KR20140025589A - 발광 다이오드 램프를 위한 적응 조광 감지 및 제어 - Google Patents

발광 다이오드 램프를 위한 적응 조광 감지 및 제어 Download PDF

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리차드 엠. 마이어
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Abstract

발광 다이오드 램프는 발광 다이오드의 출력 광 세기에서 제공된다 발광 다이오드 램프는 발광 다이오드 램프에 입력 전압에 기반되어 조정된다. 조광 제어 유닛은 구성 프로세스 동안 조광 스위치의 유형을 감지한다. 감지된 조광 유형을 사용하여, 조광 제어 유닛은 원하는 조광 효과를 달성하기 위해 발광 다이오드에 규정된 전류를 제공하기 위해 감지된 조광 유형에 적절한 제어 신호를 생성한다. 발광 다이오드 램프는 기존 조광 스위치를 사용하는 주거 상업 빌딩 조명 애플리케이션에서 찾아진 전형적인 쓰기 구성에서 기존 백열 램프의 직접 대체일 수 있다.

Description

발광 다이오드 램프를 위한 적응 조광 감지 및 제어{ADAPTIVE DIMMER DETECTION AND CONTROL FOR LED LAMP}
본 발명은 발광 다이오드(LED: Light-Emitting Diode) 램프들(lamps)의 구동에 관한 것으로, 보다 자세하게는 발광 다이오드 램프를 조광하기 위한 것이다.
발광 다이오드는 예를 들어, 건축 조명, 자동차 헤드와 후방 조명, 액정 표시 장치의 백라이트, 손전등 다양한 전자 장치에 채용되고 있다. 백열등과 형광등처럼 기존 조명 소스에 비해, 발광 다이오드는 고효율, 좋은 방향, 컬러 안정성, 높은 신뢰성, 긴 수명 시간, 작은 크기, 및 환경 안전을 포함하는, 상당한 장점을 가진다.
발광 다이오드는 전력 효율(와트 당 루멘)과 스펙트럼 품질(spectrum quality)에서 백열등(전구)에 비해 상당한 장점을 제공하기 때문에, 조명 애플리케이션(lighting applicaitons)에서 발광 다이오드의 사용이 확장될 것으로 기대된다. 또한, 발광 다이오드 램프는 형광등 처분의 결과로 수은 오염을 일으킬 수 있는 형광등 조명 시스템(형광 램프와 함께 형광등 안정기)에 비해 환경에 미치는 영향이 적다.
그러나, 기존 발광 다이오드 램프는 백열 전구 주변에 설치되어 있는 현재의 배선과 구성 요소 인프라에 대한 수정 없이 백열등(incandescent lamps)과 조도 조정가능한 시스템(dimmable fluorescent systems)을 직접 교체할 수 없다. 이것은 기존 백열등은 전압 구동 장치인 반면에, 발광 다이오드는 전류 구동 장치(current driven devices)로서 이들 각각의 조명 출력들의 세기를 제어하기 위한 다른 기술을 요구한다.
도 1은 기존 주거 및 상업 조명 애플리케이션들에서 전형적인 조광 배선 구성(dimmer wiring configuration)을 보여준다. 주로, 백열등은 교류 전류 시스템(AC system: alternating current system)에서 동작한다. 특히, 조광 스위치(10)(dimmer switch)는 입력 전압 소스(15)와 백열 램프(20)에 직렬로 배치된다. 조광 스위치(10)는 조광 입력 신호(dimming input signal)(25)를 수신하는데, 이것은 백열 램프(20)의 원하는 광 출력 세기(light output intensity)를 설정한다. 백열 램프(20)의 광 세기(light intensity)의 제어는 백열 램프(20)에 인가되는 램프 입력 전압(V-RMS)(30)의 RMS 전압 값을 조정함으로써 달성된다. 입력 신호(25)의 조광은 수동으로(노브(knob) 또는 슬라이더 스위치(slider switch)를 통해) 제공되거나 또는 자동 조명 제어 시스템을 통해 가능할 수 있다.
많은 조광 스위치들은 백열 램프를 조광하기 위해 백열 램프에 인가되는 교류 입력 전력(AC-input power)의 위상 각(phase angle)을 제어함으로써 V-RMS를 조정한다. 도 2a, 2b, 및 2c는 백열 램프(20)로 출력되는 전형적인 램프 입력 전압 파형을 도시한다. 도 2a는 조광 스위치(10)가 존재하지 않을 때, 또는 조광 스위치(10)가 최대 광 세기에 설정되고 입력 전압 소스(15)로부터 전압 신호가 조광 스위치(10)에 의해 영향받지 않을 때(unaffected) 전형적인 램프 입력 전압 파형(30)을 도시한다. 도 2b는 선두 에지 위상 각 변조(leading edge phase angle modulation)(즉, 선두 에지 조광(leading edge dimmer))에 기반한 조광 효과(dimming effect)를 가진 램프 입력 전압(lamp input voltage)(30)을 도시한다. 선두 에지 조광에서, 조광 스위치(10)는 교류 반주기(AC half-cycles)의 제로-크로싱(zero-crossing) 이후에 피크(peak) 이전에 램프 입력 전압(lamp input voltage)(30)의 기간(period)(Td_off)를 가진 섹션(section)(32)을 제거한다. 입력 전압(30)은 기간(Td_on) 동안 변하지 않는다. 조광 입력 신호(25)가 원하는 조광 효과를 증가시킴에 따라, 제거된 섹션(32)의 기간(Td_off)은 증가하고, 기간(Td_on)은 감소하고, 출력 광 세기는 감소한다. 최소 조광(최대 광 세기)에 대해, 제거된 섹션(32)의 기간(Td_off)은 매우 작거나 또는 영이 된다.
도 2c는 후미 에지 위상 각 변조(trailing edge phase angle modulation)(즉, 후미 에지 조광(trailing edge dimmer))에 기반된 조광 효과를 가진 램프 입력 전압(30)을 도시한다. 후미 에지 조광 스위치(trailing edge dimmer switch)는 피크 이후와 제로 크로싱 이전에, 교류 전압 반주기의 후미 부분(trailing portions)(34)을 제거함으로써 동작한다. 입력 전압(30)은 기간(Td_on) 동안 변하지 않는다. 조광 입력 신호(25)가 원하는 조광 효과를 증가시킴에 따라, 제거된 섹션(34)의 기간(Td_off)은 증가하고, 기간(Td_on)은 감소하고, 광 세기는 감소한다. 최소 조광(최대 광 세기)에 대해, 제거된 섹션(34)의 기간(Td_off)은 매우 작거나 또는 영이 된다.
위상 각을 제어하는 것은 백열 전구에 공급되는 RMS-전압을 조정하고 조광 능력을 제공하는 매우 효과적이고 간단한 방법이다. 그러나, 발광 다이오드 및 발광 다이오드 램프들은 전류에 의해 구동되는 장치들이기 때문에, 입력 전압의 위상 각을 제어하는 기존의 조광 스위치는 기존의 발광 다이오드 램프들과 호환되지(compatible) 않는다.
이러한 호환성 문제의 한 가지 해결 방법은 조광 스위치(10)의 동작 듀티 사이클(operating duty cycle)을 결정하기 위해 램프 입력 전압(30)을 감지하고, 조광 스위치(10)의 동작 듀티 사이클이 낮아짐에 따라 발광 다이오드 램프를 통하는 조절된 순방향 전류(regulated forward current)를 감소시키는 발광 다이오드 드라이버(LED driver)를 사용한다. 그러나, 이들 기존 해결 방법에 채택된 제어 방법은 조광 스위치의 한 가지 유형(type)에만, 즉 선두 에지 또는 후미 에지에만 호환한다. 선두 에지 조광 스위치와의 사용을 위해 설계된 발광 다이오드 램프가 후미 에지 조광 스위치를 사용하는 램프 입력 전압(30)에 연결되거나 또는 그 반대로 연결되면, 발광 다이오드 램프는 오동작하거나 및/또는 실패할 것이다.
본 발명의 제1 측면에서, 실시예들은 하나 이상의 발광 다이오드, 조광 제어 유닛, 및 전력 변환기를 가지는 발광 다이오드 램프를 포함한다. 조광 제어는 입력 전압을 제공하는 조광 스위치의 유형(a type of dimmer switch)을 결정하고, 상기 조광의 감지된 유형에 대하여 입력 전압의 감지된 조광량(dimming amount)을 결정하고, 발광 다이오드를 통하는 조절된 전류(regulated current)를 제어하기 위해 하나 이상의 제어 신호를 생성하여, 발광 다이오드들의 출력 광 세기(output light intensity)가 상기 감지된 조광량에 비례한다. 전력 변환기는 제어 신호들을 수신하고 발광 다이오드들에 조절된 전류를 제공한다. 전력 변환기는 감지된 조광량에 비례하는 출력 광 세기를 달성하기 위해 제어 신호들에 의해 지시된대로 발광 다이오드들로 조절된 전류를 조정한다.
일실시예에서, 조광 제어 유닛은 상기 감지된 조광량을 대표하는, 입력 전압의 감지된 위상 각 변조를 결정하는 위상 감지기(phase detector)를 포함한다. 위상 감지기는 임계값들을 결정하기 위해 감지된 조광 유형을 사용하고, 위상 각 변조를 결정하기 위해 상기 임계값들과 입력 전압을 비교한다. 초핑 생성 회로(chop generator circuit)는 전력 변환기에 공급 전력을 효율적으로 제공하기 위한 초핑 회로(chopping circuit)의 스위칭을 제어하는 초핑 제어 신호를 생성하기 위하여 감지된 위상 각 변조를 사용한다. 조광 제어기는 원하는 조광 효과를 달성하기 위해 전력 변환기의 스위칭을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성하기 위해 상기 감지된 위상 각 변조를 사용한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 방법은 발광 다이오드 램프에 연결된 조광 스위치의 유형을 결정한다. 제1 감지 단계에서, 조광 유형 감지기(dimmer type detector)는 램프 입력 전압을 수신하고 이전 사이클 동안 발생된 램프 입력 전압의 최대 변화율(maximum derivative)을 계산한다. 조광 유형 감지기는 또한 제1 임계값을 계산한다. 최대 변화율이 제1 임계값을 초과하면, 조광 유형 감지기는 입력 전압이 선두 에지 조광 스위치로부터 출력됨을 결정한다. 임계값이 초과되지 않으면, 조광 유형 감지기는 램프 입력 전압이 후미 에지 임계값(trailing edge threshold value) 아래에 있는 동안의 시간 기간(time period)을 결정한다. 조광 유형 감지기는 미리 정의된 시간 임계값을 초과하는 시간 기간에 응답하여 후미 에지 조광 스위치로부터 입력 전압이 출력됨을 결정한다. 그렇지 않으면, 조광 유형 감지기는 입력 전압이 조광 스위치로부터 출력되지 않음을 결정한다.
일실시예에서, 제2 감지 단계는 제1 감지 단계 후 많은 사이클들(a number of cycels)을 수행한다. 제1 및 제2 감지 단계의 결과들이 서로 매칭되지(match) 않으면, 또다른 사이클들 이후에 제3 감지 단계가 수행된다. 제2 및 제3 감지 단계로부터의 결과들이 서로 매칭되면, 그 다음 조광 유형은 제2 및 제3 단계들로부터 결과들을 매칭하도록 설정된다. 그 결과들이 서로 매칭되지 않으면, 조광 유형 감지기는 지원되지 않는 조광 유형(unsupported dimmer type)을 표시하는 신호를 출력한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 발광 다이오드 램프는, 발광 다이오드 램프가 주거 및 상업용 빌딩 조명 애플리케이션들에서 발견되는 전형적인 배선 구성들에서 기존 백열 램프들을 직접 대체하고, 발광 다이오드 램프가 입력 전압을 변화시킴으로써 조광을 실행하는 기존 조광 스위치와 함께 사용될 수 있다는 장점을 가진다.
명세서에 기술된 특징들과 장점들이 모두 포함된 것은 아니며, 특히, 많은 부가 기능들과 장점들이 도면, 명세서, 및 청구항을 고려하여 당해 기술 분야의 숙련된 이에게 명백할 것이다. 또한, 명세서에 사용된 언어는 가독성과 교육 목적을 위해 주로 선택되었고 발명 주제를 한정하거나 제한하기 위한 의도로 선택되지 않은 것임을 주지하여야 한다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면들과 함께 다음 상세 설명을 고려함에 의해 쉽게 이해될 수 있다.
도 1은 기존의 주거 및 상업용 조명 애플리케이션에서 전형적인 조광 배선 구성을 도시한다.
도 2a, 2b, 및 2c는 서로 상이한 유형들의 조광 스위치들에 의한 출력인 전형적인 램프 입력 전압 파형들을 도시한다.
도 3은 기존의 조광 스위치들과 함께 사용되는, 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드 램프를 포함하는 발광 다이오드 램프 시스템을 도시한다.
도 4는 기존 조광 스위치의 회로를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드 램프 회로를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 초핑 회로의 동작을 보이는 파형을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 조광 제어 유닛을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 조광 유형을 감지하기 위한 프로세스를 도시하는 플로우차트이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라서, 조광 유형을 감지 및 재감지하기 위한 다중-단계 프로세스를 도시하는 플로우차트이다.
도 10a와 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 램프 전압 입력의 감지된 기간(detected period)과 온-시간(on-time)을 보이는 파형을 도시한다.
도면들과 그것들에 이어지는 기술은 예시적인 방법으로 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 본 발명의 원리로부터 벗어남이 없이, 이하의 기술로부터 구조와 방법에 대한 대체의 실시예들이 채택될 수 있음을 쉽게 인지할 수 있다.
본 발명의 몇가지 실시예를 보다 상세히 참고할 것이고, 첨부된 도면들에서 보다 상세히 설명된다. 실질적으로 유사하거나 동일한 참조 번호들이 도면들에서 사용될 수 있고, 유사하거나 동일한 기능을 표시할 수 있음을 주지하여야 한다. 도면은 오직 도시의 목적을 위한 본 발명의 실시예를 묘사한다. 당해 기술분야의 종사자들은 본 발명의 원리로부터 벗어남이 없이 이하의 기술로부터 구조와 방법에 대한 대체의 실시예들이 채택될 수 있음을 쉽게 인지할 수 있다.
도면들을 참조하여 보다 자세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 발광 다이오드 램프 시스템과 방법은 (1) 조광 회로(dimming circuit)로부터 입력 전압을 감지하고 조광 시스템의 유형(즉, 선두 에지 조광(leading edge dimmer), 후미 에지 조광(trailing edge dimmer), 조광 없음(no dimmer), 또는 지원되지 않는 조광(unsupported dimmer))을 결정한다; (2) 상기 입력 전압과 상기 결정된 조광 유형에 기반하여 조광 제어 신호를 생성하고; 및 (3) 발광 다이오드의 원하는 광 세기를 달성하기 위해 조광 제어 신호에 기반하여 발광 다이오드 램프의 발광 다이오드로 상응하는 출력 구동 전류(corresponding output drive current)를 제공한다. 또한, 시스템이 조광 시스템의 유형을 식별할 수 없을 때, 또는 상기 감지된 조광 유형이 지원되지 않을 때, 발광 다이오드 램프 시스템은 "안전 모드"(safe mode)로 진입할 수 있다. 따라서 발광 다이오드 램프는 채택된 조광 스위치의 유형을 유리하게 감지하고, 감지된 조광 유형과 호환되는 제어를 조정함으로써, 발광 다이오드 램프가 전형적인 배선 구성에서 백열 램프를 직접적으로 대체할 수 있다.
도 3은 기존의 조광 스위치(10)와 함께 사용되는 발광 다이오드 램프(300)를 포함하는 발광 다이오드 램프 시스템을 도시한다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 발광 다이오드 램프(300)는 도 1의 세팅과 같이, 기존의 조광 스위치 세팅(dimmer switch setting)에서 백열 램프(20)를 직접 대체할 수 있다. 조광 스위치(10)는 교류 입력 전압 소스(AC input voltage source)(15) 및 발광 다이오드 램프(300)와 직렬로 배치된다. 조광 스위치(10)는 기존에 사용되던 것으로, 예를 들어 도 4를 참조하여 아래에 보다 상세히 기술된다. 조광 스위치(10)는 조광 입력 신호(25)를 수신하고, 이것은 발광 다이오드 램프(300)의 원하는 광 출력 세기를 설정하도록 사용된다. 조광 스위치(10)는 교류 입력 전압 신호(82)를 수신하고 조광 입력 신호(25)에 응답하여 램프 입력 전압(84)의 V-RMS 값을 조정한다. 즉, 조광 스위치(10)에 의해 발광 다이오드 램프(300)에 의해 출력되는 광 세기의 제어는 기존 방식에서 발광 다이오드 램프(300)에 인가되는 램프 입력 전압(84)의 V-RMS 값을 조정함으로써 달성된다. 비록 발광 다이오드들이 전류 구동 장치(current driven devices)이고 전압 구동 장치(voltage driven devices)가 아니더라도, 발광 다이오드 램프(300)는 백열 램프들에 유사한 움직임을 보이면서, 발광 다이오드 램프(300)의 광 출력 세기가 램프 입력 전압(84)에 비례하여 변화하도록 제어한다. 또한, 발광 다이오드 램프(300)는 조광 스위치(10)의 유형(예, 선두 에지, 후미 에지, 조광 없음, 또는 지원되지 않는 조광)을 감지하고 내부 제어들을 조정함으로써, 발광 다이오드 램프(300)가 상기 감지된 유형과 호환되도록 한다. 조광 입력 신호(25)는 수동으로(노브 또는 슬라이더 스위치를 통해, 미도시함) 또는 자동 조명 제어 시스템(미도시)을 통해 제공될 수 있다.
조광 스위치( Dimmer Switch )
도 4는 본 발명과의 사용을 위한, 기존의 조광 스위치(10)의 회로를 도시한다. 도 4가 선두 에지 유형의 조광으로 조광 스위치(10)를 도시하더라도, 대체 실시예들은 다른 유형의 조광 스위치(10)(예, 후미 에지 조광)를 포함하고, 또는 조광 스위치(10)의 어떠한 형태를 구비하지 않을 수 있다. 조광 스위치(10)는 전위 차계 저항(potentiometer resistor)(가변 저항(variable resistor))(150), 저항(151), 캐패시터(153, 157), 다이액(diac)(155), 트라이액(triac)(156), 및 인덕터(154)와 같은 구성 요소들을 포함한다.
트라이액(156)은 교류 입력 전압(82)의 제로 크로싱에 대하여 트리거된다(triggered). 트라이액(156)이 트리거될 때, 전구(light bulb)처럼 부하가 순수 저항(purely resistive)이면, 트라이액(156)을 통과하는 전류가 다음 제로 크로싱에서 영으로 갈 때까지 이것은 콘덕팅(conducting)을 유지한다. 트라이액(156)이 트리거되는 위상을 변화시킴으로써, 램프 입력 전압(84)의 듀티 사이클은 변화할 수 있다. 단순 가변 저항들을 통한 트라이액의 장점은, 이들이 완전이 온(fully on)이거나 또는 완전히 오프(fully off)일 때, 매우 적은 전력을 소모한다는 것이다. 전형적으로, 트라이액은 부하 전류를 통과시킬 때, 1-1.5V의 전압 강하를 야기한다.
다이액(155)/트라이액(156)의 조합에서 전위 차계(150)와 지연 캐패시터(delay capacitor)(153)의 목적은 제로 크로싱으로부터 다이액(155)의 발화점(firing point)을 지연시키는 것이다. 지연 캐패시터(153)를 피딩(feeding)하는 전위 차계(150) 및 저항(151)의 저항값이 커질수록, 캐패시터(153)에 걸리는 전압이 다이액(155) 발화점까지 상승하여 트라액(156)을 켜기까지(turning on) 더 오래 걸리게 된다. 필터 캐패시터(filter capacitor)(157)와 인덕터(inductor)(154)는 단순한 무선 주파수 간섭 필터(radio frequency interference filter)를 만드는데, 이는 교류 위상의 중간에서 트라이액(156)의 발화(firing)는 빠른 상승 전류 서지(rising current surges)를 야기하기 때문에, 회로가 많은 간섭(interference)을 생성함이 없도록 한다. 조광 입력(25)은 전위 차계(150)를 조정하도록 사용될 수 있고, 이로써 다이액(155)의 발화점을 변경하고, 따라서 램프 입력 전압(84)을 변화시킨다.
발광 다이오드 램프( LED Lamp )
도 5는 발광 다이오드 램프(300)의 실시예를 도시하는 상세한 도면이다. 발광 다이오드 램프(300)는 브리지 정류기(bridge rectifier)(310), 초핑 회로(chopping circuit)(320), 전력 변환기 회로(power converter circuit)(330), 조광 제어 유닛(dimmer control unit)(340), 및 발광 다이오드(302)를 포한다. 발광 다이오드 램프(300)는 또한 EMI 억제(suppression)를 위한 캐패시터(C1)를 포함한다.
브리지 정류기(310)는 조광 스위치(10)로부터 램프 입력 전압(84)을 정류하고 정류된 전압 신호(Vin)를 초핑 회로(320)로 제공한다. 초핑 회로(320)는 공급 전압(Vcd)으로서, 전력 변환기(330)로 전력을 공급하는 스위칭 회로이다. 초핑 회로(320)는 발광 다이오드 램프(300)의 구성 모드(configuration mode) 동안 감지된 조광 스위치(10)의 유형에 일부 기반하여 생성되는 스위칭 제어 신호(switching control signal)(Chop_out)에 따라서, 전력 변환기(330)로 전력을 효율적으로 공급한다. 초핑 회로(320)는 또한 조광 제어 유닛(340)으로 감지 전압(Vin_a)을 출력한다. 구성 모드 동안, 조광 제어 유닛(340)은 감지 전압(Vin_a)에 일부 기반하여 조광 스위치(10)의 유형을 결정한다. 정상 동작 동안, 조광 제어 유닛(340)은 초핑 회로(320)의 스위칭을 제어하도록 제어 신호(Chop_out)를 출력하고, 전력 변환기(330)를 제어하도록 제어 신호(Dim_control)를 출력한다. 전력 변환기(330)는 아래 상세히 기술된 것처럼, 원하는 조광 효과를 달성하기 위해 Dim_control에 기반하여 발광 다이오드(302)를 구동한다. 비록 세 개의 발광 다이오드들(302)만 도시되더라도, 전력 변환기(330)는 어떠한 개수의 발광 다이오드들을 구비한 발광 다이오드 스트링을 구동할 수 있고, 또는 다수의 발광 다이오드(302) 스트링들(mulitiple strings of LEDs)을 병렬로 구동할 수 있음을 이해하여야 한다.
초핑 회로( Chopping Circuit )
일실시예에서, 초핑 회로(320)는 저항(R1, R2, Rc), 인덕터(Lc), 다이오드(D1, D2), 및 스위치(Qc)를 포함한다. 초핑 인덕터(chopping inductor)(Lc)는 초핑 스위치(chopping switch)(Qc)가 켜질 때 입력 전압(Vin)으로부터 전력을 저장하고 초핑 스위치(Qc)가 꺼질 때 전력 변환기로 전력을 방출하기 위해 입력 전압(Vin)과 스위치(Qc) 사이에 직렬로 연결된다. 다이오드(D2)는 초핑 인덕터(Lc)와 전력 변환기(330) 사이에 직렬로 연결되고, 스위치(Qc)가 꺼질 때 초핑 인덕터(Lc)로부터 전력 변환기(330)로 전력을 제공한다. 초핑 저항(chopping resistor)(Rc)은 초핑 스위치(Qc)와 초핑 인덕터(Lc)에 직렬로 연결되고 스위치(Qc)가 켜질 때 초핑 인덕터(Lc)로부터 전력을 소모한다. 다이오드(D1)는 입력 전압(Vin)과 전력 변환기(330) 사이에 연결되고, 전압(Vcb)이 입력 램프 전압보다 낮을 때 캐패시터(Cb)를 충전한다. 저항(R1, R2)는 입력 전압(Vin)에 비례하는 감지 전압(Vsense)을 제공하기 위해 전압 분배기(voltage divider)를 형성한다.
전력 변환기(330)로 공급 전압(Vcb)을 효율적으로 전달하는 방식으로 스위치(Qc)를 켜고 끄기 위하여, 스위치 제어 신호(Chop_out)에 의해 스위치(Qc)가 제어된다. 앞서 기술된 것처럼, 조광 스위치(10)는 일반적으로 트라이액 장치(64)를 포함한다. 그러나, 트라이액 장치(64)가 오프-상태(off-state)인 동안에, 전력 변환기(330)로 원하지 않는 전류를 전달할 수 있는 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)를 트라이액 장치(64)가 포함한다. 또한, 트라이액 장치(64)가 오프- 상태인 동안에, 캐패시터(C1)는 부가적인 원하지 않는 전류를 전력 변환기(330)로 전달할 수 있다. 이러한 원하지 않는 전류는 램프 입력 전압(Vin)의 왜곡(distortion)을 초래할 수 있고 발광 다이오드 램프(300)를 오동작 시킬 수 있다. 트라이액 장치(64)가 오프 상태일 때 입력 전압(Vin)에 저항 부하를 제공하고 원하지 않는 전류를 소모하기 위하여, 스위치 제어 신호(Chop_out)는 스위치(Qc)를 제어한다. 일실시예에서, Chop_out는 조광의 오프 시간(Td_off)(또한, "발화 기간(fire period)"으로 언급됨)의 감지된 추정치 동안 Qc를 켜도록 제어하고, 따라서 바이패스 저항(Rc)을 통해 원하지 않는 전류를 재전송하고 입력 전압(Vin)에 대한 왜곡을 방지한다. 조광의 온 시간(Td_on)(또한, "초핑 기간(chopping period)"으로 여기 언급됨)의 감지된 추정치 동안, Chop_out은 다이오드(D2)를 통해 브리지 정류기(310)로부터 전력 변환기(330)로 전류가 흐르도록 허용하게 Qc를 제어한다. 일실시예에서, 트라이액(64)이 켜질 때 유입 전류(inrush current)를 감소시키는 것을 돕기 위해, 전압(Vcb)이 입력 램프 전압(Vin)보다 낮을 때 다이오드(D1)는 캐패시터(Cb)를 충전한다.
좋은 전력 효율을 제공하기 위해, 스위치 제어 신호(Chop_out)는 오프-상태에 Qc를 유지하는 것보다 초핑 기능에 따라서 초핑 기간 동안, Qc가 순환하여(cyclically) 켜고 꺼지도록 제어한다. 예를 들어, 일실시예에서, 초핑 기간은 다수의 초핑 사이클들(chopping cycles)을 포함하고, 각각의 초핑 사이클(i)은 온-시간(on-time)(Ton_Qci)과 오프-시간(off-time)(Toff_Qci)을 포함한다. 일실시예에서, 초핑 사이클(i) 동안의 스위치(Qc)의 온-시간(on-time)(Ton_Qci)은 다음 수학식에 의해 주어진다:
Figure pat00001
여기서 K1은 실험적으로 결정되는 상수이고, Vini는 초핑 사이클(i)의 시작에서의 입력 전압(Vin)이다.
초핑 사이클(i)동안의 오프-시간(off-time)(Toff_Qci)은 다음 수학식에 의해 주어진다.
Figure pat00002
여기서 K2는 제2 실험적으로 결정되는 상수이다. 따라서, 변화하는 입력 전압(Vin)에 기반하는 변화하는 온-시간들(on-times)과 오프-시간들(off-times)에 따라서, 초핑 기간동안 스위치(Qc)는 다수의 시간들에서 켜지고 꺼진다.
도 6은 초핑 회로(320)의 동작을 보이는 예제 파형을 도시한다. 파형은 선두 에지 조광 유형(leading edge dimmer type)을 따르는 예시 입력(Vin_a)(저항(R1, R2)를 포함하는 전압 분배기를 통해 감지됨)과 함께 예시된다. 그러나, 초핑 회로(320)는 다른 유형의 조광들이 존재(예, 후미 에지 조광)할 때도 유사하게 동작한다. 발화 기간(firing period)동안, Chop_out은 하이(high)로 설정되고, 스위치(Qc)를 켠다. 인덕터(Lc)는 포화되고(saturated) 초핑 저항(Rc)을 통해 소모되는 정전류(constant current)를 공급한다. 다이오드(D2)를 통해 전력 변환기(330)로 아무 전류도 흐르지 않기 때문에, 전압(Vcb)은 발화 기간 동안 떨어진다.
초핑 기간동안, Chop_out는 수학식 1과 2의 초핑 함수들(chopping functions)에 따라 켜지고 꺼진다. Vin이 증가함에 따라, 제어 신호(Chop_out)의 온-기간(on-period)(Ton_Qci)과 오프-기간(off-period)(Toff_Qci)은 둘 다 감소한다. 따라서, 일실시예에서, 온-기간(Ton_Qci)과 오프-기간(Toff_Qci)은 입력 전압(Vin)에 반비례한다. 초핑 인덕터(Lc)는 Qc가 켜질 때 에너지를 저장하고, 그 다음 Lc를 통하는 전류 스파이크(current spikes)에 의해 예시된 것처럼 Qc가 꺼질 때 캐패시터(Cb)로 에너지를 방출한다. 인덕터(Lc)로부터 에너지는 캐패시터(Cb)를 충전하고 전압(Vcb)은 증가한다. 초핑 기간동안, Lc의 평균 전류는 입력 교류 라인 전압과 같은 위상이고, 본질적으로 고 역률(power factor)을 제공한다.
전력 변환기 ( Power Converter )
도 5를 다시 참조하여, 일실시예에서, 전력 변환기(330)는 다이오드(D3), 캐패시터(Co), 스위치(Q1), 저항(R3, R4, Rs), 정전류 제어기(constant current controller)(335), 주 권선(primary winding)(P1)을 가지는 변압기(T1), 2차 권선(secondary winding)(S1), 및 보조 권선(auxiliary winding)(A1)을 포함하는 플라이백 변환기(flyback converter)를 포함한다. 정전류 제어기(335)는 스위치(Q1)를 구동하는 출력 구동 신호(336)를 생성한다. 스위치(Q1)는 켜질 때 다이오드(D3)는 역 바이어스(reverese biased)되기 때문에, 공급 전압(Vcb)으로부터 입력 전력은 변압기(T1)에 저장된다. 스위치(Q1)가 꺼지는 동안 다이오드(D3)는 순 바이어스(forward biased)되기 때문에, 입력 전력은 캐패시터(Co)를 가로질러 발광 다이오드(302)로 전달된다. 다이오드(D3)는 출력 정류기처럼 기능하고 캐패시터(Co)는 출력 필터로 기능한다. 결과적으로 조절된 출력 전압(V_LED)은 발광 다이오드(302)로 전달된다.
정전류 제어기(335)는 변환기(330)의 스위치(Q1)를 제어하는 스위치 제어 신호(336)를 생성하여, 정전류가 발광 다이오드(302)를 통해 유지된다. 정전류 제어기(335)는 온과 오프 상태들(ON and OFF states)과 전력 스위치(Q1)의 듀티 사이클들을 제어하기 위해, 펄스폭 변조(PWM) 또는 펄스 주파수 변조(PFM)와 같은 잘 알려진 변조 기술들 중에서 하나를 채택할 수 있다. PWM과 PFM은 출력 전력 조절(output power regulation)을 달성하기 위해, 스위치(Q1)를 구동하는 출력 구동 펄스(336)의 폭 또는 주파수를 개별적으로 제어함으로써, 스위칭 전력 변환기를 제어하기 위해 사용되는 종래 기술이다. 따라서, 정전류 제어기(335)는 전력 스위치(Q1)의 온-시간들(on-times)을 제어하고 발광 다이오드(302)를 통하는 출력 전류를 조절하기 위해, 적절한 스위치 구동 펄스들(336)을 생성한다.
전류(Isense)는 감지 저항(sense resistor)(Rs)을 통한 전압의 형태로 주 권선(P1)을 통하는 주 전류(primary current)(Ip)를 감지하기 위해 사용된다. 전압(Vsense)은 저항(R3, R4)를 포함하는 저항 전압 분배기(resistive voltage divider)를 통해 변압기(T1)의 보조 권선(auxiliary winding)(A1)을 거쳐 전압을 감지하기 위해 사용된다. 플라이백 변환기에서, 출력 전류는 전류 감지 저항(Rs)(Isense에 의해 표시됨)의 피크 전압과 변압기(T1)의 리셋 시간(reset time)의 곱에 비례한다. 변압기(T1)의 리셋 시간은 스위치(Q1)가 꺼질 때와 변압기 보조 전압(Vsense에 의해 표시됨)의 하강 에지(falling edge) 사이의 시간이다. Isense가 임계값(Vipeak)을 초과할 때, 정전류 제어기(335)는 스위치(Q1)를 끄기 위해 전압(Isense)을 감지하고 제어 신호(336)를 생성함으로써 주 전류(Ip)를 제한하기 위해 피크 전류 스위칭을 구현한다. 정전류 제어기(335)는 또한 변압기(T1)의 리셋 시간을 측정하기 위해 전력 변환기(330)의 각각의 스위칭 사이클의 종료에서 전압(Vsense)을 샘플링한다. 정전류 조절(contant current regulation)은 이전 사이클에서 변압기(T1)의 측정된 리셋 시간에 반비례하는 임계값(Vipeak)을 조정함에 의해 유지된다. 정전류 제어기(335)의 예제 실시예는 2008년 10월 28일에 특허된, "플라이백 전력 공급 장치에서의 정전류 모드(constant current mode)에 대한 온-시간 제어"라는 발명의 명칭을 가진 미국 특허 번호 7,443,700에 상세히 기술되는데, 이 컨텐츠는 여기에 합쳐져서 참조된다.
조광 제어 유닛( Dimmer Control Unit )
도 7은 조광 제어 유닛(340)의 일실시예를 보인다. 조광 제어 유닛(340)은 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter(ADC))(701), 조광 유형 감지기(712), 위상 감지기(716), 초핑 생성기(chop generator)(714), 및 조광 제어기(718)를 포함한다. 당해 기술 분야의 종사자는 다른 실시예들이 여기 기술된 모듈보다 다른 모듈을 구비할 수 있고, 기능들은 다른 방식에서 모듈 사이에 분배될 수 있음을 인지할 수 있다. 또한, 다양한 모듈에 주어진 기능은 다중 모듈들에 의해 수행될 수 있다.
ADC(701)은 초핑 회로(320)로부터 아날로그 신호(Vin_a)를 수신하고 신호(Vin_a)를 디지털 신호(Vin_d)로 변환한다. 위에 기술된 것처럼, 입력 신호(Vin_a)(및 해당 디지털 신호(Vin_d))는 램프 입력 전압(Vin)에 비례한다. 조광 유형 감지기(712)는 도 8-9을 참조하여 아래 상세히 기술될 구성 프로세스(Cconfiguration process)동안 조광의 유형(D_type에 의해 지시됨)을 결정한다. 위상 감지기(716)는 입력 신호(Vin_d)를 관찰하고 D_type에 기반된 감지 알고리즘을 사용하여 위상 변조의 양(amount of phase modulation)(만약 있다면)을 결정한다. 위상 감지기(716)는 조광 스위치(10)의 감지된 기간(Td_period)과 감지된 온-시간(Td_on)을 출력한다. Td_period과 Td_on은 초핑 회로(320)의 스위칭을 제어하기 위해 초핑 제어 신호(Chop_out)를 생성하기 위해 초핑 생성기(714)에 의해 사용된다. Td_period과 Td_on은 제어 신호(Dim_control)를 생성하기 위해 조광 제어기(718)에 의해 역시 사용되고, 이것은 원하는 조광 효과를 달성하기 위해 전력 변환기(330)로 출력된다.
조광 유형 감지를 위한 구성 프로세스
조광 스위치(10)의 유형을 결정하기 위한 조광 제어 유닛(712)에 의해 수행되는 예제 프로세스는 도 8에 도시된다. 일반적으로, 감지 프로세스는 발광 다이오드 램프(300)의 미리 정의된 구성 기간(configuration period) 동안 개시된다(802). 구성 기간은 일반적으로 교류 전력 소스(15)가 켜진 직후에, 그러나 충분한 사이클들이 경과한 이후에 시작되어, 프로세스가 스타트-업 잡음(start-up noise)에 의해 영향을 받지 않도록 한다(예, 스타트-업 후 3번째 교류 반-사이클 동안). 조광 유형 감지기(712)는 디지털 신호(Vin_d)를 수신한다(804). 조광 유형 감지기(712)는 그 다음 Vin_d의 변화율을 계산하고 교류 사이클 동안 발생한 최대 양의 변화율(Max_dl)을 결정한다(806). 일부 실시예들에서, 조광 유형 감지기(712)는 Max_dl 대신에 또는 추가하여, 교류 사이클 동안 발생하는 최소 변화율(Min_dl)을 결정한다.
조광 유형 감지기(712)는 이전 교류 사이클(Vin_max) 동안 감지된 최대 입력 전압의 함수로 하나 이상의 적응 임계값들(adaptive threshold values)을 계산한다(808). 예를 들어, 일실시예에서, 적응 임계값은 Vin_max에 직접적으로 비례한다. 다른 대체 실시예에서, 임계값들은 최소 필터링된 변화율(minimum filtered derivative)(Min_dl)의 함수로 계산된다.
선두 에지 조광을 감지하기 위해, 조광 유형 감지기(712)는 Max_dl와 선두 에지 임계값(Th_LE)을 비교한다(810).
선두 에지 조광이 켜질 때(선두 에지 조광이 켜질 때 발생하는 매우 가파른 선두 전압 때문에) Max_dl는 임계값(Th_LE)을 초과하도록 하고, 그러나 조광이 존재하지 않을 때 또는 후미 에지 조광이 존재할 때(변조되지 않은 교류 사이클의 보다 점진적인 선두 전압 때문에) Max_dl은 임계값(Th_LE)를 초과하지 않도록 선두 에지 임계값(Th_LE)이 설정된다. 만약, Max_dl이 임계값(Th_LE)을 초과하면, 조광 유형 감지기(712)는 선두 에지 조광이 감지된 것으로 결정한다(812).
임계값(Th_LE)이 초과되지 않으면, 조광 유형 감지기(712)는 다음으로 후미 에지 조광이 입력 전압(Vin)을 공급하는지 또는 조광 스위치(10)가 설치되지 않은지를 결정한다. 일실시예에서, 조광 유형 감지기(712)는 시간 t0와 시간 t1 사이에 시간 기간(time period)을 측정하고, 여기서 t0는 Vin_d이 후미 에지 임계 전압(trailing edge threshold voltage)(Th_TE) 아래로 떨어질 때의 시간에 상응하고, t1은 Vin_d이 후미 에지 임계 전압(Th_TE) 위로 상승할 때의 시간에 상응한다. 조광 유형 감지기(712)는 그 다음 측정된 시간 기간(t1-t0)이 시간 임계값(Th_t)보다 작은지를 결정한다(814). 측정된 시간 윈도우(time window)(t1-t0)가 시간 임계값(Th_t)을 초과하는데 실패하면, 조광 유형 감지기(712)는 조광 스위치가 존재하지 않음을 결정한다(816). 그렇지 아니하면, 만약 측정된 시간 윈도우(t1-t0)가 시간 임계값(Th_t)을 초과하면, 조광 유형 감지기(712)는 후미 에지 조광이 감지됨을 결정한다(818). 이러한 감지 기술은 조광 스위치가 설치되지 않을 때보다 후미 에지 조광 스위치가 설치될 때, 후미 에지 조광의 출력 전압이 교류 반 사이클의 완료(completion) 이전에 영 가까이까지 떨어지고, 따라서 입력 전압(Vin_d)이 보다 긴 시간 기간(t1-t0)동안 임계값 전압(Th_TE) 아래에 유지된다는 사실에 의존한다.
어떤 조광들은 적절한 선두-에지 또는 후미-에지 전압 파형을 출력할 수 있기 이전에, 워밍-업 기간(warm-up period)을 필요로 한다. 이들 조광들을 지원하기 위해, 일부 실시예들에서, 조광 유형 감지기(712)는 초기 구성 기간 이후에 하나 이상의 조광 재감지(dimmer re-detection) 프로세스들을 실행한다. 도 9는 조광 재감지를 사용하여 조광 감지를 위한 프로세스의 예를 도시한다. 프로세스는 교류 전력 공급 장치(AC power supply)(15)의 스타트업 바로 직후에 시작한다(902). 교류 반-사이클(N1)(예, N1=3)에서, 조광 유형 감지기(712)는 도 8을 참조하여 앞서 기술된 절차처럼 제1 조광 감지 프로세스(dimmer detection process)(즉, 단계1 감지)를 수행한다(904). 교류 반-사이클(N2)(예, N2=20)에서, 조광 유형 감지기(712)는 단계 1 감지 프로세스와 동일한 제2 조광 감지 프로세스(즉, 단계2 감지)를 수행한다(906). 그 다음으로, 조광 유형 감지기(712)는 단계 1과 단계 2의 감지 결과들을 비교한다(908). 단계 1과 단계 2 감지 프로세스에서 감지된 조광 유형이 동일하면, 그 다음으로 단계 1과 단계 2에 의해 결정된 조광 유형은 확정되고, 출력(D_type)은 확정된 조광 유형에 맞도록 설정된다(910). 감지 결과들이 일치하지 않으면, 조광 유형 감지기(712)는 교류 반-사이클(N3)(예, N3=30)에서 제3 감지 프로세스(즉, 단계 3 감지)를 수행한다(912). 조광 유형 감지기(712)는 다음으로 단계 2와 단계 3 감지의 결과들을 비교한다(914). 감지 프로세스들의 결과가 동일하면, 다음으로 단계 2와 단계 3에 의해 결정된 조광 유형은 확정되고 출력(D_type)은 확정된 조광 유형에 따라서 설정된다(916). 결과들이 일치하지 않으면, 다음으로 조광 유형 감지기(712)는 지원되지 않는 조광 유형이 사용되는 것으로 결정하고, 이에 따라 출력(D_type)을 설정한다(918).
일실시예에서, 조광 유형 감지기(712)가 조광 유형이 지원되지 않음(unsupported)을 결정할 때, 발광 다이오드 램프(300)는 "안전 모드"(safe mode)를 입력한다. "안전 모드"에서, 발광 다이오드 램프(300)는 발광 다이오드(302)로 전력의 전달을 방지할 수 있다. 일실시예에서, 지원되지 않는 조광 유형이 감지될 때, 발광 다이오드 램프(300)는 최종 사용자가 적절한 코스의 조치를 취하는 것을 지원하도록 코딩된 신호(coded signal)(예, 깜박이는 패턴의 형태로)를 출력한다.
위상 감지 ( Phase Detection )
도 7을 다시 참조하여, 위상 감지기(716)는 결정된 조광 유형(D_type)의 일부에 기반된 조광 스위치(10)에 의해 인가되는 위상 변조의 양을 결정한다. 예를 들어, 일실시예에서, 위상 감지기(716)는 감지된 기간(Td_period)과 조광의 감지된 온-시간(Td_on)을 결정한다. 위상 감지를 보여주는 예제 파형은 선두 에지 조광 유형에 대해 도 10a에서, 후미 에지 조광 유형에 대해 도 10b에서 도시된다. 일실시예에서, 위상 감지기(716)는 입력 전압(Vin_d)과 D_type에 의존한 임계값들을 비교하기 위한 비교기(comparator)를 포함한다. 일반적으로, 기간(Td_period)은 입력 전압(Vin_d)의 선두 부분(leading portion)이 선두 임계 전압(V_Le)을 크로스할 때 시작하고, 입력 전압(Vin_d)의 선두 부분이 선두 임계 전압(V_Le)을 다시 크로스하는 지점에서 종료한다. 조광 온-시간(Td_on)은 입력 전압(Vin_d)의 선두 부분이 선두 임계 전압(V_Le)을 크로스하는 지점에서 시작하고, 입력 전압의 후미 부분(trailing portion)이 후미 임계 전압(V_Tr)을 가로지르는 지점에서 종료한다. 조광 오프-시간(dimmer off-time)은 다음의 수식으로 주어진다.
Figure pat00003
D_type이 조광이 존재하지 않음을 지시할 때, 파형이 항상 온(on)(즉, Td_on = Tperiod)이기 때문에 오직 선두 임계값 비교가 필요하다. 임계 전압들(V_Le, V_Tr)은 감지된 조광의 유형에 기반하여 설정된다. 조광이 존재하지 않을 때, 임계 전압(V_Le)은 다음과 같이 이전 사이클의 최대 전압의 함수이다.
Figure pat00004
여기서 K3은 실험적으로 결정된 상수이다. 조광이 존재(선두 에지 또는 후미 에지)할 때, 선두 및 후미 임계 전압들은 고정된 값들(예, V_Le = 53V, V_Tr = 26V)이다. 또한, 일실시예에서, 위상 감지기(716)는 저역 통과 필터(low pass filter)를 포함한다. 선두 에지 조광이 감지될 때, 필터는 바이패스되고 필터링 되지 않은 입력 전압(Vin_d)은 선두 임계값(V_Le)과 비교된다. 모든 다른 경우에, 저역 통과 필터링된 입력 전압은 임계값 비교를 위해 사용된다.
초핑 생성기(714)는 감지된 조광 온-시간(Td_on)과 오프-시간(Td_off)을 사용하여 앞서 기술된 Chop_out 신호를 생성한다. 일반적으로, 수학식 1과 2에 대하여 기술된 것처럼, 초핑 생성기(714)는 조광의 감지된 오프-시간(Td_off) 동안 트랜지스터(Qc)를 켜도록 Chop_out을 출력하고, 조광의 감지된 온-시간(Td_on) 동안 초핑 함수에 따라 스위치(Qc)를 온 및 오프(on and off)한다.
조광 제어기(718)는 조광 제어 신호(Dim_Control)를 생성하기 위해 감지된 조광 온-시간(Td_on)과 오프-시간(Td_off)을 사용한다. 일실시예에서, 조광 제어기(718)는 다음과 같이 조광 위상(dimming phase)(Dphase)을 계산한다.
Figure pat00005
조광 제어기(718)는 원하는 조광을 달성하기 위해, 발광 다이오드로 전달할 전력의 일부를 지시하는 범위 [0, 1]에서, 조광 위상(Dphase)을 발광 다이오드 조광 비율(D_ratio)로 변환한다. 따라서, D_ratio = 1일 때, 전력 변환기(330)는 발광 다이오드(302)로 전력의 100%를 출력한다. D_ratio = 0.1일 때, 전력 변환기(330)는 발광 다이오드(302)로 전력의 10%를 출력한다. 일실시예에서, 발광 다이오드 조광 비율(D_ratio)는 다음처럼 계산된다.
Figure pat00006
K4와 K5는 백열 전구들과 발광 다이오드들 사이에서 서로 다른 발광 곡선들(luminosity curves)에 따라 실험적으로 결정된 상수들이다. 발광 다이오드 램프(300)가 조광 제어 신호(25)에 대한 발광 응답에서 백열 전구처럼 동작하도록 상수들 K4와 K5는 선택될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 조광 스위치(10)가 50% 조광으로 설정되면, 발광 다이오드 램프(300)는 발광 다이오드(302)를 통하는 전류를 제어하여, 발광 다이오드가 최대 출력 발광(maximum output luminosity)의 50%를 출력하도록 한다.
두 개의 다른 접근법들이 발광 다이오드(302)의 출력 전력을 변조하기 위해 사용될 수 있다. 제1 접근법에서, PWM 디지털 조광이 사용되고, Dim_control은 원하는 조광 효과를 달성하기 위해 전력 변환기(330)에 의해 사용되는 듀티 사이클을 표시한다. PWM 조광에서, 원하는 조광 효과는 원하는 조광에 기반된 듀티 사이클에 따라서 발광 다이오드(302)를 스위칭 온 및 오프함으로써 달성된다. 발광 다이오드(302)의 인지된 광 세기는 평균 세기 출력(average intensity output)에 의해 지시를 받는다. 일실시예에서, 전력 변환기(330)는 정전류 상태와 오프 상태 사이의 스위칭에 의해 원하는 조광 효과를 달성한다. 정정류 상태에서(즉, On_period), 정전류 제어기(335)는 앞서 기술된 것처럼 스위치(Q1)를 온 및 오프하여, 발광 다이오드(302)를 통하는 정전류는 유지되고 발광 다이오드는 온이 되도록 한다. 오프 상태(즉, Off_period)에서, 정전류 제어기(335)는 스위치(Q1)를 오프하고 발광 다이오드(302)를 오프한다. On_period(변환기(330)가 정전류 상태에서 동작하는 동안)는 다음과 같이 주어진다:
Figure pat00007
여기서 Dimming_period는 최대 허용 조광 기간(maximum allowed dimming period)에 상응하는 명목상의 값(nominal value)이다. 오프 상태에서, 발광 다이오드들은 다음에 주어진 off-period에 대해 꺼진다.
Figure pat00008
제2 접근법에서, 발광 다이오드들(302)의 출력 전력은 진폭 조광(amplitude dimming)을 사용하여 변조된다. 진폭 조광에서, 원하는 조광 효과는 주 권선(primary side winding)을 통하는 피크 전류를 낮춤으로써 달성되고, 이것은 전력 변환기(330)의 출력 전류를 비례하여 낮춘다. 따라서, 제어 신호(Dim_control)는 원하는 조광 효과를 달성하기 위해 전력 변환기(330)에 의해 사용되는 피크 전류를 표시한다. 이러한 접근법에서, 전류 조절을 위하여, 정전류 제어기(335)에 의해 사용되는 임계값 신호(Vipeak)는 다음와 같이 변조된다.
Figure pat00009
여기서 Vipeak_nom은 최대 허용 발광 다이오드 전류에 비례하는 명목상의 임계값이다. 위에서 설명된 것처럼, 정전류 제어기(335)는 감지된 전압(Isense)을 Vipeak와 비교하고 Isense가 Vipeak를 초과할 때 스위치(Q1) 오프한다. 따라서, 조광 효과는 주 권선을 통해 허용된 피크 전류의 크기를 축소함으로써(scale down) 달성된다.
일반적으로, PWM 조광 접근법은 고 효율의 장점을 가지나, 깜박거림(flicker)의 문제를 가질 수 있다. 진폭 조광 접근법은 깜박거림 문제를 가지지 않지만, 대신에 PWM 조광 접근법에 비하여 상대적으로 더 낮은 효율을 가질 수 있고 더 제한된 조광 범위를 가진다. 일실시예에서, 하이브리드 조광 접근법(hybrid dimming approach)은 효율과 성능(efficiency and performance)의 최상의 조합을 얻기 위해 사용된다. 하이브리드 조광 접근법에서, 조광 제어기(718)는 전력 변환기(330)를 제어하기 위해 조정된 듀티 사이클(On_period에 의해 대표됨)을 지시하는 제1 제어 신호와 조정된 피크 전류 값(Vipeak)을 지시하는 제2 제어 신호를 포함하는 제어 신호(Dim_control)를 출력한다. 이러한 실시예에서, On_period와 Vipeak은 다음처럼 D_ratio의 함수로 변조된다.
Figure pat00010
여기서 ｆ1와 ｆ2함수는 실험적으로 결정된 함수들이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 발광 다이오드 램프들은, 발광 다이오드 램프가 주거 및 상업 빌딩 조명 애플리케이션들에서 발견되는 전형적인 배선 구성에서 기존 백열 램프들을 직접 대체할 수 있고, 발광 다이오드 램프는 램프들로 입력 전압을 변경함으로써 조광을 실행하는 기존 조광 스위치와 함께 사용될 수 있다.
이러한 개시를 읽음으로써, 당해 기술 분야의 종사자는 발광 다이오드 램프를 위한 부가적인 대체 설계를 인식할 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예와 애플리케이션들이 도시되고 기술되는 동안에, 발명은 여기에 공개된 정확한 구조와 구성 요소에 제한되지 않고 다양한 조정, 변화 및 변경은 당해 기술에 숙련된 이에게 명백할 수 있고, 첨부된 청구항들에서 정의된 것처럼 발명의 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 여기 공개된 본 발명의 방법과 장치의 배열, 동작, 및 상세한 내용들에 의해 만들어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 발광 다이오드 램프 제어기(LED lamp controller) 로서,
    발광 다이오드 램프는 변압기(transformer), 상기 변압기의 주측(primary side)에 결합된 주측 스위치(primary side switch), 및 상기 변압기의 2차측(secondary side)에 결합된 하나 이상의 발광 다이오드들을 포함하고,
    상기 발광 다이오드 램프 제어기는,
    조광 스위치로부터의 입력 전압의 조광량을 감지하고, 상기 감지된 조광량을 나타내는 조광 제어 신호를 생성하는 조광 제어 유닛
    상기 조광 제어 신호, 상기 변압기의 주권선(primary side winding)을 통한 전류를 나타내는 전류 센스 신호(current sense signal), 및 상기 하나 이상의 발광 다이오드들에 대한 출력 전압을 나타내는 전압 센스 신호(voltage sense signal)를 수신하는 스위치 제어기(switch controller)
    를 포함하고,
    상기 스위치 제어기는
    상기 하나 이상의 발광 다이오드들이 상기 감지된 조광량에 대응하는 조광 레벨(dimming level)을 달성하기 위해 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 통하는 전류를 조절하는 상기 전압 센스 신호, 상기 전류 센스 신호, 및 상기 조광 제어 신호에 기초하여 상기 주측 스위치(primary side switch)의 스위칭(switching)을 제어하는,
    전력 변환기(power converter)를 스위칭하기 위한 발광 다이오드 램프 제어기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 센스 신호는 상기 변압기의 상기 주측 상의 보조 권선(auxiliary winding)을 가로지르는 전압에 기초하는,
    발광 다이오드 램프 제어기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 전압 센스 신호에 기초하여 상기 변압기의 리셋 시간(reset time)을 결정하고, 상기 리셋 시간에 기초하여 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하도록 더 구성되고,
    상기 리셋 타임은 상기 주측 스위치가 턴 오프(turn off)되는 때와 상기 전압 센스 신호의 하강 에지(falling edge) 사이의 시간에 기초하는,
    발광 다이오드 램프 제어기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 센싱된 전류 신호(sensed current signal)가 임계값(threshold value)을 초과하는 경우 상기 주측 스위치를 턴오프하고, 상기 주측 스위치의 이전 사이클(prior cycle)의 상기 리셋 시간에 반비례하여 상기 임계값을 조정하도록 구성되는,
    발광 다이오드 램프 제어기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 주측 스위치의 각 스위칭 사이클(switching cycle)의 종료(end)에서 상기 전압 센스 신호를 샘플링하도록 구성되는,
    발광 다이오드 램프 제어기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는,
    상기 감지된 조광량이 상수인 경우, 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 통한 정전류(constant current)를 실질적으로(substantially) 유지하는 정전류 제어기(constant current controller)
    를 포함하는 발광 다이오드 램프 제어기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 조광 제어 신호는 제1 상태(first state) 및 제2 상태(second state)를 포함하는 상기 스위치 제어기의 동작 상태들(operating states) 간의 스위칭을 위한 듀티 사이클을 나타내고,
    상기 스위치 제어기는 상기 제1 상태에서 동작하는 경우 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 턴온(turn on)하는 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하며,
    상기 스위치 제어기는 상기 발광 다이오드들의 평균 출력이 상기 감지된 조광량에 대응하도록, 상기 제2 상태에서 동작하는 경우 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 턴오프하는 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는,
    발광 다이오드 램프 제어기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조광 제어 신호는 진폭 조광량(amplitude dimming amount)을 나타내고,
    상기 스위치 제어기는 상기 진폭 조광량에 기초하여 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 통한 출력 전류의 진폭을 제어하는 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는,
    발광 다이오드 램프 제어기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 조광 제어 유닛은,
    상기 입력 전압을 수신하고, 상기 입력 전압을 하나 이상의 임계 전압들(threshold voltages)에 비교함으로써, 상기 감지된 조광량을 대표하는 상기 입력 전압의 감지된 위상 각 변조를 결정하는 위상 감지기(phase detector); 및
    위상 각 변조의 상기 감지된 양을 이용하여 상기 조광 제어 신호를 생성하도록 구성되는 조광 제어기(dimming controller)
    를 포함하는 발광 다이오드 램프 제어기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 위상 감지기는,
    감지된 온 시간(on-time)의 시작(start)을 결정하는 선두 임계(leading threshold)에 상기 입력 전압을 비교하고, 상기 감지된 온 시간의 종료를 결정하는 후미 임계(trailing threshold)에 상기 입력 전압을 비교하기 위한 비교기
    를 포함하고,
    상기 위상 각 변조의 양은 상기 감지된 온 시간으로부터 결정되는,
    발광 다이오드 램프 제어기.
  11. 하나 이상의 발광 다이오드들의 조광을 제어하는 방법으로서,
    조광 스위치로부터 입력 전압을 수신하는 단계;
    상기 입력 전압의 조광량을 감지하는 단계;
    상기 감지된 조광량을 대표하는 조광 제어 신호를 생성하는 단계;
    스위치 제어기에 의해, 상기 조광 제어 신호, 상기 하나 이상의 발광 다이오드들에 대한 출력 전압을 나타내는 전압 센스 신호, 및 상기 변압기의 주 권선을 통한 전류를 나타내는 전류 센스 신호에 기초하여 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 스위칭은 상기 하나 이상의 발광 다이오드들이 상기 감지된 조광량에 대응하는 조광 레벨을 달성하도록 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 통한 전류를 조정하는,
    변압기, 및 상기 변압기의 주측에 결합된 주측 스위치를 포함하는 스위칭 전력 변환기에서 하나 이상의 발광 다이오드들의 조광을 제어하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 변압기의 상기 주측 상의 보조 권선을 가로지르는 전압에 기초하여 상기 전압 센스 신호를 센싱하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계는,
    상기 전압 센스 신호에 기초하여 상기 변압기의 리셋 시간을 결정하는 단계; -상기 리셋 시간은 상기 주측 스위치가 턴오프하는 때와 상기 전압 센스 신호의 하강 엣지 사이의 시간에 기초함 - 및
    상기 리셋 시간에 기초하여 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 리셋 시간에 기초하여 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계는,
    상기 센싱된 전류 신호가 임계 값을 초과하는 경우 상기 주측 스위치를 턴오프하는 단계; 및
    상기 주측 스위치의 이전 사이클의 상기 리셋 시간에 반비례하여 상기 임계값을 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 주측 스위치의 각 스위칭 사이클의 종료에서 상기 전압 센스 신호를 샘플링하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 조광 제어 신호는 상기 발광 다이오드들의 평균 출력이 상기 감지된 조광량에 대응하도록 제1 상태 및 제2 상태를 포함하는 상기 스위치 제어기의 동작 상태들 간의 스위칭을 위한 듀티 사이클을 나타내고,
    상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계는,
    상기 스위치 제어기가 상기 제1 상태에서 동작하는 경우, 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 턴온하는 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계; 및
    상기 스위치 제어기가 상기 제2 상태에서 동작하는 경우, 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 턴오프하는 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 조광 제어 신호는 진폭 조광량을 나타내고,
    상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계는,
    상기 진폭 조광량에 기초하여 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 통한 출력 전류의 진폭을 제어하는 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 감지된 조광량을 대표하는 상기 조광 제어 신호를 생성하는 단계는,
    상기 입력 전압을 하나 이상의 임계 전압들에 비교함으로써, 상기 감지된 조광량을 대표하는 상기 입력 전압의 감지된 위상 각 변조를 결정하는 단계; 및
    위상 각 변조의 상기 감지된 양을 이용하여 상기 조광 제어 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 발광 다이오드 램프에 있어서,
    변압기;
    상기 변압기의 주측에 결합되는 주측 스위치;
    상기 변압기의 2차측에 결합되는 하나 이상의 발광 다이오드들;
    조광 스위치로부터 입력 전압의 조광량을 감지하고, 상기 감지된 조광량을 대표하는 조광 제어 신호를 생성하는 조광 제어 유닛;
    상기 조광 제어 신호, 상기 변압기의 주 권선을 통한 전류를 나타내는 전류 센스 신호 및 상기 하나 이상의 발광 다이오드들에 대한 출력 전압을 나타내는 전압 센스 신호를 수신하고, 상기 하나 이상의 발광 다이오드들이 상기 감지된 조광량에 대응하는 조광 레벨을 달성하도록, 상기 하나 이상의 발광 다이오드들을 통해 조정된 전류를 제어하는 상기 전압 센스 신호, 상기 전류 센스 신호, 및 상기 조광 제어 신호에 기초하여 상기 주측 스위치의 스위칭을 제어하는 스위치 제어기
    를 포함하는 발광 다이오드 램프.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 조광 제어 유닛은,
    상기 입력 전압을 수신하고, 상기 입력 전압을 하나 이상의 임계 전압들에 비교함으로써 상기 감지된 조광량을 대표하는 상기 입력 전압의 감지된 위상 각 변조를 결정하는 위상 감지기; 및
    위상 각 변조의 상기 감지된 양을 이용하여 상기 조광 제어 신호를 생성하도록 구성되는 조광 제어기
    를 포함하는 발광 다이오드 램프.
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