WO2015190646A1 - Led 구동 회로 - Google Patents

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WO2015190646A1
WO2015190646A1 PCT/KR2014/008043 KR2014008043W WO2015190646A1 WO 2015190646 A1 WO2015190646 A1 WO 2015190646A1 KR 2014008043 W KR2014008043 W KR 2014008043W WO 2015190646 A1 WO2015190646 A1 WO 2015190646A1
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이용희
이맹열
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주식회사 르코어테크놀러지
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    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S4/00—Lighting devices or systems using a string or strip of light sources
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
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Abstract

AC 다이렉트형 LED 구동 회로가 개시된다. 본 발명의 LED 구동 회로는 복수의 LED가 연결될 LED 어레이를 구동하기 위한 AC 다이렉트형 LED 구동 회로에 관한 것으로서, 상기 LED 어레이에 연결되는 복수(2이상)의 스위치들과 상기 스위치들을 선택적으로 개폐하기 위한 LED 구동 전류 제어회로를 포함하는 제어 유닛, 및 커패시터를 포함하며, 교류(AC) 전압의 정류 전압을 수신하여 상기 커패시터를 충전하고, 상기 충전된 커패시터로부터 상기 LED 어레이로 방전 전류를 공급하는 스위처블 필 회로를 포함한다.

Description

LED 구동 회로
본 발명은 LED 구동 회로에 관한 것으로서, 특히 AC 전원으로 LED 조명을 직접 구동하는 AC 다이렉트형 LED 구동 회로, 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
최근 에너지 절약의 하나의 방안으로서 기존의 비효율적인 광원 대신 효율이 좋은 LED(Light Emitting Diode) 방식의 광원이 도입되는 추세이다.
LED 조명을 구동하는 방식에는 크게 교류(AC) 전원을 DC 전원으로 변환한 후 DC 전원을 이용하여 LED를 구동하는 AC-DC 변환형 구동 방식과 교류(AC) 전원을 DC 전원으로 변환하지 않고 AC 전원으로 LED를 직접 구동하는 AC 다이렉트형 구동 방식이 있다.
한편, LED 조명의 품질 요소 중 하나로서 퍼센트 플리커(percent flicker) 지수가 있다. 퍼센트 플리커는 LED 조명의 플리커(깜박거림) 정도를 나타내는 지수 중의 하나이다.
도 1은 퍼센트 플리커를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
퍼센트 플리커는 수학식 1에 의하여 산출될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2014008043-appb-M000001
여기서, PF는 퍼센트 플리커를 나타내고, A, B는 각각 도 1에 도시된 바와 같이, LED 밝기의 한 싸이클 내에서 최대 밝기 값 및 최소 밝기 값을 나타낸다.
수학식 1과 같이 산출되는 퍼센트 플리커는 낮을수록 LED 조명의 품질은 향상되므로, LED 조명의 품질을 향상시키기 위해서는 플리커를 줄일 필요가 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 LED 조명의 플리커(깜박거림)을 줄일 수 있는 AC 다이렉트형 LED 구동 회로를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적인 과제는 LED 구동 회로의 칩 사이즈를 줄일 수 있는 AC 다이렉트형 LED 구동 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 회로는 복수의 LED가 연결될 LED 어레이를 구동하기 위한 AC 다이렉트형 LED 구동 회로에 관한 것으로, 상기 LED 어레이에 연결되는 복수(2이상)의 스위치들과 상기 스위치들을 선택적으로 개폐하기 위한 LED 구동 전류 제어회로를 포함하는 제어 유닛; 및 커패시터를 포함하며, 교류(AC) 전압의 정류 전압을 수신하여 상기 커패시터를 충전하고, 상기 충전된 커패시터로부터 상기 LED 어레이로 방전 전류를 공급하는 스위처블 필 회로를 포함한다.
상기 제어 유닛은 디머의 연결 유무를 자동으로 검출하고, 검출 결과에 따라 상기 스위처블 필 회로의 동작을 제어하는 퍼센트 플리커 구동 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 스위처블 필 회로는 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 제1 저항; 및 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결되며, 그 게이트는 상기 퍼센트 플리커 구동 회로에 연결되는 제1 트랜지스터를 더 포함할 수 있고, 상기 커패시터는 상기 제2 노드와 접지 사이에 연결될 수 있다.
상기 스위처블 필 회로는 상기 제2 노드와 상기 제1 노드 사이에 연결되는 다이오드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동 회로는 제1 내지 제k(k는 2이상의 정수) LED 그룹이 직렬로 연결된 LED 어레이를 구동하기 위한 AC 다이렉트형 LED 구동 회로에 관한 것으로, 상기 LED 어레이의 입력 노드와 상기 LED 어레이 사이의 노드 사이에 연결되는 제1 스위치; 및 상기 LED 어레이에 연결되는 제어 유닛을 포함한다.
상기 제어 유닛은 상기 LED 어레이에 연결되는 m(2이상의 정수)의 다채널 스위치들을 포함하는 다채널 스위치 회로; 상기 다채널 스위치들을 선택적으로 개폐하기 위한 LED 구동 전류 제어회로; 및 교류(AC) 전압의 정류 전압에 기초하여, 상기 제1 스위치를 온(on) 또는 오프(off)시키는 스위치 구동회로를 포함한다.
상기 제1 스위치는 NMOS 트랜지스터, PMOS 트랜지스터 또는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT)로 구현될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 회로는 제1 내지 제k(k는 2이상의 정수) LED 그룹이 직렬로 연결된 LED 어레이를 구동하기 위한 AC 다이렉트형 LED 구동 회로에 관한 것으로, 상기 제1 내지 제k(k는 2이상의 정수) LED 그룹의 각 출력 노드와 전압 노드 사이에 연결되는 제1 내지 제k 다채널 스위치들을 포함하는 다채널 스위치 회로; 및 상기 다채널 스위치들을 선택적으로 개폐하기 위한 LED 구동 전류 제어회로를 포함한다.
상기 제1 내지 제k 다채널 스위치들은 브레이크다운 전압(breakdown voltage) 종류가 2개 이상인 스위치들로 구성될 수 있다.
상기 전압 노드는 접지 전압 노드이고, AC 전원에 가까운 다채널 스위치일 수록 브레이크다운 전압이 높은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, LED 조명의 플리커(깜박거림)을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, THD(전고조파왜곡율, Total Harmonic Distortion)를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, LED 구동 회로의 사이즈를 줄일 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 퍼센트 플리커를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 AC 다이렉트형 LED 구동 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 AC 다이렉트형 LED 구동 시스템에서의 LED 입력 전압 및 전류를 개략적으로 나타내는 파형도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 6은 도 4에 도시된 LED 구동 시스템의 보다 구체적인 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시된 퍼센트 플리커 구동 회로의 일 실시예를 나타내는 구성 블록도이다.
도 8은 도 7에 도시된 디머 검출 회로의 일 실시예를 나타내는 구성 블록도이다.
도 9은 도 7에 도시된 디머 검출 회로의 동작을 설명하기 위한 개략적인 신호 파형도이다.
도 10 및 도 11은 각각 도 6에 도시된 LED 조명 구동 회로가 디머에 연결되지 않은 경우의 동작을 설명하기 위한 회로도와 개략적인 파형도이다.
도 12 및 도 13은 각각 도 6에 도시된 LED 조명 구동 회로가 디머에 연결된 경우의 동작을 설명하기 위한 회로도 및 개략적인 파형도이다.
도 14는 도 4에 도시된 LED 구동 시스템의 보다 구체적인 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 15는 도 14에 도시된 LED 구동 시스템의 동작을 설명하기 위한 개략적인 신호 파형도이다.
도 16은 도 4에 도시된 LED 구동 시스템의 보다 구체적인 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 시스템을 나타내는 회로도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 AC 다이렉트형 LED 구동 시스템(10)의 일 예를 나타내고, 도 3은 도 2에 도시된 AC 다이렉트형 LED 구동 시스템(10)에서의 LED 입력 전압 및 전류를 개략적으로 나타내는 파형도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, LED 구동 시스템(10)은 정류기(110), LED 어레이(190), 스위치 회로(140) 및 LED 구동 전류 제어 회로(150)를 포함한다.
정류기(110)는 교류(AC) 전압(Vac)을 정류하여 출력한다. 정류기(110)로부터 출력되는 정류 전압이 도 3의 (a)에 도시된 LED 입력 전압이다.
교류(AC) 전압(Vac)은 상용 교류 전압(예컨대, 110V, 220V 등)일 수 있다.
LED 어레이(190)는 다수의 LED들(191 ~194)을 포함한다.
스위치 회로(140)는 LED 어레이(190)에 연결되는 복수개의 스위치들(141~144)을 포함할 수 있다. LED 구동 전류 제어 회로(150)는 스위치들(141~144)을 선택적으로 개폐하여 LED 어레이(190)에 흐르는 LED 구동 전류를 제어할 수 있다.
도 2의 AC 다이렉트형 LED 구동 시스템(10)에서 LED 어레이(190)의 입력단에 인가되는 LED 입력 전압은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 반원형의 주기적인 신호일 수 있다.
LED 어레이(190)로 입력되는 LED 입력 전류는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, LED 입력 전압의 상승에 따라 계단형으로 증가하고, LED 입력 전압의 상승에 따라 계단형으로 감소하는 신호일 수 있다.
한편, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 도 2의 LED 구동 시스템(10)에서는 LED 입력 전류가 흐르지 않는 구간이 존재한다. LED 입력 전류가 흐르지 않는 구간에서는 LED 어레이(190)가 전부 오프(off)되어 LED 휘도가 0이 된다. 이에 따라, 플리커 현상이 심해진다.
즉, 도 2에 도시된 LED 구동 회로에 따르면, LED가 완전히 꺼지는 구간이 존재하므로, 퍼센트 플리커는 100%가 된다. 따라서, 도 2의 LED 구동 회로는 퍼센트 플리커 특성이 상당히 취약하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 시스템(20)의 개략적인 블록도이다. 도 4를 참조하면, LED 구동 시스템(20)은 정류기(210), 스위처블 필 회로(switchable fill circuit, 220), 제어 유닛(230) 및 LED 어레이(290)를 포함한다.
본 발명의 실시예들에서, LED 구동 회로는 LED 어레이(290)를 구동하기 위한 회로로서, 좁게는 제어 유닛(230)만을 포함하는 것으로 사용될 수도 있고, 넓게는 LED 구동 시스템(20)에서 교류(AC) 전원(201)과 디머(도 5의 205)를 제외한 모든 회로를 포함하는 것으로 사용될 수 있다.
정류기(210)는 교류(AC) 전원(201)로부터 교류(AC) 전압(Vac)을 수신하여 잡음 필터링 및 정류하여 정류 전압(Vrac)을 출력한다. 교류(AC) 전압(Vac)은 상용 교류 전압(예컨대, 110V, 220V 등)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
스위처블 필 회로(220)는 정류 전압(Vrac)을 수신하여 LED 어레이(290)로 LED 전류를 제공한다.
LED 어레이(290)는 직렬, 병렬 혹은 직렬과 병렬이 혼합된 형태로 연결된 다수의 LED을 포함할 수 있다.
제어 유닛(230)은 다채널 스위치 회로(240), LED 구동 전류 제어 회로(250) 및 스위처블 필 제어회로(260)를 포함한다.
다채널 스위치 회로(240)는 LED 어레이(290)에 연결되는 m(2이상의 정수)개의 스위치들을 포함할 수 있다.
LED 구동 전류 제어 회로(250)는 다채널 스위치 회로(240)의 스위치들을 선택적으로 개폐하여 LED 어레이(290)에 흐르는 구동 전류를 제어할 수 있다.
스위처블 필 제어회로(260)는 스위처블 필 회로(220)의 동작을 제어한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동 시스템(20')의 개략적인 블록도이다. 도 5를 참조하면, LED 구동 시스템(20')은 디머(205), 정류기(210), 스위처블 필 회로(switchable fill circuit, 220), 제어 유닛(230) 및 LED 어레이(290)를 포함한다.
도 5의 LED 구동 시스템(20')은 도 4의 LED 구동 시스템(20)과 유사하므로, 설명의 중복을 피하기 위하여 차이점 위주로 기술한다.
도 4의 LED 구동 회로는 디머(dimmer)에 연결되지 않고, 직접 AC 전원(201)으로부터 교류 전압(Vac)을 수신하여 사용하는데 반하여, 도 5의 LED 구동 회로는 디머(205)에 연결되어, 디머(205)를 통과한 디밍 교류 전압(Vdac)를 수신하여 사용한다는 점에서 차이가 있다.
디머(205)는 LED 조명의 밝기(휘도, brightness)를 조절하기 위한 장치로서, 도 5에 도시된 바와 같이, AC 전원(201)과 정류기(210) 사이에 구비될 수 있다. 디머(205)는 교류(AC) 전압(Vac)의 각 싸이클에서 일부분(한 싸이클을 100%라 할 때, 예컨대, 10%에 해당하는 구간)을 제거(이를 페이즈 컷이라 함)함으로써, LED 조명의 밝기를 조절할 수 있다.
도 5의 정류기(210)는 페이즈컷 디머(205)에 의해 페이즈 컷된 교류(AC) 전압(Vdac)을 수신하여 전파 정류하여 정류 전압(Vrac)을 출력할 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 LED 구동 시스템(20)의 보다 구체적인 일 실시예(20A)를 나타내는 회로도이다.
도 6을 참조하면, 정류기(210)는 교류 전압(Vac)을 전파 정류하여 정류 전압(Vrac)을 생성할 수 있다. 정류기(210)는 브릿지 다이오드(bridge diode)로 구현될 수 있다.
도 6에서는 디머(205)가 도시되지 않으나, 다른 실시예에서는, AC 전원(201)과 정류기(210)사이에 디머(205)가 구비될 수도 있다.
스위처블 필 회로(220A)는 제1 저항(R1), 커패시터(CC), 및 제1 트랜지스터(TP1)를 포함한다. 일 실시예에서 제1 트랜지스터(TP1)는 고전압(HV) PMOS 트랜지스터로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 스위처블 필 회로(220A)는 다이오드(D1)를 더 포함할 수 있다. 다이오드(D1)는 고전압 PMOS 트랜지스터(TP1)에 기생적으로 존재하는 다이오드일 수도 있고, 외장 부품으로 별도로 구비된 다이오드일 수도 있다.
제1 저항(R1)은 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있고, 커패시터(CC)는 제2 노드(N3)와 접지 사이에 연결될 수 있다. 제1 트랜지스터(TP1) 역시 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있고, 제1 트랜지스터(TP1)의 게이트는 퍼센트 플리커 구동회로(261)에 연결될 수 있다. 제1 트랜지스터(TP1)의 드레인(drain)과 소오스(source) 사이에는 외장 부품으로 다이오드(D1)가 연결되거나 제1 트랜지스터(TP1)의 기생적으로 존재하는 다이오드(D1)가 이용될 수 있다.
LED 어레이(290)는 직렬로 연결된 제1 내지 제k(2이상의 정수) LED 그룹(291-1~291-k, k는 2이상의 정수)을 포함할 수 있다. 각 LED 그룹(291-1~291-k)은 적어도 하나의 LED를 포함할 수 있고, 복수의 LED들을 포함할 수도 있다. 복수의 LED들을 포함하는 경우, 하나의 LED 그룹 내에서 복수의 LED 들은 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 형태로 연결될 수 있다.
제어 유닛(230A)은 다채널 스위치 회로(240), LED 구동 전류 제어 회로(250) 및 퍼센트 플리커 구동회로(261)를 포함한다. 퍼센트 플리커 구동회로(261)는 스위처블 필 제어회로(260)의 일 실시예이다.
다채널 스위치 회로(240)는 LED 어레이(290)에 연결되는 m(2이상의 정수)개의 스위치들(241, 242)을 포함할 수 있다.
도 6의 실시예에서는, k는 4이고, m은 2이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
LED 구동 전류 제어 회로(250)는 상기 스위치들(241, 242)을 선택적으로 개폐하여 상기 LED 어레이(290)에 흐르는 구동 전류를 제어할 수 있다.
퍼센트 플리커 구동회로(261)는 정류 전압(Vrac)에 기초하여 디머(205)의 연결 유무를 검출하고, 검출 결과에 따라 제1 트랜지스터(TP1)의 온(on)/오프(off)를 제어한다. 예컨대, 퍼센트 플리커 구동회로(261)는 디머(205)의 연결 유무를 판단하여, 디머(205)가 연결된 것으로 판단한 경우와 디머(205)가 연결되지 않은 것으로 판단한 경우에 따라, 스위처블 필 회로(220A)가 다르게 동작하도록 제어한다.
제어 유닛(230A)은 하나의 IC(integrated Circuit) 칩으로 구현될 수 있으며, 제1 트랜지스터(TP1)은 IC 칩 내에 내장될 수도 있고, 외장형으로 구비될 수도 있다.
도 6의 LED 구동 회로의 동작에 대해서는 후술하기로 한다.
도 7은 도 6에 도시된 퍼센트 플리커 구동 회로(261)의 일 실시예를 나타내는 구성 블록도이고, 도 8은 도 7에 도시된 디머 검출 회로(310)의 일 실시예를 나타내는 구성 블록도이며 도 9은 도 7에 도시된 디머 검출 회로(310)의 동작을 설명하기 위한 개략적인 신호 파형도이다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 퍼센트 플리커 구동 회로(261)는 디머 검출 회로(Dimmer detection circuit, 310) 및 트랜지스터 제어 회로(PMOS control circuit, 320)를 포함한다.
디머 검출 회로(310)는 디머(도 5의 205)가 연결되어 있는지 유무를 검출한다. 상술한 바와 같이, LED 구동 회로는 AC 전원을 직접 수신할 수도 있지만, 디머(도 5의 205)에 연결되어 사용될 수 있다.
디머 검출 회로(310)는 정류 전압(Vrac)에 기초하여 디머(도 5의 205)의 유무를 자동으로 검출한다.
디머 검출 회로(310)는 듀티 검출기(duty detector, 311), 평균 전압 생성기(average voltage generator, 313) 및 비교기(315)를 포함할 수 있다.
듀티 검출기(311)는 정류 전압(Vrac)을 제1 기준 전압(Vref1)과 비교하여 듀티 검출 신호(DR)를 생성할 수 있다. 제1 기준 전압(Vref1)은 0 이상이고 양의 피크(peak) 전압(Vp)이하의 전압으로서, 미리 정해진 전압일 수 있다.
정류 전압(Vrac)이 제1 기준 전압(Vref1)보다 높은 경우 듀티 검출 신호(DR)이 하이 레벨(high level)을 가지고, 정류 전압(Vrac)이 제1 기준 전압(Vref1)보다 낮은 경우 듀티 검출 신호(DR)이 로우 레벨(low level)을 가질 수 있다.
평균 전압 생성기(313)는 듀티 검출 신호(DR)의 평균 레벨에 해당하는 듀티 평균 전압(Va_duty)을 생성한다.
비교기(315)는 듀티 평균 전압(Va_duty)을 듀티 기준 전압(Vref2)과 비교하여, 비교 결과를 디머 검출 신호(DD)로서 출력한다.
듀티 기준 전압(Vref2)은 듀티율(duty ratio)이 미리 정해진 값일 때의 듀티 평균 전압일 수 있다. 예컨대, 듀티 기준 전압(Vref2)은 듀티 검출 신호(DR)의 듀티율이 95%일 때의 듀티 평균 전압일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
비교기(315)는 듀티 평균 전압(Va_duty)이 듀티 기준 전압(Vref2)보다 크면 로직 하이레벨(1)의 디머 검출 신호(DD)를 출력하고, 듀티 평균 전압(Va_duty)이 듀티 기준 전압(Vref2)보다 작으면 로직 로우레벨(0)의 디머 검출 신호(DD)를 출력할 수 있다.
듀티 검출기(311)는 듀티 평균 전압(Va_duty)이 듀티 기준 전압(Vref)보다 큰 경우, 디머에 연결되지 않은 것으로 판단할 수 있고, 듀티 평균 전압(Va_duty)이 듀티 기준 전압(Vref)보다 작은 경우에는 디머에 연결된 것으로 판단할 수 있다.
트랜지스터 제어 회로(320)는 디머 검출 신호(DD)를 수신하여, 트랜지스터 제어 신호(CP)를 발생하여, 제1 트랜지스터(TP1)의 게이트로 인가한다.
도시되지는 않았지만, 트랜지스터 제어 회로(320)는 레벨 쉬프터(level shifter)를 이용하여 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9에서 교류 전압(Vac)의 한 주기(P1)가 나타나 있으며, 이후 설명의 편의상 한 주기(P1)에 대해서만 설명하기로 한다. 교류 전압(Vac)은 양의 피크(peak) 전압(Vp)과 음의 피크 전압(-Vp)을 가지는 정현파의 파형을 나타낼 수 있다. 양의 피크 전압(Vp)과 음의 피크 전압(-Vp)은 동일하다고 가정한다.
디머(205)가 리딩 에지 디머로 구현된다고 가정하면, 교류 전압(Vac)의 양의 방향과 음의 방향 각각이 시작되는 시점에서 일정 구간을 커팅할 수 있다. 다만, 실제적인 디머(205)는 정도의 차이는 있으나, 양의 방향과 음의 방향의 파형을 커팅하는 각각의 일정 구간이 서로 다를 수 있다. 또한, 디머(205)를 통과한 디밍 교류 전압(Vdac)의 양의 방향의 피크 전압(Vp1)과 음의 방향의 피크 전압(-Vp2)은 서로 다를 수 있다.
정류기(210)는 디밍 교류 전압(Vdac)을 전파 정류하여 디밍 교류 전압(Vdac)의 정류 전압(Vrac)을 생성할 수 있다. 예컨대, 정류기(210))는 브릿지 다이오드(bridge diode)로 구현될 수 있다.
정류 전압(Vrac)은 디밍 교류 전압(Vdac)을 전파 정류한 형태로 나타나며, 이에 따라 양의 방향의 교류 전압(Vac)에 따른 피크 전압(Vp1)과 음의 방향의 교류 전압(Vac)에 따른 피크 전압(Vp2)은 서로 다를 수 있다.
도 10 및 도 11은 각각 도 6에 도시된 LED 조명 구동 회로가 디머에 연결되지 않은 경우의 동작을 설명하기 위한 회로도와 개략적인 파형도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 디머 검출 회로(310)의 검출 결과, 디머가 연결되어 있지 않으면, 트랜지스터 제어 회로(320)는 스위처블 필 회로(220A)의 제1 트랜지스터(TP1)를 오프(off)시킨다.
제1 트랜지스터(TP1)가 오프상태일 때, 제1 저항(R1)을 통하여 커패시터(CC)로 충전 경로(charging path)가 형성되어, 커패시터(CC)로 충전 전류가 흐른다. 따라서, 제1 저항(R1)을 통하여 충전되므로, RC 시정수로 인하여 충전 시간은 느리다.
커패시터(CC)가 충전되어 제2 노드(N2)의 전압이 제1 노드(N1)의 전압보다 높아지면, 커패시터(CC)로부터 다이오드(D1)를 통하여 LED 어레이(290)로 방전 경로(discharging path)가 형성되어 방전 전류가 흐른다.
이에 따라 도 11에 도시된 바와 같이, AC 전원의 정류 전압(Vrac)가 LED 입력 전압(N2 노드의 전압)보다 큰 구간에서는 커패시터(CC)가 충전되고 충전 전류가 흐른다.
한편, 정류 전압(Vrac)이 LED 입력 전압(N2 노드의 전압)보다 작은 구간에서는 커패시터(CC)로부터 LED 어레이(290)로 방전된다. 따라서, 커패시터 충전 구간과 커패시터 방전 구간간의 LED 어레이(290)로 흐르는 구동 전류의 차이는 크지 않다. 이에 따라, LED 밝기(휘도)가 0 인 구간은 존재하지 않으며, 커패시터 충전 구간과 커패시터 방전 구간간의 밝기 차이도 크지 않다. 따라서, 퍼센트 플리커가 상당히 줄어들다.
THD(전고조파왜곡율)는 제1 저항(R1) 값에 의하여 조절될 수 있다. 따라서, THD를 일정 값(예컨대, 30%)이하가 되도록 제1 저항(R1)의 저항 값을 설정할 수 있다. 또한, 디머가 연결되어 있지 않으므로, 커패시터(CC)를 충전할 수 있는 구간이 충분하다. 따라서, 디머가 연결되어 있지 않을 때는, 제1 저항(R1)을 THD를 일정 값(예컨대, 30%)이하로 하고 퍼센트 플리커 역시 일정 값(예컨대, 10%)이하가 되도록 하는 저항 값으로 설정할 수 있다.
도 12 및 도 13은 각각 도 6에 도시된 LED 조명 구동 회로가 디머에 연결된 경우의 동작을 설명하기 위한 회로도 및 개략적인 파형도이다.
디머 검출 회로(310)의 검출 결과, 디머(205)가 연결되어 있으면, 트랜지스터 제어 회로(320)는 스위처블 필 회로(220A)의 제1 트랜지스터(TP1)를 온(on)시킨다.
제1 트랜지스터(TP1)가 온상태이므로, 제1 저항(R1) 및 제1 트랜지스터(TP1)를 통하여 커패시터(CC)로 충전 전류가 흐른다. 제1 트랜지스터(TP1)의 저항이 제1 저항(R1)에 비하여 작기 때문에, 충전 전류는 대부분 제1 트랜지스터(TP1)를 통하여 커패시터(CC)로 흐른다.
따라서, 제1 트랜지스터(TP1)가 오프인 경우에 비하여, 충전 시간이 빠르다.
커패시터(CC)가 충전되어 제2 노드(N2)의 전압이 제1 노드(N1)의 전압보다 높아지면, 다이오드(D1)를 통하여 LED 어레이(290)로 방전 전류가 흐른다.
디머(205)가 연결되어 있으므로, 디머(205)로 인하여 듀티율이 낮으면 도 13에 도시된 바와 같이, 커패시터를 충전할 수 있는 구간(TC1)이 짧다. 이에 따라 트랜지스터를 온(on)시켜 커패시터를 빨리 충전시킨다.
도 13에 도시된 바와 같이, 디머(205) 출력의 정류 전압(Vrac)가 LED 입력 전압(N2 노드의 전압)보다 큰 구간에서는 커패시터(CC)가 충전되고, 정류 전압(Vrac)가 LED 입력 전압(N2)보다 작은 구간에서는 커패시터(CC)로부터 LED 어레이(290)로 방전된다.
따라서, 커패시터 충전 구간과 커패시터 방전 구간간의 LED 어레이(290)로 흐르는 구동 전류는 거의 일정하다. 이에 따라, LED 밝기(휘도)가 0 인 구간은 존재하지 않으며, 커패시터 충전 구간과 커패시터 방전 구간간의 밝기도 거의 일정하다. 따라서, 퍼센트 플리커가 상당히 낮아진다.
도 14는 도 4에 도시된 LED 구동 시스템(20)의 보다 구체적인 일 실시예(20B)를 나타내는 회로도이다. 도 15는 도 14에 도시된 LED 구동 시스템(20B)의 동작을 설명하기 위한 개략적인 신호 파형도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, LED 구동 시스템(20B)은 정류기(210), 스위처블 필 회로(220B), 제어 유닛(230B) 및 LED 어레이(290)을 포함한다.
도 14에서는 디머(205)가 도시되지 않으나, 다른 실시예에서는, AC 전원(201)과 정류기(210)사이에 디머(205)가 구비될 수 있다.
제어 유닛(230B)은 다채널 스위치 회로(240), LED 구동 전류 제어 회로(250) 및 스위치 구동회로(263)를 포함한다. 스위치 구동회로(263)는 스위처블 필 제어회로(260)의 일 실시예이다.
정류기(210) 및 LED 어레이(290)는 도 6에 도시된 정류기(210) 및 LED 어레이(290)와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
도 14의 실시예에서, 스위처블 필 회로(220B)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결되는 스위치(TP2)를 포함한다. 제1 노드(N1)는 정류기(210)의 출력 노드 또는 LED 어레이(290)의 입력 노드일 수 있다. 제3 노드(N3)는 LED 어레이(290)의 LED 어레이(290) 사이의 노드(이하, 중간 노드라 칭함)일 수 있다. LED 어레이(290) 사이의 노드(중간 노드)란 LED 어레이(290)에서 LED 어레이(290)의 입력 노드 또는 출력 노드가 아닌 노드를 의미한다.
일 실시예에서, 제1 노드(N1)는 LED 어레이(290)의 제1 LED 그룹(291-1)의 입력과 연결되고, 제3 노드(N3)는 제1 내지 제k LED 그룹 중 제1 LED 그룹(291-1)을 제외한 나머지 LED 그룹(291-2~291-k)의 어느 하나의 입력과 연결될 수 있다.
예를 들어, 제3 노드(N3)는 상기 제1 내지 제k(2이상의 정수) LED 그룹들(291-1~291-k) 중 제j LED 그룹(191-j)의 입력과 연결된다. 이 때, j는 2 이상 k 이하의 정수이다. 그리고, 제j LED 그룹과 제(j-1) LED 그룹 사이에 역류 방지용 다이오드(미도시)가 연결될 수 있다.
도 14의 실시예에서는, k는 4이고, 제3 노드(N3)는 제3 LED 그룹(291-3)의 입력에 연결된다.
일 실시예에서 스위치(TP2)는 고전압(HV) PMOS 트랜지스터(이하, PMOS 트랜지스터(TP2)를 제2 트랜지스터(TP2)라 함)로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 스위치(TP2)는 NMOS 트랜지스터 또는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT)로 구현될 수 있다.
스위치 구동회로(263)는 정류 전압(Vrac)에 기초하여 제2 트랜지스터(TP2)의 온(on)/오프(off)를 제어한다.
스위치 구동회로(263)는 정류 전압(Vrac)이 스위칭 기준 전압(Vref3) 보다 크면 제2 트랜지스터(TP2)를 오프(off)시킬 수 있다. 제2 트랜지스터(TP2)가 오프(off) 상태이면, 제1 내지 제4 LED 그룹(291-1~291-4) 중 전류가 흐르는 방향으로 스위치(TP2)가 연결된 노드, 즉 제3 노드(N3) 이전의 제1 내지 제2 LED 그룹(291-1, 291-2)는 동작하고, 제3 노드(N3) 이후의 제3 내지 제4 LED 그룹(291-3, 291-4) 중 적어도 하나는 동작한다.
한편, 정류 전압(Vrac)이 스위칭 기준 전압(Vref3) 보다 작으면 스위치 구동회로(263)는 제2 트랜지스터(TP2)를 온(on)시킬 수 있다. 제2 트랜지스터(TP2)가 온(on) 상태이면, 전류가 흐르는 방향으로 제3 노드(N3) 이전의 제1 내지 제2 LED 그룹(291-1, 291-2)는 동작하지 않고, 제3 노드(N3) 이후의 제3 내지 제4 LED 그룹(291-3, 291-4) 중 적어도 하나는 동작한다.
스위칭 기준 전압(Vref2)은 교류 전압(Vac)의 피크 전압(Vp)의 1/2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구간 1에서는 제2 트랜지스터(TP2)는 온(on)되고, 제3 LED 그룹용 스위치(241)가 턴온된다. 이에 따라, LED 구동 전류는 AC 전원(201), 제2 트랜지스터(TP2), 제3 LED 그룹(291-3) 및 제3 LED 그룹용 스위치(241)를 통해 그라운드로 흐른다.
구간 2에서는, 제2 트랜지스터(TP2)는 온(on)되고, 제3 LED 그룹용 스위치(241)는 턴오프되며, 제4 LED 그룹용 스위치(242)는 턴온된다. 이에 따라, LED 구동 전류는 AC 전원(201), 제2 트랜지스터(TP2), 제3 LED 그룹(291-3), 제4 LED 그룹(291-4) 및 제4 LED 그룹용 스위치(242)를 통해 그라운드로 흐른다.
구간 3에서는, 제2 트랜지스터(TP2)는 오프(off)되고, 제3 LED 그룹용 스위치(241)는 턴온된다. 이에 따라, LED 구동 전류는 AC 전원(201), 제1 LED 그룹 내지 제3 LED 그룹(291-1~291-3) 및 제3 LED 그룹용 스위치(241)를 통해 그라운드로 흐른다.
구간 4에서는, 제2 트랜지스터(TP2)는 오프(off)되고, 제3 LED 그룹용 스위치(241)는 턴오프되며, 제4 LED 그룹용 스위치(242)는 턴온된다. 이에 따라, LED 구동 전류는 AC 전원(201), 제1 LED 그룹 내지 제4 LED 그룹(291-1~291-4) 및 제4 LED 그룹용 스위치(242)를 통해 그라운드로 흐른다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, LED 어레이(290)의 입력 노드(N1)와 중간 노드(N3) 사이에, 정류 전압(Vrac)의 크기에 따라 선택적으로 개폐되는 스위치(TP2)를 구비함으로써, 다채널 스위치(241, 242)의 개수를 줄일 수 있다.
도 2 및 도 3의 본 발명의 비교예에 따른 LED 구동 시스템에서는 스위치 회로(140)는 각 LED 그룹(191~194)의 출력 노드에 연결되는 스위치를 필요로 한다. LED 그룹(191~194)의 수에 따라 스위치(141~144)의 수도 결정되며, 따라서, 많은 수의 스위치가 필요하다.
반면, 도 14의 실시예에 따르면, 각 LED 그룹(191~194)의 출력 노드 마다 다채널 스위치(241, 242)가 연결될 필요가 없다. 예컨대, 제3 노드(N3) 이후의 LED 그룹들, 예컨대, 제3 내지 제4 LED 그룹(291-3, 291-4)의 출력 노드 각각에만 다채널 스위치(241, 242)가 연결되면 되고, 제3 노드(N3) 이전의 LED 그룹들, 즉 제1 내지 제2 LED 그룹(291-1, 291-2)의 각 출력 노드와 접지 사이에는 다채널 스위치가 연결될 필요가 없다.
이에 따라, 다채널 스위치(241, 242)의 수가 1/2로 감소될 수 있다. 따라서, LED 구동 회로의 IC 칩 사이즈가 감소하는 효과가 있다.
도 16은 도 4에 도시된 LED 구동 시스템(20)의 보다 구체적인 일 실시예(20C)를 나타내는 회로도이다.
도 16을 참조하면, LED 구동 시스템(20C)은 정류기(210), 스위처블 필 회로(220C), 제어 유닛(230C) 및 LED 어레이(290)을 포함한다.
도 16에서는 디머(205)가 도시되지 않으나, 다른 실시예에서는, AC 전원(201)과 정류기(210)사이에 디머(205)가 구비될 수 있다.
스위처블 필 회로(220C)는 도 6에 도시된 스위처블 필 회로(220A)와 도 14에 도시된 스위처블 필 회로(220B)를 포함한다.
이에 따라, 제어 유닛(230C) 역시 퍼센트 플리커 구동회로(261) 및 스위치 구동회로(263)를 모두 포함한다. 퍼센트 플리커 구동회로(261) 및 스위치 구동회로(263)는 스위처블 필 제어회로(260)의 일 실시예이다.
상기 차이점 외에 LED 구동 시스템(20C)의 구성 및 동작은 도 6 및 도 14를 참조하여 설명한 바와 동일하다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 시스템(30)을 나타내는 회로도이다. 도 17을 참조하면, LED 구동 시스템(30)은 정류기(210), 제어 유닛(330) 및 LED 어레이(290)를 포함한다.
도 17에서는 디머(205)가 도시되지 않으나, 다른 실시예에서는, AC 전원(201)과 정류기(210)사이에 디머(205)가 구비될 수 있다.
정류기(210) 및 LED 어레이(290)는 도 6에 도시된 바와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
제어 유닛(330)은 다채널 스위치 회로(340), 및 LED 구동 전류 제어 회로(350)를 포함한다.
다채널 스위치 회로(340)는 LED 어레이(290)에 연결되는 m(2이상의 정수)개의 스위치들(341~344)을 포함할 수 있다.
도 17의 실시예에서는, 다채널 스위치 회로(340)는 각 LED 그룹(291~294)의 출력 노드와 그라운드 사이에 연결되는 제1 내지 제4 다채널 스위치(341~344)를 포함한다. 따라서, k와 m은 동일하게 4이다. 그러나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
다채널 스위치 회로(340)는, 브레이크다운 전압(BV: breakdown voltage) 종류가 2개 이상인 스위치들을 사용할 수 있다. 예컨대, 다채널 스위치 회로(340)는 BV가 서로 다른 스위치들(341~344)을 사용한다. AC 전원(201)에서 LED 전류가 흐르는 방향으로 갈 수록 BV가 작은 스위치가 사용된다.
예컨대, 제1 다채널 스위치(341)의 BV는 제2 다채널 스위치(342)의 BV 보다 크고, 제2 다채널 스위치(342)의 BV는 제3 스위치(343)의 BV 보다 크며, 제3 다채널 스위치(343)의 BV는 제4 다채널 스위치(344)의 BV 보다 크다.
제1 내지 제4 다채널 스위치(341~344)는 각각 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
스위치의 BV가 작으면 셀 피치(cell pitch, source에서 drain까지 size)가 감소하기 때문에 칩 사이즈가 감소한다. 따라서, LED 구동 회로의 사이즈가 줄어드는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 LED 구동 회로 및 구동 방법에 관한 것으로서, 특히, LED 조명과 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (12)

  1. 복수의 LED가 연결될 LED 어레이를 구동하기 위한 AC 다이렉트형 LED 구동 회로에 있어서,
    상기 LED 어레이에 연결되는 복수(2이상)의 스위치들과 상기 스위치들을 선택적으로 개폐하기 위한 LED 구동 전류 제어회로를 포함하는 제어 유닛; 및
    커패시터를 포함하며, 교류(AC) 전압의 정류 전압을 수신하여 상기 커패시터를 충전하고, 상기 충전된 커패시터로부터 상기 LED 어레이로 방전 전류를 공급하는 스위처블 필 회로를 포함하는 LED 구동 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛은
    디머의 연결 유무를 자동으로 검출하고, 검출 결과에 따라 상기 스위처블 필 회로의 동작을 제어하는 퍼센트 플리커 구동 회로를 더 포함하는 LED 구동 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위처블 필 회로는
    제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 제1 저항; 및
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결되며, 그 게이트는 상기 퍼센트 플리커 구동 회로에 연결되는 제1 트랜지스터를 더 포함하며,
    상기 커패시터는 상기 제2 노드와 접지 사이에 연결되는 LED 구동 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스위처블 필 회로는
    상기 제2 노드와 상기 제1 노드 사이에 연결되는 다이오드를 더 포함하는 LED 구동 회로.
  5. 제2항에 있어서, 상기 퍼센트 플리커 구동 회로는
    상기 정류 전압을 이용하여 상기 디머의 연결 유무를 검출하는 디머 검출 회로; 및
    상기 디머 검출 회로의 검출 결과, 상기 디머가 연결되어 있지 않으면, 상기 스위처블 필 회로의 제1 트랜지스터를 오프(off)시키고 저항을 통해 상기 커패시터를 충전시키고, 상기 디머 검출 회로의 검출 결과, 상기 디머가 연결되어 있으면 상기 스위처블 필 회로의 제1 트랜지스터를 온(on)시켜서 상기 제1 트랜지스터를 통해서 상기 커패시터를 충전시키는 트랜지스터 제어 회로를 포함하는 LED 구동 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 디머 검출 회로는
    상기 정류 전압을 제1 기준 전압과 비교하여 듀티 검출 신호를 생성하는 듀티 검출기; 및
    상기 듀티 검출 신호의 평균 레벨에 해당하는 듀티 평균 전압을 생성하는 평균 전압 생성기; 및
    상기 듀티 평균 전압을 듀티 기준 전압과 비교하여, 비교 결과를 디머 검출 신호로서 출력하는 비교기를 포함하는 LED 구동 회로.
  7. 제1 내지 제k(k는 2이상의 정수) LED 그룹이 직렬로 연결된 LED 어레이를 구동하기 위한 AC 다이렉트형 LED 구동 회로에 있어서,
    상기 LED 어레이의 입력 노드와 상기 LED 어레이 사이의 노드 사이에 연결되는 제1 스위치; 및
    상기 LED 어레이에 연결되는 제어 유닛을 포함하며,
    상기 제어 유닛은
    상기 LED 어레이에 연결되는 m(2이상의 정수)의 다채널 스위치들을 포함하는 다채널 스위치 회로;
    상기 다채널 스위치들을 선택적으로 개폐하기 위한 LED 구동 전류 제어회로; 및
    교류(AC) 전압의 정류 전압에 기초하여, 상기 제1 스위치를 온(on) 또는 오프(off)시키는 스위치 구동회로를 포함하는 LED 구동 회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 스위치는
    NMOS 트랜지스터, PMOS 트랜지스터 또는 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT)로 구현되는 LED 구동 회로.
  9. 제7항에 있어서, 상기 스위치 구동회로는
    상기 정류 전압이 스위칭 기준 전압 보다 크면 상기 제1 스위치를 오프(off)시키고,
    상기 정류 전압이 상기 스위칭 기준 전압 보다 작으면 상기 제1 스위치를 온(on)시키는 LED 구동 회로.
  10. 제7항에 있어서, 상기 m(2이상의 정수)의 다채널 스위치들은
    상기 제1 내지 제k(k는 2이상의 정수) LED 그룹 중 전류가 흐르는 방향으로 상기 제1 스위치가 연결된 노드 이후의 LED 그룹의 각 출력 노드와 접지 사이에 연결되며,
    상기 제1 내지 제k(k는 2이상의 정수) LED 그룹 중 전류가 흐르는 방향으로 상기 제1 스위치가 연결된 노드 이전의 LED 그룹의 각 출력 노드와 접지 사이에는 연결되지 않는 LED 구동 회로.
  11. 제1 내지 제k(k는 2이상의 정수) LED 그룹이 직렬로 연결된 LED 어레이를 구동하기 위한 AC 다이렉트형 LED 구동 회로에 있어서,
    상기 제1 내지 제k(k는 2이상의 정수) LED 그룹의 각 출력 노드와 전압 노드 사이에 연결되는 제1 내지 제k 다채널 스위치들을 포함하는 다채널 스위치 회로; 및
    상기 다채널 스위치들을 선택적으로 개폐하기 위한 LED 구동 전류 제어회로를 포함하며,
    상기 제1 내지 제k 다채널 스위치들은 브레이크다운 전압(breakdown voltage) 종류가 2개 이상인 스위치들로 구성되는 LED 구동 회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전압 노드는 접지 전압 노드이고,
    AC 전원에 가까운 다채널 스위치일수록 브레이크다운 전압이 높은 것을 특징으로 하는 LED 구동 회로.
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