KR20200130061A - Led 구동 캐패시터를 포함하는 ac 직결형 발광 다이오드 구동장치 - Google Patents

Abstract

AC 직결형 발광 다이오드 구동장치가 제공된다. AC 직결형 발광 다이오드 구동장치는 정류부와; 상기 정류부로부터 정류된 전압을 제공받아 발광하는 발광 다이오드부와; 기설정된 주기에 따라 충전 구간, 유지 구간, 방전 구간 및 유지 구간을 반복하면서, 상기 방전 구간 동안 상기 발광 다이오드부를 구동하는 캐패시터와; 서로 다른 입력 전압 레벨에 따라 상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터에 흐르는 전류의 경로를 제어하는 스위칭 소자를 포함하는 순차 전류 구동부와; 상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터의 제1단 사이에 연결되어 상기 발광 다이오드부로부터 상기 캐패시터로 전류 경로를 형성하는 제1 다이오드와, 상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터의 제1단 사이에 연결되어 상기 캐패시터로부터 상기 발광 다이오드부로 전류 경로를 형성하는 제2 다이오드와, 접지단과 상기 캐패시터의 제2단 사이에 연결되어 상기 스위칭 소자로부터 상기 캐패시터로 전류 경로를 형성하는 제3 다이오드를 포함하는 충방전 제어부를 포함할 수 있다.

Description

LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치{AC DIRECT LED DRIVER INCLUDING CAPACITOR FOR LED DRIVER}

본 발명은 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 것으로, 보다 구체적으로 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 관한 것이다.

컨버터를 사용하는 LED 구동장치의 경우 시스템의 구성이 복잡하고 시스템의 크기와 무게를 감소시키기 힘든 단점이 있다. 또한, 역률(Power Factor) 향상을 위해서는 별도의 역률 보정 회로를 사용해야 하고, 스위칭 시 발생하는 전자파 발생을 억제하기 위한 추가적인 회로를 필요로 하므로 생산원가가 높은 문제점이 있다.

반면, 별도의 컨버터를 사용하지 않는 교류 전원(이하, AC) 직결형 리니어 방식의 LED 구동장치의 경우, 상용 전원인 교류 전원을 직접 이용하여 전류를 제어하므로, 컨버터 방식에 비해 회로가 단순하고 역률이나 전자파 발생에 대비한 추가적인 보정 회로가 없어도 우수한 특성을 나타낸다. 또한, 컨버터 방식, 즉 SMPS(Switching Mode Power Supply) 대비 수명이 길고 신뢰성이 높은 장점이 존재한다. 또한, 교류 전원 직결형 리니어 구동 방식은 입력 전압이 높을수록 구동 전류가 증가하는 방식으로 전류 절환이 일어나기 때문에 역률 특성은 좋은 장점이 있다.

하지만, AC 직결형 리니어 구동 방식, 특히 순차 구동 방식에서는 입력 전압의 크기에 따라 각 채널의 발광 다이오드가 순차적으로 구동되어, 즉 동일하지 않은 구동 시간과 동일하지 않은 구동 전류 크기로 채널이 구동되기 때문에 채널 간의 전류 편차가 크게 나타난다.

이러한 전류 편차를 개선하기 위해서 동기식 다채널 구동 방식이 제안되어 시간적 구동 전류 편차를 최소화하였으나 입력 전압에 비례한 구동 전류 크기에 대한 편차는 여전히 존재한다.

또한, AC 직결형 구동 방식의 경우 입력 전압이 최소한의 발광 다이오드 전압 강하보다 낮으면 전류가 공급되지 않아 플리커(Flicker)가 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 플리커 특성 개선을 위해서 전원이 공급되지 않는 시간 동안 발광 다이오드를 구동할 에너지 저장소 역할을 하는 캐패시터를 사용해야 한다. 입력단에 캐패시터를 사용하거나 발광 다이오드에 병렬로 캐패시터를 사용하여 입력 전압이 발광 다이오드 전압보다 낮은 동안에 캐패시터에 저장된 전압으로 발광 다이오드에 전류를 공급하는 방식이 많이 사용되고 있다.

도 1은 종래의 입력단에 필터 캐패시터를 사용한 리니어 방식의 발광 다이오드 구동 회로를 나타낸 도면으로, 입력단에 캐패시터를 사용하여 플리커를 감소시킨 발광 다이오드 구동 회로를 나타낸다. 도 2는 도 1의 회로에서 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 정류기는 교류 전원(V_AC)으로부터 교류 전원 전압을 인가 받고, 인가된 전압을 정류하며, 이를 발광 다이오드부(LED)로 공급하는 역할을 한다. 이렇게 정류된 전압은 캐패시터에 충전되어 LED 의 구동 전압으로 사용된다.

도 2는 정류된 입력 전원(V_IN)과, 하나의 발광 다이오드에 흐르는 전류(I_LED) 및 입력 전류(I_IN)을 나타낸다.

입력 전원(V_IN)이 캐패시터에 충전되면 입력 전원보다 낮은 충전 전압이 기준 전압이 되고, 이 기준 전압에 따라 입력 전류(I_IN)의 흐름이 제어된다. 도시된 바와 같이, 종래의 경우 짧은 충전 시간 동안 높은 충전 전류(I_IN)가 발생한다.

도 1과 같은 구동 장치의 경우, 발광 다이오드 전압을 정류된 입력 전압보다 낮게 설정하여 구동할 경우 퍼센티지 플리커를 "0%"까지도 만족할 수 있으나 짧은 시간 동안 고전류로 캐패시터를 충전하여야 하므로 돌입 전류가 큰 문제가 있다. 또한, 역률이 0.6 이하로 매우 낮고 THD 는 40% 이상의 높은 값을 나타내기 때문에 활용 측면에 있어 매우 제한적이다.

정리하면, 정류기를 거친 입력단에 캐패시터를 사용하여 정류된 전압으로 발광 다이오드를 구동하는 도 1과 같은 방식은 플리커 특성은 매우 개선되나 전원 인가 시 큰 전류가 발생하여 여러 조명의 병렬 동작 시 돌입 전류로 인하여 과전류 차단기가 작동할 우려가 있으며, 트라이악 사용 시에는 계속적인 큰 돌입 전류가 발생하는 문제가 있다. 또한, 역률과 THD 특성도 좋지 않아 사용이 제한적이다.

도 3은 종래의 발광 다이오드에 병렬로 캐패시터를 사용한 2 채널 순차적 발광 다이오드 구동 회로를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 회로에서 입력전압, 입력전류, 캐패시터 전압 및 발광 다이오드에 흐르는 전류 등을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 구동회로는 LED 1 및 LED 2의 두 채널에 병렬로 연결되어 있는 캐패시터(C1, C2)와, LED 1 및 LED 2의 온 오프를 제어하는 스위치부를 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 동작 교류전압이 증가하여 발광부의 첫 번째 LED 1의 임계 전압(V_LED1)보다 커지면 소오스-커플-페어 형태로 연결된 두 개의 N-type 모스펫과 저항으로 이루어진 순차 전류 구동부 동작에 의해서 첫 번째 스위치 소자는 온(On) 상태에 있게 된다. 따라서, 첫 번째 LED 1와 첫 번째 스위치 소자를 통해 전류 경로가 형성되어 첫 번째 LED 1이 발광한다. 이때, LED 1을 구동시킨 스위치에는 첫 번째 그래프와 같은 전류(I₁)가 흐르고, 캐패시터(C1)가 연결되어 있는 LED 1에는 네 번째 그래프와 같은 전류(I_LED1)가 흐른다.

이후 동작 교류 전압이 증가하여 두 번째 LED 2의 임계전압(V_LED2)보다 커지면 첫 번째 스위치 소자는 오프(Off) 상태, 두 번째 스위치 소자는 온 상태에 있게 된다. 그 결과 두 개의 LED 1, LED 2와 두 번째 스위치 소자를 통하여 전류 경로가 형성되어 LED 1과 LED 2가 발광한다.

이후 동작 교류전압이 감소하면 반대로 스위치 소자가 순차적으로 오프(Off) 상태가 되어, LED 1, LED 2는 순차적으로 발광하지 않게 된다.

유사하게, LED 2을 구동시킨 스위치에는 두 번째 그래프와 같은 전류(I₂)가 흐르고, 캐패시터(C2)가 연결되어 있는 LED 2에는 다섯 번째 그래프와 같은 전류(I_LED2)가 흐른다.

도시된 바와 같이, 도 1의 구동 장치의 문제점인 돌입 전류는 발생하지 않으며 2 채널 동작으로 역률, THD과 같은 효율 등의 특성도 도 1 과 비교하여 많이 개선되었다. 한편, 발광 다이오드에 병렬로 캐패시터를 사용하는 방식은 역률과 THD 특성 측면에서 캐패시터를 사용하지 않는 방식과 유사하며 트라이악 사용 시에도 과전류가 발생하는 문제점은 없으나 낮은 퍼센티지 플리커 특성을 위해서는 매우 큰 값의 캐패시턴스를 갖는 캐패시터를 사용해야 하는 단점이 있다. 도 3에 따른 구동회로의 경우, 퍼센티지 플리커 특성을 20% 혹은 그 이하 값으로 만족하기 위해서는 도 1 대비 매우 큰 캐패시턴스를 갖는 캐패시터를 사용해야 하는 단점이 존재한다.

기존의 AC 직결형 구동 방식은 효율 상승을 위해서 입력 전압의 크기에 비례한 발광 다이오드의 전압이 요구되기 때문에 같은 전압 강하를 갖는 단품의 발광 다이오드를 사용할 경우 통상적으로 낮은 발광 다이오드 전압을 사용하는 컨버터 방식에 비해서 훨씬 많은 수의 발광다이오드를 사용해야 한다.

또한, AC 직결형 구동 방식을 사용할 경우 저전력을 소비하는 소형 조명의 경우에도 발광 다이오드 전압 강하는 입력 전압의 70 ~ 90% 정도여야 하는 조건을 만족해야 하므로 불필요하게 많은 수의 발광다이오드를 사용하거나 발광 다이오드 전압 강하가 높게 제작된 발광 다이오드를 사용해야만 한다.

이와 같이 AC 직결형 구동방식에 있어서 발광다이오드의 사용 갯수는 컨버터를 사용한 조명보다 많아서 제조 원가 감소를 위해서는 낮은 발광 다이오드 전압 강하에서 동작하는 새로운 방식의 AC 직결형 발광다이오드 구동방식이 요구된다.

또한, 최근의 LED 조명에 대해서는 플리커 규정을 한층 더 강화시키려는 움직임이 활발하다. 규정 강화의 근거는 높은 퍼센티지 플리커를 갖는 조명에 장시간 노출된 경우 민감한 사람에게서 어지러움이나 발작 같은 문제를 일으킬 수 있다는 연구 보고가 있기 때문이다. 향후 더 강화될 것으로 전망되는 새로운 플리커 특성을 만족하고 효율은 높으며 인덕터나 트랜스포머를 사용하지 않아 경박 단소한 특징을 갖는 LED 구동 방식이 요구된다.

공개특허 10-2016-0137012 등록특허 10-1198408

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 플리커 특성이 개선되는 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고효율, 고역률 및 저 THD 특성을 만족시키는 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 적은 수의 발광 다이오드를 사용하고 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 구동장치는 교류 전원 전압을 인가 받아 정류하는 정류부와; 상기 정류부로부터 정류된 전압을 제공받아 발광하는 발광 다이오드부와; 기설정된 주기에 따라 충전 구간, 유지 구간, 방전 구간 및 유지 구간을 반복하면서, 상기 방전 구간 동안 상기 발광 다이오드부를 구동하는 캐패시터와; 서로 다른 입력 전압 레벨에 따라 상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터에 흐르는 전류의 경로를 제어하는 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자와 접지단에 연결되어 상기 스위칭 소자의 구동 전류를 제어하는 저항을 포함하는 순차 전류 구동부와; 상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터의 제1단 사이에 연결되어 상기 발광 다이오드부로부터 상기 캐패시터로 전류 경로를 형성하는 제1 다이오드와, 상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터의 제1단 사이에 연결되어 상기 캐패시터로부터 상기 발광 다이오드부로 전류 경로를 형성하는 제2 다이오드와, 접지단과 상기 캐패시터의 제2단 사이에 연결되어 상기 스위칭 소자로부터 상기 캐패시터로 전류 경로를 형성하는 제3 다이오드를 포함하는 충방전 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 플리커 특성이 개선되는 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고효율, 고역률 및 저 THD 특성을 만족시키는 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 적은 수의 발광 다이오드를 사용하고 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치가 제공된다.

이를 통하여, 고주파수의 스위칭 동작이 수반되지 않기 때문에 EMI 필터와 같은 노이즈 필터가 필요 없으므로 전체 시스템이 매우 간단하고 제조 원가를 절감할 수 있는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치를 제공할 수 있다.

도 1는 종래의 입력단에 필터 캐패시터를 사용한 리니어 방식의 발광 다이오드 구동 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 회로에서 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 발광 다이오드에 병렬로 캐패시터를 사용한 2 채널 순차적 발광 다이오드 구동 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 회로에서 입력전압, 입력전류, 캐패시터 전압 및 발광 다이오드에 흐르는 전류 등을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다.
도 6은 도 5의 회로가 정상 상태에서 동작할 때의 입력전압, 입력전류, 캐패시터 전압 및 발광다이오드에 흐르는 전류 등 중요 소자에 흐르는 전류 및 중요 노드의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 5에서 캐패시터의 4 구간 별 구동 전류 경로를 표시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 순차 구동전류부와 발광다이오드 사이에 전류미러를 추가하여 순차 구동전류부의 절환동작에 의해서 나타나는 구동 전류 차이를 보정하여 발광다이오드에 일정한 전류가 흐르도록 하는 회로 도면이다.
도 9는 도 8의 회로가 정상 상태에서 동작할 때의 입력전압, 입력전류, 캐패시터 전압 및 발광다이오드에 흐르는 전류 등 중요 소자에 흐르는 전류 및 중요 노드의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 8의 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 일반적인 4채널 AC 발광다이오드 구동회로에 적용한 도면을 나타낸다. 발광다이오드의 전류는 입력전압의 크기에 따라 순차적으로 흐르지만 구동전류는 동일하게 된다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 발광다이오드에 병렬로 캐패시터를 사용하여 순차 전류구동기 동작 시 M1에서 M2 혹은 M2에서 M1으로 절환할 때 발생하는 전류감소를 줄이는 역할을 한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 도 5의 구동장치에서 순차전류 구동부에 OP 앰프를 추가한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 도 12의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 도 5의 구동장치에서 순차전류 구동부를 캐스코드 회로로 구현한 도면이다.
도 15은 본 발명의 실시예에 따른 도 14의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 16는 본 발명의 실시예에 따른 도 14의 구동장치에서 순차전류 구동부에 OP 앰프를 추가한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 도 16의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 도 5의 구동장치에서 D4의 위치를 순차 전류 구동부의 Rs와 M2의 소오스 사이로 변경한 회로를 나타내는 도면이다.
도 19은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 18의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 18의 구동장치에서 순차 전류 구동부에 OP 앰프를 추가한 도면이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 20의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 도 18의 구동장치에서 순차전류 구동부를 캐스코드 회로로 구현한 도면이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 22의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 도 22의 구동장치에서 D4의 위치를 순차 전류 구동부의 M2와 캐스코드 회로의 M4의 소오스 사이로 변경한 회로를 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 24의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 22의 구동장치에서 순차 전류 구동부에 OP 앰프를 추가한 도면이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 26의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 24의 구동장치에서 순차 전류 구동부에 OP 앰프를 추가한 도면이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 28의 구동장치에서 전류미러를 사용한 발광다이오드 전류를 동일하게 만드는 기능을 적용한 도면을 나타낸다.
도 30a 내지 도 30e는 본 발명의 실시예에 따른 전류미러로 사용 가능한 회로를 나타낸 도면이다. PMOS를 사용한 도면만 나타내었지만 PNP 트랜지스터로도 같은 구성이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예로 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 구동장치는 정류부(100), 발광 다이오드부(LED, 200), 캐패시터(C, 300), 순차 전류 구동부(400) 및 충방전 제어부(500)를 포함할 수 있다.

정류부(100)는 교류 전원(AC)으로부터 교류 전원 전압을 인가 받고, 인가된 전압을 정류하며, 정류된 전류를 발광 다이오드부(200)로 공급하는 역할을 한다. 도시된 바와 같이, 정류부(100)는 브릿지(Bridge) 다이오드일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 양과 음 두 가지 방향으로 변화하는 교류 전류를 한 가지 방향만 갖는 전류로 변환시킬 수 있는 한 어떠한 회로로 구현될 수 있다.

발광 다이오드부(200)는 정류부(100)로부터 정류된 전압을 제공받아 발광하며, 서로 연결되어있는 적어도 하나의 발광 다이오드가 연결되어 있는 채널로 구현될 수 있다. 발광 다이오드부(200)에 포함되어 있는 발광 다이오드의 개수 및 연결 방식(직렬 또는 병렬)은 구동장치가 사용될 조명의 종류에 따라 다양하게 변형 가능하며, 하나의 채널을 구성하는 발광 다이오드는 동시에 턴온 또는 턴오프 된다.

캐패시터(300)는 발광 다이오드부(200)에 흐르는 전류 경로 상에 연결되어, 기설정된 주기에 따라 충전 구간, 유지 구간, 방전 구간 및 유지 구간을 반복한다. 또한, 캐패시터(300)는 방전 구간 동안 충전되었던 전압으로 발광 다이오드부(200)를 구동하며, 이러한 캐패시터(300)의 충방전은 충방전 제어부(500)에 포함되어 있는 복수의 다이오드들에 의하여 제어된다.

순차 전류 구동부(400)는 서로 다른 입력 전압 레벨에 따라 발광 다이오드부(200)와 캐패시터(300)에 흐르는 전류의 경로를 제어하는 스위칭 소자(S1, S2)로서, MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)을 포함할 수 있고, 스위칭 소자(S1, S2)와 접지단에 연결되어 스위칭 소자(S1, S2)의 구동 전류를 제어하는 저항(R_S)을 포함한다.

본 실시예에 따른 스위칭 소자(S1, S2)는 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)를 포함하고, 제1 스위칭 소자(S1)의 제1단은 발광 다이오드부(200)와 후술될 충방전 제어부(500)의 제1 다이오드(510) 사이에 연결되고, 제2단은 저항(R_S)에 연결되고, 제3단을 통해 구동 전원을 인가 받는다.

유사하게, 제2 스위칭 소자(S2)의 제1단은 캐패시터(300)의 제2단에 연결되고, 제2단은 저항(R_S)에 연결되고, 제3단을 통해 구동 전원을 인가 받는다.

이러한 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 이외에 BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)으로 구성될 수 있다.

순차 전류 구동부(400)는 입력 전압 혹은 캐패시터(300)의 전압이 발광 다이오드부(200)의 구동 전압보다 높을 때 제1 스위칭 소자(S1)를 통해서 발광 다이오드부(200)에 전류를 공급하고 입력 전압이 발광 다이오드부(200)의 구동 전압과 캐패시터(300)의 전압을 합한 전압보다 높을 때 제2 스위칭 소자(S2)통해서 발광 다이오드부(200)와 캐패시터(300)에 전류를 공급하는 역할을 한다.

충방전 제어부(500)는 소정 주기에 따라 캐패시터(300)의 충전 및 방전을 제어하고, 전류 경로를 제어하기 위한 제1 다이오드(510), 제2 다이오드(520) 및 제3 다이오드(530)를 포함한다.

제1 다이오드(510)는 발광 다이오드부(200)와 캐패시터(300)의 제1단 사이에 연결되어 발광 다이오드부(200)로부터 캐패시터(300)로 전류 경로를 형성하고, 제2 다이오드(520)는 발광 다이오드부(200)와 캐패시터(300)의 제1단 사이에 연결되어 캐패시터(300)로부터 발광 다이오드부(200)로 전류 경로를 형성한다. 제3 다이오드(530)는 접지단과 캐패시터(300)의 제2단 사이에 연결되어 스위칭 소자(S1, S2)로부터 캐패시터(300)로 전류 경로를 형성한다.

충방전 제어부(500)는 입력 전압이 발광 다이오드부(200)의 구동 전압과 캐패시터(300)의 전압의 합보다 클 경우 순차 전류 구동부(400)에서 정해진 제2 스위칭 소자(S2)에 흐르는 전류(I_M2)로 발광 다이오드부(200)를 구동하고, 캐패시터(300)를 충전하는 경로를 제공한다.

만약, 입력 전압이 캐패시터(300)에 저장된 충전 전압보다 작을 경우 충방전 제어부(500)는 순차 전류 구동부(400)에서 정해진 제1 스위칭 소자(S1)에 흐르는 전류로 캐패시터(300)가 발광 다이오드부(200)를 구동하는 방전 경로를 제공하고, 입력 전압이 캐패시터(300)에 저장된 충전 전압보다 보다는 크지만 캐패시터(300)의 충전 전압과 발광 다이오드부(200)의 구동 전압의 합보다는 작은 경우에는 충방전 경로를 막아 캐패시터(300)의 충전 전압을 유지하도록 제어한다. 캐패시터(300)의 충방전 경로가 막혀있는 구간 동안에는 발광 다이오드부(200)는 입력 전압을 통한 순차 전류 구동부(400)에서 정해진 제1 스위칭 소자(S1)에 흐르는 전류(I_M1)로 구동된다.

이와 같은 동작으로 정상 상태(Steady-state Condition))에서 발광 다이오드부(200)에 흐르는 전류가 "0A" 로 감소하는 구간이 없어지게 되며 발광 다이오드부(200)에 흐르는 전류는 I_M1 최소 전류이며 최대 전류는 I_M2 가 된다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치의 순차 전류 구동부(400)를 구성하는 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자는 제1 MOSFET(410) 및 제2 MOSFET(420)으로 구현되고, 충방전 제어부(500)는 제1 다이오드(510) 내지 제3 다이오드(530)에 추가하여, 제4 다이오드(540)를 더 포함한다.

제1 MOSFET(410)의 드레인 단자는 발광 다이오드부(200)와 제1 다이오드(510) 사이에 연결되고, 소스 단자는 저항(R_S)의 일 단에 연결된다. 제2 MOSFET(420)의 드레인 단자는 캐패시터(300)와 연결되는 경로 상에 연결되고, 소스 단자는 저항(R_S)의 일 단에 연결된다.

제4 다이오드(540)는 캐패시터(300)와 제2 MOSFET(420)이 연결되는 경로, 즉 캐패시터(300)와 제2 MOSFET(420)의 전류 경로 상에 연결되어 있다. 이러한 제4 다이오드(540)는 순차 전류 구동부(400)의 스위칭 소자가 MOSFET으로 구현되는 경우 필요한 구성 요소에 해당한다. 만약, 스위칭 소자가 BJT 또는 IGBT로 구현되면 스위칭 소자 내 존재하는 다이오드 특성이 없기 때문에 제4 다이오드(540)를 생략할 수 있다.

제4 다이오드(540)는 캐패시터(300)의 방전 구간 시 제1 MOSFET(410)로부터 제2 MOSFET(420)으로 전류가 흐르지 않도록 하는 역할을 한다. 다시 말해, 캐패시터(300)가 방전할 동안 제2 MOSFET(420)의 소스-드레인 전압으로 인하여, 방전 전류의 경로가 저항(R_S)을 통하지 않고 제1 MOSFET(410)의 소스 단자에서 제2 MOSFET(420)의 소스-드레인 방향으로 흐르는 것을 방지하는 기능을 한다.

만약, 제4 다이오드(540)를 사용하지 않을 경우, 방전 구간에서 발광 다이오드부(200)에 흐르는 전류는 제1 MOSFET(410)에 설정된 값으로 결정되지 않게 되고, 캐패시터(300)에 저장된 전압이 발광 다이오드부(200)로 큰 전류값으로 유입 및 즉시 방전되어 플리커 특성이 나빠질 수 있다. 이하, 충전 및 방전 구간에서의 전류 흐름은 도 7a 내지 도 7d를 참조하여 설명된다.

한편, 상술한 바와 같이, 제4 다이오드(540)는 캐패시터(300)와 제2 MOSFET(420)의 전류 경로 상에 배치될 수 있는데, 본 실시예에 따르면, 제4 다이오드(540)는 캐패시터(300)와 제2 MOSFET(420) 사이에 배치되어 있다. 구체적으로, 제4 다이오드(540)의 애노드는 캐패시터(300)의 제2단에 연결되고, 캐소드는 제2 MOSFET(420)의 드레인 단자에 연결되어 있다.

도 6은 도 5의 회로가 정상 상태에서 동작할 때의 입력전압, 입력전류, 캐패시터 전압 및 발광다이오드에 흐르는 전류 등 중요 소자에 흐르는 전류 및 중요 노드의 전압을 나타낸 그래프이고, 도 7a 내지 도 7d는 도 5에서 캐패시터의 4 구간 별 구동 전류 경로를 표시한 도면이다.

상술된 바와 같이, 제1 MOSFET(410)은 입력 전압(V_IN)이 캐패시터(300)에 저장된 충전 전압(V_C)보다 작을 경우 턴온되어 제1 MOSFET(410)에 흐르는 전류(I_M1)로 캐패시터(300)가 발광 다이오드부(200)를 구동하는 방전 경로를 제공한다. 또한, 입력 전압(V_IN)이 캐패시터(300)에 저장된 충전 전압(V_C)보다 보다는 크지만 캐패시터(300)의 충전 전압(V_C)과 발광 다이오드부(200)의 구동 전압(V_LED)의 합보다는 작은 경우에도 제1 MOSFET(410)은 턴온된다.

제2 MOSFET(420)은 입력 전압(V_IN)이 발광 다이오드부(200)의 구동 전압(V_LED)과 캐패시터(300)의 전압(V_C)의 합보다 클 경우 턴온 되고, 제2 MOSFET(420)에 흐르는 전류(I_M2)로 발광 다이오드부(200)가 구동되고, 캐패시터(300)가 충전된다.

제1 MOSFET(410)에 흐르는 전류(I_M1)와 제2 MOSFET(420)에 흐르는 전류(I_M2)는 아래와 같은 수학식 1로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

I_M1 = (V₁ - V_GS,M1) / R_S

I_M2 = (V₂ - V_GS,M2) / R_S

한편, 입력 전압(V_IN)의 크기와 발광 다이오드부(200)의 전압(V_LED) 및 캐패시터(300)의 전압(V_C)에 따라 동작 상태를 다음의 네 가지 구간으로 구분하여 설명할 수 있으며, 각 구간을 나누는 조건은 아래와 같다.

[수학식 2]

구간 1 : V_C - V_D2 - V_D3 < V_IN < V_C + V_LED + V_D1 + V_D4 (C 전압유지)

구간 2 : V_IN > V_C + V_LED + V_D1 + V_D4 (C 충전구간)

구간 3 : V_C - V_D2 - V_D3 < V_IN < V_C + V_LED + V_D1 + V_D4 (C 전압유지)

구간 4 : V_IN < V_C - V_D2 - V_D3 (C 방전구간)

각 구간에서 발광 다이오드부(200) 및 캐패시터(300)에 구동 전류가 흐르는 경로를 도 7에 나타내었다. 이후 설명의 간략성을 위해서 상기 수식에서 상대적으로 전압 강하의 크기가 작은 다이오드(510~540)의 전압 강하는 고려하지 않는다.

구간 1(P 1)은 입력 전압 (V_IN)이 캐패시터(300)에 저장된 전압(V_{C, MIN})보다 높고 캐패시터(300)의 최대 충전 전압(V_{C, MAX})과 발광 다이오드부(200)의 구동 전압 (V_LED)의 합(V_LED+ V_{C, MAX})보다 낮은 구간에 해당한다. 이 때는 제1 MOSFET(410)이 턴온되고, 제1 MOSFET(410)에 흐르는 전류(I_M1)로 발광 다이오드부(200)를 구동하게 된다(도 6의 (a), (d)). 이 경우, 제2 MOSFET(420)은 턴오프되고(도 6의 (b)), 캐패시터(300)는 충전 또는 방전 없이 일정한 충전 전압을 유지하게 된다(도 6의 (e), (f)).

도 7a는 이러한 유지 구간에서의 전류 흐름을 도시한 것으로, 발광 다이오드부(200)의 구동 전류(I_LED)는 입력 전류(I_IN)와 같다(도 6의 (c)).

구간 2(P 2)는 캐패시터(300)의 충전 구간으로, 입력 전압(V_IN)이 캐패시터(300)의 전압(V_C)과 발광 다이오드부(200)의 구동 전압(V_LED)의 합(V_LED+V_{C, MAX})보다 높아져 제2 MOSFET(420)의 드레인 전압이 상승하면서 제1 MOSFET(410)가 턴오프되고(도 6의 (a)), 제2 MOSFET(420)가 턴온되어 제2 MOSFET(420)에 설정된 전류(I_M2)가 흐르는 구간이다 (도 6의 (b)).

이렇게 발생된 전류(I_M2)는 도 7b와 같이 흐르면서, 발광 다이오드부(200)를 구동시키고 동시에 캐패시터(300)를 충전하여, 캐패시터(300)의 충전 전압(V_C)은 상승한다(도 6의 (e), (f)). 이 구간에서 입력 전류(I_IN)는 제2 MOSFET(420)에 흐르는 전류(I_M2)와 같아진다 (도 6의 (b), (c)). 이를 도 7a의 구간 1의 경우와 함께 관찰하면, 입력 전류(I_IN)는 I_M1에서 제2 MOSFET(420)의 설정 전류(I_M2)로 증가하는 2단 계단 형태가 되고, 이는 한 개 채널의 발광 다이오드부(200)를 사용하지만 2 채널 구동 방식과 유사하게 입력 전류(I_IN)가 형성된다. 이러한 전류 제어를 통하여 1 채널 구동과 비교하여 역률 및 효율이 상승하게 된다.

구간 3(P 3)은 입력 전압(V_IN)이 하강하여 다시 입력 전압(V_IN)이 캐패시터(300) 전압(V_C)보다 높으나 캐패시터(300)의 전압과 발광 다이오드부(200)의 구동 전압(V_LED)의 합(V_LED+V_{C, MAX})보다는 작은 구간으로 제2 MOSFET(420)은 다시 턴오프되고 제1 MOSFET(410)은 턴온된다. 이 구간에서는 도 7c의 경로와 같이 제1 MOSFET(410)에 흐르는 전류(I_M1)로 발광 다이오드부(200)가 구동되고(도 6의 (a), (c)), 캐패시터(300)는 제2 MOSFET(420)의 턴오프로 인하여 충전 전압(V_C)을 유지한다(도 6의 (e), (f)).

구간 4(P 4)는 입력 전압(V_IN)이 구간 3 이후 지속적으로 감소하여 캐패시터(300)의 전압(V_{C, MAX})보다 작게 되는 구간으로, 제1 MOSFET(410)은 턴온되고, 제2 MOSFET(420)는 턴오프 된다. 캐패시터(300)가 방전되면서, 캐패시터(300)의 전압(V_C)이 발광 다이오드부(200)를 구동시키는 도 7d와 같은 전류 경로가 형성되고, 이 때 발광 다이오드부(200)의 구동 전류(I_LED)는 제1 MOSFET(410)를 흐르는 전류(I_M1)가 된다. 즉, 구간 4에서 V_AC에 의한 입력 전류는 없으며 캐패시터(300)는 I_M1으로 발광 다이오드부(200)를 구동하면서 방전하게 된다.

이때 방전된 캐패시터(300) 전압(V_C)은 이어지는 구간 1에서는 유지되고, 구간 2에서 충전되는 동작을 반복한다. 이와 같이 4개의 구간을 반복하는 동안 발광 다이오드부(200)의 전류(I_LED)의 최소치는 I_M1이 되고 최대치는 I_M2가 되어 플리커 특성이 개선될 뿐만 아니라 1 채널과 대비하여 역률과 효율이 상승하는 동작을 수행한다. 퍼센티지 플리커 특성은 아래의 식으로 표현할 수 있다.

[수학식 3]

퍼센티지 플리커 (%) = [(I_M2 - I_M1)*100]/(I_M1 + I_M2)

또한, 캐패시터(300) 제2단의 전압은 발광 다이오드부(200)에 흐르는 전류가 끊기지 않고 일정한 수준 이상으로 유지되기 때문에 도 6의 (g)와 같은 형상을 나타낸다.

이러한 동작에서 캐패시터(300)의 최대 충전 전압(V_C,MAX)은 입력 전압(V_IN)의 최대 순시 접압(V_IN,PEAK)에서 발광 다이오드부(200)의 전압 강하(V_LED)를 뺀 값이 되며 캐패시터(300)의 최소 전압(V_C,MIN)은 발광 다이오드부(200)의 전압(V_LED)이다. 이러한 관계를 도식화 하면 아래 수학식 4와 같다. 수학식 4에서는 동작 설명의 간략화를 위해서 제1 다이오드(510) 내지 제4 다이오드(540)에 의한 전압 강하는 무시하였다.

[수학식 4]

V_{C, MAX} = V_IN,PEAK - V_LED

V_C,MIN = V_LED

상술한 바와 같이, 플리커 특성을 개선하기 위해서는 모든 구간에서 발광 다이오드부(200)가 구동되어야 한다. 구간 4 동안, 즉 입력 전원이 아닌 캐패시터(300)의 방전 전압(V_C)으로 발광 다이오드부(200)를 구동하기 위해서는 캐패시터(300)의 충전 전압(V_C)이 발광 다이오드부(200)의 구동 전압(V_LED)보다 크게 유지될 수 있도록 캐패시터(300)의 캐패시턴스가 충분히 큰 것이 바람직하다.

최대 충전 전압(V_C,MAX)이 발광 다이오드부(200)의 구동 전압(V_LED) 보다 더 크면 클수록 작은 캐패시턴스를 갖는 캐패시터(300)를 통하여 구간 4의 구동이 가능하지만 효율이 감소될 수 있다.

또한, 캐패시턴스의 값이 커질수록 충방전하는 캐패시터의 리플 전압은 줄어들고 캐패시터(300) 충전 전압(V_C)의 평균값은 최대 충전 전압(V_C,MAX)에 가까워지면서 상승하게 된다.

한편, 캐패시터 전압(V_C)이 발광 다이오드부(200)의 구동 전압(V_LED)에 가까워질 수록 효율은 증가될 수 있지만, 발광 다이오드부(200)가 구동되는 정상 상태의 90%로 수준으로 떨어진다면, 캐패시터 전압(V_C)이 불충분하여 플리커 특성이 나빠질 수 있다. 캐패시터(300)에 충방전되는 전압은 아래와 수학식 5로 표현될 수 있다.

[수학식 5]

V_C,CHARGE = I_M2 × t_P2 / C

V_C,DISCHARGE = I_M1 × t_P4 / C

여기서,

t_P2 : 구간 2의 유지 시간 (충전시간)

t_P4 : 구간 4의 유지 시간 (방전시간)

V_C,CHARGE : 충전 시 캐패시터 전압

V_C,DISCHARGE : 방전 시 캐패시터 전압

이와 같이, 정상 상태에서는 충전되는 전하량과 방전되는 전하량이 같게 되므로 I_M2가 큰 만큼 상대적으로 충전 시간이 방전 시간보다 짧아진다.

도 6 및 도 7을 참고하여 설명된 실시예에 따르면, 발광 다이오드 구동장치는 발광 다이오드부를 구동시키는 캐패시터를 포함하여 트랜스포머와 같은 구성 없이도 낮은 플리커 특성을 가지면서도 기존의 2채널 구동 방식에 비해서 적은 갯수의 발광 다이오드부 채널로 사용할 수 있어 제조원가를 감소시킬 뿐만 아니라 기존의 1채널 구동방식에 비해서 효율 및 역률 증가시킬 수 있다.

도 8은 본 실시예에 따른 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치는 발광 다이오드부(200)와 순차 전류 구동부(400)의 제1 MOSFET(410) 사이에 전류 미러(600)를 추가하여 제1 MOSFET(410) 턴온 시 순차 전류 구동부(400)의 전류는 동일하나 발광 다이오드 구동 전류를 증가시켜 제1 MOSFET(410) 과 제2 MOSFET(420) 턴온 시 발광 다이오드부(200)에 흐르는 전류를 동일하게 만드는 기능을 수행한다. 일반적인 순차 전류 구동부(400)는 구동 특성상 제2 MOSFET(420) 구동 전류는 항상 제1 MOSFET(410) 구동 전류보다 크다. 그러나 I_M1과 I_M2 값에는 변화없이 발광 다이오드부(200)에 흐르는 전류를 동일하게 만들어 플리커 특성을 더욱 개선시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 8에서 전류 미러(600)에 사용된 두 PMOSFET의 W/L 크기 비를 k 라고 하면 제1 MOSFET(410) 턴온시 발광 다이오드 구동 전류는 I_M1에 흐르는 전류와 전류 미러(600)에 의해서 발생된 전류의 합으로 다음과 같이 표현된다.

[수학식 6]

I_LED = I_M1 (1 + k)

순차 전류 구동부 동작 특성상 I_M2 는 항상 I_M1보다 큰 값이므로 두 MOSFET의 크기비인 k값을 조정하면 I_M1과 I_M2를 같게 설정할 수 있다. 그 결과 발광 다이오드부(200)에는 항상 동일한 전류가 흐르게 되어 플리커 특성이 크게 개선된다. 도 9는 도 8에서의 중요 노드의 전압과 전류를 나타낸다.

상기의 전류 미러(600)는 동작 특성상 순차 전류 구동부에서 형성된 전류에 비례하는 전류를 발생하는 특성을 갖는 회로가 사용될 수 있으며, 그 예로 캐스코드 전류 미러 회로, 윌슨 전류 미러 회로, 위들러 전류 미러 회로 및 증폭기를 사용한 전류미러 회로 등이 사용될 수 있다(이하, 도 30a 내지 도 30e).

이와 같이 순차 전류 구동부(400)에 전류 미러(600)를 사용하여 순차구동 특성은 유지하면서도 발광 다이오드부(200)의 전류를 동일하게 유지하는 방법은 플리커 특성이 중요한 최근의 조명 추세를 고려하면 매우 유용한 구동 기술에 해당한다. 다만 발광 다이오드 구동전류를 동일하게 설정 할 경우 입력전류는 2-스텝으로 상승 및 하강을 하지 않고 1-스텝 모양의 펄스파 형태가 되어 역률과 THD 특성은 조금 나빠지게 된다. 그럼에도 불구하고 퍼센티지 플리커를 이론적으로는 '0%"로 만들 수 있어 플리커 특성이 매우 중요한 조명의 경우에 유용하게 사용할 수 있다.

이러한 특성을 갖는 전류 미러(600)를 순차 전류 구동부(400)에 적용한 회로는 2채널 구동 뿐만 아니라 그 이상의 채널수에서도 적용가능하다. 도 10은 전류 미러가 순차 전류 구동부에 포함되어 있는 4채널 발광다이오드 구동 회로의 일 예를 나타낸다. 4채널의 경우 3개의 전류 미러가 필요하며 각 전류 미러의 k 값은 아래와 같이 정할 경우 순차 전류 구동부에 의해서 각 발광다이오드에 흐르는 전류는 동일하게 된다.

[수학식 7]

I_M4 = (1 + k₃) * I_M3 = (1 + k₂) * I_M2 = (1 + k₁) * I_M1

기존의 순차 전류 구동부는 동작 특성상 전류의 크기는 I_M4 > I_M3 > I_M2 > I_M1 순이며 입력전압의 크기에 비례해서 순차적으로 증감을 하는 동작을 하게 된다. 여기에 도 10에서와 같은 전류미러를 연결하게 되면 설정된 k 값에 의해서 각 발광다이오드에 흐르는 전류는 동일하게 된다. 동기식 구동방식이 아니므로 발광다이오드에 흐르는 전류는 동일하나 순차적으로 구동하게 되어 1번 채널이 구동되는 구간 동안에는 나머지 2,3,4 채널은 턴오프 상태가 된다. 그러나 본발명의 도 8과 같이 하나의 발광다이오드 채널과 하나의 캐패시터로 이루어진 2채널에 전류미러를 사용할 경우 발광다이오드에 흐르는 전류는 전구간에 걸쳐서 동일한 전류로 구동되게 된다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 본 실시예에 따른 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치는 발광 다이오드부(200)에 병렬로 연결될 병렬 캐패시터(310)를 추가로 포함한다. 제1 MOSFET(410)와 제2 MOSFET(420)의 간의 전류 절환으로 인하여 발생되는 발광 다이오드부(200)의 전류 감소가 추가된 병렬 캐패시터(310)에 의해서 변화량이 감소하면서 플리커 특성이 개선된다. 전류 절환 시간이 짧아서 작은 캐패시터 값으로도 전류감소를 줄일 수 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 순차 전류 구동부(400)는 제1 MOSFET(410)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제1 OP 앰프(430)와, 제2 MOSFET(420)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제2 OP 앰프(440)를 더 포함한다.

제1 OP 앰프(430) 및 제2 OP 앰프(440)의 사용으로 인하여 제1 MOSFET(410)에 흐르는 전류(I_M1)와 제2 MOSFET(420)에 흐르는 전류(I_M2)가 교차되는 시간이 줄어들 뿐만 아니라 출력 임피던스가 증가되고, I_M1과 I_M2 설정 시 V_GS에 의한 영향을 제거할 수 있어 구동 전류의 온도나 공정 파라미터 변동에 의한 구동전류 변동량을 최소화할 수 있다.

상기 도 5 내지 도 12 뿐만 아니라 본 발명의 이하 모든 실시예에서 순차 전류구동부의 제1, 2 MOSFET을 대체하여 IGBT, BJT와 같은 드레인-소오스간에 역병렬 다이오드를 포함하지 않는 스위칭 소자가 사용될 수 있으며 이 경우, 제4 다이오드는 생략할 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 12의 도면에서 발광 다이오드부(200)와 순차전류제어부(400)의 제1 MOSFET(410) 사이에 전류미러(600)를 추가하여 제1 MOSFET(410) 턴온시 순차전류제어부의 전류는 동일하나 발광다이오드 구동전류를 증가시켜 제1 MOSFET(410) 과 제2 MOSFET(420) 턴온 시 발광다이오드에 흐르는 전류를 동일하게 만드는 기능을 수행한다. 또한 상기 도 8 내지 도 13 뿐만 아니라 이하 모든 실시예에서 플리커 특성 개선을 위해서 순차 전류 구동부에 전류미러를 사용하여 구동전류를 동일하게 할 수 있다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 순차 전류 구동부(400)는 제3 MOSFET(450) 및 제4 MOSFET(460)을 추가적으로 포함하여 캐스코드 형태의 회로를 구성하고 있다. 구체적으로, 제3 MOSFET(450)은 제1 MOSFET(410)의 드레인 단자에 직렬로 연결되어, 바이어스 전압이 게이트 단자로 인가되는 제1 캐스코드 소자에 해당하고, 제4 MOSFET(460)은 제2 MOSFET(420)의 드레인 단자에 직렬로 연결되어, 바이어스 전압이 게이트 단자로 인가되는 제2 캐스코드 소자에 해당한다.

캐스코드 회로의 사용은 출력 임피던스를 증가시켜 드레인 전압 변동에 의한 구동 전류의 변동을 최소화 할 수 있다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 14의 도면에서 캐스코드에 형성된 순차 전류 제어부의 제1 MOSFET(410)과 제3 MOSFET(450) 사이에 전류미러(600)를 추가하여 발광다이오드에 흐르는 전류를 동일하게 만드는 기능을 수행한다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 14의 도면에서 순차 전류 구동부(400)에 제1 MOSFET(410)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제1 OP 앰프(430)와, 제2 MOSFET(420)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제2 OP 앰프(440)를 더 포함하여 구동 특성을 개선시킨 회로를 나타낸다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 16의 도면에서 순차 전류 제어부(400)의 제1 MOSFET(410)과 제3 MOSFET(450) 사이에 전류미러(600)를 추가하여 발광다이오드에 흐르는 전류를 동일하게 만드는 기능을 수행한다.

도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 충방전 제어부(500)에서는 제4 다이오드(540)가 제2 MOSFET(420)의 드레인 단자가 아닌 제2 MOSFET(420)의 소스 단자에 연결되어 있다. 즉, 제4 다이오드(540)는 제2 MOSFET(420)의 소스 단자에 애노드가 연결되고, 저항(R_S)에 캐소드가 연결되어 있다.

상술된 바와 같이, 제4 다이오드(540)는 캐패시터(300)의 방전 구간 시 제1 MOSFET(410)로부터 제2 MOSFET(420)으로 전류가 흐르지 않도록 하는 역할을 한다. 다시 말해, 캐패시터(300)가 방전할 동안 제2 MOSFET(420)의 소스-드레인 전압으로 인하여, 방전 전류의 경로가 저항(R_S)을 통하지 않고 제1 MOSFET(410)의 소스 단자에서 제2 MOSFET(420)의 소스-드레인 방향으로 흐르는 것을 방지하는 기능을 한다. 제4 다이오드(540)의 위치의 이동은 내압이 높은 다이오드가 아닌 낮은 내압을 갖는 다이오드를 사용할 수 있으며 집적화가 가능한 이점이 있다.

또한, 제3 다이오드(530)는 순차 전류 구동부(400)를 집적화할 때 제2 MOSFET(420)의 드레인-GND 간에 기생적으로 형성되는 IC 내부 기생 다이오드로 구현될 수 있다. 도 18 이하 도면에서와 같이, 제4 다이오드(540)의 위치가 고전압이 인가되는 캐패시터(300)에 직접 연결되지 않고 제2 MOSFET(420)의 소오스 위치로 이동하고, 캐패시터(300)에 직접 연결된 구동 MOSFET(제2 MOSFET(420))이 집적화 될 경우 별도의 제3 다이오드(530)는 생략될 수 있는데 이는 구동 MOSFET(제2 MOSFEM(420))이 집적화 될 경우 자연발생적으로 형성되기 때문이다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 18의 도면에서 순차 전류 구동부(400)의 제1 MOSFET(410)과 발광다이오드 사이에 전류미러를 추가하여 발광다이오드에 흐르는 전류를 동일하게 만드는 기능을 수행한다.

도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 18의 도면에서 순차 전류 구동부(400)에 제1 MOSFET(410)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제1 OP 앰프(430)와, 제2 MOSFET(420)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제2 OP 앰프(440)를 더 포함하여 구동 특성을 개선시킨 회로를 나타낸다.

도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 20의 도면에서 순차 전류 구동부(400)의 제1 MOSFET(410)과 발광다이오드 사이에 전류미러(600)를 추가하여 발광다이오드에 흐르는 전류를 동일하게 만드는 기능을 수행한다.

도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 도 18에서 순차 전류 구동부(400)에 제3 MOSFET(450) 및 제4 MOSFET(460)을 추가적으로 포함하여 캐스코드 형태의 회로를 구성하여 동작 특성을 개선한 회로를 나타내는 도면이다.

도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 22의 도면에서 캐스코드 형태인 순차 전류 제어부의 제1 MOSFET(410)과 제3 MOSFET(450) 사이에 전류미러(600)를 추가하여 발광다이오드에 흐르는 전류를 동일하게 만드는 기능을 수행한다.

도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 도 22에서 D₄의 위치를 제2 MOSFET(420)의 소오스에서 제4 MOSFET(460)의 소오스로 이동한 회로를 나타내는 도면이다. D4의 역할은 캐패시터가 발광다이오드를 구동하는 구간에서 역방향으로 흐르는 전류를 막는 기능을 하는데 도 22와 같이 제1 MOSFET의 소오스에 연결된 것과 동일한 기능을 수행한다. 또한 도 24와 같이 제1 MOSFET과 제2 MOSFET이 직접 연결되면 순차 전류 구동부의 동작특성은 더 간편해지게 된다.

도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 도 24에서 제1 MOSFET과 제3 MOSFET 사이에 전류미러(600)를 추가하여 발광다이오드 구동전류를 동일하게 만드는 기능을 수행하는 회로를 나타내는 도면이다.

도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 22의 도면에서 순차 전류 구동부(400)에 제1 MOSFET(410)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제1 OP 앰프(430)와, 제2 MOSFET(420)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제2 OP 앰프(440)를 더 포함하여 구동 특성을 개선시킨 회로를 나타낸다.

도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 도 26에서 제1 MOSFET과 제3 MOSFET 사이에 전류미러(600)를 추가하여 발광다이오드 구동전류를 동일하게 만드는 기능을 수행하는 회로를 나타내는 도면이다.

도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 24의 도면에서 순차 전류 구동부(400)에 제1 MOSFET(410)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제1 OP 앰프(430)와, 제2 MOSFET(420)의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제2 OP 앰프(440)를 더 포함하여 구동 특성을 개선시킨 회로를 나타낸다.

도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 구동 캐패시터를 포함하는 AC 직결형 발광 다이오드 구동장치에 대한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 도 28에서 제1 MOSFET과 제3 MOSFET 사이에 전류미러(600)를 추가하여 발광다이오드 구동전류를 동일하게 만드는 기능을 수행하는 회로를 나타내는 도면이다.

도 30a 내지 도 30e는 본 발명의 실시예에 따른 전류미러로 사용 가능한 회로를 나타낸 도면이다. 본 발명에 사용된 전류미러는 순차 전류 구동부 전류에 비례한 전류를 발생시키고 순차 구동 전류와 전류미러에 의해서 발생한 비례전류의 합으로 발광다이오드를 구동하는 동작을 수행하는 회로이다. PMOS를 사용한 도면만 나타내었지만 PNP 트랜지스터로도 같은 구성이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지, 치환, 변경 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100: 정류부 200: 발광 다이오드부
300: 캐패시터 400: 순차 전류 구동부
500: 충방전 제어부

Claims (14)

1. 교류 전원 전압을 인가 받아 정류하는 정류부와;
   상기 정류부로부터 정류된 전압을 제공받아 발광하는 발광 다이오드부와;
   기설정된 주기에 따라 충전 구간, 유지 구간, 방전 구간 및 유지 구간을 반복하면서, 상기 방전 구간 동안 상기 발광 다이오드부를 구동하는 캐패시터와;
   서로 다른 입력 전압 레벨에 따라 상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터에 흐르는 전류의 경로를 제어하는 스위칭 소자와 상기 스위칭 소자와 접지단에 연결되어 상기 스위칭 소자의 구동 전류를 제어하는 저항을 포함하는 순차 전류 구동부와;
   상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터의 제1단 사이에 연결되어 상기 발광 다이오드부로부터 상기 캐패시터로 전류 경로를 형성하는 제1 다이오드와, 상기 발광 다이오드부와 상기 캐패시터의 제1단 사이에 연결되어 상기 캐패시터로부터 상기 발광 다이오드부로 전류 경로를 형성하는 제2 다이오드와, 접지단과 상기 캐패시터의 제2단 사이에 연결되어 상기 스위칭 소자로부터 상기 캐패시터로 전류 경로를 형성하는 제3 다이오드를 포함하는 충방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 소자는,
   상기 발광 다이오드부와 상기 제1 다이오드 사이에 드레인 단자가 연결되고, 상기 저항에 소스 단자가 연결되는 제1 MOSFET과;
   상기 캐패시터와 연결되는 경로 상에 드레인 단자가 연결되고, 상기 저항에 소스 단자가 연결되는 제2 MOSFET을 포함하고,
   상기 충방전 제어부는,
   상기 캐패시터와 상기 제2 MOSFET의 전류 경로 상에 연결되며, 상기 방전 구간 시 상기 제1 MOSFET로부터 상기 제2 MOSFET으로 전류가 흐르지 않도록 하는 제4 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제4 다이오드는 상기 캐패시터의 제2단에 애노드가 연결되고, 상기 제2 MOSFET의 드레인 단자에 캐소드가 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제4 다이오드는 제2 MOSFET의 소스 단자에 애노드가 연결되고, 상기 저항에 캐소드가 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 발광 다이오드부의 캐소드 단과 상기 제1 MOSFET의 드레인 단자를 연결하는 경로 상에 위치하며, 발광 다이오드 구동 전류를 증가시키는 전류 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
6. 제2항에 있어서,
   상기 제3 다이오드는 상기 순차전류 구동부의 집적화 시 제2 MOSFET의 드레인-GND 간에 기생적으로 형성되는 기생 다이오드인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 발광 다이오드부와 병렬로 연결되어 있는 병렬 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 순차 전류 구동부는,
   상기 제1 MOSFET의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제1 OP 앰프와,
   상기 제2 MOSFET의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제2 OP 앰프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
9. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 순차 전류 구동부는,
   상기 제1 MOSFET의 드레인 단자에 직렬로 연결되어, 바이어스 전압이 제3단 또는 게이트 단자로 인가되는 제1 캐스코드 소자와;
   상기 제2 MOSFET의 드레인 단자에 직렬로 연결되어, 바이어스 전압이 제3단 또는 게이트 단자로 인가되는 제2 캐스코드 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 순차 전류 구동부는,
    상기 제1 MOSFET의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제1 OP 앰프와
    상기 제2 MOSFET의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제2 OP 앰프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 순차 전류 구동부는,
    서로 다른 입력 전압 레벨에 따라 상기 발광 다이오드부에 흐르는 전류의 경로를 제어하는 제1 MOSFET과,
    상기 캐패시터에 흐르는 전류의 경로를 제어하는 제2 MOSFET과,
    상기 제1 MOSFET의 드레인 단자에 바이어스 전압이 게이트로 인가되는 바이어스용 제3 MOSFET과,
    상기 제2 MOSFET의 드레인 단자에 바이어스 전압이 게이트로 인가되는 바이어스용 제4 MOSFET을 포함하고,
    상기 충방전 제어부는,
    상기 제4 MOSFET의 소스 단자에 애노드가 연결되고, 상기 제2 MOSFET의 드레인 단자에 캐소드가 연결되는 제4 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 순차 전류 구동부는,
    상기 제1 MOSFET의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제1 OP 앰프와
    상기 제2 MOSFET의 게이트 단자에 출력단이 연결되어 있는 제2 OP 앰프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
13. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는,
    BJT(Baltic Juice Terminal), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 MOSFET 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
14. 제11항에 있어서,
    상기 제3 다이오드는 순차 전류구동부의 집적화 시 제4 MOSFET의 드레인-GND 간에 기생적으로 형성되는 기생 다이오드인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.

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