KR101651506B1 - 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 led 조명장치 - Google Patents

전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 led 조명장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트랜스포머의 1차측 입력전압 정보를 센싱 제어하고 입력 전류를 센싱하여 입력전력을 기준으로 구동하므로 출력전압, 전류의 안정화에 필요한 2차측 전해 캐패시터를 제거함으로써 전체적인 수명을 향상시키도록 한 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치에 관한 것으로서, LED 조명등으로 전원을 공급하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 LED 조명장치이고, 상용 교류 전압을 입력하는 전압 입력부와, 상기 전압 입력부에 1차측이 연결되고 상기 LED 조명등에 2차측이 연결되어 LED 조명등을 구동하는 트랜스포머와, 상기 트랜스포머의 1차측과 접지단 사이에 연결된 파워 트랜지스터와, 상기 트랜스포머와 LED 조명등 사이에 구성되어 상기 LED 조명등으로 입력되는 전원에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 필터와, 상기 전압 입력부를 통해 입력된 상용 교류 전압을 기준전압으로 생성하여 출력하는 기준전압 생성부와, 상기 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압을 입력으로 받아 상기 파워 트랜지스터를 구동하는 스위칭 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치{Dimming Type LED Lighting Device Including Element for providing Power with Electrolysis Capacitor-less}
본 발명은 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치에 관한 것으로, 특히 전해 캐패시터를 삭제하여 수명을 향상시키도록 한 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로, 교류 전원 공급 장치(AC Power Supply)에는 스위칭 모드 전원 공급(Switching Mode Power Supply: SMPS) 방식과 선형 전원 공급(Linear Power Supply) 방식이 있는데, 가전, 컴퓨터, 통신 기기 등 대부분의 분야에서 SMPS 방식이 주로 사용되고 있다.
최근에는 LED(Light Emitting Diode) 조명의 수요가 급격히 늘면서 SMPS 장치를 이용한 LED 조명도 널리 개발되고 있다.
이러한 LED는 구동 전압(Vf)이 낮아서 구동 전류(If)를 크게 하여야 고 출력의 조명 기기를 만들 수 있고, 또한 조명기기는 플리커(Flicker)가 적어야 좋은 조명이 되므로 출력단에 용량이 큰 캐패시터를 사용하여야 한다.
그런데, LED는 소비 전력의 15% 정도가 빛으로 바뀌고 나머지 85% 정도는 열로 바뀌어 주변 온도를 급격히 높이게 된다.
또한, 비교적 작은 크기의 조명 기기 내에 LED와 SMPS와 같은 전원 회로를 함께 실장해야 하는 제약이 있어 LED와 전원 회로에서 발생되는 열로 인해 전원 회로 및 LED에 불량이 발생하며, 최근 미국, 일본 등에서 이로 인한 화재 및 감전 사고 등으로 리콜(Recall)이 잇따르고 있는 실정이다.
또한, 전술한 발열로 인하여 LED의 수명은 약 35,000 시간인데 반해 SMPS의 수명은 20,000 시간도 되지 않는 경우가 많으며, 미국 에너지국(Department of Energy: DOE)의 2012년도 보고서에 따르면 미국 내 판매되고 있는 LED 조명의 약 1/4 가량이 1,000 시간 이내에 고장 난다는 문제점이 있으며, 이러한 고장은 주로 SMPS의 전해 캐패시터에서 발생하는 것으로 알려져 있다.
전술한 고장 문제를 해결하기 위하여 SMPS와 LED가 서로 격리되도록 설계하거나 전해 캐패시터 대신 고체 캐패시터를 사용하는 등의 시도가 있으나, 이러한 방법의 적용이 어려운 조건에서는 뚜렷한 개선이 이루어지지 않는 문제점과 가격이 비싸서 상용화에 어려운 점이 있었다.
도 1은 일반적인 부스트(Boost) 방식의 SMPS를 나타낸 회로도로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 전파 브리지 정류기(10), 인덕터(L11), 스위치(SW11), 다이오드(D11), 및 전해 캐패시터(C11)를 포함할 수 있다.
스위치(SW11)가 온(ON)되면 전류가 정류기(10), 인덕터(L11), 스위치(SW11), 정류기(10) 순으로 흘러 인덕터(L11)에 에너지가 축적되고, 스위치(SW11)가 오프(OFF)되면 인덕터(L11)에 저장되었던 에너지가 방출되어 정류 다이오드(D11), 전해 캐패시터(C11), 및 스위치(SW11) 순으로 흐르는데, 이 방출되는 에너지는 처음 입력된 전류와는 반대의 극성을 가지게 된다. 이렇게 전류를 흘리다가 끊어버리면 흘리던 반대 방향으로 전류가 흐르는 현상을 역기전력이라고 하며, 이 역기전력이 발생하면서 짧은 순간이지만 전압이 올라가게 되는데, 코일에서 일어나는 자체유도라는 현상으로 인해서 이 현상이 꽤 오랫동안 유지된다.
이렇게 만들어진 출력전압은 출력되어 부하(1)에 공급되는데, 이때 필요한 성분의 전류만 걸러내기 위해 다이오드(D11)로 정류를 거치고, 전해 캐패시터(C11)를 거쳐 평활된 후 출력된다.
전술한 바와 같이 스위치(SW11)를 주기적으로 온/오프시켜 펄스 모양의 직류 전압을 만들어 부하(1)에 공급한다.
도 2는 일반적인 벅(Buck) 방식의 SMPS를 나타낸 회로도로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 전파 브리지 정류기(20), 스위치(SW21), 다이오드(D21), 인덕터(L21), 다이오드(D22), 및 전해 캐패시터(C21)를 포함할 수 있다.
스위치(SW21)가 온되면 인덕터(L21)로 전류가 흘러 에너지가 축적되고 다이오드(D22)를 통해 정류되어 전해 캐패시터(C21)와 부하(1)를 통해 전류가 증가하며 흐르게 된다.
스위치(SW21)가 오프되면 다이오드(D21)는 인덕터(L21)에 축적된 에너지인 인덕터 전류가 다이오드(D22)에서 정류되어 전해 캐패시터(C21)와 부하(1)를 통해 흐르도록 통로를 만들어주고, 인덕터 전류는 스위치(SW21)가 다시 온 될 때까지 감소한다.
이와 같이 스위치(SW21)를 주기적으로 온/오프 시켜 펄스 모양의 직류 전압을 만들어 부하(1)에 공급한다.
도 1,2에서 부하(1)에 전력을 공급하기 위해서는 스위칭에 의하여 인덕터를 통과한 전력을 저장하기 위해 전해 캐패시터(C11,C21)를 사용하는데, 전해 캐패시터(C11,C21)는 외부 온도, 인가 전압, 리플 전류, 충방전 패턴, 돌입전류, 및 비정상 전압 등과 같은 6가지의 조건에 의해서 수명 단축 및 고장이 발생할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 2가지 회로의 예처럼, 기존의 SMPS는 출력 전압을 체크하고 그 체크 결과에 따라 스위치(SW11,SW21)의 온/오프 스위칭을 조절하여 출력 전압을 일정하게 조절해 준다.
그런데, LED 부하(1)의 경우 온도가 1도 올라가면 구동 전압(Vf)이 2mV~5mV 정도 떨어지게 되고, 따라서 인가 전압이 그 만큼 올라간 것이 되어 LED 부하(1)에 흐르는 전류가 증가하게 된다. 통상적으로 인가 전압이 10% 정도 증가하면 LED 부하(1)에 흐르는 전류는 50~100% 증가한다.
LED 전구 같은 경우는 내부 온도가 약 85도까지 올라가는데, 이는 상온 25도에서 보다 무려 60도가 높아지는 것으로, 이로 인하여 열폭주가 발생하고 설계 이상의 전류를 소모하게 되어, 전해 캐패시터(C11, C21)에서의 리플 전류도 허용치 이상으로 발생하기 때문에, 전해 캐패시터(C11, C21)의 고장 원인이 된다.
(특허문헌 1) 등록특허공보 제10-1452537호(2015. 10. 16.): 돌입전류제한 기능을 갖는 엘이디 점등용 안정기 회로
(특허문헌 2) 공개특허공보 제10-2010-0050930호(2010. 05. 14.): 전원 안정화 기능을 갖는 교류전원 엘이디 조명장치
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 트랜스포머의 1차측 입력전압 정보를 센싱 제어하고 입력 전류를 센싱하여 입력전력을 기준으로 구동하므로 출력전압, 전류의 안정화에 필요한 2차측 전해 캐패시터를 제거함으로써 전체적인 수명을 향상시키도록 한 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치는 LED 조명등으로 전원을 공급하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 LED 조명장치이고, 상용 교류 전압을 입력하는 전압 입력부와, 상기 전압 입력부에 1차측이 연결되고 상기 LED 조명등에 2차측이 연결되어 LED 조명등을 구동하는 트랜스포머와, 상기 트랜스포머의 1차측과 접지단 사이에 연결된 파워 트랜지스터와, 상기 트랜스포머와 LED 조명등 사이에 구성되어 상기 LED 조명등으로 입력되는 전원에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 필터와, 상기 전압 입력부를 통해 입력된 상용 교류 전압을 기준전압으로 생성하여 출력하는 기준전압 생성부와, 상기 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압을 입력으로 받아 상기 파워 트랜지스터를 구동하는 스위칭 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 트랜스포머의 1차측 입력전압 정보를 센싱 제어하고 입력 전류를 센싱하여 입력전력을 기준으로 구동하므로 출력전압, 전류의 안정화에 필요한 2차측 전해 캐패시터를 제거함으로써 전체적인 수명을 향상시킬 수 있다.
둘째, 전해 캐패시터를 제거하더라도 LED 조명의 광속을 지속적으로 유지할 수 있다.
도 1은 일반적인 부스트(Boost) 방식의 SMPS를 나타낸 회로도
도 2는 일반적인 벅(Buck) 방식의 SMPS를 나타낸 회로도
도 3은 본 발명에 의한 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 4는 도 1의 기준전압 생성부를 개략적으로 나타낸 구성도
도 5는 도 4의 기준전압 생성부에서 입력 전압에 대한 기준전압의 변화를 나타낸 그래프
도 6은 도 4의 기준전압 생성부에서 입력 전압과 기준전압의 관계를 설명하기 위한 도면
도 7은 도 3의 스위칭 제어부를 개략적으로 나타낸 구성도
도 8은 도 1의 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압의 파형과 파워 트랜지스터의 게이트에 입력되는 구동 파형을 나타낸 그래프
도 9는 도 3에 도시된 파워 트랜지스터의 스위칭 블록 다이어그램
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 발명에 의한 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 상용 교류 전압을 입력하는 전압 입력부(110)와, 상기 전압 입력부(110)에 1차측이 연결되고 LED 조명등(100)에 2차측이 연결되어 LED 조명등(100)을 구동하는 트랜스포머(transformer)(120)와, 상기 트랜스포머(120)의 1차측과 접지단 사이에 연결된 파워 트랜지스터(130)와, 상기 전압 입력부(110)를 통해 입력된 상용 교류 전압을 기준전압으로 생성하여 출력하는 기준전압 생성부(140)와, 상기 기준전압 생성부(140)에서 생성된 기준전압을 입력으로 받아 상기 파워 트랜지스터(130)를 구동하는 스위칭 제어부(150)와, 상기 트랜스포머(120)와 LED 조명등(100) 사이에 구성되어 상기 LED 조명등(100)으로 입력되는 전원에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 필터(160)와, 상기 트랜스포머(120)의 1차측에 입력되는 전류 값을 센싱하여 상기 스위칭 제어부(150)에 출력하는 전류 센싱부(170)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 스위칭 제어부(150)는 상기 기준전압 생성부(140)로부터 기준전압을 입력으로 받아 상기 전류 센싱부(170)에서 센싱된 전류 값에 따라 상기 파워 트랜지스터(130)를 구동한다.
상기 전압 입력부(110), 파워 트랜지스터(130), 기준전압 생성부(140) 및 스위칭 제어부(150)는 상기 트랜스포머(120)의 1차측에 연결되고, 상기 트랜스포머(120)의 2차측에 노이즈 필터(160) 및 LED 조명등(100)이 병렬 연결되어 있다.
한편, 상기 노이즈 필터(160)는 세라믹 캐패시터로 이루어진다.
상기 전압 입력부(110)는 교류전압을 정류하여 출력하는 정류기(111)와, 상기 정류기(111)에서 정류된 교류전압을 분배하는 전압 분배부(112)와, 상기 트랜스포머(120)에 연결되며 상기 트랜스포머(120)의 온/오프될 때 발생하는 과도전압을 억제하는 과도전압 억제부(113)를 포함하여 이루어진다.
상기 전압 분배부(112)는 복수개의 저항들이 직렬로 연결되어 구성되며, 상기 정류기(111)의 출력 전압을 강화시켜서 출력한다.
상기 정류기(111)는 LED 조명등(100)에 입력되는 상용 교류 전압(AC Voltage), 예컨대 110 또는 220볼트를 직류 전압(VIN)으로 정류한다. 상기 정류기(111)는 다양한 정류기를 구비할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 브리지(bridge) 정류기를 사용하고 있다.
상기 전압 분배기(112)는 정류기(111)에 연결된다. 상기 전압 분배기(112)는 정류기(111)에서 출력되는 직류 전압(VIN)을 다양한 전압 레벨로 분배한다. 즉, 상기 전압 분배기(112)는 상기 정류기(111)에서 출력되는 직류 전압(VIN)을 그보다 낮은 전압으로 출력한다.
상기 전압 분배기(112)는 2개의 직렬 연결된 저항(R1, R2)들이 직렬로 연결되어 구성되는데, 상기 2개의 직렬 연결된 저항(R1, R2))은 정류기(111)의 출력단과 접지단(GND) 사이에 연결된다. 상기 2개의 저항(R1, R2) 사이에서 전압 분배기(112)의 출력 전압(VSEN) 즉, 상기 정류기(111)의 출력 전압(VIN)보다 강하된 전압을 출력한다.
상기 전압 분배기(114)의 출력 전압(VSEN)은 상기 기준전압 생성부(140)로 전달된다. 상기 전압 분배기(114)를 구성하는 저항들의 수가 증가하면, 상기 전압 분배기(112)의 출력 전압(VSEN)의 수가 늘어난다. 따라서, 상기 전압 분배기(112)는 다양한 레벨의 전압들을 출력할 수가 있다.
상기 과도전압 억제부(113)는 상기 트랜스포머(120)와 전압 분배기(112) 사이에 연결되어 상기 트랜스포머(120)가 온(on)/오프(off)될 때 발생하는 과도 전압을 억제한다.
상기 과도전압 억제부(113)는 저항(R3), 캐패시터(C1) 및 다이오드(D1)로 구성된다. 상기 저항(R3)과 캐패시터(C1)는 서로 병렬로 연결되며, 그 일단들이 정류기(111)와 트랜스포머(120)의 1차측에 연결된다. 상기 다이오드(D1)는 저항(R3)과 캐패시터(C1)에 대해 직렬로 연결된다. 즉, 상기 다이오드(D1)의 애노드 전극은 상기 트랜스포머(120)의 1차측에 연결되고, 상기 다이오드(D1)의 캐소드 전극은 상기 저항(R3)과 캐패시터(C1)에 연결된다. 따라서, 상기 트랜스포머(120)로부터 과도 전압이 발생하면 상기 다이오드(D1)를 통해서 저항(R3)으로 전달되어 제거된다.
상기 트랜스포머(120)의 1차측은 상기 전압 입력부(110)에 연결되고, 상기 트랜스포머(120)의 2차측에 LED 조명등(100)이 연결된다. 상기 트랜스포머(120)는 1차측에 정류기(111)의 출력 전압(VIN)이 인가되면, 이를 2차측으로 전달하여 LED 조명등(100)을 구동한다. 상기 트랜스포머(120)의 1차측에는 파워 트랜지스터(130)가 연결되어 있으며, 상기 파워 트랜지스터(130)에 의해 트랜스포머(120)의 온(on)/오프(off)가 결정된다.
상기 파워 트랜지스터(130)는 상기 트랜스포머(120)의 1차측과 접지단(GND) 사이에 연결된다. 상기 파워 트랜지스터(130)는 파워 NMOS(N channel Metal Oxide Semiconductor) FET(Field Effect Transistor)로 구성된다. 상기 파워 NMOS FET의 드레인은 상기 트랜스포머(120)의 1차측에 연결되고, 상기 파워 NMOS FET의 소오스는 접지단(GND)에 연결되며, 상기 파워 NMOS FET의 게이트는 스위칭 제어부(150)에 연결된다.
따라서, 상기 스위칭 제어부(150)에서 출력되는 신호(OUT)가 파워 트랜지스터(130)의 문턱 전압보다 높으면, 파워 트랜지스터(130)는 턴온되고, 그에 의해 트랜스포머(120)를 활성화 상태 즉, 온(on)시킨다. 만약, 상기 스위칭 제어부(150)에서 출력되는 신호(OUT)가 파워 트랜지스터(130)의 문턱 전압보다 낮으면, 상기 파워 트랜지스터(130)는 턴오프되고, 그에 의해 상기 트랜스포머(120)는 비활성화 상태 즉, 오프(off)된다. 이와 같이, 상기 파워 트랜지스터(301)는 상기 트랜스포머(120)의 동작을 제어한다.
여기서, 상기 파워 트랜지스터(130)의 온(ON) 시간이 길어지면, 상기 트랜스포머(120)의 1차측에서 2차측으로 전달되는 에너지가 많아지게 되고, 그로 인하여 LED 조명등(100)의 밝기가 과도해진다. 반대로, 상기 파워 트랜지스터(130)의 오프 시간이 길어지면, 상기 트랜스포머(120)의 1차측에서 2차측으로 전달되는 에너지가 적어지게 되고, 그로 인하여 LED 조명등(100)의 밝기는 약해진다. 그 때문에, 상기 파워 트랜지스터(130)의 온(ON) 시간과 오프(OFF) 시간을 적절히 조정함으로써 LED 조명등(100)의 밝기를 적절히 제어할 수가 있다.
상기 파워 트랜지스터(130)와 접지단(GND) 사이에 전류 센싱부(170)가 연결되어 구성되는데, 상기 전류 센싱부(170)는 저항으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 파워 트랜지스터(130)로부터 출력되는 전류는 상기 전류 센싱부(170)를 통하여 접지단(GND)으로 흐른다. 따라서, 상기 전류 센싱부(170)로 흐르는 전류를 감지함으로써, 상기 파워 트랜지스터(130)의 출력 전류를 파악할 수 있다.
한편, 상기 트랜스포머(120)의 2차측에 교류성분을 제거하기 위해 다이오드(D2)가 구성되는데, 상기 다이오드(D2)는 상기 트랜스포머(120)의 2차측에서 출력되어 LED 조명등(100)에 인가되는 직류 신호에 포함된 교류 성분을 제거한다. 상기 다이오드(D2)는 상기 트랜스포머(120)의 2차측에서 출력되는 직류 전류를 통과시키고, 상기 노이즈 필터(160)는 상기 다이오드(D2)를 통과하는 직류 전류에 포함된 교류 신호를 흡수하여 제거한다.
따라서, 상기 트랜스포머(120)의 2차측에서 출력되는 직류 전류에 포함된 교류 성분이 제거되어 순수한 직류 전류 또는 직류 전압이 LED 조명등(100)에 전달된다. 상기 기준전압 생성부(140)는 상기 전압 입력부(110)와 스위칭 제어부(150)에 연결된다. 상기 기준전압 생성부(140)는 상기 전압 입력부(110)에서 출력되는 직류 전압(VSEN)을 입력으로 받고, 상기 직류 전압(VSEN)의 변동 레벨을 감지하여 기준전압을 생성한다.
상기 스위칭 제어부(150)는 상기 기준전압 생성부(140)와 파워 트랜지스터(130)에 연결된다. 상기 스위칭 제어부(150)는 상기 기준전압 생성부(140)의 출력을 받아서 파워 트랜지스터(130)를 구동한다. 상기 스위칭 제어부(150)의 출력단은 상기 파워 트랜지스터(130)의 게이트에 연결된다.
따라서, 상기 스위칭 제어부(150)의 출력 신호(OUT)의 크기에 따라서 파워 트랜지스터(130)의 동작이 제어된다. 즉, 상기 스위칭 제어부(150)는 상기 기준전압 생성부(140)의 출력 신호가 크면 상기 파워 트랜지스터(130)를 길게 온(on)시키고, 상기 기준전압 생성부(140)의 출력 신호가 작으면 상기 파워 트랜지스터(130)를 짧게 온시킨다.
도 4는 도 1의 기준전압 생성부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기준전압 생성부(140)는 상기 전압 입력부(110)를 구성하는 전압 분배기(112)의 출력 전압(VSEN)에 포함된 피크전압을 감지하는 피크전압 감지부(141)와, 상기 피크전압 감지부(141)의 출력신호에 응답하여 기준전압을 생성하는 출력하는 차동 증폭기(142)와, 상기 전압 분배기(112)의 출력 전압을 받아 전파전류를 생성하는 전파전류 생성부(143)와, 상기 전파전류 생성부(143)의 출력단에 연결되어 전파전류를 전달하는 제 1 전류 미러부(144)를 포함하여 이루어진다.
상기 피크전압 감지부(141)는 상기 전압 분배기(112)에 연결된다. 상기 피크전압 감지부(141)는 상기 전압 분배기(112)에서 출력되는 직류전압(VSEN)의 피크 전압과 최저 전압을 검출한다. 상기 전압 분배기(112)에서 출력되는 직류 전압(VSEN)은 상기 전압 입력부(110)로 입력되는 전압이 변동되면 따라서 변동된다.
즉, 상기 전압 입력부(110)로 입력되는 전압의 변동량만큼 상기 직류 전압(VSEN)도 변동된다. 상기 피크전압 감지부(141)는 상기 직류 전압(VSEN)의 최고값 즉, 피크전압과 상기 직류 전압의 최저값 즉, 최저 전압을 검출한다.
상기 차동 증폭기(142)는 상기 피크전압 감지부(141)로부터 출력되는 신호에 응답하여 기준전압을 출력한다. 즉, 상기 차동 증폭기(142)는 피크전압 감지부(141)로부터 상기 피크 전압이 출력되면 기준전압의 출력 신호(OUT)를 감소시키고, 상기 피크전압 감지부(141)로부터 상기 최저 전압이 출력되면 기준전압의 출력 신호(OUT)를 증가시켜서 출력한다.
상기 차동 증폭기(142)는 상기 피크전압 감지부(141)의 출력 신호(V1)가 게이트에 인가되는 제 1 NMOS 트랜지스터(NM1)와 기준 전압(V2)이 게이트에 인가되는 제 2 NMOS 트랜지스터(NM2) 및 저항들(Ra1,Ra2)을 구비하는 차동부(145)와, 상기 제 1 NMOS트랜지스터(NM1)의 드레인에 연결된 제 1 PMOS 트랜지스터(PM1), 제 2 NMOS 트랜지스터(NM2)의 드레인에 연결된 제 2 전류 미러부(146)와, 상기 차동부(145)에 연결되어 차동부(145)로부터 출력되는 전압을 전류로 변환하는 전압전류 변환기(NM3)와, 상기 제 2 전류 미러부(146)로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 기준전압 생성부(140)의 출력 신호(OUT)로써 출력하는 전류전압 변환기(Ra3) 를 포함하여 구성된다.
상기 제 1, 제 2 전류 미러부(144, 146)는 2개의 PMOS 트랜지스터들(PM2,PM3)을 구비한다.
여기서, 상기 차동 증폭기(142)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 상기 피크전압 감지부(141)의 출력 신호(V1)가 피크 전압으로써 출력되면 제 1 NMOS 트랜지스터(NM1)가 제 2 NMOS 트랜지스터(NM2)보다 많은 전류를 흘려준다. 그러면 상기 제 2 전류 미러부(146)의 출력 전류가 감소하고, 그에 따라 상기 차동 증폭기(142)의 출력 신호(OUT)의 전압 레벨이 감소한다.
반대로, 상기 피크전압 감지기(141)의 출력 신호(V1)가 최저 전압으로써 출력되면 제 2 NMOS 트랜지스터(NM2)가 제 1 NMOS 트랜지스터(NM1)보다 많은 전류를 흘려준다. 그러면 상기 제 2 전류 미러부(146)의 출력 전류가 증가하고, 그에 따라 차동 증폭기(142)의 출력 신호(OUT)의 전압 레벨이 증가한다.
이와 같이, 상기 기준전압 생성부(140)로 입력되는 전압(VSEN)이 증가하면, 즉, 상기 전압 입력부(110)로 입력되는 전압이 증가하면, 상기 피크전압 감지부(141)는 피크 전압을 출력하고, 그에 따라 차동 증폭기(142)의 출력 신호(OUT) 즉, 상기 기준전압 생성부(140)의 출력 신호(OUT)의 전압은 감소한다. 반대로, 상기 기준전압 생성부(140)로 입력되는 전압(VSEN)이 감소하면, 즉, 전압 입력부(110)로 입력되는 전압(VAC)이 감소하면, 상기 피크전압 감지부(141)는 최저 전압을 출력하고, 그에 따라 차동 증폭기(142)의 출력 신호(OUT) 즉, 상기 기준전압 생성부(140)의 출력 신호(OUT)의 전압 레벨은 증가한다.
도 5는 도 4의 기준전압 생성부에서 입력 전압에 대한 기준전압의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 4의 기준전압 생성부에서 입력 전압과 기준전압의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
한편, 상기 전압전류 변환기(NM3)의 I3을 결정하는 값은 전파전류 생성부(143)에서 생성된 전파전류의 값을 따라간다. 도 5에서와 같이, 110AC 입력시 I1은 작아지고 Ia는 커진다. 220VAC 입력시 I1은 커지고 Ia는 작아진다. 이 값에 의하여 기준전압(Vref)의 파형 값이 변경된다(Vin 대 Vb는 반비례 측정)(도 6).
Figure 112016041452029-pat00001
Figure 112016041452029-pat00002
Figure 112016041452029-pat00003
여기서, I1, Ia, Ib, I3 Wave = Vin, Wave = Va Sinθ이다.
Figure 112016041452029-pat00004
Figure 112016041452029-pat00005
Figure 112016041452029-pat00006
Figure 112016041452029-pat00007
Figure 112016041452029-pat00008
Figure 112016041452029-pat00009
Figure 112016041452029-pat00010
따라서 Va는 입력전압의 변동에 의하여 Vref가 변동됨을 알 수 있다.
본 발명은 Va의 변화에 따라(입력전압 Vin 전파정류파형) Vref를 반비례로 변화하여 소비전력을 일정하게 유지하는데 있다.
도 7은 도 3의 스위칭 제어부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 7에서와 같이, 상기 스위칭 제어부(150)는 상기 기준전압 생성부(140)에서 생성된 기준전압과 전류 센싱부(170)에서 측정된 트랜스포머(120)의 1차측 전류 값을 비교하는 비교부(151)와, 상기 비교부(151)에서 비교된 신호에 응답하여 동작하는 SR 래치부(152)를 포함하여 이루어진다.
상기 RS 래치부(152)는 상기 비교부(151)의 출력 신호가 전원 전압 레벨이면 상기 RS 래치부(152)는 출력 신호를 리셋(reset)시키고, 상기 비교부(151)의 출력 신호가 접지 전압(GND) 레벨이면 상기 RS 래치부(152)는 셋(set)되어 신호를 출력한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 상기 트랜스포머(120)의 2차측에서 1차측으로 전압이나 전류를 피드백(feedback)시키는 장치 없이도 LED 조명등(100)에 인가되는 전류를 항상 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 본 발명은 피드백 장치를 사용하지 않기 때문에 구성이 간단하고, 그에 따라 제조 비용도 감소된다.
도 8은 도 1의 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압의 파형과 파워 트랜지스터의 게이트에 입력되는 구동 파형을 나타낸 그래프이다.
도 8에서와 같이, 상기 스위칭 제어부(150)에 입력된 기준전압의 파형과 파워 트랜지스터(130)의 온/오프 파형을 동일한 파형으로 유지하여 소비전력을 일정하게 유지하면서, 전압전류 파형의 위상차를 일치화하고 전류정형파를 형성할 수 있다.
이와 같이 기준전압과 구동전압을 동기화함으로써 LED 조명등(100)을 일정한 소비전력을 유지하면서 높은 역률(Power Factor)과 낮은 THD를 구현할 수가 있다.
여기서, 상기 역률은 교류전원의 전압과 전류의 파형이 이루어내는 흐름에서 위상 시간의 코스(cos)차를 의미하고, 상기 THD는 상용전원의 기본파(60Hz)에 대한 정수배인 주파수 성분의 성분으로 분석되며 기본파 전류에 대한 전체 고조파 성분의 전류를 전류고조파 함유율이라고 한다.
도 9는 도 3에 도시된 파워 트랜지스터의 스위칭 블록 다이어그램이다.
도 9에서와 같이, 파워 트랜지스터(130)의 스위칭 ON시 기준전압(Vref)에 의하여 FET 전류 기울기가 결정되고 OFF시 fixed off time에 의하여 FET 스위칭 주파수가 고정이 된다. 즉 duty가 고정된다.
별도로 2차측 Vout의 정보 필요없이 1차측에서 정보 센싱만으로 소비전력의 셋팅이 가능하다. 이로 인하여 입력소비 전력의 셋팅에 의한 부하의 출력전압 변동에도 출력전력의 고정이 가능하게 된다.
한편, 시간이 지나면서 LED 부하의 Vf가 감소되어 LED 조명의 초기 광속유지가 되지 않았던 것을 Vf가 감소되더라도 출력전류를 상승시키어 LED 조명의 초기 광속을 지속적으로 유지할 수가 있다.
Figure 112016041452029-pat00011
Figure 112016041452029-pat00012
여기서, Ton는 파워 트랜지스터의 스위칭 on time이고, Toff는 스위칭 off time이다.
Figure 112016041452029-pat00013
여기서, Ip는 1차측 스위치 전류로서 센싱 저항 값(Ra)에 의해 정해진다.
Figure 112016041452029-pat00014
Figure 112016041452029-pat00015
여기서, Toff는 constant, Vo는 Ton time을 조정하면 제어 가능하다.
Figure 112016041452029-pat00016
소비전력은 다음의 수학식 11과 같이 구해진다.
Figure 112016041452029-pat00017
여기서, Pin는 소비전력, Vout는 출력전압, Iout는 출력전류를 각각 나타내고 있다. 한편, PSR & SSR 방식은 Vout의 변동과 Iout의 고정의 값에 따라 소비전력이 정해진다. 본 발명은 소비전력(고정)을 기준으로 Vout 변동에 따라 Iout가 변동되어 역으로 소비전력을 따라간다.
한편, 이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100 : LED 조명등 110 : 전압 입력부
120 : 트랜스포머 130 : 파워 트랜지스터
140 : 기준전압 생성부 150 : 스위칭 제어부
160 : 노이즈 필터 170 : 전류 센싱부

Claims (11)

  1. LED 조명등으로 전원을 공급하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 LED 조명장치이고,
    상용 교류 전압을 입력하는 전압 입력부와,
    상기 전압 입력부에 1차측이 연결되고 상기 LED 조명등에 2차측이 연결되어 LED 조명등을 구동하는 트랜스포머와,
    상기 트랜스포머의 1차측과 접지단 사이에 연결된 파워 트랜지스터와,
    상기 트랜스포머와 LED 조명등 사이에 구성되어 상기 LED 조명등으로 입력되는 전원에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 필터와,
    상기 전압 입력부를 통해 입력된 상용 교류 전압을 기준전압으로 생성하여 출력하는 기준전압 생성부와,
    상기 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압을 입력으로 받아 상기 파워 트랜지스터를 구동하는 스위칭 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 전압 입력부는 교류전압을 정류하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 교류전압을 분배하는 전압 분배기와, 상기 트랜스포머에 연결되며 상기 트랜스포머의 온/오프될 때 발생하는 과도전압을 억제하는 과도전압 억제부를 포함하여 이루어지며,
    상기 기준전압 생성부는 상기 전압 입력부를 구성하는 전압 분배기의 출력 전압에 포함된 피크전압을 감지하는 피크전압 감지부와, 상기 피크전압 감지부의 출력신호에 응답하여 기준전압을 생성하는 출력하는 차동 증폭기와, 상기 전압 분배기의 출력 전압을 받아 전파전류를 생성하는 전파전류 생성부와, 상기 전파전류 생성부의 출력단에 연결되어 전파전류를 전달하는 제 1 전류 미러부를 포함하여 이루어고,
    상기 차동 증폭기는 상기 피크전압 감지부의 출력 신호가 게이트에 인가되는 제 1 NMOS 트랜지스터와 기준 전압이 게이트에 인가되는 제 2 NMOS 트랜지스터 및 저항들을 구비하는 차동부와, 상기 제 1 NMOS트랜지스터의 드레인에 연결된 제 1 PMOS 트랜지스터, 제 2 NMOS 트랜지스터의 드레인에 연결된 제 2 전류 미러부와, 상기 차동부에 연결되어 차동부로부터 출력되는 전압을 전류로 변환하는 전압전류 변환기와, 상기 제 2 전류 미러부로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 기준전압 생성부의 출력 신호를 출력하는 전류전압 변환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스포머의 1차측에 입력되는 전류 값을 센싱하는 전류 센싱부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는 상기 기준전압 생성부로부터 기준전압을 입력으로 받아 상기 전류 센싱부에서 센싱된 전류 값에 따라 상기 파워 트랜지스터를 구동하는 것을 특징으로 하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 입력부, 파워 트랜지스터, 기준전압 생성부 및 스위칭 제어부는 상기 트랜스포머의 1차측에 연결되고, 상기 트랜스포머의 2차측에 노이즈 필터 및 LED 조명등이 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 노이즈 필터는 세라믹 캐패시터인 것을 특징으로 하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 분배부는 복수개의 저항들이 직렬로 연결되어 구성되며, 상기 정류기의 출력 전압을 강화시켜서 출력하는 것을 특징으로 하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는 상기 기준전압 생성부에서 생성된 기준전압과 전류 센싱부에서 측정된 트랜스포머의 1차측 전류 값을 비교하는 비교부와, 상기 비교부에서 비교된 신호에 응답하여 동작하는 SR 래치부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스포머의 2차측에 교류성분을 제거하기 위해 다이오드가 구성되는 것을 특징으로 하는 전해 캐패시터 레스 전원 공급장치를 구비한 디밍형 LED 조명장치.
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