KR20240030322A - 저전압 동작이 가능한 ｌｅｄ 구동 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저전압 동작이 가능한 LED 구동 회로에 관한 것으로서, 본 발명의 LED 구동 회로는, 전원 전압의 저전압에서 부하 LED들 중 로우 사이드 LED를 턴온하도록 구동하기 위한 로우 사이드 구동부, 상기 전원 전압의 상기 저전압 보다 소정의 크기로 높은 고전압에서 상기 로우 사이드 LED 및 상기 로우 사이드 LED와 직렬 연결된 하이 사이드 LED를 포함하는 상기 부하 LED들 전체를 턴온하도록 구동하기 위한 하이 사이드 구동부, 및 상기 하이 사이드 구동부의 제어에 따라, 상기 전원 전압의 저전압에서 상기 로우 사이드 구동부가 작동되도록 스위칭하고, 상기 전원 전압의 고전압에서 상기 로우 사이드 구동부가 작동되지 않도록 스위칭하는 스위치부를 포함한다.

Description

저전압 동작이 가능한 ＬＥＤ 구동 회로 {LED Driver for Operating at Low Voltage}

본 발명은 LED(Light Emitting Diode) 구동 회로에 관한 것으로서, 특히, LED의 정격 전압 보다 낮은 저전압에서 LED를 동작시킬 수 있는 LED 구동 회로에 관한 것이다.

LED는 기본적으로 정전류 구동방식을 취하고 있다. 정전류 방식이기 때문에 일정한 전류가 흐르도록 제어하는 것이 가장 중요하다. LED 구동은 정전류 구동 외에도 동작전압과 열 발생 및 억제와 같은 사항들이 주요 관심 항목이다. 통상적으로 LED는 직렬 또는 직병렬, 즉, 직렬과 병렬의 조합으로 연결하여 원하는 밝기를 낼 수 있도록 전류값을 조절하며, LED 부하에 전류를 흘릴 수 있는 수준의 충분한 전원전압 인가가 필요하다.

기본적으로 출력단 LED가 직렬 또는 직병렬로 연결되어 있는 상태에서 전류가 흐를 수 있는 최소한의 입출력 전압 차가 필요하다. 즉, LED 부하 전압이 9V인 경우 입력 전압은 최소 10V 이상이 인가되어야 원하는 수준의 출력전류가 정상적으로 흐를 수 있게 된다. 하지만 시스템 요구사양에 의해 저전압에서도 일정 수준의 밝기가 필요한 경우 일반적인 경우의 응용회로를 가지고는 저전압 구동이 불가능하다.

통상적인 경우 DC 전원을 받아 LED를 리니어 방식으로 구동하는 경우 LED 부하에 정전류를 흐르게 하기 위해서는 LED 부하 전압에 일정전압을 더한 전원전압이 필요하다. 자동차 배터리와 같이 12V 전원의 경우 9V LED를 구동하기 위해서는 최소 10V 이상의 전원전압을 인가하는 것이 필요하다. 다시 말하면, 전원전압이 10V 이상 되기 전까지 LED에는 전류가 흐를 수 없다는 것이다. 즉, 리니어 방식의 LED 정전류 구동회로에서 LED에 전류가 흐르면서 밝기가 확보되려면 정전류가 흐를 때의 LED 부하전압에 일정수준 이상의 입출력 전압차가 필요하다.

그러나, 응용 시스템에 따라서는 저전압에서도 일정 수준 이상의 밝기를 요구하는 경우가 있는데 일반적인 방식의 LED 구동회로는 이를 충족시킬 수 없다는 문제점이 있다.

이와 같이, 예를 들어, LED 부하전압이 9V인 경우 약 1V 전압을 더한 10V 이상의 전원전압이 인가되어야 정상적으로 LED 부하단에 전류를 공급할 수 있고, 원하는 밝기를 얻을 수 있다. 하지만, 자동차와 같은 시스템에서는 10V보다 낮은 전원전압에서도 일정 수준 이상의 밝기를 요구하는 경우가 있다. 이런 경우 상당히 복잡한 회로와 별도의 LED 부하가 추가로 필요할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 보다 간단하고 확실하게 전류 제어를 하면서 LED의 정격 전압 보다 낮은 저전압에서도 일정 수준 이상의 밝기를 효과적으로 보장하도록 LED를 동작시킬 수 있는 LED 구동 회로를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 LED 구동 회로는, 전원 전압의 저전압에서 부하 LED들 중 로우 사이드 LED를 턴온하도록 구동하기 위한 로우 사이드 구동부; 상기 전원 전압의 상기 저전압 보다 소정의 크기로 높은 고전압에서 상기 로우 사이드 LED 및 상기 로우 사이드 LED와 직렬 연결된 하이 사이드 LED를 포함하는 상기 부하 LED들 전체를 턴온하도록 구동하기 위한 하이 사이드 구동부; 및 상기 하이 사이드 구동부의 제어에 따라, 상기 전원 전압의 저전압에서 상기 로우 사이드 구동부가 작동되도록 스위칭하고, 상기 전원 전압의 고전압에서 상기 로우 사이드 구동부가 작동되지 않도록 스위칭하는 스위치부를 포함한다.

상기 로우 사이드 구동부, 상기 하이 사이드 구동부 및 상기 스위치부는 집적회로(IC)로 구성될 수 있다.

상기 스위치부는 상기 로우 사이드 구동부의 작동을 제어하기 위한 바이폴라 트랜지스터를 포함하고, 상기 스위치부는 상기 하이 사이드 구동부로부터 상기 바이폴라 트랜지스터로 입력되는 전류에 따라 상기 로우 사이드 구동부의 작동 여부가 결정될 수 있다.

상기 스위치부는 상기 하이 사이드 구동부의 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전류를 입력받아, 상기 전원 전압의 상기 저전압에서의 상기 베이스 전류에 대해 상기 로우 사이드 구동부를 턴온 및 상기 하이 사이드 구동부를 턴오프시키고, 상기 전원 전압의 상기 고전압에서의 상기 베이스 전류에 대해 상기 하이 사이드 구동부를 턴온 및 상기 로우 사이드 구동부를 턴오프시킬 수 있다.

상기 로우 사이드 구동부 및 상기 하이 사이드 구동부 각각은, 상기 전원 전압 단자와 출력 단자 사이에 직렬 연결된 제1저항 및 PNP 트랜지스터; 및 상기 전원 전압 단자와 접지 단자 사이에 직렬 연결된 하나 이상의 다이오드 및 제2 저항을 포함하고, 상기 다이오드와 상기 제2 저항의 접점이 상기 PNP 트랜지스터의 베이스 단자에 연결된다.

상기 로우 사이드 구동부의 상기 PNP 트랜지스터의 이미터 단자와 상기 하이 사이드 구동부의 PNP 트랜지스터의 이미터 단자를 서로 연결하여 로우 사이드 LED를 구동하기 위한 구동 전류를 증가시킬 수 있다.

상기 스위치부는, 상기 로우 사이드 구동부의 접지 단자와 상기 스위치부의 접지 단자 사이에 컬렉터 및 이미터 단자가 연결된 NPN 트랜지스터; 및 상기 NPN 트랜지스터의 베이스와 에미터 단자 사이에 구비된 저항을 포함하는 LED 구동회로.

상기 저항의 저항값에 따라 상기 전원 전압의 저전압 구간과 상기 전원 전압의 고전압 구간이 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 LED 구동 회로에 따르면, 복잡한 회로와 별도의 LED 부하를 추가하지 않아도 보다 간단하고 확실하게 전류 제어를 수행하여 LED의 정격 전압 보다 낮은 저전압에서도 일정 수준 이상의 밝기를 효과적으로 보장하도록 LED를 동작시킬 수 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 동작이 가능한 LED 구동회로(100)의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 LED 구동회로(100)의 구체적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 LED 구동회로(100)의 주요 동작 파형 중, 전원 전압(VCC)에 대한 로우 사이드 구동부(110)와 하이 사이드 구동부(120)의 부하 LED 구동을 위한 출력 전류를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 LED 구동회로(100)에서 스위치부(130)의 턴온/턴오프를 설명하기 위한, 전원 전압(VCC)에 대한 하이 사이드 구동부(120)의 접지(GND) 단자의 전류를 나타낸다.
도 5는 종래의 LED 구동 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 종래의 LED 구동 방식에서의 전원 전압(VCC)에 대한 부하 LED 구동을 위한 출력 전류를 나타낸다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 동작이 가능한 LED 구동회로(100)의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 LED 구동회로(100)는, 전원 전압(VCC)의 저전압에서 부하 LED(151, 155) 중 로우(low) 사이드 LED(151)를 턴온하도록 구동하기 위한 로우 사이드 구동부(110), 전원 전압(VCC)의 상기 저전압 보다 소정의 크기로 높은 고전압에서 부하 LED(151, 155) 전체를 턴온하도록 구동하기 위한 하이(high) 사이드 구동부(120), 전원 전압(VCC)의 저전압에서 하이 사이드 구동부(120)의 제어에 따라(예, 높은 입력 전류를 받을 때) 로우 사이드 구동부(110)가 작동되도록 스위칭하는 스위치부(130)를 포함한다. 스위치부(130)는 하이 사이드 구동부(120)의 제어에 따라(예, 낮은 입력 전류를 받을 때) 전원 전압(VCC)의 고전압에서 로우 사이드 구동부(110)가 작동되지 않도록 스위칭한다.

여기서, 로우 사이드 구동부(110)와 하이 사이드 구동부(120) 역시 수동 소자와 능동 소자를 포함하는 디스크리트 소자로 구현 스위칭 회로가 가능하지만, 바람직하게는 상용 또는 ASIC 반도체 집적회로(IC)로 구현되는 것이 바람직하다.

또한, 스위치부(130)는 수동 소자와 능동 소자를 포함하는 디스크리트 소자로 구현 스위칭 회로가 가능하며, 위와 같은 스위칭 회로들을 집적화한 반도체 집적회로(IC)로도 구현될 수 있다. 스위치부(130)는 하이 사이드 구동부(120)로부터 작은 입력전류를 받을 때 풀다운 저항(도 2의 Rpd)에 의해 스위치부(130)가 턴오프되어 로우 사이드 구동부(110)를 턴오프시킬 수 있도록 구성된다. 하기하는 바와 같이, 예를 들어, 도 2에서, 스위치부(130)가 하이 사이드 구동부(120)로부터 작은 입력전류를 받을 때에는 턴오프되도록, 바이폴라 NPN 트랜지스터(Q1)의 베이스와 에미터 단자 사이에 풀다운 저항(Rpd)이 구비될 수 있다.

또한, 부하 LED(151, 155) 각각의 LED는 도면과 같이 간단히 하나의 LED로 도시하였지만, 이에 한정되지 않으며, 복수의 LED들을 직렬, 병렬, 또는 그 조합으로 구성한 다양한 실시가 가능하다.

도 1에서, 먼저, 전원 전압(VCC)이 인가되면 로우 사이드 구동부(110)와 하이 사이드 구동부(120) 모두 동시에 전원 인가가 된다. 이 때 하이 사이드 구동부(120)의 동작 특성에 의해, 전원 전압(VCC)의 저전압에서 높은 전류를 로우 사이드 구동부(110)로 출력하고, 이에 따라 로우 사이드 구동부(110)가 동작 가능 상태가 된다. 하이 사이드 구동부(120)는 내부 회로(도 2의 D1, D2, R1, R2) 및 기생 회로(도 2의 PNP 트랜지스터 Q1의 기생 회로 등) 동작에 의해 저전압에서 많은 접지(GND, ground) 단자로의 전류가 발생되기 때문에 이 전류가 스위치부(130)를 턴온시킬 수 있고 로우 사이드 구동부(110)의 GND 단자의 전위를 접지, 즉, 0V 수준으로 만들게 된다.

로우 사이드 구동부(110)의 GND 단자 전위가 0V 수준으로 되고 전원 전압(VCC)이 인가된 상태이기 때문에 로우 사이드 구동부(110)는 정상적으로 동작이 가능한 상태가 되어, 전원 전압(VCC)이 로우 사이드 LED(151)의 동작 가능 순방향 전압(도면의 예는 6V)을 넘어서면, 로우 사이드 구동부(110)의 출력 단자(IOUT) 전압 역시 로우 사이드 LED(151)의 동작 가능 순방향 전압(도면의 예는 6V)을 넘어서게 되고, 이때 낮은 전압에서도 로우 사이드 LED(151)를 턴온시켜 소정의 밝기로 발광되도록 할 수 있다.

도면의 부하 LED(151, 155)의 예에서는, 로우 사이드 LED(151)의 동작 가능 순방향 전압 6V와 이에 직렬연결된 하이 사이드 LED(155)의 동작 가능 순방향 전압 3V를 합쳐, 9V 초과, 즉, 10V 이상의 전원 전압(VCC)이 유지되어야 부하 LED(151, 155)가 모두 하이 사이드 구동부(120)의 출력 단자(IOUT) 전압에 의해 부하 LED(151, 155)가 모두 동작 가능 순방향 전압(도면의 예는 10V)을 넘어서게 되는 예를 도시하였다.

도 2는 도 1의 LED 구동회로(100)의 구체적인 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 LED 구동회로(100)는, 로우 사이드 구동부(100)의 접지(GND) 단자와 스위치부(130)의 접지(GND) 단자 사이에 컬렉터 및 이미터 단자가 연결된 NPN 트랜지스터(Q1) 및 그 베이스와 에미터 단자 사이에 풀다운 저항(Rpd)을 구비한 스위치부(130)를 포함하며, 동일한 내부 회로(D1, D2, R1, R2)를 로우 사이드 구동부(110)와 하이 사이드 구동부(120)를 포함할 수 있다. 즉, 로우 사이드 구동부(110)와 하이 사이드 구동부(120) 각각은, 전원 전압(VCC) 단자와 출력 단자(IOUT) 사이에 직렬 연결된 제1저항(R1) 및 바이폴라 PNP 트랜지스터(Q1) (에미터-컬렉터 단자 방향)를 포함하며, 전원 전압(VCC) 단자와 접지(GND) 단자 사이에 직렬연결된 제1 순방향 다이오드(D1), 제2 순방향 다이오드(D2) 및 제2 저항(R2)를 포함하되, 제2 순방향 다이오드(D2)와 제2 저항(R2)의 접점이 PNP 트랜지스터(Q1)의 베이스 단자에 연결된다. 또한, 로우 사이드 구동부(110)의 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(RS)는, 하이 사이드 구동부(120)의 PNP 트랜지스터(Q1)의 이미터 단자(RS)와, 서로 연결되어 있다.

도 2에서, 본원 발명에서 로우 사이드 구동부(110) 또는 하이 사이드 구동부(120) 중 하나가 작동되며, 이때, 해당 부하 LED의 전압 드롭 VD=(Diode Voltage)라 할 때 해당 부하 LED에 대한 구동 전류 I(LED)는 [수학식1]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식1]

I(LED) = 1*(Diode Voltage) / R1 = VD / R1

위의 식에서 보듯이 부하 LED에 대한 구동 전류 I(LED)를 결정하는 요소는 저항(R1)이 유일하다. R1은 집적회로(IC) 내부 저항이기 때문에 LED 구동전류 I(LED)는 고정된 값이지만 도 2와 같이 VCC와 RS 단자간 저항이 병렬 연결되도록, 외부에서 로우 사이드 구동부(110)의 이미터 단자(RS)와 하이 사이드 구동부(120)의 이미터 단자(RS)를 연결하면, LED 구동전류를 증가시킬 수 있다. 하이 사이드 구동부(120)와 로우 사이드 구동부(110)는 2개 중의 1개만 부하 LED(151/155)를 구동하는 방식이기 때문에 본 발명에서 하이 사이드 구동부(120)와 로우 사이드 구동부(110)의 RS 단자를 함께 단락(Short)시킨 것은 LED 출력전류(특히, 로우 사이드 LED(151))를 2배로 키워서 사용하는 경우를 나타낸 것이다. 예를 들어, 25mA의 구동전류를 가지는 IC를 2개 사용하면 50mA DC 구동 능력의 회로가 구성될 수 있는 것이다.

한편, 도 2의 구조에서 부하 LED를 턴온시키기 위해서는 부하 LED의 동작 가능 순방향 전압 이상의 전압이 인가되어야 한다. 먼저, 전원이 인가되고 저전압(예, 6V 이상 ~ 9V 미만)에서는 전체 직렬 부하 LED(151, 155)를 턴온시킬 수 없기 때문에 하이 사이드 구동부(120)의 PNP 트랜지스터(Q1)의 출력 단자(IOUT)로의 출력전류는 0인 상태를 유지한다. 이 때 하이 사이드 구동부(120)의 Q1은 R1-Rpd로 이르는 경로를 통해 베이스 전류를 발생하지만 하이 사이드 구동부(120)의 컬렉터 전류가 0이기 때문에 포화(Saturation) 상태가 되어 정상 동작시보다 매우 큰 전류가 베이스 단자를 통해 접지(GND) 단자로 출력시킨다. 이 때 하이 사이드 구동부(120)의 접지(GND) 단자의 출력 전류와 저항 Rpd의 곱이 0.7V를 넘으면 스위치부(130)의 Q1를 턴온시키므로 로우 사이드 구동부(110)의 접지(GND) 단자 전위를 0V 수준으로 끌어내리게 된다. 이 때 하이 사이드 구동부(120)의 Q1의 베이스 전류는 Q1를 포화상태에 빠지게 할 만큼의 충분한 전류이기 때문에 스위치부(130)의 Q1을 깊이 포화(Deep Saturation)시켜서 그 컬렉터에 연결된 로우 사이드 구동부(110)의 접지(GND) 단자 전위가 0 수준까지 떨어질 수 있도록 기능한다. 이와 같이, 저전압 상태에서 하이 사이드 구동부(120)와 스위치부(130)의 동작에 의해 로우 사이드 구동부(110)는 부하 LED(151)를 구동 가능한 상태가 되고, 전원 전압(VCC)이 로우 사이드 LED(151)에 대한 동작 가능 순방향 전압 이상으로 유지되면(예, 6V 이상 ~ 9V 미만), 6V 이상의 구동 전압이 필요한 로우 사이드 LED(151))를 정상적으로 구동하여 밝기를 내게 된다.

또한, 이 상태에서 전원 전압(VCC)이 전원전압이 계속 증가하여 직렬 부하 LED(151, 155) 전체가 턴온 가능 순방향 전압 이상으로 유지되면(예, 9V 이상), 전압이 인가되면 하이 사이드 구동부(120)의 컬렉터 출력 단자(IOUT) 전류가 부하 LED(151, 155) 쪽으로 흐르면서 하이 사이드 구동부(120)의 Q1의 포화상태가 해소되면서 그 베이스 전류가 줄어들게 된다. 전원 전압(VCC)이 충분이 상승하면 하이 사이드 구동부(120)의 Q1은 작은 베이스 전류로도 구동이 가능한 동작상태가 되어 베이스 전류가 현저히 줄어들게 되어 Q1 베이스 전류와 스위치부(130)의 Rpd의 곱이 0.7V 이하가 되어 스위치부(130)의 Q1이 턴오프 상태가 된다. 스위치부(130)의 Q1이 턴오프되면 로우 사이드 구동부(110)의 Q1의 베이스 전류가 0이 되어 로우 사이드 구동부(110)의 LED 구동전류, 즉, 출력단자(IOUT) 전류는 0이 된다.

이와 같은 일련의 과정을 통해서 저전압에서는 로우 사이드 구동부(110)가 LED를 구동하고, 정상전압 이상에서는 자연스럽게 로우 사이드 구동부(110)가 로우 사이드 LED(151) 구동을 중지하고, 하이 사이드 구동부(120)에 의해 전체 직렬 부하 LED(151, 155)가 구동되는 상태를 유지하게 된다.

이와 같이 동일한 집적회로(IC) 2개, 즉, 로우 사이드 구동부(110)와 하이 사이드 구동부(120)를 구분하여 사용하고 이와 함께 스위치부(130)를 사용하는 경우 여러 가지 장점을 가질 수 있다. 충분한 전원전압(VCC)이 인가되어 하이 사이드 구동부(120)가 정상 동작 상태가 되었는데도 로우 사이드 구동부(110)의 동작이 정지되지 않는다면 로우 사이드 LED(151)와 하이 사이드 LED(155) 간 전류차가 커지게 되어 부하 LED들의 수명 및 신뢰성에도 영향을 줄 수 있고, 정상 전압 조건에서의 부하 LED들의 밝기차를 보상하기 위해 추가적인 비용이 발생할 수 있다. 본 발명은 안정적인 전원전압(VCC)이 인가되어 하이 사이드 구동부(120)가 정상 동작 상태가 되면 로우 사이드 구동부(110)의 동작이 자연스럽게 중단되어 결과적으로 하이 사이드 구동부(120)에 의해서만 부하 LED로의 출력 전류가 흐르게 되어 모든 부하 LED(151, 155)의 전류가 일정하고 안정적으로 구동 가능하게 된다.

도 3은 본 발명의 LED 구동회로(100)의 주요 동작 파형 중, 전원 전압(VCC)에 대한 로우 사이드 구동부(110)와 하이 사이드 구동부(120)의 부하 LED 구동을 위한 출력 전류를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 LED 구동회로(100)에서는, 전원 전압(VCC)이 소정의 저전압까지, 즉, 임계 전압까지 로우 사이드 구동부(110)가 동작하여 부하 LED 구동을 위한 출력 전류(310)가 로우 사이드 LED(151) 부하로 흐르며, 전원 전압(VCC)이 상기 임계 전압 이상에서는 하이 사이드 구동부(120)가 동작하여 부하 LED 구동을 위한 출력 전류(320)가 전체 부하 LED(151, 155)로 흐르는 것을 알 수 있다.

도 1 및 도 2의 예에서와 같이, 저전압(예, 6V 이상 ~ 9V 미만)에서는 하이 사이드 구동부(120)와 스위치부(130)의 동작에 의해 로우 사이드 구동부(110)의 접지(GND) 단자 전위가 0이 되면서, 로우 사이드 구동부(110)가 동작 가능한 상태가 되어 6V 이상 전압이 인가되면 로우 사이드 LED(151)가 턴온되어 로우 사이드 구동부(110) 및 하이 사이드 구동부(120) 개별 IC의 설정된 전류 대비 2배가 구동된다. 위에서도 기술한 바와 같이, 이는 전류를 결정하는 로우 사이드 구동부(110) 및 하이 사이드 구동부(120)의 RS 단자가 병렬로 단락 상태를 유지하기 때문에 가능하다.

위의 예에서, 전원 전압(VCC)이 6V 이상 ~ 9V 미만 구간에서는 로우 사이드 구동부(110)와 로우 사이드 LED(151)의 조합으로 정상 구동되다가 전원전압(VCC)이 임계전압, 즉, 9V 이상으로 상승하면 하이 사이드 LED(155)도 구동 가능한 수준이 되어 하이 사이드 구동부(120) 출력(IOUT) 단자를 통해 전류가 흘러 부하 LED(151, 155) 전체를 발광시킬 수 있게 된다. 이 때 하이 사이드 구동부(120)의 PNP 트랜지스터(Q1)의 포화상태가 해소되면서 베이스 전류(하이 사이드 구동부(120)의 접지 전류)가 점차 줄어든다. 하이 사이드 구동부(120)가 충분히 동작할 수준의 전원전압이 인가되면 하이 사이드 구동부(120)의 접지(GND) 전류가 극히 작아지면서 스위치부(130)의 Q1를 턴오프시켜서 결과적으로 로우 사이드 구동부(110)의 동작이 정지된다. 이런 일련의 과정을 통해서 로우 사이드 구동부(110) 출력(IOUT) 전류와 하이 사이드 구동부(120) 출력(IOUT) 전류는 자연스럽게 교차되어 최종적으로는 로우 사이드 구동부(110) 출력(IOUT) 전류는 완전히 0이 되고 이후 하이 사이드 구동부(120)에 의해 출력(IOUT) 전류가 안정적으로 유지되어 부하 LED(151, 155)를 구동한다.

도 4는 본 발명의 LED 구동회로(100)에서 스위치부(130)의 턴온/턴오프를 설명하기 위한, 전원 전압(VCC)에 대한 하이 사이드 구동부(120)의 접지(GND) 단자의 전류를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 하이 사이드 구동부(120)의 접지(GND) 전류는 Q1의 베이스 전류가 대부분을 차지한다. 즉, 하이 사이드 구동부(120)의 접지(GND) 전류는 하이 사이드 구동부(120)의 Q1이 포화상태일 때는 전류량이 증가하고, 포화상태가 해소되어 정상동작을 하면 거의 0에 가까운 값이 된다.

이해를 돕기 위해 동작구간을 도면과 같이 1,2,3구간으로 나누면, 먼저, 1구간은 전원 전압(VCC)이 저전압 상태(예, 9V 미만)에서 하이 사이드 구동부(120)의 Q1이 정상 구동되지 못하기 때문에 포화상태가 되어 많은 양의 베이스 전류가 접지(GND) 단자로 출력한다. 2구간에서는 하이 사이드 구동부(120)의 Q1이 컬렉터 전류를 흘려보낼 수 있을 정도의 전원 전압(VCC)(예, 9V 이상)이 확보되면서 베이스 전류로 구성된 접지(GND) 전류가 급격히 감소하는 것을 나타낸다. 3구간에서는 하이 사이드 구동부(120) Q1의 포화상태가 완전히 해소되어 Q1 베이스 전류(접지(GND) 전류)가 거의 0에 가까운 작은 값으로 유지됨을 보여준다(예, 전원 전압(VCC) 10V 이상).

이와 같이 상기 1, 2, 3 구간의 접지(GND) 전류는 스위치부(130)를 턴온/턴오프 시키는 입력전류로 작용하기 때문에 스위치부(130)의 스위치용 NPN 트랜지스터(Q1)를 확실히 턴온 또는 턴오프시키는데 문제가 없는 상태를 유지해야 한다. 도 4와 같이 각 구간의 전류값이 명확하고, 최종적으로 작은 접지(GND) 전류에는 스위치부(130)가 턴온되는 것을 방지하기 위해 스위치부(130)의 풀다운 저항(Rpd)의 저항값을 조절하면 이상 동작을 사전에 차단할 수 있다. 즉, 풀다운 저항(Rpd)의 저항값에 따라 전원 전압(VCC)의 저전압 구간과 전원 전압(VCC)의 고전압 구간이 명확히 구분되도록 결정될 수 있다.

도 5는 종래의 LED 구동 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 종래의 LED 구동 방식은 1개의 LED 구동 IC를 사용하여 LED들을 직렬 연결한 부하를 갖는 단순한 구조를 가지고 있다. 부하 LED를 턴온시키기 위해서는 예를 들어 도면과 같이 최소 9V가 필요하고, 안정적인 동작을 위해서는 10V 이상이 필요하다. 자동차와 같이 배터리를 사용하는 시스템의 경우 온도와 같은 외부 환경에 따라 전압 변동이 심한 편이고, 배선에서의 전압 강하 요소까지 감안하면 최소 동작 전압이 높은 편에 해당한다. 또한, 시스템 규정상 저전압에서도 일정 수준 이상의 LED 밝기를 요구하는 경우가 많기 때문에 이와 같은 기존의 동작 방식으로는 이에 대응할 수 없다는 한계를 가진다.

도 6은 도 5의 종래의 LED 구동 방식에서의 전원 전압(VCC)에 대한 부하 LED 구동을 위한 출력 전류를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 부하의 모든 직렬 LED가 턴온되기 전까지는 구동전류가 0인 상태를 유지하다가, 전체 부하 LED를 구동할 수 있는 수준의 정상전압 이상(예, 10V 이상)이 인가되어야 구동전류가 발생한다는 것을 보여준다. 부하의 직렬 LED에 최소한의 전류가 흐르기 위해서는 전원전압이 9V 이상, 정상적인 구동전류가 유지되기 위해서는 10V 이상의 전원전압이 인가되어야 한다. 따라서 종래의 LED 구동 방식에서는 배터리 전압의 강하 또는 배선상의 전압 강하로 인해 충분한 전원전압이 인가되지 않는 경우 원하는 수준의 충분한 전류가 안정적으로 구동되기 어렵고 전원이 흔들리는 등의 불안정 상태에서는 LED의 깜빡꺼림 또는 턴온/턴오프 반복 등의 이상 현상이 발생할 가능성이 커진다. 또한 저전압에서 일정 수준 이상의 LED 밝기를 요구하는 시스템에서는 사용이 불가능하다는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명에 따른 LED 구동 회로(100)는, 기존 LED 부하에서 저전압 동작을 위한 중간 탭을 하나 추출하여 동일한 LED 구동부를 2개(110, 120) 사용하여 동시에 하이 사이드와 로우 사이드 구동이 가능하도록 연결하였다. 이 때 하이 사이드 구동부(120)의 접지(GND) 전류를 입력으로 하는 스위치부(130)로 로우 사이드 구동부(110)를 턴온/턴오프 제어하면 저전압 동작이 가능하며 안정적인 전류 구동이 가능한 LED 구동회로를 만들 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 구동 회로(100)에 따르면, 복잡한 회로와 별도의 LED 부하를 추가하지 않아도 보다 간단하고 확실하게 전류 제어를 수행하여 LED의 정격 전압 보다 낮은 저전압에서도 일정 수준 이상의 밝기를 효과적으로 보장하도록 LED를 동작시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

전원 전압(VCC)
풀다운 저항(Rpd)
로우 사이드 구동부(110)
하이 사이드 구동부(120)
스위치부(130)
로우 사이드 LED(151)
하이 사이드 LED(155)

Claims (8)

1. 전원 전압의 저전압에서 부하 LED들 중 로우 사이드 LED를 턴온하도록 구동하기 위한 로우 사이드 구동부;
   상기 전원 전압의 상기 저전압 보다 소정의 크기로 높은 고전압에서 상기 로우 사이드 LED 및 상기 로우 사이드 LED와 직렬 연결된 하이 사이드 LED를 포함하는 상기 부하 LED들 전체를 턴온하도록 구동하기 위한 하이 사이드 구동부; 및
   상기 하이 사이드 구동부의 제어에 따라, 상기 전원 전압의 저전압에서 상기 로우 사이드 구동부가 작동되도록 스위칭하고, 상기 전원 전압의 고전압에서 상기 로우 사이드 구동부가 작동되지 않도록 스위칭하는 스위치부
   를 포함하는 LED 구동회로.
2. 제1항에 있어서,
   상기 로우 사이드 구동부, 상기 하이 사이드 구동부 및 상기 스위치부는 집적회로(IC)로 구성된 LED 구동회로.
3. 제1항에 있어서,
   상기 스위치부는 상기 로우 사이드 구동부의 작동을 제어하기 위한 바이폴라 트랜지스터를 포함하고,
   상기 스위치부는 상기 하이 사이드 구동부로부터 상기 바이폴라 트랜지스터로 입력되는 전류에 따라 상기 로우 사이드 구동부의 작동 여부를 결정하는 LED 구동회로.
4. 제1항에 있어서,
   상기 스위치부는 상기 하이 사이드 구동부의 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전류를 입력받아,
   상기 전원 전압의 상기 저전압에서의 상기 베이스 전류에 대해 상기 로우 사이드 구동부를 턴온 및 상기 하이 사이드 구동부를 턴오프시키고,
   상기 전원 전압의 상기 고전압에서의 상기 베이스 전류에 대해 상기 하이 사이드 구동부를 턴온 및 상기 로우 사이드 구동부를 턴오프시키는 LED 구동회로.
5. 제1항에 있어서,
   상기 로우 사이드 구동부 및 상기 하이 사이드 구동부 각각은,
   상기 전원 전압 단자와 출력 단자 사이에 직렬 연결된 제1저항 및 PNP 트랜지스터; 및
   상기 전원 전압 단자와 접지 단자 사이에 직렬 연결된 하나 이상의 다이오드 및 제2 저항을 포함하고,
   상기 다이오드와 상기 제2 저항의 접점이 상기 PNP 트랜지스터의 베이스 단자에 연결되는 LED 구동회로.
6. 제5항에 있어서,
   상기 로우 사이드 구동부의 상기 PNP 트랜지스터의 이미터 단자와 상기 하이 사이드 구동부의 PNP 트랜지스터의 이미터 단자를 서로 연결하여 로우 사이드 LED를 구동하기 위한 구동 전류를 증가시키는 LED 구동회로.
7. 제5항에 있어서,
   상기 스위치부는,
   상기 로우 사이드 구동부의 접지 단자와 상기 스위치부의 접지 단자 사이에 컬렉터 및 이미터 단자가 연결된 NPN 트랜지스터; 및
   상기 NPN 트랜지스터의 베이스와 에미터 단자 사이에 구비된 저항을 포함하는 LED 구동회로.
8. 제7항에 있어서,
   상기 저항의 저항값에 따라 상기 전원 전압의 저전압 구간과 상기 전원 전압의 고전압 구간이 결정되는 LED 구동회로.