WO2013055000A1 - Ｌｅｄ 구동 회로 - Google Patents

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WO2013055000A1
WO2013055000A1 PCT/KR2012/004660 KR2012004660W WO2013055000A1 WO 2013055000 A1 WO2013055000 A1 WO 2013055000A1 KR 2012004660 W KR2012004660 W KR 2012004660W WO 2013055000 A1 WO2013055000 A1 WO 2013055000A1
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inductor
led
led array
current
intersection
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PCT/KR2012/004660
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English (en)
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Inventor
이승민
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한빔 주식회사
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the present invention relates to a driving circuit of a light emitting diode (LED).
  • LED light emitting diode
  • the present invention relates to a light emitting diode or an array thereof that is designed for low power and high output using high voltage AC power or DC power.
  • Step-down buck regulator a type of switching-mode power supply circuit that allows circuits to be miniaturized by increasing the power usage efficiency and reducing the heat generation of the switching elements so as to avoid excessive power loss of the switching elements. down buck regulator) circuit.
  • LED elements light emitting diodes
  • LED elements semiconductor elements as light sources of various lighting devices.
  • Such LED devices have high efficiency and long life compared with conventional lighting lamps such as incandescent lamps or halogen bulbs, and thus have recently been utilized in various fields as lightings for displays and general lighting devices.
  • LED devices are driven by direct current and operate at a low voltage of 3V per device, which makes it difficult to operate by directly connecting to AC power such as 90 to 240V or 277V. Therefore, a circuit for converting high-pressure alternating current into direct current should be constructed.
  • the use of transformers has the advantage of being safer because the insulation is provided by the transformers, while the efficiency is limited by the power loss caused by the transformers, and the volume and weight occupied by the transformers make it difficult to miniaturize and lighten the circuit, The disadvantage is the high cost.
  • the non-isolated type does not provide insulation between the LED element and the AC power source, so that additional insulation must be performed when the power source and the light source are separated, but the advantages of miniaturization, light weight, and cost reduction can be obtained.
  • the power efficiency of the non-isolated circuit depends on the size of the AC input and the number of LEDs used. In the case of dozens of LEDs, the efficiency is more than 95%. On the other hand, when the number of LEDs is around 10, the level drops to about 80 ⁇ 90%, and about 4, about 75%. Especially when driving a single LED, the efficiency is very low, around 50%.
  • FIG. 1 illustrates an LED element driving circuit including a fuse as a basic protection element, a bridge diode as an AC-DC converter element, a smoothing capacitor, and a current limiting resistor.
  • the efficiency can be greater than 95% if the series operating voltage is approximately equal to the size of the input supply. However, if the sum of the operating voltage of the LED is lower than the input voltage, the on-time, on-duty is used to maintain a constant current without excessive current flowing through the LED device using the circuit of FIG. time).
  • the buck regulator device U1 and the switching device Q1 are generally configured separately, but some buck regulator IC devices may include a switching device.
  • a high frequency open / close operation occurs so that a high frequency current waveform is transmitted to the AC power supply. Since the high frequency component causes a problem in the electric system, it is regulated to be below a certain level internationally, so it is reduced by using the line filter LF1 and the capacitor CX1.
  • the inductor coil L1 of FIG. 2 stores power in the form of magnetic field energy in a state where current flows, and supplies current to the LED device through the diode D1 with its own induced electromotive force when the switch device is turned off. Do it.
  • FIG. 3 shows waveforms of current flowing in the LED element and D1 and Q1 while the circuit of FIG. 2 is operating.
  • the current flowing through the LED element has the same waveform as the current flowing through R1 and L1.
  • the operating state of Figure 3 is called a continuous conduction mode (continous conduction mode) in which the current flowing through the LED has the advantage that the high-frequency components emitted by the LED without causing a high frequency current waveform to the power source, but there is an advantage Q1 Since the current is flowing through the inductor before this turns on, a high power loss corresponding to the product of the supply and the operating current occurs at the moment Q1 turns on, causing a heat generation problem at Q1 and D1. Therefore, it is common to use when the electric current which flows through LED is 0.5 A or less normally.
  • the buck regulator IC controls the on-off of the switching element by sensing the current flowing through the LED.
  • the buck regulator IC senses the current supplied to the LED as shown in FIG. 2 and the power loss generated by the resistor for the current sensing as shown in FIG. In order to reduce, there is a way to sense the current flowing through the switching element.
  • FIG. 2 and FIG. 4 there is a method of connecting all LED devices in series, and there is also a method of connecting a combination of series and parallel as in FIG. 5, but flows through the inductor L1, the diode D1, and the switching device Q1.
  • the greater the current the greater the power dissipation, making it less useful when the number of LEDs is small.
  • the number of LED devices that can be driven is easy to use because it operates without any problem in the continuous operation mode (CCM) if the sum of the LED voltage is less than 1/2 of the input voltage LED device If the number is less than 1 to 3, the difference between the sum of the LED device operating voltage and the input voltage becomes large, resulting in the following design limitations.
  • CCM continuous operation mode
  • the power loss qsw generated by switching in the switching element Q1 has the following relationship.
  • V IN is the input voltage
  • n is the number of LEDs
  • V LED is the operating voltage of the LED element
  • I CC is the over-operation current, which is the same as the current I LED flowing in the LED in the configuration of FIGS. 1, 2, and 4.
  • t r is the time it takes to turn on the switching element
  • t off is the time it takes to turn off
  • f sw is the switching frequency.
  • T ON the loss due to the resistance ( R ) of the switching element occurs as follows.
  • t r and t off are characteristics of the switching device and are also related to the capacitance of the device.
  • f sw can be easily changed by adjusting the value of the inductor L1 and has the following relationship.
  • ⁇ V is the ripple voltage (maximum-minimum) of the LED element array. Since the current flowing through the LED device has a ripple waveform as shown in FIG. 3, the voltage across the LED device also has a ripple voltage waveform. According to Equation (4), it can be seen that increasing the value of L1 lowers the operating frequency, thereby improving efficiency. In reality, increasing the value of the inductor increases the volume of the inductor, and increasing the number of coils increases the resistance of the coil, which increases the power loss, making it difficult to increase the value above a certain level.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, LED driving circuit to improve the driving efficiency by reducing the power loss by the switching element in supplying a high current of 1A or more from the high-voltage power supply to the LED using the buck regulator element It is intended to provide.
  • the LED drive circuit of the present invention includes a rectifier circuit for converting alternating current into direct current; A first smoothing capacitor connected in parallel with the rectifying circuit to smooth a ripple of an input current; An LED array consisting of one or more LEDs; A regulator element and a switching element for sensing a current flowing through the LED array to supply a constant current to the LED element; An inductor for reducing ripple of the voltage generated in the LED array due to switching; And a free wheeling diode configured to supply a current derived from the inductor to the LED array while the switching element is turned off, and the plurality of inductors and the free wheeling diode are configured to provide a plurality of inductors when the switch is turned on.
  • the LED array When the current is induced in series and the switch is off, the LED array is configured such that the sum of the currents induced by the plurality of inductors flows in the LED array so that a current larger than the value of the current controlled by the switching element flows in the LED. It is characterized by that.
  • the inductor L1, the LED array, the inductor L2, and the switching elements are sequentially connected in series from the output terminal of the rectifier circuit;
  • a free wheeling diode D1 is connected to an intersection of the inductor L2 and the LED array and an intersection of the inductor L1 and the output terminal of the rectifier circuit;
  • the free wheeling diode D2 is connected to the intersection of the inductor L2 and the switching element and the intersection of the inductor L1 and the LED array.
  • a smoothing capacitor C2 is connected in parallel to both ends of the LED array to supply continuous current to the LED array.
  • the LED circuit and the series circuit of the inductor L3 are connected in parallel to both ends of the smoothing capacitor C2, so that a small ripple current can be supplied even if the capacity of the smoothing capacitor C2 is reduced.
  • a switching element, a resistor, an inductor L1, an LED array, and an inductor L2 are connected in series from an output terminal of the rectifier circuit;
  • a free wheeling diode D1 is connected to an intersection of the inductor L2 and the LED array and an intersection of the resistor and the inductor L1;
  • the free wheeling diode D2 is connected to the intersection of the inductor L2 and the ground terminal and the intersection of the inductor L1 and the LED array.
  • a smoothing capacitor C2 is connected in parallel to both ends of the LED array to supply continuous current to the LED array.
  • the LED circuit and the series circuit of the inductor L3 are connected in parallel to both ends of the smoothing capacitor C2, so that a small ripple current can be supplied even if the capacity of the smoothing capacitor C2 is reduced.
  • the LED driving circuit is an LED driving circuit for driving an LED array consisting of at least one or more LEDs, in which the inductor L1, the LED array, the inductor L2, the switching elements in series from the power supply terminal Connected;
  • a free wheeling diode D1 is connected to an intersection of the inductor L2 and the LED array and an intersection of the inductor L1 and a power supply terminal;
  • a freewheeling diode D2 connected to the intersection of the inductor L2 and the switching element and the intersection of the inductor L1 and the LED array;
  • a smoothing capacitor C2 is connected in parallel to both ends of the LED array to supply continuous current to the LED array.
  • a series circuit of the LED array and the inductor L3 is connected in parallel to both ends of the smoothing capacitor C2, so that a small ripple current can be supplied to the LED array even if the capacity of the smoothing capacitor C2 is reduced.
  • LED driving circuit is a LED driving circuit for driving an LED array consisting of at least one or more LEDs, the switching element, resistor, inductor L1, LED array, inductor L2 in order from the power supply terminal Connected in series;
  • a free wheeling diode D1 is connected to an intersection of the inductor L2 and the LED array and an intersection of the resistor and the inductor L1;
  • a free wheeling diode D2 connected to the intersection of the inductor L2 and the ground terminal and the intersection of the inductor L1 and the LED array;
  • a smoothing capacitor C2 is connected in parallel to both ends of the LED array to supply continuous current to the LED array.
  • a series circuit of the LED array and the inductor L3 is connected in parallel to both ends of the smoothing capacitor C2, so that a small ripple current can be supplied to the LED array even if the capacity of the smoothing capacitor C2 is reduced.
  • the peak current value of the switching element can be reduced to 1/2 compared to the conventional, thereby reducing the power loss caused by the resistance generated in the switching element and Since the current of the free wheeling diode can be reduced to 1/2, the heat generated from the device can be properly distributed, thereby improving the efficiency and lifespan of the driving circuit.
  • the switching frequency can be maintained at the minimum value allowed by the regulator IC, thereby distributing the space occupied by the inductor, thereby making the driving circuit compact.
  • 1 is a conventional LED driving circuit consisting of only LED elements and resistors.
  • FIG. 2 is an example of a conventional LED drive circuit using a buck regulator IC.
  • FIG. 3 is an illustration of a current waveform flowing through each element of the circuit of FIG.
  • 5 is an example of a conventional LED driving circuit for driving a plurality of LED elements in combination of series and parallel.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of an LED driving circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a circuit diagram according to the existing technology.
  • FIG. 11 is another embodiment of a circuit of the invention.
  • FIG. 12 is a waveform of current flowing through an LED and an inductor in the circuit of the invention of FIG.
  • FIG. 13 shows an example in which the embodiment of FIG. 11 is applied to an existing circuit.
  • FIG. 6 illustrates an embodiment in which two inductors and two free wheeling diodes are used as an example of the present invention.
  • the AC input voltage rectified by the bridge diode BD1 is supplied to the LED driving circuit smoothed by C1 and controlled by U1.
  • the driving circuit operates to turn off when a predetermined current I MAX flows through the switching element of Q1 through the input of the current sensing resistor R1. While Q1 is on, the same current flows through L1, L2, and LED and increases with time. While Q1 is off, the current induced by L1 flows into L1-LED-D1 and the current induced into L2 is D2-LED-L2. As a result, LEDs have twice as much current as L1 and L2. As soon as Q1 turns on and turns off, the current flowing into L2 flows into Q1, so the energy loss of the switching is calculated from the I MAX value.
  • Capacitor C2 is intended to smooth the current through the LED to reduce electromagnetic radiation by high frequency current.
  • FIG. 7 is a current waveform flowing through the LED and the inductor over time with C2 removed
  • FIGS. 7 and 8 are circuits of FIG. 6.
  • Figure 6 shows the current flowing through the L1, L2, LED of Figure 6 in the state set to drive a single LED at 750mA using.
  • the peak value of Q1 was set to 1A and the inductor was frequency adjusted to operate in discontinuous conduction mode (DCM).
  • DCM discontinuous conduction mode
  • FIG. 7 it can be seen that twice the current of L1 and L2 flows through the LED when Q1 is turned off.
  • a smoothing capacitor is added in parallel to the LED to prevent this.
  • the average current flowing through the LED is 750mA and the average current flowing through L1, L2 is 390mA.
  • the switching element Q1 has a peak current of 1A, an FET device having a 3A capacity can be easily used.
  • FIG. 9 shows a current waveform flowing through the LED and the inductor in FIG. 10.
  • the current waveform flowing through the inductor and the LED in the state in which the inductor is set to the sum of L1 and L2 in FIG. 6 and the frequency is the same in the circuit of FIG. Is showing.
  • the peak current flowing in Q1 is 1A
  • the current flowing in the LED is only 320 mA.
  • the peak current should be set to 2A or more.
  • 15 shows a method of applying the present invention when the switching control circuit is designed to precede the LED and the inductor.
  • Table 1 shows the efficiency of circuits by number of LEDs connected in series when driving LEDs at 1A.
  • the results in Table 1 are obtained when the LED current is 700mA at a DC voltage of 140V using the MAX16801.
  • the efficiency optimization conditions vary depending on the specifications of the switching control element, the operating voltage, and the LED operating current. Different results may be obtained.

Landscapes

  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 발광다이오드(LED, light emitting diode)의 구동 회로에 관한 것으로서, 특히 고전압의 교류 전원 혹은 직류전원을 사용하여 저전압의 고출력으로 설계된 발광다이오드 또는 그 어레이를 동작하는 경우에 높은 동작전류로 인해 스위칭 소자의 전력 손실이 과도하게 발생하지 않도록 회로를 구성하여 전력의 사용효율을 높이고 스위칭 소자의 발열을 감소시켜 회로를 더욱 소형화할 수 있도록 인덕터와 프리 휠링 다이오드를 복수로 구성하여 스위칭 off 상태에서 LED에 각 인덕터에서 유도된 전류의 합이 흐르도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＥＤ 구동 회로
본 발명은 발광다이오드(LED, light emitting diode)의 구동 회로에 관한 것으로서, 특히 고전압의 교류 전원 혹은 직류전원을 사용하여 저전압의 고출력으로 설계된 발광다이오드 또는 그 어레이를 동작하는 경우에 높은 동작전류로 인해 스위칭 소자의 전력 손실이 과도하게 발생하지 않도록 회로를 구성하여 전력의 사용효율을 높이고 스위칭 소자의 발열을 감소시켜 회로를 더욱 소형화할 수 있도록 하는 스위칭 모드 전원 회로의 일종인 스텝다운 벅 레귤레이터(step-down buck regulator) 회로에 관한 것이다.
최근에는 각종 조명 장치의 광원으로서 반도체 소자를 포함하는 발광 다이오드(이하 LED 소자라고 약칭함)가 주목받고 있다. 이러한 LED 소자는 백열전구 또는 할로겐 전구 등의 종래 조명등에 비하여 효율이 높고, 수명이 길다는 이점을 갖고 있기 때문에 최근 표시용 광원을 비롯하여 일반 조명 장치 등의 조명으로서 각 방면에서 실용화되고 있다.
LED 소자는 기존 램프 광원과 달리 직류의 전류에 의해 구동되며 소자당 3V 수준의 낮은 전압에서 동작하기 때문에 90~240V 또는 277V 등의 교류 전원에 바로 연결하여 동작하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 고압의 교류를 직류로 바꾸는 회로를 구성하여야 한다. 교류를 직류로 바꾸는 전원 회로는 크게 둘로 나누어 절연 트랜스포머를 사용하는 절연 타입과 그렇지 않은 비절연 타입이 있다. 트랜스포머를 사용하는 경우는 트랜스포머에 의해 절연이 제공되기 때문에 보다 안전하다는 장점이 있는 반면에 트랜스포머에 의한 전력 손실로 인한 효율에 한계가 있으며 트랜스포머가 차지하는 부피와 무게로 인해 회로를 소형화 및 경량화하기 어렵고 원재료 비용이 높다는 단점이 있다. 반면 비절연타입은 LED소자와 교류전원 간 절연이 제공되지 않아 전원과 광원이 분리된 경우 추가적인 절연을 실시해야 하는 반면 회로의 소형화 및 경량화와 비용절감의 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그리고 비절연 회로의 전력 효율은 교류입력의 크기와 사용되는 LED의 개수에 의해 좌우되는데 LED의 갯수가 수십 개인 경우에는 효율이 95% 이상도 구현이 가능하다는 장점도 있다. 반면, LED의 개수가 10개 내외인 경우는 80~90% 수준, 4개 정도이면 75% 정도로 떨어진다. 특히 단일 LED를 구동하고자 경우에는 효율이 50% 내외로 매우 낮다.
도 1은 기본적인 보호 소자인 퓨즈와 교류-직류 변환 소자인 브리지 다이오드, 평활 커패시터와 전류를 제한하는 저항으로 이루어진 LED 소자 구동회로에 관한 것으로, 도1과 같이 비절연 방식의 회로 가운데 LED 소자를 직렬로 연결하여 직렬 동작 전압이 입력 전원의 크기와 거의 같도록 하면 효율이 95% 이상이 될 수도 있다. 그러나 LED의 동작전압의 합이 입력전압보다 낮으면 벅 레귤레이터로 불리는 도 2의 회로를 사용하여 LED소자에 과도한 전류가 흐르지 않고 일정한 전류(constant current)가 유지되도록 통전시간(on time, on-duty time)을 제한하여야 한다.
도 2에서 벅 레귤레이터 소자(U1)와 스위칭 소자(Q1)은 일반적으로 별도로 구성하지만 일부 벅 레귤레이터 IC 소자에서는 스위칭 소자를 내장하기도 한다. 벅 레귤레이터 소자를 이용하는 경우 고주파의 개폐동작이 발생하기 때문에 교류 전원 측으로 고주파의 전류 파형이 전달된다. 이러한 고주파 성분은 전기 계통에 문제를 야기하기 때문에 국제적으로 일정 수준이하가 되도록 규정되고 있으므로 라인필터(LF1)와 캐패시터(CX1)를 사용하여 저감한다. 도 2의 인덕터 코일(L1)은 전류가 흐르는 상태에서 자기장에너지의 형태로 전력을 저장하였다가 스위치 소자가 off인 상태가 되면 자체 유도 기전력으로 다이오드(D1)을 통해 LED 소자에 전류를 공급하는 역할을 한다. 도 3은 상기 도 2의 회로가 동작하는 상태에서 LED 소자와 D1, Q1에 흐르는 전류의 파형을 보여주고 있다. LED 소자에 흐르는 전류는 R1, L1에 흐르는 전류는 같은 파형이다. 도 3의 동작 상태는 연속동작모드(continous conduction mode)라고 하며 이 상태에서는 LED에 흐르는 전류가 연속적이어서 전원에 고주파의 전류파형을 유발하지 않고 LED에 의해 방출되는 고주파 성분이 적다는 장점이 있으나 Q1이 켜지기 전에 인덕터에 전류가 흐르고 있기 때문에 Q1이 켜지는 순간에 공급전원과 동작전류의 곱에 해당하는 높은 전력 손실이 발생하여 Q1과 D1에서 발열 문제가 발생한다. 따라서 통상 LED에 흐르는 전류가 0.5A 이하인 경우에 사용하는 것이 보통이다.
벅 레귤레이터 IC는 LED에 흐르는 전류를 센싱하여 스위칭 소자의 on-off를 제어하는데 도 2에서와 같이 LED에 공급되는 전류를 센싱하는 방식과 도 4와 같이 전류 센싱을 위한 저항에서 발생하는 전력 손실을 줄이기 위해 스위칭 소자에 흐르는 전류로 감지하는 방식이 있다.
도 2나 도 4와 같이 모든 LED소자를 직렬로 연결하는 방법도 있고 도 5와 같이 직렬과 병렬을 조합하여 연결하는 방법도 있으나 인덕터(L1)와 다이오드(D1), 스위칭 소자(Q1)에 흐르는 전류가 커지므로 전력 손실이 늘어나므로 LED의 개수가 많지 않을 때에는 효용성이 떨어진다.
도 2, 도 4 및 도 5의 회로는 구동이 가능한 LED소자의 개수가 LED 전압의 합이 입력 전압의 1/2 이하이면 연속동작모드(CCM)에서도 큰 문제없이 동작하므로 사용이 편리하지만 LED 소자의 개수가 1~3개 정도로 적은 경우에는 LED 소자 동작전압의 합과 입력 전압 간 차이가 크게 되어 다음과 같은 설계의 제한이 발생한다.
입력전압과 동작전압의 차이가 크면 동일 용량의 인덕터(L1)를 이용하고자 할 때 스위칭 주파수가 높아지기 때문에 이로 인한 전력 손실이 커진다. 스위칭 소자(Q1)에서 스위칭에 의해 발생하는 전력 손실(qsw)은 다음과 같은 관계가 있다.
(수식 1)
Figure PCTKR2012004660-appb-I000001
여기서 V IN 은 입력전압, ｎ은 LED의 개수, V LED 는 LED소자의 동작전압, I CC 는 과동작 전류로서 도 1, 도2, 및 도4의 구성에서는 LED에 흐르는 전류 I LED 와 같다. t r 은 스위칭 소자를 켜는데 걸리는 시간, t off 는 끄는데 걸리는 시간이며 f sw 는 스위칭 주파수이다. 또한 스위칭 소자가 켜있는 동안(T ON )에는 스위칭 소자의 저항(R)으로 인한 손실이 다음과 같이 발생한다.
(수식 2)
Figure PCTKR2012004660-appb-I000002
도 2, 도 4 및 도 5의 회로에서 (수식 1)과 (수식 2)로부터 스위칭 소자에 의한 손실을 계산해보면,
(수식 3)
Figure PCTKR2012004660-appb-I000003
이다.
따라서 전력 손실을 줄이려면 LED의 개수를 늘리거나, 스위칭 주파수를 줄이거나, LED 동작전류를 줄이는 방안이 있을 수 있다. 그런데 동작에 필요한 I LED 값과 LED의 갯수가 정해져 있는 조건에서는 t r 과 t off 는 스위칭 소자의 특성이며 소자의 커패시턴스와도 관계가 있는 것이어서 외부 회로 구성을 통해 줄이기 어렵다. 반면 f sw 는 인덕터(L1)의 값을 조정하면 쉽게 바꿀 수 있으며 다음의 관계가 있다.
(수식 4)
Figure PCTKR2012004660-appb-I000004
여기서 △V는 LED 소자 어레이의 리플 전압(최대-최소)이다. 도 3과 같이 LED 소자에 흐르는 전류가 리플 파형을 갖기 때문에 LED 소자의 양단 전압 역시 리플 전압 파형을 갖는다. 수식 (4)에 따르면 L1의 값을 높이면 동작 주파수는 낮아지므로 효율을 높일 수 있는 것을 알 수 있다. 그런데 현실적으로 인덕터의 값을 높이다 보면 인덕터의 부피가 커지고, 코일의 감은 수를 늘리면 코일의 저항이 커지므로 전력 손실이 커지기 때문에 일정 수준이상 값을 늘리기 어렵다. 특히 1A 수준의 구동 전류를 필요로 하는 LED의 구동에서는 인덕터에 사용되는 자성 코어 재질의 물성 한계로 인해 1mH 이상의 인덕터를 제작하려면 부피가 커지고 따라서 트랜스포머를 사용하는 절연 타입의 구동회로에 비해 장점이 없어진다. 더군다나 일반적인 벅 레귤레이터 소자들은 동작의 안정성을 위해 최소 동작 주파수가 10kHz 수준으로 설정되어 있어 더 이상 낮출 수 없다는 현실적인 제한이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 벅 레귤레이터 소자를 이용하여 고압의 전원으로부터 LED에 1A 이상의 높은 전류를 공급하는데 있어 스위칭 소자에 의한 전력 손실을 줄여 구동 효율을 제고시킨 LED 구동회로를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 LED 구동 회로는 교류를 직류로 변환하는 정류회로; 상기 정류회로와 병렬로 연결되어 입력 전류의 리플을 평활화하는 1차 평활 커패시터; 1개 이상의 LED로 이루어진 LED 어레이; 상기 LED 어레이에 흐르는 전류를 센싱하여 LED 소자에 일정한 전류를 공급하도록 제어하는 레귤레이터 소자 및 스위칭 소자; 스위칭으로 인해 상기 LED 어레이에 발생하는 전압의 리플을 줄여주는 인덕터; 및 상기 스위칭 소자가 off인 상태에서 인덕터에서 유도되는 전류를 상기 LED 어레이에 공급하는 프리 휠링 다이오드를 포함하고, 상기 인덕터와 프리 휠링 다이오드를 복수개로 구성하여 상기 스위치가 on인 상태에서는 복수의 인덕터에 직렬로 전류가 유도되고, 상기 스위치가 off인 상태에서는 상기 LED 어레이에 상기 복수의 인덕터에서 유도된 전류의 합이 흐르도록 구성하여, 스위칭 소자에서 제어하는 전류의 값보다 더 큰 전류가 LED에 흐르도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수개의 인덕터와 프리 휠링 다이오드가 연결되는 구조는, 정류 회로의 출력 단자로부터 인덕터 L1, LED 어레이, 인덕터 L2, 스위칭 소자가 순서대로 직렬로 연결되며; 상기 인덕터 L2와 LED 어레이의 교점과 상기 인덕터 L1과 정류 회로의 출력 단자의 교점에 프리 휠링 다이오드 D1이 연결되고; 상기 인덕터 L2와 스위칭 소자의 교점과 상기 인덕터 L1과 LED 어레이의 교점에 프리 휠링 다이오드 D2가 연결된다.
상기 LED 어레이의 양단에 평활 커패시터 C2를 병렬로 연결하여 LED 어레이에 연속적인 전류를 공급한다.
상기 평활 커패시터 C2 양단에 상기 LED 어레이와 인덕터 L3의 직렬회로가 병렬로 연결되도록 구성하여, 상기 평활 커패시터 C2의 용량을 작게 하여도 리플이 작은 전류를 공급할 수 있다.
상기 복수개의 인덕터와 프리 휠링 다이오드가 연결되는 구조는, 정류 회로의 출력 단자로부터 스위칭 소자, 저항, 인덕터 L1, LED 어레이, 인덕터 L2가 순서대로 직렬로 연결되며; 상기 인덕터 L2와 LED 어레이의 교점과 상기 저항과 인덕터 L1의 교점에 프리 휠링 다이오드 D1이 연결되고; 상기 인덕터 L2와 접지단자의 교점과 상기 인덕터 L1과 LED 어레이의 교점에 프리 휠링 다이오드 D2가 연결된다.
상기 LED 어레이의 양단에 평활 커패시터 C2를 병렬로 연결하여 LED 어레이에 연속적인 전류를 공급한다.
상기 평활 커패시터 C2 양단에 상기 LED 어레이와 인덕터 L3의 직렬회로가 병렬로 연결되도록 구성하여, 상기 평활 커패시터 C2의 용량을 작게 하여도 리플이 작은 전류를 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동 회로는 적어도 1개 이상의 LED로 구성되는 LED 어레이를 구동하는 LED 구동 회로에 있어서, 전원 단자로부터 인덕터 L1, LED 어레이, 인덕터 L2, 스위칭 소자가 순서대로 직렬로 연결되며; 상기 인덕터 L2와 LED 어레이의 교점과 상기 인덕터 L1과 전원 단자의 교점에 프리 휠링 다이오드 D1이 연결되고; 상기 인덕터 L2와 스위칭 소자의 교점과 상기 인덕터 L1과 LED 어레이의 교점에 프리휠링 다이오드 D2가 연결되는 것을 포함하여 구성되며; 상기 스위치가 on인 상태에서는 상기 인덕터 L1과 인덕터 L2에 직렬로 전류가 유도되고, 상기 스위치가 off인 상태에서는 상기 LED 어레이에 상기 인덕터 L1과 인덕터 L2에서 유도된 전류의 합이 흐르도록 구성하여, 스위칭 소자에서 제어하는 전류의 값보다 더 큰 전류가 LED에 흐르도록 하는 것을 특징으로 것을 특징으로 한다.
상기 LED 어레이의 양단에 평활 커패시터 C2를 병렬로 연결하여 LED 어레이에 연속적인 전류를 공급한다.
상기 평활 커패시터 C2 양단에, 상기 LED 어레이와 인덕터 L3의 직렬회로가 병렬로 연결되도록 구성하여, 상기 평활 커패시터 C2의 용량을 작게 하여도 상기 LED 어레이에 리플이 작은 전류를 공급할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 회로는 적어도 1개 이상의 LED로 구성되는 LED 어레이를 구동하는 LED 구동 회로에 있어서, 전원단자로부터 스위칭 소자, 저항, 인덕터 L1, LED 어레이, 인덕터 L2가 순서대로 직렬로 연결되며; 상기 인덕터 L2와 LED 어레이의 교점과 상기 저항과 인덕터 L1의 교점에 프리 휠링 다이오드 D1이 연결되고; 상기 인덕터 L2와 접지단자의 교점과 상기 인덕터 L1과 LED 어레이의 교점에 프리 휠링 다이오드 D2가 연결되는 것을 포함하여 구성되며; 상기 스위치가 on인 상태에서는 상기 인덕터 L1과 인덕터 L2에 직렬로 전류가 유도되고, 상기 스위치가 off인 상태에서는 상기 LED 어레이에 상기 인덕터 L1과 인덕터 L2에서 유도된 전류의 합이 흐르도록 구성하여, 스위칭 소자에서 제어하는 전류의 값보다 더 큰 전류가 LED에 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 LED 어레이의 양단에 평활 커패시터 C2를 병렬로 연결하여 LED 어레이에 연속적인 전류를 공급한다.
상기 평활 커패시터 C2 양단에, 상기 LED 어레이와 인덕터 L3의 직렬회로가 병렬로 연결되도록 구성하여, 상기 평활 커패시터 C2의 용량을 작게 하여도 상기 LED 어레이에 리플이 작은 전류를 공급할 수 있다.
본 발명의 LED 구동 회로에 따르면, 불연속모드에서 동작하는 벅 레귤레이터 회로에서 스위칭 소자의 피크 전류값을 기존 대비 1/2로 줄일 수 있어 스위칭 소자에서 발생하는 저항에 의한 전력 손실을 줄일 수 있고 인덕터와 프리 휠링 다이오드의 전류를 1/2로 줄일 수 있어 소자에서 발생된 열을 적절히 분산할 수 있어 구동회로의 효율과 수명을 향상하는 효과가 있다.
나아가 기존 대비 작은 인덕터 값을 사용하여도 스위칭 주파수를 레귤레이터 IC가 허용하는 최소값으로 유지할 수 있어 인덕터가 차지하는 공간을 분산하여 구동회로를 콤팩트하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 LED소자와 저항으로만 이루어진 종래의 LED 구동회로.
도 2는 벅레귤레이터 IC를 사용하는 종래의 LED 구동회로의 일례.
도 3는 도 2의 회로 각 소자에 흐르는 전류 파형의 예시.
도 4은 벅 레귤레이터 IC를 사용하되 전력손실을 줄인 전류 센싱 방식에 의한 종래의 LED 구동회로의 일례.
도 5는 직렬과 병렬을 조합하여 다수의 LED 소자를 구동하는 종래 LED 구동회로의 일례.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 구동 회로의 구성도.
도 7, 8은 시간에 따른 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형.
도 9는 기존 기술에 따른 회로도.
도 10은 기존 기술에 따른 회로에서 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형.
도 11은 본 발명의 회로의 다른 실시 예
도 12는 도 11의 발명의 회로에서 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형
도 13은 도 11의 실시 예를 기존 회로에 적용한 예
도 14는 도 13의 회로에서 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형
도 15는 본 발명의 다른 실시 예
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 스위칭 모드 전원 회로의 바람직한 실시의 예를 상세히 설명한다. 도 6은 본 발명의 일례로써 두 개의 인덕터와 두 개의 프리 휠링 다이오드(free wheeling diode)로 구성한 실시 예이다.
브리지 다이오드(BD1)에 의해 정류된 교류입력 전압은 C1에 의해 평활되어 U1로 제어되는 LED 구동회로에 공급된다. 구동회로는 전류 센싱 저항(R1)의 입력을 통해 Q1의 스위칭 소자에 일정 전류(I MAX )이상이 흐르면 꺼지도록 작동한다. Q1이 켜져 있는 동안에는 L1, L2 및 LED에 동일한 전류가 흐르며 시간에 따라 증가하다가 Q1이 꺼져있는 동안에는 L1에 의해 유도된 전류는 L1-LED-D1에 흐르고 L2에 유도된 전류는 D2-LED-L2에 흐르게 되어 결과적으로 LED에는 L1과 L2에 비해 2배의 전류가 흐른다. 다시 Q1이 켜지는 순간과 꺼지는 순간에 Q1에는 L2에 흐르는 전류가 돌입하므로 스위칭의 에너지 손실은 I MAX 값을 통해 계산되어진다. 반면 LED에 흐르는 전류를 보면 Q1이 꺼지는 순간에 2×I MAX 가 흐르므로 기존 회로에 비해 스위칭에 의한 전력 손실이 1/2로 줄어든다. 캐패시터 C2는 고주파 전류에 의한 전자기 방사를 줄이기 위해 LED에 흐르는 전류를 평활하기 위한 것이다.
한편, 주파수의 측면에서 볼 때에 인덕터를 직렬로 2개를 사용하였으므로 인덕턴스 값이 2배가 되어 스위칭 주파수를 반으로 줄일 수 있다. 물론 인덕터가 차지하는 공간의 측면에서 볼 때에는 동일 스위칭 주파수를 구현하기 위해 거의 동일한 공간을 차지하게 되지만 부품의 공간 배치가 용이해진다는 장점이 있다. 또한 작은 인덕터일수록 전류 용량이 큰 것을 쉽게 구할 수 있다는 장점도 있다.
도 7은 C2를 제거한 상태에서 시간에 따른 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형이고, 도 8은 C2=10uF인 상태에서 시간에 따른 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형으로, 도 7, 8은 도 6의 회로를 사용하여 1개의 LED를 750mA로 구동할 수 있도록 셋팅한 상태에서 도 6의 L1, L2, LED에 흐르는 전류를 도시한 것이다. Q1의 피크치는 1A로 세팅하였고 인덕터는 불연속 전도 상태(discontinuous conduction mode, DCM)로 동작하도록 주파수를 조정하였다.
도 7에서 보듯이 Q1이 꺼진 상태에서 LED에는 L1과 L2의 2배의 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 통상 LED에 고주파형의 전류가 흐르게 되면 전자기파 방사(Electromagnetic emission)가 발생하므로 이를 방지하기 위해 LED에 병렬로 평활 캐패시터를 추가한다. 도 8은 C2=10uF일 때의 L1, L2, LED에서의 전류파형이다. 도 8의 경우 LED에 흐르는 평균전류는 750mA이고 L1, L2에 흐르는 평균전류는 390mA이다. 스위칭 소자인 Q1에는 피크전류가 1A이므로 쉽게 구할 수 있는 3A용량을 가진 FET소자를 이용할 수 있다.
본 발명의 효과를 기존 기술과 비교하기 위해 도 9에는 기존의 회로를 도 10에서는 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형을 제시하였다.
도 10에서는 기존 기술 대비 본 발명의 효과를 도시하기 위해 도 9의 회로에서 인덕터의 값을 도 6의 L1과 L2를 합한 값으로 하고 주파수는 동일하게 설정한 상태에서 인덕터와 LED에 흐르는 전류 파형을 보여주고 있다. 도 10에 보듯이 기존 기술에 의한 회로에서는 Q1에 흐르는 피크전류가 1A임에도 LED에 흐르는 전류는 320mA 수준밖에 되지 않는 것을 볼 수 있다. 즉, LED에 흐르는 전류를 750mA 수준으로 하기 위해서는 피크전류를 2A 이상으로 설정해야하는 것을 알 수 있다.
도 6의 본 발명에서는 높은 LED 전류를 구현하기 위해 불연속동작모드로 동작하도록 하였기 때문에 LED에 연속적인 전류를 공급하기 위해 평활캐패시터 C2를 추가하였다. 다른 방법으로 LED에 도 11과 같이 직렬로 인덕터(L3)를 추가하면 C2를 작게 하여도 매우 리플이 작은 전류를 공급할 수 있다. 그 결과는 도 12에 제시하였다. 도 12는 도 11의 발명의 실시 예에서 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형. L1=L2=L3, C2=0.47uF인 경우 파형이다.
도 11의 발명을 기존 회로에 적용했을 때의 효과를 보기 위해 도 13의 회로를 구성하였고 이때에 LED에 흐르는 전류는 도 14와 같다. 도 14는 도 13의 회로에서 LED와 인덕터에 흐르는 전류 파형(L1=2 x L2, C2=0.47uF)을 도시한 것이다.
도 14에서 보듯이 본 발명의 회로에 평활 인덕터를 추가했을 때에 기존 회로에 동일한 용량의 평활 인덕터를 추가했을 때보다 리플이 50% 저감되는 것을 확인할 수 있다.
도 15에서는 스위칭 제어 회로가 LED와 인덕터보다 앞에 오도록 설계된 경우에 본 발명의 적용 방법을 제시하였다.
표 1
Figure PCTKR2012004660-appb-T000001
표 1에서는 LED를 1A로 구동할 때에 직렬로 연결된 LED 개수별 회로의 효율을 제시하였다. 표 1의 결과는 MAX16801을 이용하여 140V의 직류전압에서 LED 전류를 700mA로 한 경우에 얻은 결과이며 스위칭 제어 소자의 사양과 동작전압, LED의 동작 전류에 따라 효율의 최적화 조건이 다르기 때문에 경우에 따라 상이한 결과를 얻을 수도 있다.

Claims (13)

  1. 교류를 직류로 변환하는 정류회로;
    상기 정류회로와 병렬로 연결되어 입력 전류의 리플을 평활화하는 1차 평활 커패시터;
    1개 이상의 LED로 이루어진 LED 어레이;
    상기 LED 어레이에 흐르는 전류를 센싱하여 LED 소자에 일정한 전류를 공급하도록 제어하는 레귤레이터 소자 및 스위칭 소자;
    스위칭으로 인해 상기 LED 어레이에 발생하는 전압의 리플을 줄여주고 직렬로 연결되는 복수의 인덕터; 및
    상기 스위칭 소자가 off인 상태에서 상기 복수의 인덕터에서 유도되는 전류를 상기 LED 어레이에 공급하는 복수의 프리 휠링 다이오드를 포함하고,
    상기 복수의 인덕터와 복수의 프리 휠링 다이오드는 쌍으로 구성하여 상기 스위칭 소자가 on인 상태에서는 상기 복수의 인덕터에 직렬로 전류가 유도되고, 상기 스위칭 소자가 off인 상태에서는 상기 LED 어레이에 상기 복수의 인덕터에서 유도된 전류의 합이 흐르도록 구성하여, 상기 스위칭 소자에서 제어하는 전류의 값보다 더 큰 전류가 LED에 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 인덕터와 프리 휠링 다이오드가 연결되는 구조는,
    정류 회로의 출력 단자로부터 인덕터 L1, LED 어레이, 인덕터 L2, 스위칭 소자가 순서대로 직렬로 연결되며;
    상기 인덕터 L2와 LED 어레이의 교점과 상기 인덕터 L1과 정류 회로의 출력 단자의 교점에 프리 휠링 다이오드 D1이 연결되고;
    상기 인덕터 L2와 스위칭 소자의 교점과 상기 인덕터 L1과 LED 어레이의 교점에 프리 휠링 다이오드 D2가 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 LED 어레이의 양단에 평활 커패시터 C2를 병렬로 연결하여 LED 어레이에 연속적인 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 평활 커패시터 C2 양단에 상기 LED 어레이와 인덕터 L3의 직렬회로가 병렬로 연결되도록 구성하여, 상기 평활 커패시터 C2의 용량을 작게 하여도 리플이 작은 전류를 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 인덕터와 프리 휠링 다이오드가 연결되는 구조는,
    정류 회로의 출력 단자로부터 스위칭 소자, 저항, 인덕터 L1, LED 어레이, 인덕터 L2가 순서대로 직렬로 연결되며;
    상기 인덕터 L2와 LED 어레이의 교점과 상기 저항과 인덕터 L1의 교점에 프리 휠링 다이오드 D1이 연결되고;
    상기 인덕터 L2와 접지단자의 교점과 상기 인덕터 L1과 LED 어레이의 교점에 프리 휠링 다이오드 D2가 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 LED 어레이의 양단에 평활 커패시터 C2를 병렬로 연결하여 LED 어레이에 연속적인 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  7. 제5항에 있어서, 상기 평활 커패시터 C2 양단에 상기 LED 어레이와 인덕터 L3의 직렬회로가 병렬로 연결되도록 구성하여, 상기 평활 커패시터 C2의 용량을 작게 하여도 리플이 작은 전류를 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  8. 적어도 1개 이상의 LED로 구성되는 LED 어레이를 구동하는 LED 구동 회로에 있어서,
    전원 단자로부터 인덕터 L1, LED 어레이, 인덕터 L2, 스위칭 소자가 순서대로 직렬로 연결되며;
    상기 인덕터 L2와 LED 어레이의 교점과 상기 인덕터 L1과 전원 단자의 교점에 프리 휠링 다이오드 D1이 연결되고;
    상기 인덕터 L2와 스위칭 소자의 교점과 상기 인덕터 L1과 LED 어레이의 교점에 프리휠링 다이오드 D2가 연결되는 것을 포함하여 구성되며;
    상기 스위칭 소자가 on인 상태에서는 상기 인덕터 L1과 인덕터 L2에 직렬로 전류가 유도되고, 상기 스위칭 소자가 off인 상태에서는 상기 LED 어레이에 상기 인덕터 L1과 인덕터 L2에서 유도된 전류의 합이 흐르도록 구성하여, 상기 스위칭 소자에서 제어하는 전류의 값보다 더 큰 전류가 LED에 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 LED 어레이의 양단에 평활 커패시터 C2를 병렬로 연결하여 LED 어레이에 연속적인 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 평활 커패시터 C2 양단에, 상기 LED 어레이와 인덕터 L3의 직렬회로가 병렬로 연결되도록 구성하여, 상기 평활 커패시터 C2의 용량을 작게 하여도 상기 LED 어레이에 리플이 작은 전류를 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
  11. 적어도 1개 이상의 LED로 구성되는 LED 어레이를 구동하는 LED 구동 회로에 있어서,
    전원단자로부터 스위칭 소자, 저항, 인덕터 L1, LED 어레이, 인덕터 L2가 순서대로 직렬로 연결되며;
    상기 인덕터 L2와 LED 어레이의 교점과 상기 저항과 인덕터 L1의 교점에 프리 휠링 다이오드 D1이 연결되고;
    상기 인덕터 L2와 접지단자의 교점과 상기 인덕터 L1과 LED 어레이의 교점에 프리 휠링 다이오드 D2가 연결되는 것을 포함하여 구성되며;
    상기 스위칭 소자가 on인 상태에서는 상기 인덕터 L1과 인덕터 L2에 직렬로 전류가 유도되고, 상기 스위칭 소자가 off인 상태에서는 상기 LED 어레이에 상기 인덕터 L1과 인덕터 L2에서 유도된 전류의 합이 흐르도록 구성하여, 상기 스위칭 소자에서 제어하는 전류의 값보다 더 큰 전류가 LED에 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
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