KR20120014320A - 조명장치용 전원 공급장치 - Google Patents

조명장치용 전원 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조명용 전원 공급장치에 관한 것으로서, 외부로부터 입력받은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부와, 상기 교류-직류 변환부에서 변환된 직류 전압을 광원을 구동하기 위한 직류 전압으로 변환하는 LLC 공진형 직류-직류 변환부를 포함하는 SMPS부; 및 상기 LED를 정전류 제어하고, 상기 광원에 인가된 전압에 대한 정보를 상기 LLC 공진형 직류-직류 변환부로 피드백하는 광원 구동부를 포함하며, 상기 광원 구동에 요구되는 전압 또는 전류가 변경됨에 따라 상기 광원 구동부가 교체되는 것을 특징으로 한다.

Description

조명장치용 전원 공급장치 {POWER SUPPLY FOR LIGHTING DEVICE}
본 발명은 전원 공급장치에 관한 것으로, 넓은 출력 범위에서 범용으로 사용될 수 있는 전원 공급장치에 관한 것이다.
LED는 전력 효율이 좋아 고효율 에너지 기자재로 사용되는 것으로서, 조명등이나 교통 신호등 등에 주로 사용된다. LED는 직류전원에 의해 동작하는데 동일 광도에서 80 내지 90% 정도의 에너지 절감 효과를 갖는 특징이 있다. 최근에는 반도체 기술의 발달로 일반 조명등에 비하여 동일한 조도를 얻는 데 필요한 전력의 소모가 1/10 정도에 지나지 않는 발광 다이오드가 차량용이나 보행용 신호등, 백라이트 등에 적용되는 추세이다.
발광 다이오드를 사용한 발광장치를 구동하기 위해서는 별도의 전원장치가 필요하다. 종래의 LED 조명등에 필요한 동적 전원을 생성하여 공급하는 전원 공급장치에는 SMPS 등이 주로 사용된다. 종래의 일반 조명등은 220V의 교류전원을 사용하므로 별도의 전원장치가 불필요하였으나, 발광 다이오드는 직류전원을 사용하므로 220V의 상용전원을 직류로 정류하고, 정류된 직류전압을 요구되는 크기의 직류전압으로 변환하기 위하여 별도의 전원 공급장치가 필요하다.
전원 공급장치는 교류전압을 LED 모듈의 구동 전압에 의해 결정된 직류 전압으로 바꿔주는 SMPS부와 LED 모듈에 인가되는 전류를 일정하게 유지하기 위한 LED 구동부로 구성된다. 이때, 전원 공급장치 내에 SMPS부와 전용 LED 구동부가 일체로 형성된 일체형 전원 공급장치와, SMPS부와 별도로 분리된 LED 구동부로 구성되는 분리형 전원 공급 장치가 일반적으로 사용된다.
본 발명의 일 목적은, 넓은 구동 전압 범위에서 사용 가능한 범용 전원 공급장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 경제적인 전원 공급장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면은,
외부로부터 입력받은 교류 전압을 고정된 제1 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부와, 상기 교류-직류 변환부에서 변환된 제1 직류 전압을 제2 직류 전압으로 변환하는 LLC 공진형 직류-직류 변환부를 포함하는 SMPS부; 및 LED 구동에 요구되는 전압 또는 전류에 의해 출력 전압이 결정되며, 상기 LLC 공진형 직류-직류 변환부 및 상기 LED 사이에 연결되어 상기 LED에 인가된 전압에 대한 정보를 상기 LLC 공진형 직류-직류 변환부로 피드백하고, 상기 LED를 정전류 제어하는 LED 구동부를 포함하며, 상기 제2 직류 전압은 상기 LED에 인가된 전압에 대한 상기 LED 구동부의 피드백을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 LED용 전원 공급장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 LED 구동부는 선형 방식일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 LED 구동부는 스위칭 방식일 수 있다.
이때, 상기 LED 구동부는 부스트(Boost), 벅(Buck), 벅-부스트(Buck-Boost), 플라잉 커패시터(flying capacitor) 또는 전하 펌프(charge-pump) 중 하나의 방식으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 LED용 전원 공급장치는 적어도 하나의 LED를 포함하는 LED 패널과 연결될 수 있다.
이때, 상기 LED 패널은 직렬 연결, 병렬 연결 및 직렬과 병렬 연결이 혼용된 형태 중 적어도 어느 하나의 전기적 연결구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 LED용 전원 공급장치의 경우, LED 패널이 요구하는 구동전압에 따라 LED 구동부만을 교체함으로써 SMPS부를 범용으로 사용 가능하고, 선형 방식의 LED 구동부를 채용함으로써 경제적인 LED용 전원 공급장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 LED용 전원 공급장치의 블록 구성도이다.
도 2는 LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시형태를 나타내는 블록 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 조명용 구동장치의 블록 구성도이다. 이하에서는, 광원을 LED로 구체화하여 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 조명에 사용될 수 있는 다양한 광원으로 대체될 수 있다. 도 1을 참조하면, LED 패널(200)은 LED 패널(200)을 구동하기 위한 구동 전압(Vf)을 공급하는 전원 공급장치(100)와 연결되어 있다. 상기 전원 공급 장치(100)는 SMPS(Swithcing Mode Power Supply, 이하, SMPS라 한다)부(10)와 LED 구동부(20)로 구성되며, 상기 SMPS부(10)는 외부로부터 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부(11) 및 변환된 직류 전압을 연결된 LED 패널(200)에서 구동하기에 적절한 직류 전압으로 변환하는 직류-직류 변환부(12)로 구성된다. SMPS부(10)와 연결된 LED 구동부(20)는 직류-직류 변환부(12)에서 변환된 직류전압을 제어하여 LED 패널(200)에 제공되는 전류를 일정하게 유지한다.
상기 LED 패널(200)은 적어도 하나의 LED를 포함하는 광원으로서, 다양한 개수의 다양한 전기적 연결관계를 갖는 LED를 포함할 수 있다. 상기 LED 패널(200)은 LED를 적용하는 어플리케이션에 따라, 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 직렬과 병렬 연결이 혼용된 형태의 전기적 연결구조로 연결된 복수의 LED를 포함할 수 있다.
일반적으로, SMPS는 전력용 MOSFET 등 반도체 소자를 스위치로 사용하여 직류 입력 전압을 일단 구형파 형태의 전압으로 변환한 후, 필터를 통하여 제어된 직류 출력 전압을 얻는 장치로서 반도체 소자의 스위칭 프로세서를 이용하여 전력의 흐름을 제어하므로 종래의 리니어 방식의 전원 공급장치에 비해 효율이 높고 내구성이 강하며, 소형, 경량화에 유리하다. 본 발명에 따르면, SMPS부(12) 내의 직류-직류 변환부(12)에 LLC 공진형 컨버터를 채용함으로써, SMPS부(12)를 제외한 LED 구동부(20)의 교체만으로 다양한 구동 전압이 요구되는 LED 패널에 범용적으로 사용할 수 있는 전원 공급장치를 제공할 수 있다.
도2는 LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)의 회로도이다. 도2를 참조하면, LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)는 위상이 서로 다른 2개의 제1 및 제2 스위칭 신호(SW1, SW2)를 제공한다. 상기 LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)는 동작전압(VB)을 제공하는 스위칭 제어 IC(121), 스위칭부(122), LLC 공진형 트랜스부(123) 및 평활화부(124)를 포함한다. 상기 스위칭부(122)는 전원(B+)단에서 접지로 직렬로 연결된 2개의 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2)의 접속점에서 상기 동작전압(VB)단을 연결하며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)는 상기 제1 스위칭 신호(SW1)에 따라 스위칭 동작하고, 상기 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)는 상기 제2 스위칭 신호(SW2)에 따라 스위치 동작한다. 상기 LLC 공진형 트랜스부(123)는 상기 스위칭부(122)의 스위칭에 따라 1차 권선(L1)에 인가되는 전압을 2차 권선(L2)으로 변환하고, 1차 권선(L1)의 양측에 각각 연결된 공진 인덕터(Lr) 및 공진 커패시터(Cr)에 의해 LLC 공진이 이루어진다. 또한, 정류부(124)는 상기 LLC 공진형 트랜스부(123)로부터의 전압을 정류화하고 평활화한다.
여기서, 상기 LLC 공진형 트랜스부(123)에 포함되는 1차 권선(L1), 공진 인덕터(Lr) 및 공진 커패시터(Cr)가 LLC 공진을 일으켜서 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)에 전압이 뜨면 상기 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)가 오프(off)되고, 이때, 상기 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)가 온(on)이 될 때까지 전류는 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)을 통해 트랜스부(123)로 흐르게 된다. 즉, 상기 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)가 온(on)되는 순간과 오프(off)되는 순간에 LLC 공진을 일으키게 된다.
따라서, 상기 SMPS부(10) 내에 LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)를 채용함에 따라, 효율 저하 없이 넓은 출력 범위의 전압을 제공할 수 있다. 다시 도1을 참조하면, 상기 SMPS부(10) 내의 교류-직류 변환부(11)는 외부로부터 입력받은 교류 전압을 고정된 제1 직류 전압으로 변환하고, 상기 교류-직류 변환부(11)와 연결된 LLC형 직류-직류 변환부(12)는 고정된 제1 직류 전압을 제2 직류 전압으로 변환한다.
한편, LED 구동부(20)는 LED 구동에 요구되는 전압 또는 전류에 의해 출력 전압이 결정된다. 상기 LED 구동부는 LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)와 LED 패널(200) 사이에 연결되어 LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)에서 변환된 제2 직류 전압을 LED 패널(200)에 전달한다. 또한, 상기 LED 구동부(20)는 상기 LED에 인가된 전압에 대한 정보를 상기 LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)로 피드백하여, 상기 LLC 공진형 직류-직류 변환부(12)에서 변환되는 제2 직류 전압의 값을 결정한다. 따라서, LED 구동에 요구되는 전압 또는 전류에 따라, 그에 적합한 출력을 갖는 LED 구동부를 채용함으로써 동일한 SMPS부를 이용하여 넓은 구동 전압의 범위 내에서 다양한 LED 모듈을 동일한 SMPS로 구동할 수 있다.
정전압 SMPS부와 LED 구동부를 분리 제조하여 사용하는 경우, 정전압 SMPS와 LED 구동부는 효율 최적화를 별개로 진행해야 하고, 정전압 SMPS부는 이미 정해진 일정한 전압(예를 들면, 12V 또는 24V)를 출력하므로, 적용되는 LED 모듈의 다양한 구동전압에 대응하기 위해서는 스위칭(switching) 방식의 LED 구동부를 채용해야 한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 저가인 선형(linear) 방식의 LED 구동부를 채용할 수 있으므로 보다 경제적이다. 다만, 본 발명의 LED 구동부를 선형(linear) 방식으로 제한하는 것은 아니며, 필요에 따라 스위칭 방식의 LED 구동부가 사용될 수 있다.
상기 LED 구동부(100)의 선택 및 상호 접속은, 변환되어야 할 입력 전압이 LED를 원하는 동작 전류로 구동하는 데 필요한 전압보다 큰지, 작은지, 아니면 큰 접압에서 작은 전압으로 변화하는지 등의 여부에 따라 결정된다. 그 예로는, 입력 전압이 LED 전압보다 큰 경우 사용되는 강압형(벅, Buck) 변환기, 입력 전압이 LED 전압보다 작은 경우 사용되는 승압형(부스트, Boost) 변환기, 입력이 LED 전압 위에서 아래로 변할 수 있는 상황에 사용되는 벅-부스트(Buck-Boost) 변환기 뿐만 아니라, 플라잉 커패시터(flying capacitor) 또는 전하 펌프(charge-pump), 선형 전압 레귤레이터를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시형태를 나타내는 블록 구성도이다. SMPS부(10)는 넓은 구동 전압 범위 내에서 사용될 수 있으므로, 다수의 LED 패널 설치시, SMPS부(10)를 표준화하고, 각각의 LED 패널에 적합한 다수의 LED 구동부(21 내지 29)를 하나의 외곽 기구(20)에 장착함으로써 장치의 소형화 및 설치의 간소화가 가능하다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: SMPS부 11: 교류-직류 변환부
12: LLC 공진형 직류-직류 변환부 20: LED 구동부
100: LED용 전원 공급장치 200: LED 패널
121: 스위칭 제어 IC 122: 스위칭부
123: LLC 공진형 트랜스부 124: 평활화부

Claims (7)

  1. 외부로부터 입력받은 교류 전압을 고정된 제1 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환부와, 상기 교류-직류 변환부에서 변환된 제1 직류 전압을 제2 직류 전압으로 변환하는 LLC 공진형 직류-직류 변환부를 포함하는 SMPS부; 및
    광원 구동에 요구되는 전압 또는 전류에 의해 출력 전압이 결정되며, 상기 LLC 공진형 직류-직류 변환부 및 상기 광원부 사이에 연결되어 상기 광원에 인가된 전압에 대한 정보를 상기 LLC 공진형 직류-직류 변환부로 피드백하고, 상기 광원을 정전류 제어하는 광원 구동부를 포함하며,
    상기 제2 직류 전압은 상기 광원에 인가된 전압에 대한 상기 광원 구동부의 피드백을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 조명용 전원 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 LED인 것을 특징으로 하는 조명용 전원 공급장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원 구동부는 선형 방식인 것을 특징으로 하는 조명용 전원 공급장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원 구동부는 스위칭 방식인 것을 특징으로 하는 조명용 전원 공급장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광원 구동부는 부스트(Boost), 벅(Buck), 벅-부스트(Buck-Boost), 플라잉 커패시터(flying capacitor) 또는 전하 펌프(charge-pump) 중 하나의 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 조명용 전원 공급장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조명용 전원 공급장치는 적어도 하나의 광원를 포함하는 광원 패널과 연결된 것을 특징으로 하는 조명용 전원 공급장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광원 패널은 직렬 연결, 병렬 연결 및 직렬과 병렬 연결이 혼용된 형태 중 적어도 어느 하나의 전기적 연결구조를 갖는 것을 특징으로 하는 조명용 전원 공급장치.
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