 듀티 사이클은 펄스가 고수준에 있을 때의 지속 시간과 펄스가 저수준에 있을 때의 지속 시간의 비이다.
본 발명의 다른 양상은 전류 레귤레이터이며, 이는 하나의 단일 집적 회로로 구성될 수 있다. 대부분의 애플리케이션에서, 단일 칩 다채널 전류 레귤레이터로 충분할 수 있지만, 용량을 고려하여, 다수의 칩이 시스템 내로 집적될 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 전류 레귤레이터가 디지털 조광 신호 또는 아날로그 조광 신호를 통해 조광 가능한 것이다. 경제성을 고려하여, 각 채널에서 전류 흐름을 변조하기 위하여, 아날로그 조광 신호를 디지털 펄스 스트림으로 변환하는 것이 더 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 전류 레귤레이터의 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 예시적인 전류 레귤레이터를 포함하는 전형적인 스마트 조명 시스템을 나타낸다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 여러 양상을 구현하는 예시적인 전류 레귤레이터(100)의 블록도를 나타낸다. 예시적인 전류 레귤레이터(100)는 튜너블 백색광 및 튜너블 컬러 스마트 조명 애플리케이션 용으로 만들어진 4채널 비-최적화 정전류 레귤레이터이다. 본 발명을 구현하는 다른 전류 레귤레이터는 4보다 많거나 작은 채널을 가질 수 있다. 예를 들면, 본 발명을 구현하는 전류 레귤레이터가 둘 또는 세 개의 채널을 가질 수 있다. 전류 레귤레이터(100)는 최대 전체 구동 전류 1.5 A와 500 mA까지의 최대 전류 채널 용으로 설계되었다. 이 특정한 구동 전류는 넓은 범위의 스마트 조명 애플리케이션에 사용되므로 예시를 위해 선택되었다. 이 설계에서 집적된 낮은 사이드 전류 싱크는 LED 공통-애노드 연결 또는 상이한 애노드 전압을 허용한다.
튜너블 컬러 또는 튜너블 백색광 애플리케이션에서 채널 사이의 전류 비는 사전 결정된다. 최대 전류는 단일 집적 회로(IC) 칩으로 구성된 전류 레귤레이터(100)의 외부에 있을 수 있는 저항기(60)를 통해 조정될 수 있다. 저항기(60)는 IC 칩의 단자 RSET(50)에 직접 연결될 수 있다. 각각 출력 단자 Pin1(10), Pin2(20), Pin3(30), 및 Pin4(40)로 흐르는 채널 1의 최대 전류 I1(101), 채널 2의 최대 전류 I2(102), 채널 3의 최대 전류 I3(103) 및 채널 4의 최대 전류 I4(104)는 아래의 식에 따라 표현될 수 있다.
Imax1=2000*VREF/RSET
Imax2=2000*VREF/RSET
Imax3=1500*VREF/RSET
Imax4=500*VREF/RSET
여기에서, VREF = 1.5V이다.
예를 들면, 고정된 VREF에 대해, RSET 저항기(60)를 12kΩ으로 설정하면, 채널 1, 2, 3 및 4는 각각 250mA, 187.5mA, 250mA 및 62,5mA의 최대 전류를 제공할 수 있다. RSET 저항기(60)를 다른 값으로 설정하면, 채널 1 내지 채널 4에 대한 최대 전류를 다른 값으로 조정할 수 있다. 그러나, 최대 전류 사이의 비는 사전 결정된 것과 동일하게 유지된다. 애플리케이션에 따라, 두 개 이상의 채널이 함께 묶여 하나의 LED 광원을 집합적인 전류로 구동할 수 있다.
전류 레귤레이터(100)는 펄스폭 변조를 통해 조광 기능을 집적하도록 설계된다. 펄스 주파수 변조 및 아날로그 조광과 같은 조광 목적으로 전류를 변조하는 다른 방법이 또한 고려될 수 있다. 조광 신호는 IC 칩의 PWM 핀(PWM1(55), PWM2(65), PWM3(75) 및 PWM4(85))에 연결된다. 이 실시예에서, 전류 레귤레이터(100)는, 스타트업 동안, 예를 들면, 500 Hz 내지 4 KHz의 PWM 주파수 범위에서 PWM 조광 모드로 동작하도록 구성된다. 이 모드에서, PWM 신호의 고수준은 전류 싱크를 켜서 LED를 통해 전류가 흐르게 하고 PWM 신호의 저수준은 전류를 꺼서 각 해당 채널의 LED 전류 및 LED 밝기를 조정한다.
실시예 2
본 발명의 다른 구현예에서, 에너지 효율적인 조명 관리를 달성하기 위하여 스마트 LED 조명 시스템이 유선 또는 무선 제어를 사용할 수 있다. 도 2는 본 발명의 양상을 구현하는 예시적인 스마트 조명 시스템(200)의 블록도를 나타낸다. 조명 시스템(200)은 AC-DC 전력 변환 유닛(210), 색상 관리 MCU(220), LED 전류 레귤레이터(230) 및 발광 다이오드(240)를 포함한다.
AC-DC 전력 변환 유닛(210)은 MCU(220), LED 전류 레귤레이터(230) 및 발광 다이오드(240)에 전력을 공급하기 위하여 정전압(CV)을 제공한다. 이 전형적인 스마트 조명 시스템(200)은 MCU(220)용 3.3 V 및 고출력/저출력 LED 광원(240)용 12 V / 24 V 전원을 필요로 한다.
MCU(220)와 전류 레귤레이터(230) 사이의 인터페이스는 인에이블링 신호(2310), 펄스폭 변조 신호(PWM1(2355), PWM2(2365), PW3(2375), PWM4(2385)) 및 FAULTB 신호(2320)를 포함한다. MCU(220)는 EN 신호(2310)를 활성화시켜 전류 레귤레이터(230)를 켜고 LED 광원(240)에 전력을 공급한다. EN 핀(2310)이 저수준일 때 전류 레귤레이터(230)는 에너지를 절약하기 위해 셧다운된다. MCU(220)는 광혼합 알고리즘을 구현하여 PWM 핀(2355-2385)을 통해 적절한 PWM 신호를 발생한다. 전류 레귤레이터(230) 내에서 임의의 일반적인 고장이 일어나는 경우, FAULTB 신호(2310)가 저수준으로 되어 적절한 동작을 위해 MCU(220)를 인터럽트한다.
전류 레귤레이터(230)는 4채널 LED 구동기 구조로 구성되며 각 채널에 대해 아날로그 또는 PWM 조광 제어를 채택할 수 있다. 4개의 병렬 LED 구동기 채널 구조는 튜너블 백색광(2채널 또는 3채널) 또는 튜너블 컬러(3채널 또는 4채널) 애플리케이션 용으로 구성된다. 도 2에 나타난 시스템은 8개까지의 백색, 청색, 녹색 LED 또는 10개의 적색 LED가 직렬로 구성된 LED 광원(240)을 지원하며 600 내지 1,200 루멘의 조명을 전달할 수 있다.
기준 전류는 전류 레귤레이터(230) 외부의 저항기(260)에 의해 설정될 수 있다. 12kΩ 저항기(260)로 REF 핀(2600)에서의 기준 전류가 0.125 mA로 설정될 수 있다. 튜너블 백색광 또는 튜너블 컬러 애플리케이션이 여러 색깔 광의 동일하지 않은 루멘을 사용하기 때문에, 전류 레귤레이터(230)는 4채널 사이에서 1:0.75:1:0.25의 전류 비를 채택한다. 이 전류 비는 전류 레귤레이터(230)의 칩 크기의 더 효율적인 사용을 가져온다. 전류 미러와 같은 내부 전류 비 회로를 통해, 채널 1, 2, 3 및 4의 최대 전류는 각각 250 mA, 250 mA, 187.5 mA 및 62.5 mA로 설정될 수 있다. 각 에미터 스트링을 통하는 실제 전류는 조광 메커니즘에 의해 더 변조될 수 있다.
실시예 3
본 발명의 구현예에서, 도 2를 참조하면, 두 개의 LED 채널에 기반하여 백색 온도를 튜닝하는 튜너블 백색광 조명 시스템이 구현될 수 있으며 LED1(201) 및 LED2(202)를 사용하여 각 채널을 통해 동일한 전류를 제공하고 MCU에 의해 발생하는 PWM1 및 PWM2 신호(2355, 2365)를 사용하여 백열등의 조광 효과를 모방한다. CCT 조광의 품질을 더욱 개선하기 위하여, 더 미세한 CCT 조정을 제공하기 위한 적합한 변조와 함께 I3(203)(비 0.75) 또는 I4(204)(비 0.25)를 사용할 수 있다.
실시예 4
본 발명의 다른 구현예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 백색광을 발생하고자 적색, 녹색 및 청색을 혼합하기 위한 3개의 LED 채널을 사용하여 조명색을 튜닝하는 튜너블 컬러 조명 시스템이 구현될 수 있다. 백색광을 위한 적절한 GRB 색혼합비는 8:6:2이며, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 I2(10), I3(20) 및 I4(30) 사이의 예시적인 전류 레귤레이터(100) 내의 전류 비이다. MCU(220)에 의해 발생되는 PWM 신호로 3개의 RGB LED 광원을 사용하여 원하는 튜너블 백색 및 컬러를 발생할 수 있다. 연색성(Color Rendering Index, CRI)을 더욱 개선하기 위하여, 추가적인 백색광 세기를 제공하는 LED1(10)(Imax1 비 1)을 또한 사용할 수 있다.

Claims (18)

  1. 제1 최대 전류를 출력하도록 구성되며, 제1 출력 핀에 연결된 제1 전류 공급 회로;
    제2 최대 전류를 출력하도록 구성되며, 제2 출력 핀에 연결된 제2 전류 공급 회로를 포함하며,
    상기 제2 최대 전류는 상기 제1 최대 전류보다 작고 상기 제1 최대 전류의 고정된 비율(fraction)인 집적 회로.
  2. 제1 최대 전류를 출력하도록 구성되며, 제1 출력 핀에 연결된 제1 전류 공급 회로;
    제2 최대 전류를 출력하도록 구성되며, 제2 출력 핀에 연결된 제2 전류 공급 회로;
    제3 최대 전류를 출력하도록 구성되며, 제3 출력 핀에 연결된 제3 전류 공급 회로;
    제4 최대 전류를 출력하도록 구성되며, 제4 출력 핀에 연결된 제4 전류 공급 회로를 포함하며,
    상기 제4 최대 전류는 상기 제3 최대 전류의 a 비율이고, 상기 제2 최대 전류의 b 비율이고, 상기 제1 최대 전류의 c 비율이며, a, b 및 c는 모두 1이 아닌 집적 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전류 공급 회로는 상기 제1 출력 핀으로 상기 제1 최대 전류보다 크지 않은 조정 가능한 제1 전류를 흘리도록 구성되고, 상기 제2 전류 공급 회로는 상기 제2 출력 핀으로 상기 제2 최대 전류보다 크지 않은 조정 가능한 제2 전류를 흘리도록 구성되며, 상기 제1 전류 및 제2 전류는 독립적으로 조정 가능한 집적 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전류를 조정하도록 구성되는 제1 제어 회로, 및 상기 제2 전류를 조정하도록 구성되는 제2 제어 회로를 더 포함하는 집적 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 제어 회로는 상기 제1 전류를 조정하기 위하여 상기 제1 전류 공급 회로로 제1 펄스 신호를 전송하도록 구성되고, 상기 제2 제어 회로는 상기 제2 전류를 조정하기 위하여 상기 제2 전류 공급 회로로 제2 펄스 신호를 전송하도록 구성되는 집적 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 펄스 신호는 상기 제2 펄스 신호로부터 독립적으로 조정 가능하도록 적응될 수 있는 집적 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    제3 출력 핀으로 상기 제3 최대 전류보다 크지 않은 조정 가능한 제3 전류를 흘리도록 구성되는 제3 전류 공급 회로, 제4 출력 핀으로 상기 제4 최대 전류보다 크지 않은 조정 가능한 제4 전류를 흘리도록 구성되는 제4 전류 공급 회로를 더 포함하는 집적 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전류 공급 회로에 연결된 공통 전류 신호를 더 포함하며, 상기 전류 신호는 전류 레귤레이터 외부의 저항기의 저항에 대해 단조롭게(monotonically) 변하도록 구성되는 전류 레귤레이터.
  9. 제1 출력 핀 및 제2 출력 핀을 갖는 집적 회로;
    상기 집적 회로의 제1 출력 핀에 연결되는, 상기 집적 회로 외부의 제1 LED 광원;
    상기 집적 회로의 제1 출력 핀에 연결되는, 상기 집적 회로 외부의 제2 LED 광원을 포함하며,
    상기 집적 회로는 제1 전류 공급 회로 및 제2 전류 공급 회로를 포함하고, 상기 제1 전류 공급 회로는 상기 제1 출력 핀으로 제1 최대 전류를 흘리도록 구성되고, 상기 제2 전류 공급 회로는 상기 제2 출력 핀으로 제2 최대 전류를 흘리도록 구성되며,
    상기 제1 최대 전류는 상기 제2 최대 전류보다 큰 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 집적 회로의 제3 출력 핀에 연결되는, 상기 집적 회로 외부의 제3 LED 광원;
    상기 집적 회로의 제4 출력 핀에 연결되는, 상기 집적 회로 외부의 제4 LED 광원을 더 포함하며,
    상기 집적 회로는 제3 전류 공급 회로 및 제4 전류 공급 회로를 더 포함하고, 상기 제3 전류 공급 회로는 상기 제3 출력 핀으로 제3 최대 전류를 흘리도록 구성되고, 상기 제4 전류 공급 회로는 상기 제4 출력 핀으로 제4 최대 전류를 흘리도록 구성되며,
    상기 제4 최대 전류는 상기 제3 최대 전류의 a 비율이고, 상기 제2 최대 전류의 b 비율이고, 상기 제1 최대 전류의 c 비율이며, a, b 및 c는 모두 1이 아닌 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전류를 조정하도록 구성되는 제1 제어 회로, 상기 제2 전류를 조정하도록 구성되는 제2 제어 회로, 상기 제3 전류를 조정하도록 구성되는 제3 제어 회로, 및 상기 제4 전류를 조정하도록 구성되는 제4 제어 회로를 더 포함하는 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 집적 회로 외부의 저항기;
    상기 집적 회로 내부의 공통 전류 신호를 더 포함하며,
    상기 저항기의 저항의 함수인 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 최대 전류, 제2 최대 전류, 제3 최대 전류 및 제4 최대 전류는 상기 공통 전류 신호에 대해 단조롭게 변하는 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제4 최대 전류는 상기 제2 최대 전류의 1/3이며, 상기 제1 최대 전류 및 상기 제3 최대 전류의 1/3인 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 LED 광원은 백색이며, 상기 제2 LED 광원은 녹색이고, 상기 제3 LED 광원은 적색이며, 상기 제4 LED 광원은 청색인 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 집적 회로는 제1 제어 회로에 연결된 제1 조광(dimming) 신호, 제2 제어 회로에 연결된 제2 조광 신호, 제3 제어 회로에 연결된 제3 조광 신호 및 제4 제어 회로에 연결된 제4 조광 신호를 갖는 조광 신호 회로를 더 포함하며; 상기 조광 신호는 고 신호 수준과 저 신호 수준을 갖는 펄스 신호인 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 조광 신호 회로는 조광 입력 신호를 수신하도록 구성되는 입력 단자를 더 포함하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 조광 회로는 색상 관리 회로로부터 상기 조광 입력 신호를 수신하도록 구성되는 시스템.
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