KR20140132215A - 발광다이오드 구동 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED 구동 회로에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 SMPS의 채택 없이 LED를 점등시키는 경우에 전류제한회로에서 손실되는 손실전력을 최소한으로 낮추고 정류회로의 입력 전압이 낮아 최상위 LED가 점등되지 않는 현상을 방지할 수 있는 LED 구동 회로를 제공하는 데 있다.

Description

발광다이오드 구동 회로{LED DRIVING CIRCUIT}
본 발명은 LED 구동 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주기적으로 변하는 전원에 맞추어 LED를 점등시키는 구동회로에서 전력 손실을 최소화 하고 LED의 가동률을 높일 수 있는 LED 구동 회로에 관한 것이다.
종래의 LED 구동회로는 정전류 및 정전압 구동을 하는 SMPS를 채택한 전력 회로를 구성함으로써, LED의 소비전력을 최소화하면서 발광다이오드의 발광 능력을 일정하게 유지시키게 된다.
이 경우, SMPS를 채택한 정전류 및 정전압 구동을 하는 종래의 LED 구동회로는 필수적으로 인덕터와 전해캐패시터를 이용하게 되는데, 이러한 인덕터와 전해캐패시터를 이용한 LED 구동회로는 EMI문제가 널리 알려져 있고, 역률이 낮고, 전해캐패시터의 수명이 LED의 수명보다 현저히 짧아 LED의 수명을 같이 떨어뜨리는 문제점이 있다.
이를 위하여 최근에 개발되고 있는 LED 구동 회로는 SMPS를 채택하지 않음으로 인해서 인덕터와 전해캐패시터를 사용하지 않고 LED 구동회로를 구성시키는 형태로 변경되는 추세에 있다.
하지만, SMPS를 채택하지 않은 LED 구동 회로는 SMPS만큼 넓은 범위의 입력전압에 대응하기 힘들고, 높은 입력전압에서 구동장치의 전력손실이 커지는 단점이 있다.
보다 상세하게 설명하면, SMPS를 채택하지 않은 LED 구동 회로는 교류전압을 정류회로만으로 전파 정류하여 LED를 직접 구동하기 때문에 전원전압의 크기가 주기적으로 크게 변하게 됨으로, 정류회로에 걸리는 전압에서 LED의 순방향 부하전압을 뺀 값의 전압량과 LED의 구동 전류를 곱한 만큼의 전력이 구동회로에서 열로 손실된다. 즉, 정류회로에서 정류한 전원전압은 LED의 순방향 부하전압보다 높을 경우 전력손실이 커지게 되고, 정류회로에서 정류한 전원전압이 LED의 순방향 부하전압보다 낮을 경우 발광다이오드가 점등되지 않는 경우가 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제점들을 보다 상세히 설명하면, 도 1은 종래 SMPS를 채택하지 않고 교류전원을 정류하여 LED를 점등시키는 LED 구동 회로도 이다.
도 1를 참조하면, 종래 SMPS를 채택하지 않고 교류전원을 정류하여 발광다이오드를 점등시키는 LED 구동 회로는 교류전원을 정류하는 정류회로부(1), 전압레벨 감지회로(2), 개폐스위치(3), LED 어레이부(4) 및 전류제한회로(5)로 이루어져 있다.
여기서, 전압레벨 감지회로(2)는 정류회로부(1)에서 정류한 전원전압의 크기를 감지하고, 감지한 전원전압의 크기에 따라 LED 어레이부(4)를 켜주는 방식을 채택한다.
도 2는 도 1에 도시된 LED 구동 회로의 개폐스위치의 단락 및 개방 상태에 따른 LED 어레이부(4)의 부하전압에 대한 표를 도시하고 있다. 도 2에서 On은 개폐 스위치 단락을, Off는 개폐스위치 개방을 나타낸다. 여기서, LED 어레이부(4)는 위에서 아래의 순서로 0번에서 3번까지, 개폐스위치부(3)는 위에서 아래의 순서로 1번에서 3번까지 지칭하기로 한다.
도 2를 더 참조하여 도 1에 도시된 LED 구동 회로의 구동 상태를 살펴보면, 먼저, 도 1에 도시된 4개의 LED 어레이부(4)는 각각이 동일한 부하량을 형성하고 있고, 이 경우, 전파정류된 전원전압이 상승할 때는 3개의 개폐스위치(3)가 차례로 개방되고, 전원전압이 하강할 때는 개폐스위치(3)가 차례로 단락 되어 동일한 부하량을 가지는 각각의 LED 어레이부(4)들에 형성되는 부하전압 크기는 2Vf에서 8Vf까지 4단계로써, 단계 전압의 수가 개폐스위치(3) 수 보다 하나가 더 많다.
도 3은 도 2에 도시된 표와 같이 순차적으로 LED 어레이부(4)를 구동했을 경우 전류제한 회로(5)에서 열로 손실되는 전력의 크기를 보여주기 위한 그래프이다.
도 3을 보면, 전류제한 회로(5)에 의해서 LED부하전류는 일정하게 흐르게 되며, 전류제한 회로에 걸리는 전압은 전원전압에서 LED 어레이의 총 부하전압(2Vf ~ 8Vf)을 뺀 값이다. 이 경우, 전원전압의 어느 한 위상( t )에 대해서 전류제한 회로에 걸리는 전압의 크기는 전원전압에서 LED 어레이의 총 부하전압(6Vf,120)을 뺀 값(110)이다.
또한, 도 3의 하단에 있는 그래프는 전원전압의 한 주기 동안 전류제한회로의 양 단 전압차를 나타낸다.
이때 손실전력은 전류제한 회로에 걸리는 전압과 전류의 곱이다. 이 경우, 전류는 일정하므로 전원전압의 한 주기 동안 손실전력은 전류제한 회로(5)에 걸리는 전압을 전류가 흐르는 한 주기 동안 적분한 값(도면 3에서 회색영역)에 비례한다. 즉, 도 1에 도시된 형태의 LED 구동회로는 항상 회색영역만큼 손실전력이 발생되어 열로 방출된다. 일반적으로 종래의 교류전원을 정류하여 LED를 직접 구동하는 구동회로는 90% 이상인 SMPS의 전력변환 효율 보다 낮은 평균 80% ~ 85%의 전력변환 효율로 인해 생기는 구동부의 발열문제를 가지고 있다.
상기 문제들의 해결책을 제시하기 위해, 도 4에서는 LED 총 부하전압의 크기를 8단계로 제어하는 경우의 손실전력의 크기를 그래프로 도시하였다.
도 4를 보면, LED 총 부하전압의 크기를 4단계로 제어하는 경우인 도면 3의 손실전력(회색영역) 크기 보다 작은 손실전력(회색영역)을 가지는 것을 알 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 LED 구동회로는 전원전압의 크기에 따라 제어할 수 있는LED부하전압 단계의 수가 많을수록 손실전력을 줄일 수 있다. 하지만 도면 1의 회로에 의한 구동방법을 사용하는 경우, 개폐스위치(3)의 수가 3개에서 7개로, 전압레벨 감지회로의 비교기의 수도 3개에서 7개로 늘어나 회로구성에 비용이 증가하게 된다.
또한, 이 회로의 모든 LED 어레이가 점등되었을 때의 LED 총 부하전압 크기(8Vf) 이상으로 전원전압이 올라가지 않으면 점등되지 못하는 LED 어레이가 있게 된다.
도면 4의 왼쪽 그림을 보면 전원전압의 최고 값이 7Vf와 8Vf사이인 경우, 7단계까지의 전압레벨이 형성됨으로 인해서 최상위 LED 어레이가 점등되지 못함을 알 수 있다.
이와 같이, 종래 SMPS를 채택하지 않고 교류전원을 정류하여 LED를 점등시키는 LED 구동회로는 LED를 구동시에 정류회로에서 공급되는 전압과 LED 구동전압의 차이에 비례하는 전력 손실이 일어나게 되므로 정류회로에서 공급되는 전압이 높아지는 경우에 전력손실이 커지게 되는 문제점이 있으며, 정류회로에서 공급되는 전압이 낮아지는 경우에 최상위 LED 어레이가 점등되지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 종래와 같이 SMPS의 채택 없이 LED를 점등시킴으로써, 역률을 개선할 수 있고 LED의 수명 증가를 기대할 수 있는 발광다이오드 구동 회로를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 SMPS의 채택없이 발광다이오드를 점등시키는 경우, 정류회로의 입력전압과 LED의 구동전압 차이로 인하여 발생하는 전력손실을 개선시킬 수 있는 LED 구동 회로를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 SMPS의 채택없이 발광다이오드를 점등시키는 경우에 정류회로의 입력 전압이 낮아 최상위 발광 다이오드가 점등되지 않는 현상을 방지할 수 있는 LED 구동 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 LED 구동회로는 서로간에 직렬연결 구조를 가지는 복수 개의 LED 어레이들을 포함하는 LED 어레이부, 상기 복수 개의 LED 어레이들 중 각각의 LED 어레이와 병렬로 연결된 다수의 스위칭 소자들을 포함하는 스위칭부, 및 상기 스위칭부와 전기적으로 연결되어 가변 되는 구동전압에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함한다.
이 경우, 상기 LED 어레이부와 직렬로 연결되고 스위칭 소자와 연결되지 않은 추가 LED 어레이를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 LED 어레이들 각각은 서로 다른 개수의 LED소자를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 복수 개의 LED 어레이들 각각의 개수는 서로 2의 제곱배수 관계에 있을 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 LED 어레이들 각각의 구동전압은 LED소자의 기본 구동전압과 상기 각각의 LED소자의 개수의 곱을 통하여 산출될 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 일실시예에 따른 LED 구동회로는 상기 복수 개의 LED 어레이들과 직렬로 연결되고, 교류전원을 정류하여 상기 복수 개의 LED 어레이들에 공급하는 정류회로를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 LED 구동회로는 상기 정류회로 및 상기 복수 개의 LED 어레이들과 전기적으로 연결되며, 상기 복수 개의 LED 어레이들에 공급되는 전류를 일정값 이하로 제한하는 전류제한회로를 더 포함할 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 LED 구동회로는 상기 전류제한회로와 전기적으로 연결되며, 상기 전류제한회로의 양 단 전압차를 검출하는 전압레벨 검출회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 LED 구동회로의 제어부는, 상기 검출된 전압차가 기설정된 기준전압보다 높으면, 상기 다수의 스위칭 소자들 동작의 조합을 변경하여 전체 LED의 구동전압을 낮추도록 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 검출된 전압차가 기설정된 기준전압보다 낮으면, 상기 다수의 스위칭 소자들 동작의 조합을 변경하여 전체 LED의 구동전압을 높이도록 상기 스위칭부를 제어할 수 있다.
특히, 본 발명의 일실시예에 따른 LED 구동회로는 상기 다수의 스위칭 소자들 모든 또는 일부와 직렬로 연결된 적어도 하나의 보조 LED 어레이를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 정류회로의 입력전압과 LED의 구동전압 차이로 인하여 발생하는 전류제한회로의 손실전력을 종래보다 개선시켜 전력을 절감시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 종래와 같이 SMPS의 채택없이 LED를 점등시킴으로써, 역률을 개선할 수 있고 LED의 수명을 증가가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 SMPS의 채택없이 LED를 점등시키는 경우에 정류회로의 입력 전압이 낮아 최상위 발광 다이오드가 점등되지 않는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 종래보다 적은 수의 스위칭소자로 더 많은 단계의 발광다이오드부의 제어전압을 만들어 전류제한 회로에서 손실되는 전력을 더 줄일수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 전류제한 회로에 걸리는 전압의 크기에 따라 제어부가 LED 어레이부의 크기를 올리거나 내리는 단순한 동작을 시행하므로, 전압레벨 검출회로의 구조를 간단하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 SMPS를 채택하지 않고 교류전원을 정류하여 LED를 점등시키는 LED 구동 회로도.
도 2는 도 1에 도시된 LED 구동 회로의 개폐 스위치의 단락 및 개방 상태의 따른 LED 어레이부의 부하전압에 대한 표.
도 3은 도2에 도시된 표와 같이 순차적으로 LED 어레이부를 구동 했을 경우 전류제한 회로에서 열로 손실되는 전력의 크기를 보여주기 위한 그래프.
도 4는 도 3과는 다른 LED 총 부하전압의 크기를 8단계로 제어하는 경우의 손실전력의 크기를 나타내는 그래프.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로의 회로도.
도 5b는 도 5a에 도시된 LED의 전압대비 전류 구동특성을 나타내는 그래프.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동회로의 회로도.
도 6a 내지 도 6c는 도 5a에 도시된 LED 어레이의 가변전압량이 2Vf인 예들에 대한 부분 회로도.
도 7a 내지 도 7c는 서로 다른 크기의 가변전압량을 가지는 LED 어레이를 응용하여 여러 형태로 변형 설계한 예들의 부분 회로도.
도 8a는 도 7b의 경우와 같이 제어부가 3개의 스위칭소자를 제어하는 경우에 따른 주 LED 어레이의 점등상태에 대한 표.
도 8b는 도 7c의 경우와 같이 제어부가 3개의 스위칭소자를 제어하는 경우에 따른 주 LED 어레이의 점등상태에 대한 표.
도 9는 도 7a의 경우와 같이 제어부가 3개의 스위칭소자를 제어하는 경우에 따른 주 LED 어레이와 보조 LED 어레이의 점등상태에 대한 표.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동회로의 회로도.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 예시 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들을 설명하는데 있어서 LED 소자를 예시로 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 모든 발광소자에 적용할 수 있음이 자명하다. 발광소자의 예로는, 상술한 LED(Light Emitting Diode), 반도체 레이저(LD: Laser Diode), 고체 레이저(Solid Laser) 및 유기 전계 발광소자(OLED: Organic Light Emitting Diode)를 포함한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로의 회로도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로는 가변전압원(100), 전류제한회로(30), 제어회로 전원부(170), 주 LED 어레이(10), 스위칭소자(40), 보조 LED 어레이(70), 전압레벨 검출회로(50) 및, 제어부(60)를 포함한다.
도 5a의 스위칭소자(40)는 위에서 아래의 순서로 40-1번, 40-2번, ..., 40-n번으로 표기하고, LED 어레이(10)는 위에서 아래의 순서로 10-a0번, 10-a1번, 10-a2번, ..., 10-an번으로 표기하기로 한다. 그리고, 보조 LED 어레이(70)는 위에서 아래의 순서로 70-b1, 70-b2번, ...,70-bn번으로 표기하기로 한다.
상기 가변전압원(100)은 주 LED 어레이(10)와 전기적으로 연결된다. 이러한 가변전압원(100)으로는 상용교류전압이나 트라이악 조광기에 의해 왜곡된 전압파형을 가지는 교류전압을 전파정류 또는 반파정류한 것이 사용될 수 있다.
상기 전류제한회로(30)는 가변전압원(100)과 주 LED 어레이(10) 사이에 전기적으로 연결된다. 이러한 전류제한회로(30)는 주 LED 어레이(10)에 공급되는 전류를 일정값 이하로 제한하며, 상기 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 충분한 크기를 가지면 LED 어레이의 구동전류를 일정하게 유지하는 정전류 회로로 동작할 수 있다.
상기 제어회로 전원부(170)는 전류제한회로(30), 제어부(60)와 전압레벨 검출회로(50)에 전기적으로 연결되며, 상기 제어부(60)와 전압레벨 검출회로(50)에 구동전류를 공급한다.
주 LED 어레이(10) 및 보조 LED 어레이(70)을 설명하기에 앞서서, LED의 구동 전압 및 구동 전류의 특성에 대해서,도 5b를 참조하여 설명한다.
도 5b는 LED의 구동전압과 구동전류의 특성을 나타낸다.
LED는 구동전압이 문턱전압(Vth) 보다 낮을 경우는 구동전류가 거의 흐르지 않고 구동전압이 문턱전압보다 커서 전류가 흐르기 시작하면 작은 구동전압의 변화에도 큰 구동전류 변화폭을 가지며, 일정한 크기의 전류로 구동되는 LED의 구동전압은 거의 변화가 없다. 따라서 권장되는 구동전류값인 정격전류값이 LED소자의 사양서에 명시되어 있고, 정격전류값으로 구동되는 LED의 구동전압을 순방향 전압(Vf)이라고 하며, 역시 사양서에 명시되어 있다.
제어의 편리함과 LED의 수명보장을 위해 LED는 정전류 구동을 하는 것이 일반적이다.
동일한 사양의 복수개의 LED가 직렬로 연결된 LED 스트링의 구동전압은 LED 하나의 순방향전압에 직렬 연결된 LED의 숫자를 곱한 값이 되며, 구동전류는 LED 하나의 정격전류값에서 변화가 없게 된다.
동일한 사양의 복수개의 LED가 병렬로 연결되면 구동전압은 LED 하나의 순방향전압에서 변화가 없으며, 전체 LED의 구동전류는 LED 하나의 정격전류에 병렬 연결된 LED의 숫자를 곱한 값이 된다.
본 설명에서는 직렬 연결된 LED 스트링이 하나 또는 복수개가 병렬로 연결된 것을 LED 어레이라고 하며, 이때 각각의 LED 스트링에 정격전류가 흐르도록 하는 상기 LED 어레이의 구동전압을 이 LED 어레이의 부하전압이라고 한다.
상기 주 LED 어레이(10)는 복수 개로 구성되며 서로 간에 직렬로 연결 된다. 이러한 주 LED 어레이(10)는 병렬로 연결된 스위칭소자(40)가 없는 기본LED 어레이(10)를 포함한다.
상기 복수 개의 주 LED 어레이(10)는 서로 간에 독립적인 구동전압을 가진다. 도 6을 참조하여 상술한 바와 같이, 주 LED 어레이(10) 각각은 서로 간에 직렬로 연결되는 복수 개의 LED소자로 구성될 수 있다. 각 주 LED 어레이(10)의 구동전압은, 개별 LED소자의 기본 구동전압과 구성되어 있는 LED소자의 개수의 곱을 통하여 산출될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 복수 개의 주 LED 어레이(10)들 각각이 서로 독립적인 구동전압을 가지도록 하고, 각각의 주 LED 어레이(10)들을 개별적으로 점등/소등하도록 제어한다. 그럼으로써, 전체 LED의 구동전압을 가변 시키는데 있어서, 서로 독립적인 구동전압의 조합으로 가변 시킬 수 있다.
상기 스위칭소자(40)는 복수 개의 주 LED 어레이(10)들 중 일부 또는 모든 주 LED 어레이(10)들에 각각과 병렬로 연결된다. 이 경우, 스위칭소자(40)는 트랜지스터나 FET로 구성될 수 있으며, 이러한 스위칭소자(40)는 병렬로 연결된 주 LED 어레이(10)들의 각각에 병렬을 이루는 전기경로를 단락 시키거나 개방 시키게 된다.
상기 보조 LED 어레이(70)는 상기 스위칭소자(40)와 병렬로 연결된 모든 또는 일부의 주 LED 어레이(10)들에 각각 병렬로 연결되며, 대응되는 상기 스위칭소자(40)와 각각 직렬로 연결되어 있다.
이러한 보조 LED 어레이(70)의 부하전압은 각각 병렬로 연결된 주 LED 어레이(10)의 문턱전압보다 크기가 작다.
상기 전압레벨 검출회로(50)는 전류제한회로(30)와 제어부(60)에 전기적으로 연결된다. 이러한 전압레벨 검출회로(50)는 전류제한회로(30)의 양 단 전압차를 검출하여 대응되는 신호를 제어부(60)에 출력하게 된다.
상기 제어부(60)는 전압레벨 검출회로(50)와 스위칭소자(40)에 전기적으로 연결된다. 이러한 제어부(60)는 전압레벨 검출회로(50)에서 전류제한회로(30)의 양 단 전압차에 대응되는 신호를 입력 받아 상기 스위칭소자(40)의 대전류 경로를 단락시키거나 개방시키게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 LED 구동회로를 설명하기 위하여, 스위칭소자(40)를 단락 시키거나 개방 시킬 경우 상기 주 LED 어레이(10) 및 보조 LED 어레이(70)의 동작을 도 6 내지 9을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6a 내지 6c는 LED 어레이(10, 70)를 구동하기 위한 스위칭소자(40)의 연결을 보여준다.
상기의 스위칭소자(40)는 개방시에는 대전류의 흐름을 완전히 끊고, 단락시에는 대전류가 거의 전압강하 없이 흐를 수 있게 하는 트랜지스터나 FET로 구성되는 것이 바람직하다.
도 6c는 부하전압이 2Vf인 주 LED 어레이(10)에 병렬로 스위칭소자(40)가 연결되어 있으며, 스위칭소자(40) 개방시에는 이 주 LED 어레이(10)에 구동전류와 구동전압이 공급되어 점등될 수 있지만, 스위칭소자(40) 단락시에는 구동전류가 스위칭소자(40)를 통해 흐르고 이 주 LED 어레이(10)에는 문턱전압보다 낮은 매우 작은 크기의 전압이 공급되어 소등되게 된다.
도 6a 내지 6b는 부하전압이 3Vf인 주 LED 어레이(10)에 부하전압이 Vf인 보조 LED 어레이(70)가 직렬로 연결된 스위칭소자(40)가 병렬로 연결되어 있으며, 스위칭소자(40) 개방시에는 구동전류와 구동전압이 주 LED 어레이(10)에만 공급되어 주 LED 어레이(10)만 점등될 수 있지만, 스위칭소자(40) 단락시에는 구동전류가 스위칭소자(40)와 보조 LED 어레이(70)를 통해 흐르기 때문에 보조 LED 어레이(70)는 점등되고, 주 LED 어레이(10)에는 주 LED 어레이(10)의 문턱전압보다 낮은 보조 LED 어레이(70)의 부하전압 크기 정도의 전압이 공급되어 소등되게 된다.
도 6c에서 주 LED 어레이(10)의 부하전압은 스위칭소자(40)의 개방시에는 2Vf이고, 스위칭소자(40)의 단락시에는 거의 제로에 가까운 값을 가진다. 따라서 도 6c의 회로에서 스위칭소자(40)의 제어에 의해 만들어지는 주 LED 어레이(10)의 부하전압의 크기는 제로와 2Vf의 두 단계를 가지며, 이 주 LED 어레이(10)가 수용할 수 있는 최대 구동전압의 크기는 2Vf이다.
도 6a 내지 6b에서 LED 어레이(10, 70)의 부하전압은 스위칭소자(40) 개방시에는 3Vf이고, 스위칭소자(40) 단락시에는 Vf이다. 따라서 도 6a 내지 6b의 회로에서 스위칭소자(40)의 제어에 의해 만들어지는 LED 어레이(10, 70)의 부하전압의 크기는 Vf와 3Vf 두 단계를 가지며, 이 LED 어레이(10, 70)가 수용할 수 있는 최대 구동전압의 크기는 3Vf이다.
도 6a 내지 6c에서 각각의 스위칭소자(40)에 대응되는 가변전압량(스위칭시 대응되는 LED 어레이(10, 70)의 점등 및 소등에 의해 총 부하전압 크기가 변하는 양)은 모두 2Vf로 같은 크기이다.
도 7a 내지 7c는 서로 다른 크기의 가변전압량에 대응되는 스위칭소자(40) 3개를 가지는 LED 어레이들(10, 70)의 배열들을 보여준다.
도 8a, 8b 및 도 9는 전파정류된 상용교류전압처럼 제로에서부터 최대값 까지 주기적으로 크기가 변하는 전원전압으로 LED를 직접 구동할 경우, 도 7a 내지 7c의 회로와 같이 LED 어레이의 가변전압량을 서로 다른 크기로 설계하면 적은수의 스위칭소자(40)로 효과적인 LED구동이 가능함을 보여준다.
도 7b는 스위칭소자(40)를 가지지 않는 하나의 기본LED 어레이(10)와 스위칭소자(40)를 가지는 세 개의 주 LED 어레이(10)가 직렬로 연결되어 있다.
여기서 스위칭소자(40)를 가지지 않는 기본LED 어레이(10)는 부하전압의 크기가 Vf이며 하나만 사용되었지만, 기본LED 어레이(10)의 수와 각각의 부하전압의 크기는 수용해야 할 구동전압의 범위에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 또한 그 위치도 다른 주 LED 어레이(10)들 사이나 제일 끝 단이 될 수 있다.
도 7b에서 각각의 스위칭소자(40)에는 서로 2의 제곱배수 관계에 있는 가변전압량이 대응되어있는데, 그 크기는 각각 기본LED 어레이(10)의 부하전압의 크기(Vf)의 1배(Vf), 2배(2Vf), 4배(4Vf)이다.
도 8a는 도 7b와 같은 회로구성에서 전원전압(Vin)의 범위에 대응되는 스위칭소자(40)의 스위칭 상태의 조합과 LED 어레이들(10)부의 총 부하전압의 크기를 보여준다.
도 7b의 스위칭소자(40)는 위에서 아래의 순서로 40-1번, 40-2번, 40-3번으로 표기하고, LED 어레이(10)는 위에서 아래의 순서로 10-a0번, 10-a1번, 10-a2번, 10-a3번으로 표기하기로 한다.
여기서 최대로 수용할 수 있는 LED 어레이들(10)부의 구동전압 크기는 8Vf이며, LED 어레이들(10)부의 총 부하전압은 Vf에서 8Vf까지 8단계의 크기를 가지고, 이것은 3개의 스위칭소자(40)로 만들 수 있는 모든 스위칭 상태의 조합 수에 해당함을 알 수 있다.
따라서 스위칭소자(40)의 수가 n개일 경우 2n개의 LED 총 부하전압 단계를 만들 수 있으며, 스위칭소자(40) 하나가 늘어 날 때마다 스위칭조합은 2배로 늘어나며, 전원전압(Vin)과 LED 총 부하전압간 크기 차이는 평균적으로 절반으로 준다는 것을 쉽게 알 수 있다.
또한, 도 8a를 보면, 전파정류된 상용교류전압처럼 제로에서부터 최대값 까지 주기적으로 크기가 변하는 전원전압(Vin)의 경우, 가장 큰 가변전압량을 가지는 스위칭소자(40, 스위칭소자 3)만 개방되어 있고 다른 스위칭소자(40, 스위칭소자 1, 2)는 모두 단락되었을 때의 LED 총 부하전압(5Vf) 보다 큰 구간이 있으면 모든 스위칭소자(40)가 전원전압(Vin)의 한 주기 동안 한번 이상 씩 개방되고 대응되는 LED 어레이(10)들이 한 번 이상 씩 점등하게 됨을 알 수 있다.
도 7a는 각각 하나의 스위칭소자(40)와 병렬로 연결된 세 개의 주 LED 어레이(10)가 직렬로 연결되어 있고, 두 개의 보조 LED 어레이(70)가 각각 스위칭소자(40)와 직렬로 연결되어 있다.
여기서 보조 LED 어레이(70)는 각각 병렬로 연결되어있는 주 LED 어레이(10)의 문턱전압 보다 작은 크기의 부하전압을 가지는 것이 바람직하며, 보조 LED 어레이(70)의 수와 각각의 부하전압의 크기는 수용해야 할 구동전압의 크기에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
도 7a에서 각각의 스위칭소자(40)에는 서로 2의 제곱배수 관계에 있는 가변전압량이 대응되어있는데, 그 크기는 각각 가장 작은 크기의 주 LED 어레이(10)의 부하전압의 크기(Vf)의 1배(Vf), 2배(2Vf), 4배(4Vf)이다.
도 9는 도 7a와 같은 회로구성에서 전원전압(Vin)의 범위에 대응되는 스위칭소자(40)의 스위칭 상태의 조합과 LED 어레이들(10, 70)부의 총 부하전압의 크기를 보여준다.
도 7a의 스위칭소자(40)는 위에서 아래의 순서로 40-1번, 40-2번, 40-3번으로 표기하고, 주 LED 어레이(10)는 위에서 아래의 순서로 10-a1번, 10-a2번, 10-a3번으로 표기하기로 하고, 스위칭소자(40) 1은 보조 LED 어레이(70)이와 연결되지 않았으므로 보조 LED 어레이(70)는 위에서 아래의 순서로 70-b2번, 70-b3번으로 표기하기로 한다.
여기서 최대로 수용할 수 있는 LED 어레이들(10, 70)부의 구동전압 크기는 10Vf이며, LED 어레이들(10, 70)부의 총 부하전압은 3Vf에서 10Vf까지 8단계의 크기를 가지고, 이것은 3개의 스위칭소자(40)로 만들 수 있는 모든 스위칭 상태의 조합 수에 해당함을 알 수 있다.
따라서 스위칭소자(40)의 수가 n개일 경우 2n개의 LED 총 부하전압단계를 만들 수 있으며, 스위칭소자(40) 하나가 늘어 날 때마다 스위칭조합은 2배로 늘어나며, 전원전압(Vin)과 LED 총 부하전압간 크기 차이는 평균적으로 절반으로 준다는 것을 쉽게 알 수 있다.
또한, 도 9를 보면, 전압이 3Vf이하에서부터 최대값 까지 주기적으로 크기가 변하는 전원전압(Vin)의 경우, 가장 큰 가변전압량을 가지는 스위칭소자(40, 스위칭소자 3)만 개방되어 있고 다른 스위칭소자(40, 스위칭소자 1, 2)는 모두 단락되었을 때의 LED 총 부하전압(7Vf) 보다 큰 구간이 있으면 모든 스위칭소자(40)가 전원전압(Vin)의 한 주기 동안 한번 이상 씩 개방 및 단락 되고 대응되는 LED 어레이(10, 70)들이 한 번 이상 씩 점등하게 됨을 알 수 있다.
도 7c는 스위칭소자(40)를 가지지 않는 하나의 기본LED 어레이(10)와 스위칭소자(40)를 가지는 세개의 주 LED 어레이(10)가 직렬로 연결되어 있다.
여기서 스위칭소자(40)를 가지지 않는 기본LED 어레이(10)는 부하전압의 크기가 Vf이며 하나만 사용되었지만, 기본LED 어레이(10)의 수와 각각의 부하전압의 크기는 수용해야 할 구동전압의 범위에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 또한 그 위치도 다른 주 LED 어레이(10)들 사이나 제일 끝 단이 될 수 있다.
도 7c에서 각각의 스위칭소자(40)에는 서로 증가폭이 일정한 가변전압량이 대응되어있는데, 그 크기는 각각 기본LED 어레이(10)의 구동전압의 크기(Vf)의 1배(Vf), 2배(2Vf), 3배(3Vf)이다.
도 8b는 도 7c와 같은 회로구성에서 전원전압(Vin)의 범위에 대응되는 스위칭소자(40)의 스위칭 상태의 조합과 LED 어레이들(10)부의 총 구동전압의 크기를 보여준다.
도 7c의 스위칭소자(40)는 위에서 아래의 순서로 40-1번, 40-2번, 40-3번으로 표기하고, LED 어레이(10)는 위에서 아래의 순서로 10-a0번, 10-a1번, 10-a2번, 10-a3번으로 표기하기로 한다.
여기서 최대로 수용할 수 있는 LED 어레이들(10)부의 구동전압 크기는7Vf이며, LED 어레이들(10)부의 총 구동전압은 Vf에서 7Vf까지 7단계의 크기를 가지고, 이것은 3개의 스위칭소자(40)로 만들 수 있는 모든 스위칭 상태의 조합 수보다 적음을 알 수 있다.
도 8b를 보면 스위칭소자 1과 2는 개방되고 스위칭소자 3은 단락되어 있을 때 LED 총 부하전압의 크기(4Vf)와 스위칭소자 1과 2는 단락되고 스위칭소자 3은 개방되어 있을 때 LED 총 부하전압의 크기(4Vf)가 서로 같다.
따라서 n개의 스위칭소자(40)에 각각 대응하는 가변전압량이 서로 2의 제곱배수 관계가 아니면, 서로 다른 스위칭 상태의 조합들이 서로 같은 크기의 LED 총 부하전압을 만들어 낼 수 있으며, LED 총 부하전압 단계의 수는 2n에서 서로 중복되는 LED 총 부하전압의 숫자 만큼 줄어든다는 것을 쉽게 알 수 있다.
또한, 도 8b를 보면, 전파정류된 상용교류전압처럼 제로에서부터 최대값 까지 주기적으로 크기가 변하는 전원전압(Vin)의 경우, 가장 큰 가변전압량을 가지는 스위칭소자(40, 스위칭소자 3)만 개방되어 있고 다른 스위칭소자(40, 스위칭소자 1, 2)는 모두 단락되었을 때의 LED 총 부하전압(4Vf) 보다 큰 구간이 있으면 모든 스위칭소자(40)가 전원전압(Vin)의 한 주기 동안 한번 이상 씩 개방되고 대응되는 LED 어레이(10)들이 한 번 이상 씩 점등하게 할 수 있음을 알 수 있다.
상기의 도 7a 내지 7c는 전원전압의 크기, 제어할 LED 총 부하전압의 크기 및 목표로 하는 LED 출력의 크기에 따라 각각 사용될 수 있는 LED배열 방법들이다.
도 7b의 구성은 적은 수의 LED와 스위칭소자(40)를 사용하여 LED 총부하전압 단계의 수를 극대화 할 수 있고, 도 7c의 구성은 LED 총 부하전압 단계의 수는 희생하더라도 LED 어레이간의 크기 차이를 최소화할 수 있으며, 도 7a의 구성은 적은 수의 스위칭소자(40)로 최대한 많은 수의 LED총 부하전압 단계를 구현하고 최대한 많은 수의 LED를 사용하여 높은 전원전압에 대응하고 LED출력을 높일 수 있다.
또한 도 7c의 주 LED 어레이(10)들에서 LED의 수를 늘리기 위해 보조 LED 어레이(70)를 추가하는 등, 각각의 스위칭소자(40)에 대응되는 가변전압량을 서로 다른 크기로 설계하는 다양한 방법이 도출 될 수 있다.
다시 도 5a의 회로로 복귀하여, 본 발명의 일실시예에 따른 도 5a의 회로도에서, 공급되는 전압과 스위칭 동작에 대해서 상세히 설명한다.
이하, 상기 가변전압원(100)에서 공급되는 전압의 크기가 0V에서 최고 값까지 상승하고 다시 최대값에서 0V까지 감소할 경우, 이에 따른 도 5a 회로의 동작을 상세히 설명한다.
설명을 쉽게하기 위해 이러한 스위칭소자(40)의 수는 n개로 하며, 각각 대응되는 가변전압량의 크기가 작은 것부터 큰 순서로 상기의 스위칭소자(40)를 1번 2번, 3번, ..., (n-1)번, n번으로 표기하며, 상기 가변전압량은 스위칭소자(40)의 번호 순서대로 바로 앞 번호의 가변전압량의 2배의 크기를 가지는 것으로 한다.
또한 병렬로 연결된 스위칭소자(40)가 없는 기본LED 어레이(10)들의 부하전압과 보조 LED 어레이(70)들의 부하전압들을 모두 합한 값을 Vf0, 상기의 1번 스위칭소자(40)의 가변전압량은 Vf로 표기한다.
상기 스위칭소자(40)들이 모두 단락된 상태에서 가변전압원(100)의 전압이 기본LED 어레이(10)들의 문턱전압들과 보조 LED 어레이(70)들의 문턱전압들의 총 합 보다 작은 구간에선, LED 구동전류는 흐르지 않고 모든 LED 어레이(10, 70)들이 소등된 상태로 있게 된다.
상기 스위칭소자(40)들이 모두 단락된 상태에서 상기 가변전압원(100)의 전압이 상승하여 상기 기본LED 어레이(10)들의 문턱전압들과 보조 LED 어레이(70)들의 문턱전압들의 총 합 보다 커지기 시작하면, 상기 기본LED 어레이(10)들과 보조 LED 어레이(70)들이 점등되기 시작한다.
상기 스위칭소자(40)들이 모두 단락된 상태에서 상기 가변전압원(100)의 전압이 상승하여 Vf0 보다 커지면, 모든 기본LED 어레이(10)들과 모든 보조 LED 어레이(70)들은 완전히 점등되어 LED 어레이(10, 70)들부의 총 부하전압의 크기는 Vf0가 되고, 가변전압원(100)의 전압에서 LED 어레이(10, 70)들부에 걸리는 총부하전압(Vf0)을 뺀 값만큼의 전압이 전류제한회로(30)에 걸리며, 전류제한회로(30)는 LED 구동전류의 크기를 정격전류값으로 일정하게 유지하게 된다.
상기 스위칭소자(40)들이 모두 단락된 상태에서 상기 가변전압원(100)의 전압이 상승하여 Vf0와 최소가변전압량(Vf)의 합(Vf0 + Vf) 보다 커지면, 상기 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 최소가변전압량(Vf) 보다 커지게 되므로, 제어부(60)는 상기 스위칭소자(40)들 중 1번 스위칭소자(40)를 개방하여 LED 어레이(10, 70)들부의 총 부하전압을 최소가변전압량(Vf) 만큼 증가시키고 상기 전류제한회로(30)에 걸린 전압을 최소가변전압량(Vf) 만큼 감소 시킨다.
상기 스위칭소자(40)들 중 1번 스위칭소자(40)만 개방된 상태에서 상기 가변전압원(100)의 전압이 상승하여 Vf0와 최소가변전압량의 두 배 크기인 2Vf의 합(Vf0 + 2Vf) 보다 커지면, 상기 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 Vf 보다 커지게 되므로, 제어부(60)는 상기 스위칭소자(40)들 중 1번 스위칭소자(40)는 단락시키고 2번 스위칭소자(40)를 개방하여 LED 어레이(10, 70)들부의 총 부하전압을 Vf 만큼 증가시키고 상기 전류제한회로(30)에 걸린 전압을 Vf 만큼 감소 시킨다.
상기 스위칭소자(40)들 중 2번 스위칭소자(40)만 개방된 상태에서 상기 가변전압원(100)의 전압이 상승하여 Vf0와 최소가변전압량의 세 배 크기인 3Vf의 합(Vf0 + 3Vf) 보다 커지면, 상기 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 Vf 보다 커지게 되므로, 제어부(60)는 상기 스위칭소자(40)들 중 1번 스위칭소자(40)를 개방하여 LED 어레이(10, 70)들부의 총 부하전압을 Vf 만큼 증가시키고 상기 전류제한회로(30)에 걸린 전압을 Vf 만큼 감소 시킨다.
상기 스위칭소자(40)들 중 1번과 2번 스위칭소자(40)만 개방된 상태에서 상기 가변전압원(100)의 전압이 상승하여 Vf0와 최소가변전압량의 네 배 크기인 4Vf0의 합(Vf0 + 4Vf) 보다 커지면, 상기 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 Vf 보다 커지게 되므로, 제어부(60)는 상기 스위칭소자(40)들 중 1번과 2번 스위칭소자(40)를 단락하고 3번 스위칭소자(40)를 개방하여 LED 어레이(10, 70)들부의 총부하전압을 Vf 만큼 증가시키고 상기 전류제한회로(30)에 걸린 전압을 Vf 만큼 감소 시킨다.
상기와 같이 가변전압원(100)의 전압이 상승하여 최고 값에 이를 때까지의 구간에서는, 전압레벨 검출회로(50)는 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 최소가변전압량(Vf) 보다 큰 경우 이를 검출하여 제어부(60)에 대응되는 신호를 보내고, 제어부(60)는 이 신호에 호응하여 LED 어레이(10, 70)들부의 총 부하전압에 최소가변전압량 크기의 전압(Vf)이 더해지도록 스위칭소자(40)의 스위칭 조합을 바꾸게 한다. 이때 전류제한회로(30)의 양 단 전압차는 최소가변전압량 크기의 전압(Vf)이 빠져나가 매우 작은 크기가 된다. 또한 전류제한회로(30)에 걸리는 전압의 크기는 가변전압원(100)의 전압이 상승하는 전 구간에 걸쳐 항상 최소가변전압량(Vf)를 크게 초과하지 않게 된다.
반대로 상기 가변전압원(100)의 전압이 최고값에서 감소하기 시작하여 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 LED구동전류를 정격값으로 유지할 수 있는 최소값이 되면 상기 전압레벨 검출회로(50)는 이를 검출하여 대응되는 신호를 제어부(60)에 보내고, 제어부(60)는 이 신호에 호응하여 상기 스위칭소자(40)들을 제어 하여 LED 어레이(10, 70)들부의 총 부하전압을 Vf 만큼 감소시키고 전류제한회로(30)의 양 단 전압차를 Vf 만큼 증가시켜 LED구동전류가 정격전류값으로 유지되도록 한다.
상기 가변전압원(100)의 전압이 계속 감소하여 Vf0와 같은 크기가 될 때 까지, 전압레벨 검출회로(50)는 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 LED구동전류를 정격값으로 유지할 수 있는 최소값이 될 때 마다 이를 검출하여 대응되는 신호를 제어부(60)에 보내면, 제어부(60)는 이 신호에 호응하여 LED 어레이(10, 70)들부의 총 부하전압을 최소가변전압량(Vf) 만큼 감소시키고 전류제한회로(30)의 양 단 전압차를 최소가변전압량(Vf) 만큼 증가시키도록 스위칭소자(40)들을 제어하는 동작을 반복한다.
이러한 제어에 의해, 가변전압원(100)의 전압이 최고값에서 계속 감소하여 Vf0와 같은 크기가 되는 전 구간에 걸쳐, 상기 전류제한회로(30)에 걸리는 최대전압은 최소가변전압량(Vf)를 크게 초과하지 않고, LED 구동전류는 정격값을 유지하게 된다.
LED구동전류는 상기 가변전압원(100)의 전압이 감소하여 Vf0가 될 때가지 일정하게 유지되다가, 상기 가변전압원(100)의 전압이 Vf0 이하가 되면 급격히 감소하며, 상기 가변전압원(100)의 전압이 기본LED 어레이(10)들의 문턱전압들과 보조 LED 어레이(70)들의 문턱전압들의 총 합 보다 작은 구간에선 상기 스위칭소자(40)들이 모두 단락되어 있어도 LED 구동전류는 흐르지 않고 모든 LED 어레이(10,70)들이 소등된 상태로 있게 된다.
상기의 스위칭소자(40)가 n개일 때, LED 어레이(10, 70)들이 점등되기 시작하는 최소의 LED 구동전압은 Vf0이고, 기본LED 어레이(10)를 포함하여 모든 주 LED 어레이(10)들이 점등되는 최대의 LED 구동전압은 Vf0 + (2n-1)Vf 이고, LED 어레이(10, 70)들부의 총 부하전압 단계의 수는 2n이며, 모든 LED 어레이(10, 70)가 한번 이상 점등될 수 있는 최소 구동전압은 Vf0 + 2(n-1)Vf 이라는 것을 쉽게 알 수 있다.
여기서 가변전압원(100)의 전압이 낮아지더라도 최고 값이 Vf0 + 2(n-1)Vf 보다 크기만 하면 모든 LED 어레이(10, 70)들이 한 번 이상 점등되어 LED 가동률이 좋아 진다.
예를 들어 가변전압원(100)으로 최고 전압값이 311V(RMS 220V)인 상용교류전원을 전파정류한 것을 사용하고, n=4, Vf0 = Vf = 20V인 경우,가변전압원(100)의 최고 전압값이 180V(20+8*20) 까지 떨어져도 점등되지 못하는 LED 어레이가 없음을 알 수 있다.
한편, 상기 n개의 스위칭소자(40)에 각각 대응하는 가변전압량이 서로 2의 제곱배수 관계가 아니면, 서로 다른 스위칭 상태의 조합들이 서로 같은 크기의 LED 총 부하전압을 만들어 낼 수 있으며, LED 총 부하전압 단계의 수는 2n에서 서로 중복되는 LED 총 부하전압의 숫자 만큼 줄어든다는 것을 쉽게 알 수 있다.
따라서, 제어신호의 조합수와 부하전압의 단계수는 LED 어레이(10,70)와 제어부(60)의 설계형태에 따라 다양하게 변형이 가능하다. 여기서 LED 총부하전압의 단계 수를 많이 생성하는 것이 본 발명의 목적에 부합되므로, 최소한 2n개 이상의 LED 총 부하전압 단계 수를 가지도록 LED 어레이(10, 70)를 설계하는 것이 바람직하다.
이 경우, 제어부(60)가 생성할 수 있는 제어신호는 상기한 바와 같이, 최대 2n의 개수를 형성할 수 있으며, 최소 2n이상의 범위에서 형성될 수 있다.
비교예로써, 종래의 예시도면인 도 1를 보면, 도 1의 회로에서 3개의 개폐스위치를 제어하기 위하여 발생되는 신호의 개수는 4개이다. 즉, 종래에는 개폐스위 치의 숫자가 n개로 형성되는 경우에 발생되는 신호의 개수가 n+1로 형성된다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로는 최소 제어신호를 2n로 형성함으로써, 스위칭소자의 개수가 3인 경우 최소 6개의 제어신호를 구현하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로는 제어부(60)가 최대 2n 내지 최소 2n 사이의 신호를 생성하게 되면, 2n 내지 2n에 해당하는 단계의 구동전압을 생성할 수 있게 된다.
종래 도 1의 회로에서는 개폐스위치가 3개이기 때문에 도 3에 도시된 바와 같이 4개의 구동전압을 형성할 수 밖에 없다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로는 똑 같은 개수의 스위칭소자를 가지고도 최소 2X3인 6개에서, 최대23인 8개까지의 구동전압을 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로는 구동전압의 단계가 종래보다 많아지게 되므로, 도 3에 도시된 회색 영역의 손실 전력 크기를 종래보다 줄일 수 있게 된다.
이와 같이, 가변전압원(100) 전압의 주기적인 상승과 하강에 따라 각각의 스위칭소자(40)를 스위칭시키는 방식을 통해 LED 어레이(10, 70)들부에 흐르는 전류값을 일정하게 유지하면서 전류제한회로(30)에 걸리는 전압의 크기를 일정범위안에 유지되도록 할 수 있게 된다.
자세히 설명하면 전류제한회로(30)에 걸리는 전압이 너무 낮아지지 않도록 제어하여 LED 어레이(10, 70)들부의 구동전류를 상기 전류제한회로(30)가 허용하는 최대값으로 계속 유지하며 LED의 광량을 극대화 하고, 상기 전류제한회로(30)의 양 단 전압차가 상기 스위칭소자(40)들의 최소가변전압량을 크게 초과 하지 않도록 제어하여 가변전압원(100)의 전압값과 LED 어레이(10, 70)들부의 구동전압 차이로 인하여 발생하는 손실전력을 줄일 수 있을 뿐 아니라 LED가동률을 개선할 수 있게 된다.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동회로의 회로도이다. 도 5c에 따르는 본 발명의 실시예는 LED 구동회로에 주기적인 전원이 인가된 경우의 동작을 예시한다.
도 5c를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동회로는 가변전압원(100), 전류제한회로(30), 제어회로 전원부(170),주 LED 어레이(10), 스위칭소자(40), 보조 LED 어레이(70),전압레벨 검출회로(50) 및, 제어부(260)를 포함한다.
여기서, 주 LED 어레이(10), 전류제한회로(30), 스위칭소자(40), 보조 LED 어레이(70), 가변전압원(100) 및, 제어회로 전원부(170)는 전술한 실시예와 동일한 구성이므로 중복해서 설명하지 않기로 하면, 본 실시예에서는 제어부(260)에 대해 중점적으로 설명하기로 한다.
상기 제어부(260)는 스위칭 타임 테이블부(62) 및, 타이머부(63)를 포함하며, 아날로그디지털컨버터부(61)를 더 포함할 수 있다. 도 5c를 참조하여 설명하는 실시예에서 제어부(260)는 주기적인 입력전원의 오프셋 및 소정 주기를 기초로, 상기 스위칭소자(40)를 제어할 수 있다.
그러기 위해서, 제어부(260)는 상기 주기적인 입력전원에 대응되도록, 상기 입력전원의 한 주기 스위칭 동작 조합을 나타내는 스위칭 타임 테이블을 더 저장할 수 있다.
더 구체적으로 설명하면, 상기 스위칭 타임 테이블부(62)는 부하에 공급되는 전원전압의 한 주기 시작점을 0V에 두고, 스위칭소자(40)의 구동을 위한 제어신호들을 내부에 테이블메모리 형태로 기설정하는 구성이다.
상기 타이머부(63)는 스위칭 타임 테이블부(62)과 연동하며, 내부에 설정된 시간의 주기에 따라 스위칭소자(40)를 일정시간마다 주기적으로 스위칭시키게 된다.
상기 제어부(60)는 상기 아날로그디지털컨버터부(61)로 하여금 전원 전압을 간헐적으로 모니터링하여 스위칭 타임 테이블부(62)에 전원전압의 한 주기 시작점인 0V에 대한 전압정보를 전달하게 하거나, 디지털신호 입력핀을 사용하여 전원전압에서 0V를 간헐적으로 모니터링 할 수도 있다.
상기 디지털신호 입력핀으로 전원전압에서 0V를 검출하는 방법에 대해 보다 상세히 설명하면, 수백볼트의 상용교류전압 파형에서 0V의 검출은, 전원전압의 range에 비에 현저히 낮은 전압(예를 들어 3V)값 이하로 순시전원전압이 떨어 지는 것을 감지하는 회로(미도시)를 구성하여 이용할 수 있다. 일예로 제어부(260)가 CMOS IC인 경우 입력 임피던스가 매우 높은(보통 수십 메가오옴 이상임) 입력핀을 통해 전원전압의 0V 시점을 감지하고자 할 경우, 다이오드 하나와 저항 하나로 상기의 제로볼트 검출회로(미도시)를 구성할 수 있다. 이 경우, 전원전압으로부터 제어부(260)의 입력핀으로 전류제한용 저항을 직렬로 연결하고 입력핀과 제어부의 Vcc 사이에 다이오드를 역방향으로(입력핀에 애노드를, Vcc에 캐소드를) 연결해 주면 된다. 전원전압이 제어부 입력핀의 VIL(Low로 인식하는 문턱전압) 이하로 떨어졌다가 다시 High로 올라가는 시점은, 제어부의 입력핀이 Low에서 High로 바뀌는 순간을 감지하면 쉽게 감지될 수 있다.
상기 기저장된 스위칭 타이 테이블(62)부의 예상된 전원전압과 실제 전원전압의 크기가 달라서 생기는 오차는, 아날로그디지털컨버터부(61)를 이용하여 전원전압이나 전류제한회로에 걸리는 전압의 크기를 간헐적으로 측정하여 스위칭타임 테이블에 기저장된 오차보정값만큼 보정하여 줄일 수 있다.
본 실시예의 제어부(260)는 실시간으로 전원전압이나 전류제한회로의 양 단 전압을 검출하는 전술한 실시예와는 달리, 별도의 전압레벨 검출회로를 구성하지 않고도 스위칭소자(40)를 스위칭시킬 수 있다.
이러한 제어부(260)는 내부에 메모리와 타이머와 ADC를 가지고 있는 것이 바람직하다. 통상 사용되는 마이크로건트롤러는 내부에 상기의 요소를 모두 가지고 있어서 제어부를 하나의 IC로 간단하게 구성할 수 있다.
별도의 전압레벨 검출회로를 구성하지 않고, 스위칭소자(40)를 구동시키기 위하여 본 실시예의 제어부(260)는 스위칭 타임 테이블부(62)에 의해 내부에 기설정된 제어신호를 발생하게 되는데, 이 경우, 스위칭 타임 테이블부(62)는 타이머부(63)에 설정된 주기값에 따라 스위칭소자(40)를 주기적으로 스위칭시키게 된다. 이때, 제어부(60)는 간헐적으로 전원전압을 검출하여 0V 시점을 검출하고, 0V 시점을 스위칭 타임 테이블부(62)에 알려줌으로써 전원전압의 인가시점에 맞추어 주 LED 어레이(10) 및 보조 LED 어레이(70)에 의해 형성되는 가변전압량을 단계별로 형성할 수 있다.
물론, 본 실시예의 제어부(260)에서 발생시킬 수 있는 제어신호는 전술한 실시예의 제어부와 같이, 최대 2n 내지 최소 2n 범위내에서 형성하여 종래보다 많은 단계의 구동전압을 형성할 수 있게 된다.
이처럼, 본 실시예의 제어부(260)는 별도의 전압레벨 검출회로의 구성 없이도, 스위칭소자(40)들을 많은 단계의 구동전압으로 주기적인 스위칭 기능을 구현할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동회로의 회로도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동회로는 주 LED 어레이(10), 정류회로(20), 전류제한회로(130), 스위칭소자(140), 전압레벨 검출회로(150) 및, 제어부(160)를 포함한다.
여기서, 주 LED 어레이(10), 정류회로(20)는 전술한 구성과 동일 또는 유사한 구성이므로, 이에 관한 중복되는 설명은 하지 않기로 하며, 정류회로(20)에는 가변전압원(21)이 더 구비될 수 있다.
상기 스위칭소자(140)는 복수 개로 구성되고, 전술한 바와 같은 결합관계를 가진다. 본 실시예의 경우, 스위칭소자(140)는 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)로 형성된다. 이 경우, 스위칭소자(140)에는 제어신호레벨변환용 트랜지스터(q1, q2, q3)와 베이스저항(Rb1, Rb2, Rb3)이 더 설치되고, 컬렉터단에 컬렉터저항(Rs1, s2, Rs3)이 더 설치될 수 있다.
상기 전류제한회로(130)는 전류제어용소자(Q4), 션트레귤레이터(SR) 및 션트저항(R1)을 포함한다. 또한, 전류제한회로(130)는 전류제어용소자(Q4) 및 션트레귤레이터(SR) 주변에 설치되어 전류제어용소자(Q4) 및 션트레귤레이터(SR)의 구동전압을 조절하는 전압강하용 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 전류제어용소자(Q4)는 대전류 경로가 정류회로(20)와 주 LED 어레이(10)사이에 전기적으로 연결된다. 이 경우, 전류제어용소자(Q4)는 트랜지스터 또는 FET로 구성될 수 있다. 이러한 전류제어용소자(Q4)는 정류회로(20)에서 주 LED 어레이(10)에 공급되는 전류가 일정값 이하인 경우 단락된 상태를 유지하고, 정류 회로(20)에서 주 LED 어레이(10)에 공급되는 전류가 일정값에 도달하면 내부저항을 키워 정류회로(20)에서 주 LED 어레이(10)로 흐르는 전류가 계속 증가하지 못하게 한다.
상기 션트레귤레이터(SR)는 정류회로(20)와 주 LED 어레이(10) 사이에 전기적으로 연결된다. 이 경우, 션트레귤레이터(SR)는 캐소드단이 전류제어용소자(Q4)의 게이트단과(또는 베이스단) 전기적으로 연결되어 전류제어용소자(Q4)의 내부저항을 제어할 수 있다. 이러한 션트레귤레이터(SR)는 정류회로(20)에서 주 LED 어레이(10)에 공급되는 전류가 일정값 이하인 경우 전류제어용소자(Q4)가 단락 상태를 유지하도록 전류제어용소자(Q4)의 구동전압을 높게 형성하여 주 LED 어레이(10)로 전류를 흐르게 하고, 정류회로(20)에서 주 LED 어레이(10)에 공급되는 전류가 일정값을 넘는 경우에 전류제어용소자(Q4)의 내부저항이 증가되도록 전류제어용소자(Q4)의 구동전압을 낮게 형성하여, 정류회로(20)에서 주발광다이오드부(10)로 흐르는 전류를 낮출 수 있게 된다.
상기 션트저항(R1)은 션트레귤레이터(SR)의 정전압제어기능을 이용해 션트저항에 흐르는 전류를 일정 범위내로 유지하는 역할을 하게 된다. 이 경우, 정전류로 구동 되는 LED 어레이의 부하전압은 일정하게 유지되므로, 전원전압이 증가하여 전류제어용소자(Q4)의 양 단 전압이 증가할 때 션트레귤레이터(SR)에 의해 전류제어용소자(Q4)의 내부저항이 따라 증가하게 되고 전원전압이 낮아져 전류제어용소자(Q4)의 양 단 전압이 감소할 때 션트레귤레이터(SR)에 의해 전류제어용소자(Q4)의 내부저항이 따라 감소하게 된다.
따라서, 전류제어용소자(Q4)에는 일정 범위 내의 전류량이 흐르게된다.이 경우, 전류제한회로(130)는 전류제어용소자(Q4)의 구동전압 설정을 위하여, 전류제어용소자(Q4)의 대전류 경로에 병렬로 연결되는 전압분배저항(R2)을 더 설치할 수 있다.
상기 전압레벨 검출회로(150)는 제1비교기(VH) 및 제2비교기(VL)를 포함한다.
상기 제1비교기(VH)는 제어부(160)와 전류제한회로(130) 사이에 전기적으로 연결되며, 전류제한회로(130)의 전압에 대응되며 비반전입력핀에 인가되는 전압이 반전입력핀에 인가되는 기준전압보다 높은 경우, 제어부(160)에 하이레벨의 신호를 출력하여 제어부(160)가 스위칭소자(140)들의 스위칭 상태를 바꾸도록 하는 역할을 하게 된다.
상기 제2비교기(VL)는 제어부(160)와 전류제한회로(130) 사이에 전기적으로 연결되며, 전류제한회로(130)의 전압에 대응되며 비반전입력핀에 인가되는 전압이 반전입력핀에 인가되는 기준전압보다 낮은 경우, 제어부(160)에 로우레벨의 신호를 출력하여 제어부(160)가 스위칭소자(140)들의 스위칭 상태를 바꾸도록 하는 역할을 하게 된다.
이 경우, 제1비교기(VH)와 제2비교기(VL)는 전압분배저항들(R5, R6,R7)이 전기적으로 연결되어 제1비교기(VH)와 제2비교기(VL) 각각에 기준전압을 설정할 수 있다. 또한, 제1비교기(VH)와 제2비교기(VL)는 전류제한회로(130)의 양 단과 전기적으로 연결되는데, 전류제한회로(130)의 양 단 전압값을 제1비교기(VH)와 제2비교기(VL)의 설정치에 용이한 비교전압을 형성하기 위하여 설정저항(R3, R4)을 더 설치할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 구동회로는 정전압회로(170)를 더 포함할 수 있다.
상기 정전압회로(170)는 전류제한회로(130)와 주 LED 어레이(10)사이에 전기적으로 연결된다. 이러한 정전압회로(170)는 전류제한회로(130)와 전기적으로 연결되어 정류작용을 하는 정류용 다이오드(D1) 및, 상기 정류용다이오드(D1)와 접지단 사이에 연결되어 전압을 평활하는 정전압레귤레이터(Q5)를 포함할 수 있다. 이 경우, 정전압회로(170)는 전기적인 경로 사이에 설치되는 전압리플제거용 캐패시터들(C1, C2) 및 전류완충용 저항(R8)을 더 포함할 수 있다. 이러한 정전압회로(170)는 주 LED 어레이(10)에서 흐르는 전류의 일부를 정류하여 제어부(160)와 전압 레벨 검출회로(150)의 구동전류를 공급하는 역할을 한다.
상기 제어부(160)는 전술한 실시예에서 예시한 제어부(160)의 결합 관계와 역할을 포함하여 수행한다. 이 경우, 제어부(160)는 마이크로컨트롤러(Microcontroller)로 구현 가능하며, 전압레벨 검출회로(150)는 마이크로컨트롤러에 내장된 ADC(Analog to Digital Convertor)로 대체 가능하거나, 마이크로컨트롤러의 외부에 별도로 구비될 수 도 있다.
제어부(160)가 내부에 ADC를 가지고 있을 경우 내부에 기준전압을 설정하고, 전류제한회로(130)의 양 단 전압차에 대응되는 신호를 전압레벨 검출회로(150)를 거치지 않고 직접 입력 받을 수 있다. 도 10에서 제 1 비교기 및 제 2 비교기의 비반전입력핀에 인가되는 신호를 ADC가 직접 입력받아 내부 기준전압과 비교할 수 있다. 전류제한회로(130)에 걸리는 전압레벨 검출에는 제어부(160) 내부의 ADC보다는 비교기를 사용하는 것이 응답속도가 빠르다.
비교기를 사용할 때, 제어부(160)는 전압레벨 검출회로(150)의 제 1 비교기(VH)에서 하이레벨의 신호가 출력되는 경우, 즉, 제 1비교기(VH)의 기준전압에 대응되는 값보다 전류제한회로(130)의 양 단 전압값이 크면, 스위칭소자(140)의 스위칭 상태 조합을 바꾸어 주 LED 어레이(10)에 걸리는 총 부하전압값을 높이게 된다.
상기 제어부(160)는 전압레벨 검출회로(150)의 제2비교기(VL)에서 로우레벨의 신호가 출력되는 경우, 즉, 제 2비교기(VL)의 기준전압에 대응되는 값 보다 전류제한회로(130)의 양 단 전압값이 낮으면, 스위칭소자(140)의 스위칭 상태 조합을 바꾸어 주 LED 어레이(10)에 걸리는 총 부하전압값을 낮추게 된다.
여기서, 제어부(160)가 스위칭소자(140)를 스위칭시키는 방법은 전류제한회로(130)를 흐르는 전류가 LED 구동전류의 정격값을 유지하면서 전류제한회로(130)의 양 단 전압값이 최소가변전압량을 크게 초과하지 않도록 전체 주 LED 어레이(10)들에 걸리는 부하전압값을 조절하여, 전술한 실시예에서 예시한 바와 같이 복수 개의 스위칭소자(140)를 순차적으로 제어함으로써, 전류제한회로(130)에서 발생하는 손실전력을 줄이고 LED 출력을 극대화 할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 정류회로(20)의 입력전압과 LED의 구동전압 차이로 인하여 발생하는 전류제한회로(130)의 손실전력을 종래보다 개선시켜 전력을 절감시키게 된다.
또한, 본 발명은 종래의 같이 SMPS의 채택없이 LED를 점등시킴으로써, 역률을 개선할 수 있고 LED의 수명을 증가가시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 SMPS의 채택없이 LED를 점등시키는 경우에 정류회로(20)의 입력 전압이 낮아 최상위 발광 다이오드가 점등되지 않는 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 종래보다 적은 수의 스위칭소자(140)로 더 많은 단계의 LED 어레이의 구동전압을 만들어 전류제한 회로에서 손실되는 전력을 더 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 전류제한회로(130)에 걸리는 전압의 크기에 따라 제어부(160)가 LED 어레이의 크기를 올리거나 내리는 단순한 동작으로 전원전압의 변동에 대응할 수 있어 전압레벨 검출회로(150)의 구조를 간단하게 형성할 수 있게 된다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
10 ; 주 LED 어레이(기본LED 어레이 포함) 20 ; 정류회로
30, 130 ; 전류제한회로 40, 140 ; 스위칭소자
50, 150 ; 전압레벨 검출회로 60, 160, 260 ; 제어부
70 ; 보조 LED 어레이
170 ; 정전압회로(제어회로 전원부)

Claims (13)

  1. 구동전압이 가변인 LED 구동회로에 있어서,
    서로간에 직렬연결 구조를 가지는 복수 개의 LED 어레이들을 포함하는 LED 어레이부;
    상기 복수 개의 LED 어레이들 중 각각의 LED 어레이와 병렬로 연결된 다수의 스위칭 소자들을 포함하는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부와 전기적으로 연결되어 가변 되는 구동전압에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는, LED 구동회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 어레이부와 직렬로 연결되고 스위칭 소자와 연결되지 않은 추가 LED 어레이를 더 포함하는, LED 구동회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 LED 어레이들 각각은 서로 다른 개수의 LED소자를 포함하는, LED 구동회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수 개의 LED 어레이들 각각의 개수는 서로 2의 제곱배수 관계에 있는, LED 구동회로.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수 개의 LED 어레이들 각각의 구동전압은 LED소자의 기본 구동전압과 상기 각각의 LED소자의 개수의 곱을 통하여 산출되는, LED 구동회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 LED 어레이들과 직렬로 연결되고, 교류전원을 정류하여 상기 복수 개의 LED 어레이들에 공급하는 정류회로를 더 포함하는, LED 구동회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정류회로 및 상기 복수 개의 LED 어레이들과 전기적으로 연결되며, 상기 복수 개의 LED 어레이들에 공급되는 전류를 일정값 이하로 제한하는 전류제한회로를 더 포함하는, LED 구동회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전류제한회로와 전기적으로 연결되며, 상기 전류제한회로의 양 단 전압차를 검출하는 전압레벨 검출회로를 더 포함하는, LED 구동회로.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 검출된 전압차가 기설정된 기준전압보다 높으면, 상기 다수의 스위칭 소자들 동작의 조합을 변경하여 전체 LED의 구동전압을 낮추도록 상기 스위칭부를 제어하는, LED 구동회로.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 검출된 전압차가 기설정된 기준전압보다 낮으면, 상기 다수의 스위칭 소자들 동작의 조합을 변경하여 전체 LED의 구동전압을 높이도록 상기 스위칭부를 제어하는, LED 구동회로.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 스위칭 소자들 모든 또는 일부와 직렬로 연결된 적어도 하나의 보조 LED 어레이를 더 포함하는, LED 구동회로.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    주기적인 입력전원의 소정 오프셋과 소정 주기를 기초로, 상기 스위칭 소자를 제어하는, LED 구동회로.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 주기적인 입력전원에 대응되도록, 상기 입력전원의 한 주기 스위칭 동작 조합을 나타내는 스위칭 타임 테이블을 더 저장하고,
    상기 소정 오프셋, 상기 소정 주기 및 상기 스위칭 타임 테이블을 기초로 상기 스위칭 소자를 제어하는, LED 구동회로.
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