KR20190005927A - 자동차 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 직렬로 연결되는 2개 이상의 광원 유닛(LED1 ...LED4)을 구비하는, 반도체 광원들의 적어도 하나의 분기(1)를 포함하는 자동차 조명 장치에 관한 것으로, 개별 광원 유닛들에는 이 광원 유닛들을 브릿지하는 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)가 할당되며, 상기 적어도 하나의 분기는 DC/DC 컨버터(3)의 출력 전압(UA)에 의해 접지로 이어지며, 각각의 MOSFET 스위치에는 그 제어를 위해 제어 회로(4-1 ...4-4)가 할당되며, 각각의 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)는 p-채널 MOSFET이며, DC/DC 컨버터(3)에는 정류기 회로(5)가 할당되며, 정류기 회로의 입력단은, 접지된 상태에서 음의 전압 펄스가 발생하는 컨버터의 저장 인덕터(L2)의 극부와 연결되며, 그리고 정류기 회로(5)는, 음의 펄스를 정류하여, 각각의 MOSFET 스위치를 스위칭하기 위해 제어 회로(4-1 ...4-4)로 발생하는 음의 DC 전압(US)을 제공하도록 형성된다.

Description

자동차 조명 장치
본 발명은, 직렬로 연결된 2개 이상의 광원 유닛을 포함하는, 반도체 광원들의 적어도 하나의 분기를 포함하는 자동차 조명 장치에 관한 것이며, 개별 광원 유닛들에는 이 광원 유닛들을 브릿지하는 MOSFET 스위치가 할당되며, 적어도 하나의 분기는 DC/DC 컨버터의 출력 전압에 의해 접지로 이어지며, 각각의 MOSFET 스위치에는 그 제어를 위해 제어 회로가 할당된다.
예를 들어, 헤드램프와 같은, 이러한 유형의 자동차 조명 장치의 경우, 매트릭스 광 또는 벤딩 광 기능들과 같은 복잡한 광 기능들의 실현을 위해 개별적으로 스위치 온 또는 오프되거나, 또는 주기적으로 디밍(dimming)의 측면에서 클록 제어되는 다수의 광원 유닛이 제공된다. 광원으로서는 대개 LED들 또는 레이저 다이오드들이 이용되며, 레이저 다이오드들은 흔히 광 변환 수단들과 함께 이용된다. 본원에서 이용되는 용어 "광원 유닛들"은, 이것들이 직렬로, 및/또는 병렬로 연결되는 개별 광원들, 예컨대 LED들의 조합의 직렬 회로도 또한 포함되어야 하며, 상기 조합은 하나의 광원 유닛을 형성한다는 것을 의미한다는 것이 이해되어야 한다.
이론적으로, 모든 통용되는 회로 개념은, 활성화/비활성화 대상 광원 유닛들, 예컨대 LED가 반도체 스위치에 의해 브릿지됨으로써, 전류가 LED 대신 스위치를 경유하여 흐른다는 사항을 기반으로 한다. 반도체 스위치로서는 일반적으로 MOSFET들, 바이폴라 트랜지스터들, 또는 완전 집적형 IC 솔루션들이 이용된다.
대상이 되는 자동차 조명 장치의 경우, 추가로, 일반적으로 LED 개수가 가변되고 이에 수반되어 LED 라인 전압도 가변하는 경우, 단지 입력 전압보다 더 크고 더 작은 전압에 대해 반응할 수 있는 DC/DC 컨버터만이, 예컨대 Cuk 컨버터 또는 SEPIC 컨버터만이 이용될 수 있다는 문제도 존재한다.
이 경우 발생하는 문제는, 모든 가능한 LED 조합의 전체 범위에서 기능성을 이용할 수 있도록 하기 위해, 스위치들을 위해 필요한 전압 값들을 공급하고 이 전압 값들은 개별 스위치들의 동적 가변 스위칭 임계값들(switching threshold)에 매칭시켜야 한다는 점에 있다. 통용되는 해결책들은 때로는 구현될 때 높은 전력 손실을 야기하거나, 혹은 해결책들 자체가 기능 범위에서부터 제한되거나, 또는 특별한 적용을 위해 비용 및 부품 개수와 관련하여 복잡해진다. 예컨대 흔히 이용되는 n-채널 MOSFET의 제어는 상대적으로 높은 전력 손실과 연관되며, 그리고 흔히 이를 위해 차지 펌프(charge pump)가 필요하다. 변압기들 또는 옵토 커플러들(optocoupler)을 이용하는 이론적으로 가능한 해결책들은 고가이며, 그리고 자동차 분야에서는 구현하기가 쉽지 않고, 이런 사항은 완전 집적형 해결책들에도 역시 적용된다.
WO 2014/095173 A1호로부터는, LED에 병렬로 연결되는 전계효과 트랜지스터를 위한 제어 회로가 개시되어 있다. 간섭 및 전압 변동에 대해 민감하지 않으면서 신속하게 기능하는 제어를 가능하게 하기 위해, 고유 전압원에서 전원을 공급받는 전류 미러(current mirror)뿐 아니라, 제어 신호들을 위한 레벨 컨버터(level converter)가 제공되어 있다. 직렬로 연결되는 2개 이상의 LED를 이용할 경우 본 발명의 기초가 되는 문제는 상기 문헌에 기재되어 있지도 않으며 그 해결책도 없다.
문헌 US 2006/038803 A1호는 복수의 LED를 포함하는 분기를 위한 제어 회로에 관한 것이며, 각각의 LED에는 FET 스위치가 병렬로 연결되어 있다. LED 분기를 관류하는 전류는 컨트롤러를 통해 일정하게 유지되기는 하지만, 각각의 LED, 또는 이 LED에 할당된 FET 스위치는 마이크로 컨트롤러에 의해 별도로 제어될 수 있다. DC/DC 컨버터에서부터 LED들의 제어 회로를 위한 DC 전압을 공급하기 위한 해결책은 상기 문헌에서는 추론되지 않는다.
본 발명의 과제는, 본원에서 고려되는 유형의 자동차 조명 장치를 위해, 완전한 작동 신뢰성이 있지만 그럼에도 비용 효과적인 전술한 문제들의 해결책을 확보하는 것에 있다.
상기 과제는, 최초에 언급한 유형의 자동차 조명 장치에 있어서, 본 발명에 따라서 각각의 MOSFET 스위치는 p-채널 MOSFET이며, DC/DC 컨버터에는 정류기 회로(rectifier circuit)가 할당되며, 정류기 회로의 입력단은, 접지된 상태에서 음의 전압 펄스가 발생하는 것인 컨버터의 저장 인덕터의 극부(pole)와 연결되며, 그리고 정류기 회로는, 음의 펄스를 정류하여, 각각의 MOSFET를 스위칭하기 위해 제어 회로로 발생하는 음의 DC 전압을 제공하도록 형성되는 것인, 상기 자동차 조명 장치에 의해 해결된다.
본 발명은, 예컨대 집적형 개념들에서는 불가능한 사항인 복수의 LED의 동시 브릿지 역시도 가능하게 하는 비용 효과적인 해결책을 달성한다. 또한, 자신의 소스가 접지 전위에 있는 것인 MOSFET들 역시도 완벽하게 제어될 수 있다.
유효한 변형예의 경우, DC/DC 컨버터는 Cuk 컨버터 또는 SEPIC 컨버터이다.
비용 효과적인 해결책에 따르면, 정류기 회로는 DC 전압의 생성을 위한 정류기 다이오드를 포함한다.
추가로 바람직하게는, 정류기 회로는 DC 전압을 위한 필터 수단을 추가로 포함한다.
또한, 매우 권장되는 점에 따르면, 정류기 회로는 DC 전압을 위한 안정화 수단을 포함한다.
실무에 적합한 실시예의 경우, 각각의 제어 회로는 콜렉터 회로로 동작되는 npn 트랜지스터를 포함하며, 이 npn 트랜지스터의 콜렉터는 관련된 MOSFET 스위치의 게이트와 연결된다.
이런 경우에, 추가로 권장되는 점에 따르면, npn 트랜지스터의 상류에 pnp 예비단 트랜지스터(pnp preliminary-stage transistor)가 연결된다.
전체 제어를 위한 출발점으로서 적합하게는, 자신의 출력단들이 MOSFET 스위치들을 위한 제어 회로들로 이어져 있는 마이크로 컨트롤러가 제공된다.
추가 장점들과 함께 본 발명은 하기에서 도면에 도해되어 있는 예시의 실시형태들에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 기본 구성을 도시한 간략한 블록회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태의 또 다른 세부사항들을 더 상세하게 도시한 상세도이다.
도 1에 따른 블록 회로도에는, 본 발명에 따른 자동차 조명 장치를 제어하는 실질적인 요소들이 개략적이면서도 간략한 형태로 도시되어 있다. 도면에는, 본 예에서 직렬로 연결되는 4개의 반도체 광원 유닛(LED1 ...LED4)을 포함하는 분기(1)가 도시되어 있으며, 각각의 광원 유닛에는 이 광원 유닛을 브릿지하는 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)가 할당된다. 분기(1)는 DC/DC 컨버터(3)의 출력 전압(UA)에 의해 접지로 이어지며, 각각의 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)에는 그 제어를 위해 제어 회로(4-1 ...4-4)가 할당된다. DC/DC 컨버터(3)의 입력 전압(UE)은 일반적으로 자동차의 차량 전기 시스템에서 인출된다. 제어 회로(4-1 ...4-4)들은 예컨대 +5V의 공급 전압(VCC)을 공급받는다. 계속하여 하기에서 더 상세하게 도시되고 기재되는 것처럼, 제어 회로(4-1 ...4-4)들에는 스위칭 신호(s1 ...s4)들이 공급된다.
이미 최초에 언급한 것처럼, 반도체 광원 유닛들로서는, 바람직하게는 LED들 또는 레이저 다이오드들이 이용되며, 레이저 다이오드들은 흔히 광 변환 수단들과 함께 이용된다. 본원에서 이용되는 용어 "광원 유닛"은, 이론적으로, 광원 유닛(LED1 ...LED4) 각각이, 직렬로, 및/또는 병렬로 연결되는 개별 광원들, 예컨대 LED들의 조합 역시도 포함할 수 있다는 것을 의미한다는 것이 이해될 것이다. 비록 분기(1)에는 여기서 4개의 광원 유닛(LED1 ...LED4)이 도시되어 있기는 하지만, 상기 개수는 상이할 수 있으며, 그리고 조명 장치는 상기 분기를 더 많은 개수로 포함할 수도 있다.
각각의 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)는 본 발명에 따라서 p-채널 MOSFET이 할당되고, DC/DC 컨버터(3)에는 정류기 회로(5)가 할당되며, 이 정류기 회로의 입력단은, 접지된 상태에서 음의 전압 펄스가 발생하는 것인 여전히 더 상세하게 기재될 컨버터의 저장 인덕터(L2)의 극부와 연결된다. 정류기 회로(5)는, 음의 펄스를 정류하여, 각각의 MOSFET(2-1 ...2-4)들을 스위칭하기 위한 스위칭 전압으로서 제어 회로로 발생하는 음의 DC 전압(US)을 제공하도록 형성된다. 각각의 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)는 각각의 광원 유닛(LED1 ...LED4)들을 통해 전류를 브릿지하며, 그리고 그에 따라 상기 광원 유닛들을 스위치 오프하거나, 또는 펄스폭 변조 방식으로 상기 광원 유닛들의 휘도를 디밍할 수 있다.
이롭게도, DC/DC 컨버터(3)는 입력 전압(UE)보다 출력 전압(UA)을 더 높게 설정할 수 있을 뿐 아니라 더 낮게도 설정할 수 있고, 여기서 출력 전압(UA)은, 광원 유닛(LED1 ...LED4)들이 원하는 공급 전류(IG)의 필요한 동작 포인트에서 동작되는 방식으로 조정된다. 예를 들어, SEPIC 컨버터 또는 Cuk 컨버터를 전문가 커뮤니티에서 공지된 컨버터로서 이용하는 것이 가능하며, 여기서 토폴러지가 저장 쵸크(storage choke)에서 음의 전압을 생성하고, 이는 본 발명의 구현을 위해 필수적이다. 또한, Cuk 컨버터는 또한 변압기를 포함하는 절연 설계를 포함할 수 있다.
도 2에는, 본 발명에 따른 제어의 상세한 실시예가 도시되어 있다. 여기서, DC/DC 컨버터(3)는, 공지된 방식으로 3개의 에너지 저장 장치, 즉 2개의 인덕터(L1, L2) 및 하나의 커패시터(C1)를 포함하는 SEPIC 컨버터로서 형성되어 있다. 인덕터들은 하나의 공통 코일 포머(coil former) 상에 배치될 수 있다. 입력 전압(UE)으로 충전되는 커패시터(C1)는, 반도체 스위치(T1)가 스위치 오프된 위상에서, 자신의 에너지를 인덕터(L2)로 재충전한다. 이 경우, 상기 위상에서 차단 방향으로 작동하는 다이오드(D1)와 커패시터(C1) 또는 인덕터(L2) 사이에는, 정류기 회로(5)로 공급되는 음의 전압이 발생한다.
정류기 회로(5)는, 음의 전압을 탭핑(tapping)하여 정류하기 위해, 입력 측에 다이오드-커패시터 네트워크(D2, C3)를 포함한다. 다이오드(D2)는 다이오드(D1)가 전방으로 바이어싱되어 정류기 다이오드로서 작동할 때 하류의 커패시터(C3)가 양의 전압으로 충전되는 것을 방지한다. 출력 측에서는, 제너 다이오드(D3)가 전압 안정화를 위해 이용되고, 상기 제너 다이오드(D3)의 항복 전압을 초과하는 전압이 유도된다. 저항기(R1 및 R2)들은 전류 제한을 위해 이용된다. 정류기 회로(5)의 출력단 상의 커패시터(C4)는 안정화 효과를 증가시키면서 잔여 리플들(residual ripple)을 감소시킨다. 그에 따라 제너 다이오드(D3)의 항복 전압에 따르는 출력 전압(US)은 제어 회로(4-1 ...4-4)들을 위해 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)들을 스위칭하기 위한 스위칭 전압으로서 공급될 수 있다.
상기 제어 회로(4-1 ...4-4)들 각각은, 여기서 제어 회로(4-1)에 대해 도시된 것처럼, 예컨대 상류에 연결된 트랜지스터(T2)를 포함한 콜렉터 회로의 npn 트랜지스터(T3)로 구성되며, 이 npn 트랜지스터는, 예비단 트랜지스터로서, 양의 전압과 정류기 회로(5)로부터 공급되는 음의 전압(US) 간에 트랜지스터(T3)의 베이스를 스위칭하기 위해, 마이크로 컨트롤러(6)에 의해 제어된다. 트랜지스터(T3)의 콜렉터는 제어 회로(4-1)의 출력단이며, 그리고 그에 따라 관련된 MOSFET 스위치(2-1)의 게이트 상에 위치한다.
본 실시예의 경우에, 양의 전압은, R3 및 T2에서의 전압 강하를 제외하고, 공급 전압(VCC)에서 기인하는 전압, 예컨대 +5V이며, 그리고 음의 전압(US)은 -5V이다. 마이크로 컨트롤러(6)가 논리 상태 "높음(high)"(5V)으로 스위칭하면, 트랜지스터(T2)는 전류를 차단하고, 트랜지스터(T3)의 베이스 전압은 저항기(R5)를 통해 -5V로 감소된다. MOSFET 스위치(2-1)는 활성화되지 않는데, 그 이유는 전류 흐름이 발생하지 않고, 그에 따라 저항기(R4)에서는 전압 강하가 발생하지 않기 때문이다. 이와 반대로, 마이크로 컨트롤러가 트랜지스터(T2)의 베이스 전압을 논리 상태 "낮음(low)"(0V)으로 스위칭하면, 저항기(R6)를 포함한 분기 내에는 정전류(constant current)가 흐르며, 그리고 그에 상응하게 저항기(R4)에서는, 해당 소스 전극에서보다 트랜지스터(T3)의 콜렉터에서, 그리고 그에 따라 p-채널 MOSFET 스위치(2-1)의 게이트 입력단에서 더 낮은 전위를 갖는 정전압(constant voltage)이 강하한다. 이런 경우에, MOSFET 스위치(2-1)는 폐쇄되어 광원 유닛(LED1)을 브릿지한다.
본 실시예의 경우에, 정류기 회로(5) 내에서 전압(US)의 안정화는 제너 다이오드(D3)에 의해 수행되지만, 그러나 분명하게 이런 점이 본 발명을 제한하는 것으로 평가되어서는 안 된다. 오히려, 전압 안정화는, 예컨대 연산 증폭기가 이용되면서, 예컨대 선형 레귤레이터(linear regulator)에 의해서도 수행될 수 있다.
이미 예시한 것처럼, 반도체 광원 유닛(LED1 ~ LED4)들을 반드시 단일의 분기에서 정렬시키는 것이 또한 필수적인 것은 아니다. 반도체 광원 유닛들은 예컨대 2개의 분기로도 분할될 수 있다. 또한, 마이크로 컨트롤러(6)의 출력단은 제어 회로(4-1 ...4-4)들 중 2개 그 이상을 동시에 제어할 수 있다. 반도체 광원 유닛들의 개수는 물론 임의로 선택될 수 있으며, 그리고 예시에서 도시된 것과 같이 4개로도 제한되지 않는다.
본 발명의 핵심은, 결과적으로 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)들의 제어를 위해 이용될 수 있는 안정된 음의 전압을 획득하기 위해, DC/DC 컨버터(3)에서 음의 전압을 탭핑하는 것에 있다. 음의 전압을 공급할 뿐만 아니라 안정화하기 위한 도시된 요소들은, 단지 본원에 도시된 예에서 임의의 경우에 비용 효과적이고 그와 동시에 효율적인 해결책이며 그에 따라 기재한 본 발명과 함께 특별한 장점들을 나타내는 예시의 실시예일 뿐이다.
또한, 추가적인 스위칭 요소들의 선택은 실시하는 통상의 기술자에게 달려 있으며, 예컨대 추가되는 필터 요소들 및 보호 요소들도 가능하지만, 그러나 명확성을 위해 도시하지는 않았다.

Claims (9)

  1. 직렬로 연결되는 2개 이상의 광원 유닛(LED1 ...LED4)을 구비하는, 반도체 광원들의 적어도 하나의 분기(1)를 포함하는 자동차 조명 장치로서, 개별 광원 유닛들에는, 이 광원 유닛들을 브릿지하는 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)가 할당되며, 상기 적어도 하나의 분기는 DC/DC 컨버터(3)의 출력 전압(UA)에 의해 접지로 이어지며, 각각의 MOSFET 스위치에는 그 제어를 위해 제어 회로(4-1 ...4-4)가 할당되는 상기 자동차 조명 장치에 있어서,
    각각의 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)는 p-채널 MOSFET이고,
    상기 DC/DC 컨버터(3)에는 정류기 회로(5)가 할당되고, 상기 정류기 회로의 입력단은, 접지된 상태에서 음의 전압 펄스가 발생하는 상기 컨버터의 저장 인덕터(L2)의 극부와 연결되며,
    상기 정류기 회로(5)는, 상기 음의 펄스를 정류하여, 상기 각각의 MOSFET 스위치를 스위칭하기 위해 상기 제어 회로(4-1 ...4-4)로 발생하는 음의 DC 전압(US)을 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터(3)는 Cuk 컨버터인 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 DC/DC 컨버터(3)는 SEPIC 컨버터인 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류기 회로(5)는 상기 DC 전압(US)의 생성을 위한 정류기 다이오드(D2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류기 회로(5)는 상기 DC 전압(US)을 위한 필터 수단(C3, C4)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류기 회로(5)는 상기 DC 전압(US)을 위한 안정화 수단(D3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제어 회로(4-1 ...4-4)는 콜렉터 회로에서 동작되는 npn 트랜지스터(T3)를 포함하고, 상기 npn 트랜지스터의 콜렉터는 관련된 MOSFET 스위치(2-1)의 게이트와 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 npn 트랜지스터(T3)의 상류에는 pnp 예비단 트랜지스터(T2)가 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로 컨트롤러(6)가 제공되며, 상기 마이크로 컨트롤러의 출력단들은 상기 MOSFET 스위치(2-1 ...2-4)들을 위한 제어 회로(4-1 ...4-4)들로 이어지는 것을 특징으로 하는 자동차 조명 장치.
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