KR20140066602A - Ｌｅｄ 조명등용 전원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무전해 커패시터를 사용하여 장수명화를 도모하면서도 LED 조명등을 안정적으로 구동할 수 있도록 한 LED 조명등용 전원 장치에 관한 것이다.
본 발명의 LED 조명등용 전원 장치는 상용교류전원을 정류하는 정류기; 무전해 커패시터로 이루어져서 상기 정류기를 통해 정류된 전압을 평활하는 제1 평활 커패시터; 상기 제1 평활 커패시터를 거쳐서 평활된 맥류를 LED 조명등을 구동하기에 적합한 낮은 직류 전압으로 변환하는 플라이백 방식의 DC-DC 컨버터; 무전해 커패시터로 이루어져서 상기 플라이백 방식의 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 평활하는 제2 평활 커패시터 및 상기 제2 평활 커패시터와 LED 조명등 사이에 병렬로 연결되고, 상호 다른 스위칭 주파수(fsw1),(fsw2)로 동작하여 LED 조명등에 직류 전류를 공급하는 한 쌍의 벅 방식의 DC-DC 컨버터를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 상기 스위칭 주파수 fsw1 및 fsw2는 "

"를 만족하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 평활 커패시터와 상기 플라이백 방식의 DC-DC 컨버터 사이에는 RLC 소자로 이루어져서 저주파 필터로 동작하는 π형 필터가 개재된 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＥＤ 조명등용 전원 장치{power supply apparatus for LED lamp}

본 발명은 LED 조명등용 전원 장치에 관한 것으로, 특히 무전해 커패시터를 사용하여 장수명화를 도모하면서도 LED 조명등을 안정적으로 구동할 수 있도록 한 LED 조명등용 전원 장치에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, LED(Light Emittimg Diode)는 전류를 흘리면 빛을 발하는 반도체 다이오드의 일종으로서, 수은을 함유하지 않아서 환경 친화적일 뿐만 아니라 기존 전구에 비해 적은 전력으로도 구동이 가능하여 최대 88%의 전기료 절감 효과를 볼 수 있으며, 수명이 대략 50,000 ~100,000 시간이 될 정도로 길어서 거의 반영구적인 조명원으로 알려져 있다. 이외에도 일반 전구에 비해 자외선을 덜 배출해서 벌레가 덜 꼬일 뿐만 아니라 피부 미용에도 좋아서 향후 기존의 필라멘트 전구나 형광등을 대체할 것으로 기대되고 있다.

도 1은 종래의 일 예에 따른 LED 조명등용 전원 장치의 회로도로서, 플라이백 컨버터(Flyback Converter) 방식을 채택한 전원 장치의 회로도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 종래 플라이백 방식의 컨버터를 채택한 LED 조명등용 전원 장치에 따르면, 브리지 다이오드(BD)를 통해 상용교류전원(AC)을 정류한 후에 대용량의 전해 커패시터(C1)를 사용하여 상기 정류된 전압을 평활한다.

다음으로, 단일 단(single stage) 고역률(High Power Pactor) 방식의 플라이백 컨버터를 사용하여 트랜스포머(T)의 1차측에서 2차측으로 에너지를 전달한다. 또한, LED 조명등(LED)에 일정 전압(Constant Voltage)과 일정 전류(Constant Current)를 공급하기 위하여 2차측 전압과 전류를 센싱하고 이렇게 센싱된 값을 옵토커플러(optocoupler; 미도시)를 통하여 PWM(Pulse Width Modulation) 혹은 PFC(Power Factor Correction) 제어부(10)에 피드백하며, PWM 혹은 PFC 제어부(10)에서는, 예를 들어 스위치(FET)의 온/오프 듀티비를 제어함으로써 트랜스포머(T)의 1차측 출력 전압과 전류를 조정한다. 한편, 트랜스포머(T)의 2차측 전압은 리플이 크기 때문에 트랜스포머(T)의 2차측에도 대용량의 전해 커패시터(C2)를 병렬로 연결하여 사용한다. 도면에서 참조번호 30은 LED 조명등(LED)의 조도를 조절하기 위한 PWM 소스를 나타내고, 참조번호 20은 PWM 소스(20)에 의해 LED 조명등(LED)에 인가되는 전압과 전류를 제어하는 전압(V) & 전류(I) 제어부를 나타낸다.

도 1에 도시한 LED 조명등용 전원 장치에 따르면, 1차측 전압의 리플(ΔV)이 대략 ±20V_{P -P} 정도가 되고, LED 조명등을 흐르는 출력 전류 리플도 30% 이내로 된다.

도 2는 종래의 다른 예에 따른 LED 조명등용 전원 장치의 회로도로서, 인버스트 벅 컨버터(Inversed Buck Converter) 방식의 LED 조명등용 전원 장치의 회로도이다. 도 2에 도시한 바와 같이 종래 인버스트 벅 컨버터 방식의 LED 조명등용 전원 장치는 비절연 방식으로 동작하는데, 브리지 다이오드(DB)의 후단에 필름 커패시터의 일종인 낮은 용량의 MPP(Metalized Polypropylene) 커패시터(C3)를 사용하여 맥류를 만든다. 또한 인버스트 벅 컨버터를 사용하여 LED 조명등(LED)의 전체 순방향 전압(Vf)을 유지하면서 전류 센싱을 통해 PWM 제어부(40)에서 PWM의 듀티비를 제어함으로써 스위치(FET)의 턴온 및 턴오프 시간을 적절하게 조절한다.

그런데, 도 2에 도시한 인버스트 벅 컨버터 방식의 LED 조명등용 전원 장치에서도 LED 조명등(LED)에 대한 일정 전류 제어를 수행함에 있어서 LED 조명등(LED)을 흐르는 출력 전류의 리플을 낮추기 위해서 어쩔 수 없이 전해 커패서터(C4)를 사용하고 있다.

한편, 전해 커패시터는 적은 사이즈로도 큰 정전용량을 얻을 수 있는 장점이 있으나 내압이 낮고 고주파에는 부적당하며, 필름 커패시터, 폴리머 커패시터 및 세라믹 커패시터에 비해 수명이 현저하게 짧은바, 도 1 및 도 2에 도시한 전원 장치를 사용하는 경우에는 결과적으로 LED 조명등의 수명에 비해 전원 장치의 수명이 현저하게 짧아서 도중에 전원 장치(전해 커패시터)를 교체하거나 수리해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 무전해 커패시터를 사용하여 장수명화를 도모하면서도 LED 조명등을 안정적으로 구동할 수 있도록 한 LED 조명등용 전원 장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 LED 조명등용 전원 장치는 상용교류전원을 정류하는 정류기; 무전해 커패시터로 이루어져서 상기 정류기를 통해 정류된 전압을 평활하는 제1 평활 커패시터; 상기 제1 평활 커패시터를 거쳐서 평활된 맥류를 LED 조명등을 구동하기에 적합한 낮은 직류 전압으로 변환하는 플라이백 방식의 DC-DC 컨버터; 무전해 커패시터로 이루어져서 상기 플라이백 방식의 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 평활하는 제2 평활 커패시터 및 상기 제2 평활 커패시터와 LED 조명등 사이에 병렬로 연결되고, 상호 다른 스위칭 주파수(fsw1),(fsw2)로 동작하여 LED 조명등에 직류 전류를 공급하는 한 쌍의 벅 방식의 DC-DC 컨버터를 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서, 상기 스위칭 주파수 fsw1 및 fsw2는 "

"를 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 평활 커패시터와 상기 플라이백 방식의 Dc-DC 컨버터 사이에는 RLC 소자로 이루어져서 저주파 필터로 동작하는 π형 필터가 개재된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 LED 조명등용 전원 장치에 따르면, 무전해 커패시터를 사용하여 장수명화를 도모하면서도 무전해 커패시터의 상대적으로 적은 용량에 따라 발생하는 큰 출력 리플을 서로 다른 스위칭 주파수를 갖는 2개의 벅 방식의 DC-DC 컨버터를 사용하여 감소시킴으로써 LED 조명등을 안정적으로 구동할 수가 있다.

도 1은 종래의 일 예에 따른 LED 조명등용 전원 장치의 회로도.
도 2는 종래의 다른 예에 따른 LED 조명등용 전원 장치의 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명등용 전원 장치의 회로도.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 LED 조명등용 전원 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명등용 전원 장치의 회로도인바, 무전해 커패시터를 사용하여 장수명화를 도모하기 위해 플라이백 컨버터 방식과 벅 컨버터 방식을 혼용하고 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명등용 전원 장치에 따르면 장수명화를 도모하기 위해 종래 전해 커패시터로 구현되었던 정류기(BD) 직후단의 평활용 커패시터(C5)와 플라이백 컨버터를 구성하는 커패시터(C10)를 무전해 커패시터, 예를 들어 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)로 구현하고 트랜스포머(T)의 2차측의 평활 커패시터(C6) 역시 폴리머 커패시터나 세라믹 커패시터를 사용하고 있다.

결과적으로 본 발명의 LED 조명등용 전원 장치에 따르면, 정류기(BD) 직후단 및 트랜스포머(T)의 2차측의 평활용 커패시터로 전해 커패시터에 비해 낮은 용량(최대 10㎌/630V로 전해 커패시터의 1/10 이하)을 갖는 무전해 커패시터, 예를 들어 MPP(Metalized Polypropylene Film Capacitor)타입의 무전해 커패시터를 사용하기 때문에 트랜스포머(T)의 1차측과 2차측에 종래에 비해 현저히 높은 리플이 존재하고, 이에 따라 플리커 잡음이 발생할 수 있다.

본 발명에서는 이를 해결하기 위해 트랜스포머(T)의 2차측에 벅 방식의 DC-DC 컨버터(60-1)를 채택하여 전류를 일정하게 제어하는데, 이때 단일의 벅 방식의 DC-DC 컨버터만을 사용하는 경우에는 트랜스포머(T)의 2차측에 대용량 전해 커패시터를 사용하지 않기 때문에 높은 2차측 전압 리플로 인해 완벽한 정전압 및 정전류(CV/CC) 제어를 구현할 수가 없다. 이를 감안하여 본 발명의 LED 조명등용 전원 장치에서는 트랜스포머(T)의 2차측에 2개의 벅 방식의 DC-DC 컨버터(60-1),(60-2)를 병렬로 연결하여 LED 조명등(LED)을 구동한다.

이때 두 벅 방식의 DC-DC 컨버터(60-1),(60-2)의 스위칭 주파수를 동일하게 하는 경우에는 주파수간의 간섭으로 인해 리플이 더 커질 수 있기 때문에 그 스위칭 주파수를 달리 설정, 예를 들어 300㎑~900㎑의 범위 내에서 하나(fsw1)는 300㎑로 스위칭하고 나머지 하나(fsw2)는 400㎑로 스위칭하도록 주파수를 설정하여 전류 리플을, 예를 들어 5% 이내로 만족시키고 있다. 여기에서 fsw1과 fsw2 사이의 관계는 fsw1이 fsw2보다 크다고 가정할 때 아래의 수학식 1과 같이 정해지는 것이 바람직하다.

도 3에서 참조번호 10은 PWM 혹은 PFC 제어부를 나타내고, 20은 V&I 제어부를 나타내며, 30은 PWM 소스를 나타낸다.

도 4는 도 3에 도시한 π형 필터의 회로도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 LED 조명등용 전원 장치에서는 정류기(BD) 후단의 평활 커패시터로 전해 커패시터를 사용하지 않기 때문에 전압 리플이 매우 커지는데, 평활 커패시터(C5) 후단에, 예를 들어 도 4에 도시한 바와 같이 RLC 소자로 이루어진 π형 필터(저주파 필터)(50)를 삽입하여 전압 리플을 일정 정도 감소시키는 것이 바람직하다. 물론 이러한 π형 필터(50)에도 역시 무전해 커패시터를 사용하고 있다.

이하에는 본 발명의 LED 조명등용 전원 장치의 동작에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명의 LED 조명등용 전원 장치에 따르면, 먼저 정류기인 브리지 다이오드(BD)를 통해 상용교류전원(AC)을 정류한 후에 무전해 커패시터, 예를 들어 MLCC로 이루어진 평활 커패시터(C5)를 사용하여 상기 정류된 전압을 평활한다.

다음으로, π형 필터(50)에 의해 평활된 전압에 포함된 리플을 감소시키고 다시 단일 단 고역률 방식의 플라이백 컨버터를 사용하여 트랜스포머(T)의 1차측에서 2차측으로 에너지를 전달한다. 또한, LED 조명등(LED)에 일정 전압과 일정 전류를 인가하기 위하여 2차측 전압과 전류를 센싱하고 이렇게 센싱된 값을 옵토커플러(미도시)를 통하여 PWM 혹은 PFC 제어부(10)에 피드백하는데, PWM 혹은 PFC 제어부(10)에서는, 예를 들어 스위치(FET)의 온/오프 듀티비를 제어함으로써 트랜스포머(T)의 1차측 출력 전압과 전류를 조정한다. 한편, 트랜스포머(T)의 2차측에도 무전해 커패서터, 예를 들어 폴리머 커패시터나 세라믹 커패시터(C2)를 병렬로 연결하여 2차측 출력 전압을 평활한다.

본 발명에서는 또한 LED 조명등(LED)에 일정 전압 및 일정 전류를 공급하기 위해 2개의 벅 방식의 DC-DC 컨버터(60-1),(60-2)를 병렬로 연결하여 2 스테이지로 구성하는데, 그 스위칭 주파수(fsw1),(fsw2)를 상호 다르게 함으로써 LED 조명등(LED)에는 리플이 감소한 전류가 흐르게 된다. 또한 저항에 의한 전류 센싱을 통해 각각의 스위치 제어부(70-1),(70-2)에서 PWM의 듀티비를 제어함으로써 스위치(FET)의 턴온 및 턴오프 시간을 적절하게 조절한다.

도 5는 본 발명의 LED 조명등용 전원 장치에서 LED 조명등을 흐르는 전류 파형도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 1개의 벅 컨버터(60-1)를 상대적으로 높은 주파수(fsw1)로 구동(좌측 상단 그래프)하고, 다른 1개의 벅 컨버터(60-2)를 상대적으로 낮은 주파수(fsw2)로 구동(좌측 하단 그래프)하는 경우에 각 그래프의 상단에서 첫 번째 파형(청색)은 입력 전압(Vin)을 나타내고, 두 번째 파형(하늘색)은 스위치(FET)의 구동 전압을 나타내며, 세 번째 파형(보라색)은 인덕터에 흐르는 전류를 나타내고, 최하단의 파형(녹색)은 LED에 흐르는 전류 파형을 나타낸다. 우측의 그래프는 좌측 그래프의 합성 파형도를 나타낸다. 도 6의 좌측 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 각 벅 컨버터(60-1),(60-2)를 통해 LED로 흐르는 전류 파형에는 리플이 존재하였으나 그 합성 파형에는 도 6의 우측 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 리플이 거의 제거되었음을 알 수가 있다.

본 발명의 LED 조명등용 전원 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

10: PWM 혹은 PFC 제어부, 20: V&I 제어부,
30: PWM 소스, 40: PWM 제어부,
60-1, 60-2: 벅 컨버터, BD: 브리지 다이오드,
70-10, 70-2: 스위치 제어부,
C1, C2, C3, C4, C5, C6, C10: 커패시터

Claims (3)

1. 상용교류전원을 정류하는 정류기;
   무전해 커패시터로 이루어져서 상기 정류기를 통해 정류된 전압을 평활하는 제1 평활 커패시터;
   상기 제1 평활 커패시터를 거쳐서 평활된 맥류를 LED 조명등을 구동하기에 적합한 낮은 직류 전압으로 변환하는 플라이백 방식의 DC-DC 컨버터;
   무전해 커패시터로 이루어져서 상기 플라이백 방식의 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 평활하는 제2 평활 커패시터 및
   상기 제2 평활 커패시터와 LED 조명등 사이에 병렬로 연결되고, 상호 다른 스위칭 주파수(fsw1),(fsw2)로 동작하여 LED 조명등에 직류 전류를 공급하는 한 쌍의 벅 방식의 DC-DC 컨버터를 포함하여 이루어진 LED 조명등용 전원 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스위칭 주파수 fsw1 및 fsw2는 "

   

   "를 만족하는 것을 특징으로 하는 LED 조명등용 전원 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 평활 커패시터와 상기 플라이백 방식의 Dc-DC 컨버터 사이에는 RLC 소자로 이루어져서 저주파 필터로 동작하는 π형 필터가 개재된 것을 특징으로 하는 LED 조명등용 전원 장치.

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