KR102128850B1 - 스마트 ｆｅｔ 회로 - Google Patents

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Abstract

조명 모듈은 고체 조명 소자들의 적어도 하나의 어레이, 고체 조명 소자들의 어레이에 대한 세기 제어 전압의 입력을 갖는 가변 저항 - 가변 저항은 고체 조명 소자들의 어레이의 입력에 전기적으로 연결된 출력을 가짐 -, 및 가변 저항의 출력과 전기적으로 연결된 전압 레귤레이터를 갖고, 전압 레귤레이터는 고체 조명 소자들의 어레이의 입력에 전기적으로 연결된 출력을 가진다.

Description

스마트 ＦＥＴ 회로{SMART FET CIRCUIT}
고체 조명(solid-state lighting) 디바이스들은 산업 어플리케이션들 내에서 많은 사용들을 갖는다. 자외선(UltraViolet; UV) 조명 디바이스들은 잉크들, 접착제들, 보존제들 등을 포함하는, 코팅들의 경화를 위해 매우 일반적이게 되고 있다. 고체 조명 디바이스들은 대체로 더 낮은 파워, 낮은 비용을 사용하고 현재의 수은 아크(arc) 램프 디바이스들보다 더 용이한 폐기 처리(disposal)을 가질 수 있다.
고체 조명 디바이스들은 예시들로서 레이저 다이오드들 또는 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED)들로 구성될 수 있다. 디바이스는 대체로 긴, 얇은(thin) 광 영역, 또는 더 넓고(wider) 더 깊은(deeper) 광 영역들과 같은, 특정한 프로파일을 갖는 광을 제공하도록 배열된 어레이 또는 몇몇의 어레이들을 가진다. 개별적인 소자들은 어레이들 내에 속하고, 조명 디바이스는 몇몇의 어레이들, 또는 모듈들 내에 배열된 몇몇의 어레이들로 구성될 수 있고, 조명 디바이스는 몇몇의 모듈들을 가질 수 있다.
일반적으로, 고체 조명 디바이스들은 정전압 서플라이로부터 파워를 수신할 수 있다. 전류의 연속적인 조정을 가능하게 하는(allow for) 회로는 디바이스 내의 고체 조명 소자들을 구동한다. 몇몇의 예시들에서, 이러한 회로는 하나 이상의 전계-효과 트랜지스터(field-effect transistor)들 또는 가변 저항들로서 동작하는 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 가변 전압 강하(drop)는 이러한 디바이스들에 걸쳐 존재하고, 고체 광 소자들의 어레이에 대한 변화하는(varying) 전압을 결과적으로 낳는다. 이러한 디바이스들의 광 출력의 세기는 디바이스들을 구동하는 전류에 의존하고, 따라서 전류에 있어서의 여하한 변화는 광 출력에 있어서의 변화, 원하지 않는 특성을 야기한다.
현재의 접근법들은 가변 저항들에 의한 파워 소산을 설명하지 않는다. 가변 저항들은 전류를 연속적으로 조정하기 위해 회로 내에서 동작한다. 순전압(forward voltage)이 증가함에 따라, 가변 저항에 걸친 전압 강하는 증가하고, 파워 소산도 증가한다. 이는 회로를 덜 효율적으로 만든다.
또한, 가변 저항들 내의 파워 소산은 열을 발생시킨다. 가변 저항들의 열 관리는 히트 싱크(heat sink)들을 요구하거나, 가변 저항들 자신들이 커지거나 부피가 커져야 할 수 있다.
도 1은 고체 조명 디바이스를 위한 구동 회로의 종래 기술 실시예를 나타낸다.
도 2는 고체 조명 디바이스를 위한 구동 회로의 일 실시예를 나타낸다.
도 3은 레귤레이터 스테이지를 갖는 고체 조명 디바이스를 위한 구동 회로의 일 실시예를 나타낸다.
도 4a 및 4b는 고체 조명 디바이스를 위한 구동 회로의 더 상세한 실시예를 나타낸다.
도 1은 고체 조명 디바이스를 위한 구동 회로(10)의 현재의 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 전계 효과 트랜지스터의 형태(Field-Effect Transistor; FET)의 가변 저항은 세기 신호 전압을 수신한다. 여기에서 실시예는 FET 로서의 가변 저항을 논의할 것이지만, 회로는 가변 저항들의 다른 형태들을 적용할 수 있음을 유의해야 한다.
이러한 실시예에서, 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED) 또는 레이저 다이오드들과 같은 고체 발광 소자들의 적어도 하나의 어레이는 광을 생성한다. 소자들은 기판 상의 단일한 어레이, 기판 상의 복수의 어레이들, 서로 연결된 몇몇의 기판들 상의 단일 또는 복수 중 하나의 몇몇의 어레이들 등으로서 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 발광 소자들의 어레이는 포슨 테크놀로지 주식회사(Phoseon Technology, Inc.)에 의해 제조된 실리콘 라이트 매트릭스(Silicon Light Matrix™; SLM)로 구성될 수 있다.
가변 저항 구동 회로(14)는 소기의 전류를 어레이(12)로 드라이브(drive)하는 세기 전압 신호(16)를 수신한다. 일반적으로, 파워 서플라이(26)는 정전압 파워 서플라이이고 드라이버 회로(14) 및 가변 저항(18)은 전류(22)의 연속적인 조정을 제공한다. 전류는 피드백 경로(20)를 따라 가변 저항으로 돌아갈 수 있다. 어레이(12)는 또한 가변 저항의 전압(24)을 수신한다. 이러한 회로는 가변 저항 전압의 관점으로부터 개방 루프 시스템이다.
이러한 설계는 몇몇의 문제들을 갖는다. 예컨대, 어레이는 정전압 파워 서플라이로부터 파워를 수신하고, 앞서 언급된 것처럼, 전류의 연속적인 조정을 가능하게 하는 회로에 의해 구동된다. 가변 저항에 의해 소산되는 파워는 어레이의 순전압, 어레이 자체 및 여하한 주어진 시간에서의 전류에 의존한다. 가변 저항에 걸친 전압 강하는 Vpower - Vforward와 동등하고, Vforward는 구동되는 어레이의 순전압이다. 이러한 차이가 가변 저항 증가에 있어서 파워 소산을 증가시킴에 따라, 조명 디바이스에 대한 더 높은 비효율을 결과적으로 낳는다.
예시로서, 가변 저항 전압은 1부터 8 볼트의 범위에서 변할 수 있고, 발광 소자들의 상이한 어레이들의 요구(need)들에 의존한다. 어레이를 통해 2개의 증폭기(amp)들을 구동하는 것은 그 다음으로 2와트에서 16와트의 파워 소산 변화들을 야기할 것이다. 이는 조명 디바이스 내의 비효율을 결과적으로 낳는다.
추가로, 가변 저항은 열을 발생시킨다. 가변 저항이 FET로 구성된 실시예들에서, 열 관리 문제들은 크고 부피가 큰 FET들을 요구한다. 디바이스는 또한 열 관리를 위해 히트 싱크를 적용할 수 있고, 상기 FET에 의해 발생되는 추가적인 열은 더 작은 FET가 요구하는 것보다 더 크고 더 부피가 큰 히트 싱크를 요구한다.
도 1의 개방 루프 회로와 대조적으로, 도 2는 폐쇄 루프 회로(30)을 나타낸다. 회로(30)에서, 도 1의 회로(10)과 유사하게, 가변 저항(18)은 세기 전압 제어 신호(16)를 수신한다. 가변 저항은 그 다음으로 가변 저항의 구동 신호를 수신하고, 경로(20)를 따라 피드백하는 전류(22)를 생성한다. 가변 저항으로부터의 전압(24)은 이러한 실시예에서 어레이(12)로 가지 않는다. 대신에, 전압 피드백(24)은 전압 레귤레이터(32)로 간다. 전압 레귤레이터(32)는 그 다음으로 신호를 어레이(12) 및 에러 증폭기(42)로 출력한다. 이러한 실시예에서, 가변 저항은 FET의 형태를 취하지만, 바이폴러 트랜지스터(bipolar transistor), 디지털 포텐셔미터(potentiometer) 또는 여하한 전기적으로 제어 가능한, 전류 제한 디바이스와 같은 다른 옵션들이 사용될 수 있다. 구동 회로(drive circuit)는 사용되는 가변 저항에 의존하여 상이한 형태들을 취할 것이다.
폐쇄 루프 시스템을 사용하여, 레귤레이터(32)의 전압 출력은 어레이가 요구하는 것보다 높은 0.5V로 남아있다. 이러한 전압은 가변 저항이 여하한 소기의 레벨에서 어레이 전류를 조절하는 것을 허용한다. 더 낮은 파워 소산은 회로의 효율을 증가시키고, 또한 현재의 접근법들과 비교할 때 발생되는 열을 감소시킨다.
도 3은, 벅 레귤레이터 회로로 구성된 전압 레귤레이터(32)를 포함하는, 회로(30)의 더 상세한 실시예를 나타낸다. 참조의 편의를 위해, 도면은 레귤레이터(32)로부터 어레이 스테이지(40)을 분리한다. 어레이 스테이지(40)는 세기 제어 신호(16) 및 전류 피드백 경로(20)을 갖는 가변 저항 드라이버(14), 가변 저항(18), 및 어레이(12)를 포함한다.
이러한 실시예에서, 전압 레귤레이터(32)는 벅 레귤레이터 스테이지로 구성된다. 벅 레귤레이터는 에러 증폭기(42), 펄스 폭 변조 생성기(44) 및 파워 스테이지 또는 회로(46)를 갖는다. 에러 증폭기(42)는 제1 입력으로서 가변 저항의 출력(24)를 수신한다. 이러한 입력은 스위치 및/또는 딜레이(48)을 통해 수신될 수 있다.
스위치(48)은 회로가 어레이의 상태를 지시하는 신호를 수신하는 것을 허용한다. 발광 소자들의 어레이가 가용하게 되면, 스위치는 가변 저항의 출력(24)을 에러 증폭기(42)로 제공한다. 어레이가 가용하지 않을 때, 스위치(48)는 에러 증폭기의 입력을 참조 전압(50)에 연결한다. 이는 에러 증폭기가 오직 벅 파워 스테이지의 출력 만을 수신하는 것을 걸과적으로 낳는다.
스위치(48)는 가변 저항의 출력을 수신함에 있어서 에러 증폭기를 지연시키는 딜레이를 포함할 수 있다. 이는 어레이(12) 내의 전류가 가변 저항의 전압의 모니터링 전에 상승하는 것을 허용할 수 있다. 이는, 어레이가 오프(off)일 때 대체로 대락적으로 16V일 수 있는, 가변 저항 상의 상승된(elevated) 전압 판독값이, 천이(transition) 동안 벅 파워 스테이지의 출력 내에서의 급격한 강하를 야기하는 것을 방지할 수 있다.
펄스 폭 변조 생성기(44)는 에러 증폭기의 출력을 수신하고 벅 파워 레귤레이터(46)에 의해 사용되는 전류 펄스들을 생성한다. 벅 파워 레귤레이터는 어레이에 대해 출력 전압 벅 레귤레이터 V_ out을 출력한다. 이러한 신호는 그 다음으로 어레이의 입력 전압 어레이 전압으로서 어레이로 간다.
도 1의 이전의 실시예에서, 전압 조정은 일반적으로 한번 일어났고, 제조 시에 기술자에 의해 수행된다. 여기에 개시된 실시예들에서, 전압 스테이지로부터 어레이로의 전압의 조정은 실시간으로 제품의 생애에 걸쳐(throughout the life) 일어난다. 이는 전압 조정이 발명의 명칭에서 참조된 것처럼 "스마트"함을 의미한다.
도 4a 및 4b는 실시예들에 따른 구동 회로의 일 구현의 실시예를 나타낸다. 어레이 스테이지(40)는 세기 제어 전압(16), 가변 저항 드라이버(14), 이 경우에는 FET인 가변 저항, 및 가변 저항 출력 전압(24)를 갖는다. 에러 증폭기(42) 또한 가변 저항 출력 전압(24) 및 참조 전압(50)을 갖는다. 펄스 폭 변조 생성기(44)는 벅 레귤레이터 스테이지 또는 회로(46)로 들어간다(feed into). 벅 레귤레이터 회로는 그 다음으로 벅 레귤레이터의 출력으로서 어레이(34)에 대한 전압을 갖는다. 실제의 어레이는 이러한 다이어그램에 도시되지 않는다.
도 4a 및 4b의 구현은 여기에서 논의된 실시예들에 따른 단지 하나의 가능한 회로를 나타냄을 유의해야 한다. 많은 상이한 구현들은 가변 저항에 걸친 전압을 발광-소자들의 어레이를 구동하기 위한 적절한 레벨로 조정하는 폐쇄 루프 시스템을 제공할 것이다. 이러한 구현은 또한 낮은 파워 소산을 가질 것이고 상대적으로 낮은 열의 레벨들을 발생시킬 것이다.
따라서, 이러한 점에 대해 폐쇄 루프 가변 저항 구동 회로를 위한 방법 및 장치를 위한 특정한 실시예가 설명되었으나, 이러한 특정 참조들은 후술될 청구 범위에 기재된 한 이를 제외하고 본 발명의 범위 상의 제한들로서 간주되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (12)

  1. 고체 조명(solid-state lighting) 소자들의 적어도 하나의 어레이;
    고체 조명 소자들의 상기 어레이에 대한 세기 제어 전압의 입력을 갖는 가변 저항 - 상기 가변 저항은 고체 조명 소자들의 상기 어레이의 입력에 전기적으로 연결된 가변 저항 전압의 출력을 가짐 -; 및
    상기 가변 저항의 출력에 전기적으로 연결된 전압 레귤레이터 - 상기 전압 레귤레이터는 고체 조명 소자들의 상기 어레이의 입력에 연결된 출력을 가짐 -
    를 포함하고,
    상기 전압 레귤레이터는,
    상기 가변 저항의 출력에 전기적으로 연결되어 상기 가변 저항의 상기 출력으로부터 상기 가변 저항 전압을 수신하는 에러 증폭기;
    상기 에러 증폭기에 전기적으로 연결되어 상기 에러 증폭기로부터 출력을 수신하는 펄스 폭 변조 생성기; 및
    상기 펄스 폭 변조 생성기에 전기적으로 연결되고, 상기 펄스 폭 변조 생성기로부터 전류 펄스를 수신하고, 상기 고체 조명 요소의 상기 어레이의 입력에 연결된 출력을 가지며, 상기 어레이의 어레이 전압을 출력하는 파워 회로
    를 포함하고,
    상기 에러 증폭기는 상기 가변 저항의 상기 가변 저항 전압 및 상기 파워 회로의 상기 어레이 전압을 입력들로서 수신하는 가산 증폭기를 포함하는,
    조명 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 저항은 전계-효과 트랜지스터(field-effect transistor), 바이폴러(bipolar) 트랜지스터, 및 디지털 포텐셔미터(potentiometer) 중 하나를 포함하는, 조명 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압 레귤레이터는 벅(buck) 레귤레이터 회로를 포함하는, 조명 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 레귤레이터는 고체 발광 소자들의 상기 어레이가 가용할(enable) 때를 지시하도록 배열된 스위치
    를 더 포함하는, 조명 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치는 고체 조명 소자들의 상기 어레이가 가용하지 않을 때 참조 전압과 전기적으로 연결되고 상기 에러 증폭기가 상기 파워 회로의 출력 만을 수신하게 하도록 배열되는, 조명 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스위치는 딜레이를 가지도록 배열되고, 상기 딜레이는 발광 소자들의 상기 어레이 내의 전류가 상기 가변 저항의 출력을 수신하기 전에 상승하기 시작하는 것을 허용하도록 배열되는, 조명 모듈.
  9. 고체 발광 소자들의 적어도 하나의 어레이;
    세기 제어 전압 및 고체 발광 소자들의 상기 어레이의 입력에 전기적으로 연결된 가변 저항 전압의 출력을 가지는 전계-효과 트랜지스터; 및
    상기 전계-효과 트랜지스터에 전기적으로 연결된 벅 레귤레이터 회로
    를 포함하고,
    상기 벅 레귤레이터 회로는,
    제1 입력에서 상기 전계-효과 트랜지스터의 상기 출력으로부터 상기 가변 저항 전압을 수신하도록 배열된 에러 증폭기;
    상기 에러 증폭기에 전기적으로 연결되어 상기 에러 증폭기로부터 출력을 수신하는 펄스 폭 변조 생성기; 및
    상기 펄스 폭 변조 생성기에 전기적으로 연결되고, 상기 펄스 폭 변조 생성기로부터 전류 펄스를 수신하고, 고체 발광 소자들의 상기 어레이 및 상기 에러 증폭기의 제2 입력에 전기적으로 연결된 출력을 가지며, 상기 어레이의 어레이 전압을 출력하는 벅 파워 스테이지
    를 포함하고,
    상기 에러 증폭기는 상기 전계 효과 트랜지스터의 상기 가변 저항 전압과 상기 벅 파워 스테이지의 상기 어레이 전압을 입력들로서 수신하는 가산 증폭기를 포함하는,
    조명 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 벅 레귤레이터 회로는 상기 전계-효과 트랜지스터로부터의 상기 가변 저항 전압 및 참조 전압 간에 상기 에러 증폭기의 상기 제1 입력을 스위치하도록 배열되는 스위치
    를 더 포함하는, 조명 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스위치는 딜레이를 포함하고,
    상기 딜레이는 상기 전계-효과 트랜지스터로부터의 상기 가변 저항 전압을 상기 에러 증폭기에 연결하기 전에 발광 소자들의 상기 어레이 내에 전류가 상승하는 것을 허용하기 위해 충분한 시간과 함께 프로그램되는, 조명 모듈.
  12. 삭제
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