KR20210104122A - Ac 구동 발광 다이오드 시스템 - Google Patents

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KR20210104122A
KR20210104122A KR1020217022462A KR20217022462A KR20210104122A KR 20210104122 A KR20210104122 A KR 20210104122A KR 1020217022462 A KR1020217022462 A KR 1020217022462A KR 20217022462 A KR20217022462 A KR 20217022462A KR 20210104122 A KR20210104122 A KR 20210104122A
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switch
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KR1020217022462A
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마크 디 텔레푸스
스티븐 씨 게르버
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인테레솔, 엘엘씨
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Abstract

AC 전력을 사용하여 LED 디바이스(예를 들어, LED 조명)를 구동하기 위한 AC 구동 발광 다이오드 시스템 및 방법이 제공된다. 예를 들어, 집적 회로는 AC 전력에 연결하도록 구성된 제 1 전력선과 제 2 전력선, 및 복수의 LED 스테이지, 각각의 LED 스테이지는 다수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함하고, LED 스테이지의 입력 및 출력에 연결된 스위치를 포함한다. 집적 회로는 AC 전력으로 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 하나 이상의 LED 스테이지를 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 선택적으로 연결하는 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로부를 더 포함한다.

Description

AC 구동 발광 다이오드 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018 년 12 월 17 일에 출원된 AC-직접(direct) LED 드라이버라는 제목의 미국 가출원 일련 번호 62/780,377 및 2019 년 1 월 10 일에 출원된 모놀리식 방식으로(monolithically) 처리된 광 제너레이터라는 제목의 미국 가출원 일련 번호 62/791,014에 대해 우선권을 주장하고, 이의 개시는 본 출원에 참조로 전체가 통합된다.
기술 분야
본 개시는 전반적으로 발광 다이오드(LED) 조명 시스템(lighting system), 보다 상세하게는 LED 조명 시스템의 LED를 구동하기 위한 기술에 관한 것이다.
LED 조명 시스템은 대체할 수 없는 효율적인 백열등 및 형광 조명 시스템을 위한 차세대 조명 솔루션으로 건물과 가정에서 점점 더 인기를 얻고 있다. 그러나, LED 조명은 에너지 변환이 비효율적이며 조광기(dimmer)와 함께 사용하면 번거로운 깜박임이 발생한다. 또한, 기존의 LED 조명은 직류(DC) 전력을 사용하여 전력을 공급되므로, 이는 AC 메인(main)에서 DC 전력으로 변환하는 비싸고 부피가 크고 전자기적으로 잡음이 많은 변압기 기반 전력을 사용해야 한다.
본 개시의 실시예는 AC 전력을 사용하여 LED 디바이스 (예를 들어, LED 조명)를 구동하기 위한 AC 구동 LED 시스템 및 방법을 포함한다.
예를 들어, 본 개시의 실시예는 집적 회로를 포함하되, 상기 집적 회로는 AC 전력에 연결하도록 구성된 제 1 전력선 및 제 2 전력선; 복수의 LED 스테이지(stage)로서, 각각의 LED 스테이지는 복수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함하는, 상기 복수의 LED 스테이지; 상기 LED 스테이지의 입력 및 출력에 연결된 복수의 스위치; 및 상기 AC 전력으로 상기 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 하나 이상의 LED 스테이지를 상기 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로부를 포함한다.
본 개시의 다른 실시예는 AC 전력을 사용하여 LED를 구동하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 AC 전력을 인가하는 단계; 및 상기 AC 전력으로 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 복수의 LED 스테이지의 하나 이상의 LED 스테이지를 상기 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 선택적으로 연결하도록 복수의 스위치를 제어하는 단계를 포함하며, 각각의 LED 스테이지는 복수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함한다.
다른 실시예는 광 발생 디바이스(light generating device)를 포함한다. 광 발생 디바이스는 모놀리식 집적 회로(monolithic integrated circuit)를 포함하는 반도체 웨이퍼를 포함한다. 모놀리식 집적 회로는 : AC 전원에 연결하도록 구성된 AC 전력 입력 단자, 및 상기 AC 전력 입력 단자 각각에 연결된 제 1 전력선 및 제 2 전력선; 복수의 LED 스테이지로서, 각각의 LED 스테이지는 복수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함하는, 상기 복수의 스테이지; 상기 LED 스테이지의 입력 및 출력에 연결된 복수의 스위치를 포함하는 스위칭 회로부; 및 AC 전원으로부터의 AC 전력으로 상기 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 적어도 2 개의 LED 스테이지를 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로부를 포함한다.
다른 실시예는 첨부된 도면과 함께 읽혀질 실시예의 다음의 상세한 설명에서 설명될 것이다.
도 1은 LED 조명을 구동하는 데 사용되는 유틸리티 공급 전력의 예시적인 AC 파형을 개략적으로 예시한다.
도 2a-2k는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 LED 회로 및 LED 회로의 스위치들의 다양한 스위칭 상태를 개략적으로 예시한다.
도 3a는 도 2a-2k의 LED 회로에 인가되는 예시적인 AC 전압 파형을 예시하고, AC 전압 파형은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 AC 파형의 양의 하프 사이클 및 음의 하프 사이클에서 복수의 구역(zone)으로 분할되는 것으로 도시된다.
도 3b는 도 2a-2k의 LED 회로의 정류된 전류 파형을 개략적으로 예시하고, 정류된 전류 파형은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 도 3a에 도시된 복수의 구역으로 분할된다.
도 3c는 도 3b에 도시된 전류의 크기에 반비례하는 방식으로 각각의 구역에서 다수의 LED를 활성화함으로써 일정한 밝기를 달성하기 위한 예시적인 프로세스를 개략적으로 예시한다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 LED 회로를 개략적으로 예시한다.
도 5a는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 LED 회로를 구동하는 데 사용되는 AC 전압 파형의 14 개의 상이한 중첩 구역에 걸쳐 도 4의 LED 회로에서 스위치의 다양한 스위칭 상태를 예시하는 표이다.
도 5b는 도 5a의 표에 도시된 중첩 구역을 갖는 도 4의 LED 회로를 구동하는데 사용되는 예시적인 AC 전압 파형의 하나의 전체 사이클을 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 도 2a 및 4의 LED 회로에 도시된 스위치를 구현하는 데 사용될 수 있는 솔리드 스테이트 양방향 스위치를 개략적으로 예시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 발생 회로를 개략적으로 예시한다.
도 8은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 모놀리식 웨이퍼 형태로 구현되는 광 발생 디바이스를 개략적으로 예시한다.
도 9는 본 개시의 다른 예시적인 실시예에 따른 모놀리식 웨이퍼 형태로 구현되는 광 발생 디바이스를 개략적으로 예시한다.
본 개시의 실시예들은 이제 AC 전력을 사용하여 LED 디바이스(예를 들어, LED 조명)를 구동하기 위한 AC 구동 LED 시스템 및 방법과 관련하여 더 상세히 설명될 것이다. 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 피처, 엘리먼트 또는 구조를 나타내기 위해 동일하거나 유사한 도면 번호가 사용되며, 따라서 동일하거나 유사한 피처, 엘리먼트 또는 구조에 대한 상세한 설명은 각각의 도면에 대해 반복되지 않을 것임을 이해해야 한다. 또한, 백분율, 범위 등과 관련하여 본 출원에서 사용되는 용어 "약" 또는 "실질적으로"는 정확히 동일하지는 않지만 근접하거나 근사하는 것을 의미한다. 예를 들어, 본 출원에서 사용된 용어 "약" 또는 "실질적으로"는 언급된 양보다 1% 이하와 같은 작은 오차 마진이 존재함을 의미한다. 본 출원에서 사용되는 용어 "예시적인"은 "예, 실례 또는 예시로서 제공하는"을 의미한다. 본 출원에서 "예시적인" 것으로 설명된 임의의 실시예 또는 설계는 다른 실시예 또는 설계에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 LED 조명을 구동하는 데 사용되는 유틸리티 공급 전력(본 출원에서 AC 메인이라고 함)의 예시적인 AC 파형(100)을 개략적으로 예시한다. AC 파형(100)은 각각 양의 및 음의 하프 사이클(101 및 102)를 갖는 사인파를 포함한다. AC 파형은 양의 하프 사이클(101)에서 양의 피크 전압 VP+를, 음의 하프 사이클에서 음의 피크 전압 VP- 및 전압 제로 크로싱(zero-crossings)(0V)를 갖는다. 예를 들어 120Vrms의 유틸리티 전력의 경우, 양의 피크 전압 VP+는 약 170V이고 음의 피크 전압 VP-는 약 -170V이다. 예시적인 AC 파형(100)은 예시적으로 약 16.66 밀리 초의 주기를 갖는 60 Hz 신호이며, 각각의 하프 사이클(101 및 102)은 약 8.33 밀리 초의 지속 시간을 갖는다.
또한, 도 1은 AC 파형(100)의 각각의 양의 및 음의 하프 사이클(101 및 102)의 피크 부분(101-1 및 102-1)의 AC-DC 변환을 사용하여 LED 디바이스를 구동하는 종래의 방법을 개략적으로 예시한다. 보다 구체적으로, 종래의 LED 조명 시스템에서, AC-DC LED 드라이버는 AC 메인 신호(100)의 피크 부분에서 유도되는 DC 전압으로 LED 디바이스를 구동하는 데 사용된다. 이로 인해 눈에 띄거나 보이지 않을 수 있는 긴 암흑 기간이 발생한다. 이와 관련하여 기존의 LED 조명은 불안정하고 비용이 많이 드는 무거운 자기, 변압기 및 부피가 큰 불안정한 커패시터를 사용하여 고전압 AC 전원을 DC로 비효율적으로 변환하므로 AC 메인 사이클의 사용 가능한 부분이 상대적으로 긴 암흑 기간으로 제한되고, 깜박임 없이 낮은 레벨의 디밍(dimming)을 제공하는 데 어려움이 추가되었다.
LED는 120 및 240 Vrms 유틸리티 소스와 같은 고전압 AC와 호환되지 않는 것처럼 보이는 DC 전류 소스 구동 디바이스이다. 그러나, 본 개시의 실시예들에 따르면, 직렬 및 병렬로 상응하게 다양한 길이의 제로-크로싱 스위칭된 LED 스트링으로부터의 전압 레벨 또는 시간이 고전압 AC 소스와 직접적으로 호환되도록 만들어질 수 있다. 저전압 집적 회로 및 다이오드와 같은 DC 디바이스는 동작 가능한 입력 전압 범위를 가지며 허용 가능한 입력 전압 범위에 해당하는 전압 창 동안 고전압 AC 소스에 연결할 수 있다. 예를 들어, 조명에 사용되는 전형적인 LED는 공칭 동작 전압이 3.5V이고 허용 동작 범위는 2.8 내지 4.2V이다. 예를 들어, 10 개의 LED 스트링은 AC 소스의 28 내지 42V 레벨에서 동작할 수 있다. 직렬로 계속 추가되는 다수의 LED 스트링은 그에 따라 더 높고 더 높은 전압을 점차적으로 지원한다. 대안으로, 스위칭 회로는 전류가 일정하고 전압 변동이 LED에 스트레스를 주는 대신 스위칭 전류 소스에 의해 소비되도록 각각의 구역 동안 에너지를 방출하도록 구성될 수 있다.
도 2a는 LED 회로(200)의 LED를 구동하기 위해 사용되는 AC 전력(예를 들어, 도 1의 유틸리티 공급 전력의 AC 파형(100)) 연결된 복수의 LED 스테이지, 스테이지 1 - 스테이지 10, 복수의 스위치 S1-S22, 제 1 전력선(110)("라인 핫"으로 표시) 및 제 2 전력선(112)을 포함하는 LED 회로(200)를 개략적으로 예시한다. 도 2a에서, 각각의 LED 스테이지는 직렬로 연결된 LED 디바이스(201-210)의 개별 블록을 포함한다. 예시의 목적으로, 10 개의 단계 만이 도 2a에 도시되지만, 일부 실시예에서 LED 회로(200)는 10 개 초과의 스테이지를 가질 것이다. 일부 실시예에서, 도 2a에서, 각각의 LED 스테이지(201-210)는 LED 스테이지(204)의 분해도에 도시된 바와 같이 동일한 수의 직렬 연결된 LED 디바이스, 예를 들어 10 개의 LED 디바이스를 포함한다.
스위치 S1-S22는 도 2a에 도시된 바와 같이 LED 스테이지(201-210)의 각각의 입력 및 출력에 연결된다. 각각의 LED 스테이지(201-210)는 (i) 제 1 스위치 및 제 2 스위치에 연결된 입력, 제 1 스위치 및 제 2 스위치는 스위치 제어 회로부의 제어하에 LED 스테이지의 입력을 개별적으로 제 1 전력선 및 제 2 전력선(110 및 112)에 선택적으로 연결하도록 구성되고, (ii) 제 3 스위치 및 제 4 스위치에 연결된 출력을 포함하되, 제 3 및 제 4 스위치는 LED 스테이지의 출력을 개별적으로 제 1 전력선 및 제 2 전력선(110 및 112)에 선택적으로 연결하도록 구성된다. 예를 들어, 스테이지 1의 LED(201)의 제 1 블록은 스위치 S1 및 S2에 연결된 입력과 스위치 S3 및 S4에 연결된 출력을 가진다. 더욱이, LED(202)의 제 2 블록은 스위치(S3, S4)와 LED(201)의 제 1 블록의 출력 등에 연결된 입력을 갖는다.
LED 회로(200)의 구성은 AC 전력(100)의 위상 및 전압 레벨과 동기화된 스위칭 프로토콜에 따라 스위치 S1-S22를 선택적으로 활성화함으로써 제 1 전력선 및 제 2 전력선(110, 112)에 인가되는 AC 전력(100)으로부터 LED 디바이스가 직접 구동될 수 있도록 한다. 스위칭 방식은 직렬로 연결된 LED 디바이스(201-210)의 블록 중 하나 이상을 제 1 및 제 2 전력선(110 및 112)에 선택적으로 연결하여 AC 전력(DC 전력과 반대)으로 LED 스테이지를 구동하도록 구성된다. 예를 들어, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 도 2b-2k는 도 2a의 LED 회로(200)의 상이한 스위칭 상태를 예시하고, 직렬로 연결된 LED 디바이스(201-210)의 2 개 이상의 블록은 제 1 전력선과 제 2 전력선(110, 112) 사이에 직렬 및/또는 병렬로 연결된다.
설명을 위해, 도 2b-2k는 도 3a의 문맥에서 논의될 것이고, 도 3a는 LED 회로(200)에 인가되는 예시적인 AC 전압 파형(100)을 예시하고, AC 전압 파형(100)은 AC 파형(100)의 양의 하프 사이클에 복수의 구역(300)(예를 들어, 구역 0, 구역 1, 구역 2, 구역 4, 및 구역 5) 및 AC 파형(100)의 음의 하프 사이클에 복수의 구역(310)(예를 들어, 구역 0, 구역 6, 구역 7, 구역 8, 구역 9 및 구역 10)으로 분할되는 것으로 도시된다. 도 3a는 AC 전압 파형(100)의 양의 및/또는 음의 사이클의 부분 동안 LED 디바이스를 조명하기 위해 AC 전압 파형(100)의 양의 및 음의 하프 사이클 동안 다양한 시간에 LED 디바이스(201-210)의 블록을 구동하는 방법을 예시하고, LED 디바이스(201-210)의 블록 중 어느 하나를 구동하기에 전압 레벨이 충분하지 않은, AC 전압 파형(100)의 제로 전압 크로싱 직전 및 직후의 구역 0을 제외하고는 암흑 기간이 없다.
예를 들어, 도 2a는 AC 전압 파형(100)의 구역 0에 대해 모든 스위치(S1-S22)가 개방(즉, 활성화되지 않음)되어 모든 LED 스테이지들 스테이지 1- 스테이지 10가 비활성화되는 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 특히, 이 스위칭 상태에서, 직렬 연결된 LED 디바이스(201-210)의 블록 중 어느 것도 제 1 전력선 및 제 2 전력선(110, 112)에 연결되지 않는다. 도 3a에서, 구역 0은 전압이 30V 미만인 AC 전압 파형(100)의 양의 및 음의 하프 사이클의 부분을 나타낸다. 이 경우, 30V는 직렬로 연결된 LED 디바이스 (201-210)의 블록 중 어느 하나를 적절하게 구동하기에 불충분하고, 각각의 블록은 10 개의 LED 디바이스를 포함하고, 각각 공칭 순방향 바이어스 전압이 3.5V 인 주어진 10 개의 LED 직렬 연결 디바이스 블록을 활성화하려면 최소 35V가 필요하다고 가정한다.
도 2b는 스위치 S1, S4, S5, S8, S9, S12, S13, S16, S17 및 S20이 AC 전압 파형(100)의 양의 하프 사이클의 구역 1에 대해 활성화되는 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지들 스테이지 1, 스테이지 3, 스테이지 5, 스테이지 7 및 스테이지 9가 활성화되어 직렬 연결된 LED 디바이스 블록 (201, 203, 205, 207 및 209)가 제 1 전력선과 제 2 전력선 (110 및 112) 사이에 병렬로 연결된다. 이 상태에서, 10 개의 직렬 연결된 LED 디바이스 블록을 구동하기에 AC 전압 파형 (100)(예를 들어, 30V 초과)의 양의 하프 사이클의 구역 1에 충분한 전압이 있다.
도 2c는 스위치 S1, S6, S7, S12, S13 및 S18이 AC 전압 파형(100)의 양의 하프 사이클의 구역 2에 대해 활성화된 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지들 스테이지 1, 스테이지 2, 스테이지 4, 스테이지 5, 스테이지 7 및 스테이지 8이 활성화되며, (i) 직렬 연결된 LED 디바이스 블록 (201 및 202)은 연쇄(concatenate)되어 20 개의 직렬 연결된 LED의 제 1 연쇄 블록을 형성한다 (ii) 직렬 연결된 LED 디바이스 (204 및 205)의 블록은 연쇄되어 20 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 2 연쇄 블록을 형성하고, (iii) 직렬 연결된 LED 디바이스 (207 및 208)의 블록은 연쇄되어 직렬로 연결된 20 개의 LED 디바이스로 구성된 제 3 연쇄 블록을 형성한다. 도 2c에 추가로 도시된 바와 같이, LED 디바이스의 제 1, 제 2 및 제 3 연쇄 블록은 제 1 전력선과 제 2 전력선(110 및 112) 사이에 병렬로 연결된다. 이 상태에서 20 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1, 제 2 및 제 3 연쇄 블록 각각을 구동하기 위한 AC 전압 파형(100)의 양의 하프 사이클의 구역 2에 충분한 전압(60V 초과)이 있다.
도 2d는 스위치 S1, S8, S9 및 S16이 AC 전압 파형(100)의 양의 하프 사이클의 구역 3에 대해 활성화된 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지들 스테이지 1, 스테이지 2, 스테이지 3, 스테이지 5, 스테이지 6 및 스테이지 7가 활성화되고, (i) 직렬 연결된 LED 디바이스 블록 (201, 202 및 203)은 연쇄되어 30 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1 연쇄 블록을 형성하고, (ii) 직렬 연결된 LED 디바이스(205, 206 및 207)의 블록은 연쇄되어 30 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 2 연쇄 블록을 형성한다. 도 2d에 추가로 도시된 바와 같이, LED 디바이스의 제 1 및 제 2 연쇄 블록은 제 1 전력선과 제 2 전력선(110 및 112) 사이에 병렬로 연결된다. 이 상태에서, AC 전압 파형(100)은 직렬로 연결된 30 개의 LED 디바이스의 제 1 및 제 2 연결 블록 각각을 구동하기 위한 양의 하프 사이클의 구역 3의 충분한 전압(90V 초과)이 있다.
도 2e는 스위치 S1, S10, S11 및 S20이 AC 전압 파형(100)의 양의 하프 사이클의 구역 4에 대해 활성화된 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지들 스테이지 1- 스테이지 4 및 스테이지 6 - 스테이지 9가 활성화되며, (i) 직렬 연결된 LED 디바이스(201, 202, 203 및 204)의 블록이 연쇄되어 40 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1 연쇄 블록을 형성하고, (ii)) 직렬로 연결된 LED 디바이스(206, 207, 208 및 209)의 블록이 연쇄되어 40 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 2 연쇄 블록을 형성한다. 도 2e에 추가로 도시된 바와 같이, LED 디바이스의 제 1 및 제 2 연쇄 블록은 제 1 전력선과 제 2 전력선(110 및 112) 사이에 병렬로 연결된다. 이 상태에서, AC 전압 파형(100)은 직렬로 연결된 40 개의 LED 디바이스의 제 1 및 제 2 연쇄 블록 각각을 구동하기 위한 양의 하프 사이클의 구역 4에 충분한 전압(120V 초과)이 있다.
도 2f는 스위치 S1 및 S12가 AC 전압 파형(100)의 양의 하프 사이클의 구역 5에 대해 활성화된 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지들 스테이지 1 - 스테이지 5가 활성화되고, 직렬 연결된 LED 디바이스(201, 202, 203, 204 및 205)의 블록은 연쇄되어 50 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1 연쇄 블록을 형성하며, 이는 제 1 전력선과 제 2 전력선(110 및 112) 사이에 연결된다. 이 상태에서, AC 전압 파형(100)의 양의 하프 사이클의 구역 5에 50 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1 연쇄 블록을 구동하기에 충분한 전압(150V 초과)이 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 양의 하프 사이클의 하강 부분(falling portion)에서, 구역 시퀀스 Z4, Z3, Z3, Z1 및 Z0은 도 2a-2e에 도시된 스위칭 단계의 반복된 역 시퀀스를 초래한다. 도 3a에 추가로 도시된 바와 같이, AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클에 대해, 파형은 구역 0, 구역 6, 구역 7, 구역 8, 구역 9, 구역 10, 구역 9, 구역 8, 구역 7, 구역 6 및 구역 0의 구역 시퀀스로 전환된다. 도 2g 내지 2k는 구역 6에서 구역 10까지 시퀀스로 LED 회로(200)의 상이한 스위칭 상태를 예시한다. 도 2g-2K는 도 2b-도 2f에 도시된 것과 유사한 LED 스테이지 활성화 구성을 예시하지만, LED 스테이지에 대한 입력은 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클에서 제 2 전력선(112)에 연결되어 LED 디바이스를 순방향 기반 상태에 배치한다.
특히, 도 2g는 스위치 S2, S3, S6, S7, S10, S11, S14, S15, S18 및 S19가 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 구역 6에 대해 활성화되는 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서 LED 스테이지들 스테이지 1, 스테이지 3, 스테이지 5, 스테이지 7 및 스테이지 9가 활성화되어 직렬로 연결된 LED 디바이스(201, 203, 205, 207 및 209) 블록이 제 1 전력선과 제 2 전력선 (110 및 112) 사이에 병렬로 연결된다. 이 상태에서, AC 전압 파형의 구역 6(예를 들어, 30V 초고)에 대해 10 개의 직렬 연결된 LED 디바이스 블록을 구동하기에 충분한 전압이 있다. 이 구성에서, 도 2g에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 LED 디바이스(201, 203, 205, 207 및 209) 블록의 입력 단자는 제 2 전력선(112)에 연결되고, 이는 AC 전압 파형 (100)의 음의 하프 사이클 동안 LED 디바이스를 순방향 바이어스 상태로 둔다.
도 2h는 스위치 S2, S5, S8, S11, S14 및 S17이 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 구역 7에 대해 활성화된 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지들 스테이지 1, 스테이지 2, 스테이지 4, 스테이지 5, 스테이지 7 및 스테이지 8가 활성화되며, (i) 직렬 연결된 LED 디바이스 블록 (201 및 202)이 연쇄되어 20 개의 직렬 연결된 LED의 제 1 연쇄 블록을 형성하고, (ii) 직렬 연결된 LED 디바이스 (204 및 205)의 블록이 연쇄되어 20 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 2 연쇄 블록을 형성하고, (iii) 직렬 연결된 LED 디바이스 (207 및 208)의 블록이 연쇄되어 20 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 3 연쇄 블록을 형성한다. 도 2h에 추가로 도시된 바와 같이, LED 디바이스의 제 1, 제 2 및 제 3 연쇄 블록은 제 1 전력선과 제 2 전력선(110 및 112) 사이에 병렬로 연결된다. 이 상태에서, 20 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1, 제 2 및 제 3 연쇄 블록 각각을 구동하기 위한 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 구역 7에 대해 충분한 전압(60V 초과)이 있다.
도 2i는 스위치 S2, S7, S10 및 S15가 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 구역 8에 대해 활성화된 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지들 스테이지 1, 스테이지 2, 스테이지 3, 스테이지 5, 스테이지 6 및 스테이지 7가 활성화되고, (i) 직렬 연결된 LED 디바이스 블록 (201, 202 및 203)은 연쇄되어 30 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1 연쇄 블록을 형성하고, (ii) 직렬 연결된 LED 디바이스(205, 206 및 207)의 블록이 연쇄되어 30 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 2 연쇄 블록을 형성한다. 도 2i에 추가로 도시된 바와 같이, LED 디바이스의 제 1 및 제 2 연쇄 블록은 제 1 전력선과 제 2 전력선(110 및 112) 사이에 병렬로 연결된다. 이 상태에서, AC 전압 파형(100)은 직렬로 연결된 30 개의 LED 디바이스의 제 1 및 제 2 연쇄 블록 각각을 구동하기 위한 음의 하프 사이클의 구역 8에 충분한 전압(90V 초과)이 있다.
도 2j는 스위치 S2, S9, S12 및 S19가 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 구역 9에 대해 활성화되는 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지 스테이지 1 - 스테이지 4 및 스테이지 6 - 스테이지 9가 활성화되며, (i) 직렬 연결된 LED 디바이스(201, 202, 203 및 204)의 블록이 연쇄되어 40 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1 연쇄 블록을 형성하고 (ii) 직렬 연결된 LED 디바이스(206, 207, 208 및 209)의 블록이 연쇄되어 40 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 2 연쇄 블록을 형성한다. 도 2j에 추가로 도시된 바와 같이, LED 디바이스의 제 1 및 제 2 연쇄 블록은 제 1 전력선과 제 2 전력선(110 및 112) 사이에 병렬로 연결된다. 이 상태에서, AC 전압 파형(100)은 직렬로 연결된 40 개의 LED 디바이스의 제 1 및 제 2 연쇄 블록 각각을 구동하기 위한 음의 하프 사이클의 구역 9에 충분한 전압(120V 초과)이 있다.
도 2k는 스위치 S2 및 S11이 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 구역 10에 대해 활성화되는 LED 회로(200)의 스위칭 상태를 예시한다. 이 상태에서, LED 스테이지 스테이지 1 - 스테이지 5가 활성화되고, 직렬 연결된 LED 디바이스(201, 202, 203, 204 및 205)의 블록은 연쇄되어 50 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1 연쇄 블록을 형성하며, 이는 제 1 전력선과 제 2 전력선(110 및 112) 사이에 연결된다. 이 상태에서, 50 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 제 1 연쇄 블록을 구동하기 위한 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 구역 10에 충분한 전압(150V 초과)이 있다.
다시 도 3a를 참조하여, AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 상승 부분에서, 구역 시퀀스 Z9, Z8, Z7, Z6 및 Z0은 도 2g-2j에 도시된 스위칭 스테이지의 반복된 역 시퀀스를 초래한다. 위에서 설명한 바와 같이, 도 2a-2k 및 도 3a는 약 2.8V 내지 4.2V의 동작 범위를 갖는 LED 디바이스를 포함하는 10 개의 직렬 연결된 LED 디바이스의 LED 블록이 LED 블록을 연쇄시킴으로써 약 30V 내지 약 40V 및 더 높은 전압의 작동 범위를 지원할 수 있고 그에 의해 AC 메인 전력의 대부분의 양의 및 음의주기 동안 LED 디바이스에 의해 상대적으로 안정적인 레벨의 광이 생성될 수 있는 개시의 예시적인 실시예를 총괄적으로 예시한다. 도 2a-2k에 도시된 다양한 스위치 S1-S22를 활성화하기 위한 타이밍은 예를 들어, 전압 레벨, 위상 및/또는 시간의 검출에 기초하여, 예를 들어, 라인 주파수 및/또는 하나 이상의 제로 크로싱 검출기 회로를 사용하는 제로 크로싱 이벤트의 검출 또는 아래에서 더 자세히 논의되는 기법에 기초하여 구현될 수 있다.
도 3b는 AC 전압 파형(100)의 양의 및 음의 하프 사이클 동안 도 2b-2k의 LED 회로(200)의 활성화된 LED 스테이지의 직렬 연결된 LED 디바이스(201-210)의 블록을 통해 양의 전류가 흐르는 것을 보여주는 전류 파형(320)을 개략적으로 예시한다. 이와 관련하여, LED 회로(200) 및 관련 스위치 패브릭 및 위에서 논의된 스위칭 구성은 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클 동안 직렬 연결된 LED 디바이스(201-210)의 블록의 양 단자를 제 2 전력선(112)(예를 들어, 라인 중립(Line Neutral))에 연결한 결과 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클의 가상 정류를 인에이블한다(enable). 아래 도 6와 관련하여 아래에 설명된 바와 같이, 일부 실시예에서, 각각의 스위치 S1-S22는 단방향 전류 흐름으로 양방향 방식으로 제어될 수 있는 양방향 솔리드 스테이트 스위치로 구현되어 AC 메인 파형(100)의 음의 하프 사이클이 실질적으로 AC 메인 파형(100)의 양의 하프 사이클과 동일한 조명 능력을 갖는다.
본 개시의 일부 실시예에서, 도 2a-2k의 예시적인 실시예를 비 제한적으로 참조하여, 각각의 구역 1-10에 대한 LED 스테이지의 스위칭 시퀀스 및 활성화는 AC 전압 파형(100)의 양의 및 음의 하프 사이클의 다양한 구역 1-5 및 6-10에 걸쳐 비교적 일정한 조명 레벨을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 도 3c는 전류의 크기에 반비례하는 방식으로 각각의 구역에서 수 N 개의 LED를 활성화함으로써 일정한 밝기를 달성하는 예시적인 프로세스를 개략적으로 예시한다. 특히, 도 3c는 제 1 곡선(330) 및 제 2 곡선(340)과 중첩된 전류 파형(320)(도 3b의)을 예시한다.
제 1 곡선(330)은 1/(sin(wt))의 함수 (주파수, 예를 들어 AC 전압 파형(100)의 60Hz에 기초하여)로서 LED의 수(N)를 나타낸다. 제 2 곡선(340)은 경험적으로 결정된 밝기 L을 나타내며, 이는 L = I/N×k로 경험적으로 결정되며, 여기서 I는 전류 파형(320)의 크기를 나타내고, N은 활성화될 LED의 수를 나타내고, k는 경험적으로 결정된 상수를 나타낸다. 제 1 및 제 2 곡선(330 및 340)은 전류 I의 크기에 기초하여 주어진 구역에 대해 주어진 수 N 개의 LED를 활성화하기 위해 LED 회로부의 스위칭을 제어하기 위해 프로세서에 의해 사용되는 기능을 나타낸다. 이 제어 프로세스에서, AC 전력이 구역 (300 및 310)을 통해 양의 및 음의 하프 사이클로 전환될 때, 전류 I가 증가하면 활성화된 LED 수 N이 감소하고 그 반대도 가능하다.
도 3c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 원하는 밝기 파형(340)은 모든 구역 1-10에 걸쳐 일정한 DC 밝기 레벨 L을 제공하는 한편, AC 전력의 양의 및 음의 하프 사이클에서 각각의 구역 0에 대해 짧은 암흑 기간을 제공한다. 그러나 L = 0 인 암흑 기간은 매우 짧기 때문에(예를 들어, 전체 AC 파형 사이클의 10% 미만), 이러한 짧은 암흑 기간으로 인한 깜박임은 육안으로 보이지 않을 것이다.
예시적인 비 제한적인 실시예에서, 도 2b-2k에 도시된 LED 회로(200)의 다양한 스위칭 상태는 각각의 구역 1-10에서 활성화된 LED에 의해 상대적으로 일정한 밝기를 달성하기 위해 도 3c의 원리에 따라 스위칭 기능을 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 2b에서 전압이 30V에 도달하는 구역 1의 경우 10 개의 직렬로 연결된 LED 블록의 15 개 스테이지는 병렬로 활성화하여 150 개의 LED를 켤 수 있다. 도 2c에서, 전압이 약 60V로 증가하는 구역 2의 경우, 활성화된 LED의 총 수는 약 100 개가 될 것이다. 도 2d에서, 전압이 약 90으로 증가하는 구역 3의 경우, 활성화된 LED의 총 수 N은 약 90이 될 것이다. 도 2e에서, 전압이 약 120V로 증가하는 구역 4의 경우, 활성화된 LED의 총 수 N은 약 80 개가 될 것이다. 도 2f에서, 전압이 약 150V로 증가하는 구역 5의 경우 활성화된 LED의 총 수 N은 약 50 개가된다. 구역 6 - 10에 대한 동일한 LED 수는 구역 1 - 5에 대해 동일하다. 이러한 방식으로, 순차적인 구역에서 전압이 증가함에 따라(따라서 전류 I가 증가 함, 도 3b), 활성화된 LED의 수는 구역 전체에 걸쳐 일정한 밝기 레벨을 유지하기 위해 감소되는 반면, 순차적인 구역에서 전압이 감소함에 따라 활성화된 LED의 수 N은 구역 전체에서 일정한 밝기 레벨을 유지하기 위해 증가한다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따른 LED 회로(400)를 개략적으로 예시한다. LED 회로(400)는 복수의 LED 스테이지, 스테이지 1-스테이지 7, 복수의 스위치 S1-S16, 제 1 전력선(110)("라인 핫"으로 표시) 및 제 2 전력선(112)("라인 중립(Line Neutral)"으로 표시)을 포함하고, 이는 LED 회로(400)의 LED 스테이지를 구동하기 위해 사용되는 AC 전력(예를 들어, 도 1의 유틸리티 공급 전력의 AC 파형(100))에 연결된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 LED 스테이지는 직렬로 연결된 LED 디바이스(401 내지 207)의 개별 블록을 포함한다. 예시를 위해, 도 4에는 단지 7 개의 스테이지 만이 도시되어 있지만, 일부 실시예에서 LED 회로(400)는 7 개 초과의 LED 스테이지를 가질 것이다.
도 4의 예시적인 실시예에서, 직렬 연결된 LED 디바이스(401 내지 407)의 블록은 서로 다른 개수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 갖는다. 예를 들어, 제 1 LED 스테이지에서, 직렬 연결된 LED 디바이스(401)의 블록은 10 개의 LED 디바이스를 포함한다. 제 2 LED 스테이지에서, 직렬 연결된 LED 디바이스(402)의 블록은 3 개의 LED 디바이스를 포함한다. 제 3 LED 스테이지에서, 직렬 연결된 LED 디바이스(403)의 블록은 4 개의 LED 디바이스를 포함한다. 제 4 LED 스테이지에서, 직렬 연결된 LED 디바이스(404)의 블록은 5 개의 LED 디바이스를 포함한다. 제 5 LED 스테이지에서, 직렬 연결된 LED 디바이스(405)의 블록은 7 개의 LED 디바이스를 포함한다. 제 6 LED 스테이지에서, 직렬 연결된 LED 디바이스 블록(406)은 9 개의 LED 디바이스를 포함한다. 제 7 LED 스테이지에서, 직렬 연결된 LED 디바이스 블록(407)은 12 개의 LED 디바이스를 포함한다. 이 구성에서 각각의 스테이지의 다양한 수의 LED 디바이스는 많은 수의 구역에서 전압의 작은 증가 또는 감소를 기반으로 AC 전력 사이클 동안 활성화 또는 비활성화되는 LED의 수를 보다 미세하게 조정할 수 있도록 한다.
예를 들어, 도 5a는 14 개의 서로 다른 중첩 구역에 걸쳐 도 4의 LED 회로(400)에서 스위치 S1-S16의 다양한 스위칭 상태를 나타내는 표이다. 도 5a에서, 도 4의 LED는 3.5V 공칭 동작 전압을 가지며, AC 전압 파형(100)은 120Vrms 파형을 포함한다고 가정한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 구역 1 내지 7 및 구역 8-14에 대한 직렬 연결된 LED 디바이스의 수는 10, 3, 4, 5, 7, 9 및 12 개 LED로 표시되며, 구역은 구역 사이에 잠재적인 짧은 암흑 기간을 제거하도록 중첩되도록 구성된다. 이러한 구성에서, LED 회로(400)는 30V가 아닌 9V에서 활성화되는 LED 스테이지를 가질 수 있다(도 2a-2k에 도시된 10 개의 LED 스테이지에 대해). 특히, 도 4의 예시적인 실시예에서, 다음 LED 스테이지는 다음 전압 레벨로 활성화될 수 있다 : (i) 3-LED 스테이지(402)는 9 볼트에서 12 볼트 사이의 AC 메인으로 인에이블될 수 있다; (ii) 4-LED 스테이지(403)는 12V에서 15V 사이의 AC 메인으로 인에이블될 수 있다; (iii) 5-LED 스테이지(404)는 15V에서 20V 사이의 AC 메인으로 인에이블될 수 있다; (iv) 7-LED 스테이지(405)는 21V에서 27V (또는 그 이상) 사이의 AC 메인으로 인에이블될 수 있다; (v) 9-LED 스테이지 (406) 구역은 27V에서 30V (또는 그 이상) 사이의 AC 메인으로 인에이블될 수 있다; (vi) 10-LED 스테이지는 약 35V (또는 그 이상)의 AC 메인으로 인에이블될 수 있다.
도 5b는 AC 전압 파형(100)의 양의 하프 사이클에서 중첩 구역 1-7 500 및 AC 전압 파형(100)의 음의 하프 사이클에서 중첩 구역 8-14를 갖는 AC 전압 파형(100)의 하나의 전체 사이클을 예시한다. 도 5b는 다양한 구역에서 상태를 스위칭하기 위한 시간 중첩을 제공하여 구역 사이의 잠재적인 짧은 암흑 기간을 제거하기 위한 예시적인 실시예를 예시한다.
도 6은 도 2a 및 도 4의 LED 회로(200 및 400)에 도시된 스위치를 구현하는 데 사용될 수 있는 솔리드 스테이트 양방향 스위치(600)를 개략적으로 예시한다. 솔리드 스테이트 양방향 스위치(600)는 제 1 및 제 2 입력/출력 단자(601 및 602) 및 제어 단자(603)를 포함한다. 솔리드 스테이트 양방향 스위치(600)는 솔리드 스테이트 양방향 스위치(600)가 제어 단자(603)에 인가되는 제어 신호의 동작에 의해 "스위치 온 상태"에 있을 때 전류의 양방향 흐름을 허용하도록 구성된다.
솔리드 스테이트 양방향 스위치(600)는 직렬로 연속적으로 연결된 제 1 MOSFET 스위치(610) 및 제 2 MOSFET 스위치(620)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 MOSFET 스위치(610 및 620)는 도시된 바와 같이 게이트 단자(G), 드레인 단자(D) 및 소스 단자(S)를 갖는 전력 MOSFET 디바이스, 특히 N 형 강화(enhancement) MOSFET 디바이스를 포함한다. 도 6의 예시적인 실시예에서, 솔리드 스테이트 양방향 스위치(600)는 공통으로 연결된 소스 단자를 갖는 2 개의 N- 채널 MOSFET 스위치(610 및 620)를 사용하여 구현된다. 제 1 및 제 2 MOSFET 스위치(610 및 620)는 각각 고유(intrinsic) 바디 다이오드(610-1 및 620-1)를 포함하며, 이는 MOSFET 디바이스의 N-도핑된 드레인 영역에 대한 P 형 기판 바디 사이의 P-N 접합을 나타낸다. 바디 다이오드(610-1 및 620-1)는 MOSFET 스위치(610 및 620)의 고유 엘리먼트(즉, 개별 엘리먼트가 아님)이므로 점선 연결로 도시된다. MOSFET 스위치(610 및 620)의 고유 바디-소스 다이오드는 소스 영역과 기판 바디 사이의 연결에 의해 단락되기 때문에 도시되지 않는다(예를 들어, N+ 소스 및 P 바디 접합은 소스 금속화를 통해 단락됨). 솔리드 스테이트 양방향 스위치(600)의 동작은 당업자에게 잘 알려져 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 발생 회로(700)를 개략적으로 예시한다. 광 발생 회로(700)는 본 출원에서 논의되는 기술을 사용하여 LED 디바이스를 구동하기 위해 광 발생 회로(700)에 의해 사용되는 유틸리티 AC 전원(100) (본 출원에서 AC 메인(10)으로 지칭됨)에 연결된다. 광 발생 회로(700)는 AC 메인(100)의 핫 위상(110)("라인 핫"이라고 함) 및 AC 메인(100)의 중립 위상(112)("라인 중립"이라고 함)에 연결된다. 도 7에 추가로 예시된 바와 같이, 라인 중립(112)은 당업계에 공지된 추가 보호를 제공하는 접지(114)(GND)에 본딩된 것으로 도시된다.
광 발생 회로(700)는 AC-DC 컨버터 회로부(710), 제로 크로싱 검출 회로부(720), 스위치 제어 회로(730), 및 LED 회로 스테이지 및 스위치(740)의 배열을 포함한다. 일부 실시예에서, LED 회로 스테이지 및 스위치(740)는 도 2a 및 도 4에 도시된 LED 회로(200 또는 400)와 동일하거나 유사한 LED 회로를 구현한다. 스위치 제어 회로부(730)는 LED 회로 스테이지의 블록 내에서 스위치를 선택적으로 활성화하는 스위칭 프로토콜을 구현하여 스위치 (740)가 직렬로 연결된 LED 디바이스의 개별 및/또는 연쇄 블록을 AC 전원 공급 라인에 선택적으로 연결되어 AC 전력을 사용하여 LED 스위치를 구동시킨다. 스위치 제어 회로부(730)는 LED 스테이지(740) 내의 직렬 연결된 LED 디바이스의 개별 및/또는 연쇄 블록을 AC 전력 공급 라인에 선택적으로 연결하는 데 사용되는 스위칭 패브릭 내의 해당 스위치의 제어 단자에 연결된 복수(n)의 스위치 제어 라인(SCL1, SCL2, SCLn)에서 스위치 제어 신호를 생성하고 출력한다.
AC-DC 컨버터 회로부(710)는 제로 크로싱 검출 회로부(720) 및 스위치 제어 회로부(730)를 포함하는 광 발생 회로(700)의 다양한 회로부 및 엘리먼트에 DC 공급 전력을 제공하도록 구성된다. 그러나, AC-DC 컨버터 회로부(710)는 LED 디바이스를 구동하기 위한 DC 공급 전압을 제공하도록 구성되지 않는다. 일부 실시예에서, AC-DC 컨버터 회로부(710)는 다음의 공동 계류중인 출원에 개시된 것과 동일하거나 유사한 DC 전력 변환 기술을 사용하여 구현될 수 있다 : (1) 고효율 AC-DC 컨버터 및 방법이라는 제목으로 2018 년 10 월 9 일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 16/092,263 (공개 번호 : US 2019/0165691); 및 (2) 고효율 AC 직접 DC 추출 컨버터 및 방법이라는 제목으로 2019 년 4 월 9 일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 16/340,672(공개 번호 : US 2019/0238060), 이의 개시는 모두 본 출원에 참고로 완전히 통합된다.
제로 크로싱 검출 회로부(720)는 LED를 구동하는 AC 전압 파형의 제로 전압 크로싱을 검출하도록 구성된다. 제로 크로싱 검출 회로부(720)는 AC 전원 공급 파형의 전압의 제로 크로싱을 감지하고, 전압 파형의 제로 크로싱 이벤트의 관련 전환 방향 및 제로 크로싱 이벤트를 나타내는 검출 신호를 생성하하도록 구성된 임의의 적합한 유형의 전압 제로 크로싱 검출 회로부를 사용하여 구현될 수 있다 (예를 들어, 음에서 양으로 전환하는 AC 파형("양 전환 방향"이라고 함) 또는 양에서 음으로 전환하는 AC 파형("음의 전환 방향”이라고 함)). 일부 실시예에서, 제로 크로싱 검출 회로부(720)는 핫 라인상의 AC 전압을 제로 기준 전압(예를 들어, 라인 중립 전압)과 비교하여 핫 라인 경로상의 AC 파형의 극성을 결정하고 AC 파형의 제로 크로싱의 제로 크로싱 이벤트 및 관련 전환 방향을 검출한다. 일부 실시예에서, 비교는 핫 라인 경로에 연결된 비 반전 입력 및 기준 전압을 수신하는 반전 입력을 갖는 전압 비교기를 사용하여 수행된다. 전압 비교기의 출력은 (i) 입력 전압이 양에서 음으로 전환될 때 로직 1에서 로직 0으로 스위칭되고 (ii) 입력 전압이 음에서 양으로 전환될 때 로직 0에서 로직 1로 스위칭된다. 이 예에서, 제로 크로싱 검출 회로부(720)의 출력은 AC 전압 파형의 각각의 검출된 제로 크로싱시에 출력되는 로직 "1"과 로직 "0"사이에서 전환될 것이다. 스위치 제어 회로부(730)는 검출된 제로 전압 크로싱의 타이밍 및 극성 전환 방향을 이용하여 LED 회로 스테이지 및 스위치 블록과 스위치를 활성화하는 타이밍 및 시퀀스를 제어하여 위에서 설명한대로 LED 스테이지를 구동시키기 위해 LED 디바이스를 AC 공급 라인에 연결한다.
스위치 제어 회로부(730)는 중앙 처리 유닛, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러, ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 및 하드웨어 제어, 소프트웨어/펌웨어 제어 및 이들의 조합을 사용하여 스위치 제어 기능을 수행할 수 있는 기타 유형의 프로세서 뿐만 아니라 이들 프로세서의 일부 또는 조합을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 스위치 제어 회로부(730)는 펄스 폭 변조(PWM)와 같은 변조 방식을 구현하여 서로 다른 구역에서 LED 스테이지의 활성화를 모듈화하여 본 출원에서 논의된 AC 직접 LED 구동 방법과 완전한 호환성으로 깜박임 없는 디밍 레벨을 구현할 수 있다. LED 스트링이 추가되거나 제거될 때 상태 간 전환을 부드럽게 하도록 변조가 구성될 수 있다. 또한 CPU 코어, 마이크로 컨트롤러 또는 기타 디지털/아날로그 디바이스와 같은 컴퓨팅 디바이스의 구현은 예를 들어, 제조 및/또는 현장에서 운영 사용 동안에 전체 또는 로컬 시스템 재구성을 지원하여 AC 메인 과도 현상을 완화할 수 있다.
LED 스트링의 다양한 조합, LED의 수, 직렬이든 병렬이든, 그리고/또는 다양한 스위칭 구성과 LED 동작 전압은 다양한 설계 및/또는 비용 제약에 따라 결정될 수 있는 선형 및/또는 비선형 최적화 문제일 수 있음을 이해해야 한다.
예를 들어, 스위치 제어 회로부(730)에 의해 구현되는 스위치 제어 방법은 위에서 논의된 바와 같이 AC 파형을 개별 구역으로 분할하기 위해 AC 전압 파형과 시간적으로 동기화될 수 있다. 스위치 제어 프로세스는 라인 주파수와 동기화될 수 있고, 증분된 상태는 제로 전압 스위칭 및 제로 크로싱 감지 회로부(720)에 의해 검출된 제로 크로싱 이벤트에서 시작한다. LED 스위칭 구역은 초기 파워 업 0 시간/0V으로부터 결정될 수 있고, 옵션으로 여러 구역(예를 들어, 5 개 구역)으로 슬라이드 변형이 있는 동일한 시간 지속 시간으로 균등하게 분할된다.
일부 실시예에서, 각각의 스위칭 구역은 구역 중첩 동안, 그리고 디밍 제어를 위해 각각의 구역에서 조명 균형을 제공하기 위해 펄스 폭 변조(또는 다른 변조 기술)될 수 있다. 또한 알고리즘 제어 하에서 전류를 자동으로 제어하도록 조정하여, 추가 LED를 병렬로 추가하여 구역 당 광 출력을 높일 수 있으며 구역 수는 설계에 따라 조정 가능하고/또는 공장이나 현장에서 초기에 구성할 수 있다.
다른 실시예에서, 상태 변화는 예를 들어, LED들 사이의 각각의 구역 내에서 저항-커패시터 시상수(time constant)를 사용하여 시간 설정될 수 있다. 또한, AC 메인 파형의 상승 및 하강 부분 동안 일정한 조명 레벨을 유지하기 위해, 각각의 후속 구역(즉, 초기 구역 이후)은 이전에 앞선(prior-to-previous) 구역 디스에이블(disable) 동작을 가능하게 하는 PWM 기법을 통해 제어될 수 있고, 이에 의해 PWM은 이전 구역이 디스에이블될 때까지 AC 메인 파형의 상승 부분에서 듀티 사이클이 증가하면서 시작되고 AC 메인 파형이 계속 상승하는 동안 점차 감소한다. 따라서 PWM은 감소하는 전압 레벨로 강도를 유지하기 위해 AC 메인 파형의 하향 슬로프 동안 듀티 사이클에서 점진적으로 증가한다; 따라서 접지에 대한 중간 연결로 구현된 후속 구역에서 PWM이 가능하다.
도 8은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 모놀리식 웨이퍼 형태로 구현된 광 발생 디바이스(800)를 개략적으로 예시한다. 광 발생 디바이스(800)는 모놀리식 집적 회로를 포함하는 반도체 웨이퍼 기판(802)(예를 들어, 실리콘 기판)을 포함한다. 모놀리식 집적 회로는 LED 어레이(804), 스위치 회로부(806), AC 전력 입력 단자(808) 및 제어 회로부(810)를 포함한다. 일부 실시예에서, 도 8은 도 7의 광 발생 회로(700)의 모놀리식 웨이퍼 구현을 예시한다.
AC 전력 입력 단자(808)는 AC 전원에 연결하도록 구성된다. AC 전력 입력 단자(808)는 웨이퍼(802)의 다양한 영역에 AC 전력을 라우팅하고 분배하는 데 사용되는 금속화를 포함하는 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 결합된다. LED 어레이(804)는 복수의 LED 스테이지를 형성하도록 연결된 복수의 LED 디바이스(820)를 포함하고, 각각의 LED 스테이지는 예를 들어, 도 2a 및 4에 개략적으로 예시된 바와 같이 복수의 직렬 연결된 LED 디바이스(820)를 포함한다. 스위칭 회로부(806)는 스위치를 LED 스테이지의 입력 및 출력에 연결하기 위해 배선 네트워크를 사용하여 LED 어레이(804)에 결합되는 복수의 스위치(예를 들어, 솔리드 스테이트 양방향 스위치)를 포함한다. 스위치 제어 회로부(810)은 스위칭 회로부(806)의 복수의 스위치를 제어하여 LED 스테이지에서 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 선택적으로 연결하여 AC 입력 단자(808)에 연결된 AC 전원으로부터의 AC 전력으로 LED 스테이지에 전력을 공급하도록 구성된다. 스위치 제어 회로부(806) 내에스위치는 잘 정의된 탭 위치를 갖는 기능 셀 배열 또는 마이크로 셀 배열로 구성될 수 있다.
도 8에 추가로 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 각각의 LED 디바이스(820)는 LED 디바이스(820) 위에 배치된 광학 필터(822) 및 LED 디바이스(820) 위에 배치된 렌즈 엘리먼트(824)를 포함한다. 일부 실시예에서, 광학 필터(822)는 LED 디바이스(820)에 의해 방출되는 광을 필터링하기 위한 인광체 층을 포함한다. 렌즈 엘리먼트(824)는 LED 디바이스(820)에 의해 방출되는 광의 원하는 방향성을 지향, 초점, 시준 등을 달성하도록 구성된다.
도 8은 모놀리식 웨이퍼 형태로 구현된 광 발생 디바이스(800)가 상이한 폼 팩터로 재 패키징하기 위한 웨이퍼 세그먼트화를 요구하지 않고 LED 조명 디바이스 또는 시스템을 구현하는 데 사용될 수 있는 예시적인 실시예를 예시한다. 웨이퍼 기판(802)은 원하는 광 출력 레벨을 달성하기 위해 더 크거나 더 작은 LED 어레이를 수용하기 위해 다양한 표준 웨이퍼 크기를 사용하여 구현될 수 있다. 더 큰 웨이퍼는 더 작은 다이로 파티션될 수 있으며, 각각의 다이는 통합된 광 발생 모놀리식 회로를 포함한다.
도 9는 본 개시의 다른 예시적인 실시예에 따른, 모놀리식 웨이퍼 형태로 구현되는 광 발생 디바이스(900)를 개략적으로 예시한다. 광 발생 디바이스(900)는 모놀리식 집적 회로를 포함하는 반도체 웨이퍼 기판(902)(예를 들어, 실리콘 기판)을 포함한다. 모놀리식 집적 회로는 LED 어레이(904), 스위치 회로부(906), AC 전력 입력 단자(908) 및 제어 회로부(910)를 포함한다. 일부 실시예에서, 도 9는 도 7의 광 발생 회로(700)의 모놀리식 웨이퍼 구현을 예시한다. 광 발생 디바이스(900)는 광 발생 디바이스(900)가 LED 어레이(904) 내에 상이한 배열의 LED 디바이스를 가질 것을 제외하고는, 도 8의 광 발생 디바이스(800)와 유사하고, 여기서 LED 어레이(904)는 원형 풋 프린트 영역에 배열된 LED 디바이스를 포함하고, 각각의 원형 풋 프린트 영역은 스위치 회로(906)에 의해 둘러싸이며, LED 디바이스 또는 직렬로 연결된 LED 디바이스의 블록을 전력선 또는 직렬로 연결된 LED 디바이스의 블록에 연결하는 데 사용되는 스위치 배열을 포함하여, 위에서 설명한 것처럼 직렬로 연결된 LED 디바이스의 더 큰 스트링을 형성한다.
본 출원에서는 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 개시는 이러한 정확한 실시예에 한정되지 않으며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 첨부된 청구항의 범위에서 벗어나지 않고 다양한 다른 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 집적 회로에 있어서,
    교류(AC) 전력에 연결하도록 구성된 제 1 전력선 및 제 2 전력선;
    복수의 발광 다이오드(LED) 스테이지로서, 각각의 LED 스테이지는 복수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함하는, 상기 복수의 발광 다이오드(LED) 스테이지;
    상기 LED 스테이지의 입력 및 출력에 연결된 복수의 스위치; 및
    상기 AC 전력으로 상기 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 하나 이상의 LED 스테이지를 상기 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 선택적으로 연결하는 상기 복수의 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로부(switch control circuitry)를 포함하는,
    집적 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로부는 상기 제 1 전력선과 제 2 전력선 사이에 직렬로 적어도 2 개의 LED 스테이지를 선택적으로 연결하기 위해 상기 복수의 스위치를 제어하는,
    집적 회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로부는 상기 제 1 전력선과 제 2 전력선 사이에 병렬로 적어도 2 개의 LED 스테이지를 선택적으로 연결하기 위해 상기 복수의 스위치를 제어하는,
    집적 회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    각각의 LED 스테이지는 (i) 제 1 스위치 및 제 2 스위치에 연결된 입력, 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치는 상기 스위치 제어 회로부의 제어 하에 상기 LED 스테이지의 입력을 개별적으로 상기 제 1 전력선 및 상기 제 2 전력선에 선택적으로 연결하도록 구성되고 및 (ii) 제 3 스위치 및 제 4 스위치에 연결된 출력을 포함하고, 상기 제 3 및 제 4 스위치는 상기 LED 스테이지의 출력을 개별적으로 상기 제 1 전력선 및 상기 제 2 전력선에 선택적으로 연결하도록 구성된,
    집적 회로.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로부는 상기 AC 전력의 AC 전압 파형의 전압 레벨에 기초하여 하나 이상의 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 상기 스위치의 활성화를 동기화하는 스위치 타이밍 제어 프로그램을 실행하도록 구성된 하드웨어 프로세서를 포함하는,
    집적 회로.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 인가되는 AC 전압 파형의 제로 전압 크로싱(zero-voltage crossing)을 검출하고 상기 AC 전압 파형의 극성 전환 방향 및 제로 크로싱 이벤트를 나타내는 검출 신호를 출력하도록 구성된 제로 크로싱 검출 회로;를 더 포함하고,
    상기 스위치 제어 회로부는 상기 AC 전압 파형의 전압 레벨에 기초하여 하나 이상의 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 상기 스위치의 활성화를 동기화하는 데 상기 출력 검출 신호를 이용하는,
    집적 회로.
  7. 청구항 1에 있어서,
    각각의 LED 스테이지는 동일한 수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함하는,
    집적 회로.
  8. 청구항 7에 있어서,
    각각의 LED 스테이지는 10 개의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함하고, 각각의 LED 디바이스는 약 2.8V 내지 약 4.2V의 동작 범위를 갖는,
    집적 회로.
  9. 청구항 1에 있어서,
    적어도 2 개의 LED 스테이지가 상이한 수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 갖는,
    집적 회로.
  10. 청구항 1 항의 집적 회로를 포함하는 LED 조명 시스템.
  11. 방법에 있어서,
    교류(AC) 전력을 제 1 전력선 및 제 2 전력선에 인가하는 단계; 및
    상기 AC 전력으로 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 복수의 LED 스테이지의 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 스테이지를 선택적으로 상기 제 1 전력선 및 상기 제 2 전력선에 연결하도록 복수의 스위치를 제어하는 단계로서, 상기 각각의 LED 스테이지는 복수의 직렬로 연결된 LED 디바이스를 포함하는, 상기 제어하는 단계를 포함하는,
    방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 스위치는 상기 제 1 전력선과 제 2 전력선 사이에 직렬로 적어도 2 개의 LED 스테이지를 선택적으로 연결하도록 제어되는,
    방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 스위치는 상기 제 1 전력선과 제 2 전력선 사이에 병렬로 적어도 2 개의 LED 스테이지를 선택적으로 연결하도록 제어되는,
    방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    각각의 LED 스테이지는 (i) 제 1 스위치 및 제 2 스위치에 연결된 입력, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 상기 LED 스테이지의 입력을 각각의 제 1 전력선 및 제 2 전력선 중 하나에 선택적으로 연결하도록 제어되고, 및 (ii) 제 3 스위치 및 제 4 스위치에 연결된 출력을 포함하고, 상기 제 3 및 제 4 스위치는 상기 LED 스테이지의 출력을 각각의 제 1 전력선 및 제 2 전력선 중 하나에 선택적으로 연결하도록 제어되는,
    방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 스위치를 제어하는 단계는 AC 전압 파형의 전압 레벨에 기초하여 하나 이상의 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 상기 스위치의 활성화를 동기화하는 단계를 포함하는,
    방법.
  16. 광 발생 디바이스로서,
    모놀리식 집적 회로(monolithic integrated circuit)를 포함하는 반도체 웨이퍼를 포함하되, 상기 모놀리식 집적 회로는,
    AC 전원에 연결하도록 구성된 교류(AC) 전력 입력 단자, 및 상기 AC 전력 입력 단자 각각에 결합된 제 1 전력선 및 제 2 전력선;
    복수의 발광 다이오드(LED) 스테이지로서, 각각의 LED 스테이지는 복수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함하는, 상기 복수의 발광 다이오드(LED) 스테이지;
    상기 LED 스테이지의 입력 및 출력에 연결된 복수의 스위치를 포함하는 스위칭 회로부; 및
    상기 AC 전원으로부터의 AC 전력으로 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 적어도 2 개의 LED 스테이지를 상기 제 1 전력선 및 상기 제 2 전력선에 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로부를 포함하는,
    광 발생 디바이스.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로부는 (i) 상기 제 1 전력선과 제 2 전력선 사이에 직렬로 적어도 2 개의 LED 스테이지를 선택적으로 연결하고, (ii) 상기 제 1 전력선과 상기 제 2 전력선 사이에 병렬로 적어도 2 개의 LED 스테이지를 선택적으로 연결하는 것 중 적어도 하나로 상기 복수의 스위치를 제어하는,
    광 발생 디바이스.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로부는 AC 전압 파형의 전압 레벨에 기초하여 하나 이상의 LED 스테이지에 전력을 공급하기 위해 상기 스위치의 활성화를 동기화하는 스위치 타이밍 제어 프로그램을 실행하도록 구성된 하드웨어 프로세서를 포함하는,
    광 발생 디바이스.
  19. 청구항 16에 있어서,
    각각의 LED 스테이지는 동일한 수의 직렬 연결된 LED 디바이스를 포함하는,
    광 발생 디바이스.
  20. 청구항 16에 있어서,
    (i) 각각의 LED 디바이스 위에 배치된 광학 필터, 및 (ii) 각각의 LED 디바이스 위에 배치된 렌즈 중 적어도 하나를 더 포함하는,
    광 발생 디바이스.
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