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KR101809996B1 - 깜빡임 현상이 개선된 led 조명 장치 - Google Patents

깜빡임 현상이 개선된 led 조명 장치 Download PDF

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Publication number
KR101809996B1
KR101809996B1 KR1020160054171A KR20160054171A KR101809996B1 KR 101809996 B1 KR101809996 B1 KR 101809996B1 KR 1020160054171 A KR1020160054171 A KR 1020160054171A KR 20160054171 A KR20160054171 A KR 20160054171A KR 101809996 B1 KR101809996 B1 KR 101809996B1
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KR
South Korea
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led
transistor
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KR1020160054171A
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KR20170124365A (ko
Inventor
정덕균
김현창
Original Assignee
서울대학교 산학협력단
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Publication date
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명은 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치에 관한 것으로, 두 개의 병렬 연결되는 컨버터 방식의 LED 구동회로를 활용하여 항상 LED 부하(load)에 거의 일정한 전류를 공급함으로써, AC입력 전원을 사용할 경우 발생할 수 있는 깜빡임(flicker) 현상을 제거하고, 동시에 높은 역률(power factor)을 달성할 수 있도록 한 것이다.

Description

깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치{LED apparatus for improving flicker effect}
본 발명은 LED 조명 장치에 관련한 것으로, 특히 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치에 관한 것이다.
LED 구동 회로에서는 AC 입력 전원 주파수의 2배인 100~120Hz의 주파수를 가지는 깜빡임(flicker)이 발생할 수 있으며, 깜빡임(flicker) 현상은 일반적으로 사람들이 볼 수 없거나 인지할 수 없지만, 두통이나 눈의 피로감 등의 나쁜 영향을 끼친다.
깜빡임(flicker) 현상을 없애려면 LED 광원의 밝기가 거의 일정하게 유지되어야 하며, LED의 밝기는 LED에 흐르는 전류에 크게 영향을 받으므로, 일반적으로 LED 부하(load)에 흐르는 전류의 양을 조절하여 항상 거의 일정한 전류가 흐르도록 제어해야 한다.
대한민국 등록특허 제10-1211094호(2012. 12. 05)에서 AC 입력 전압을 DC 중간 전압으로 변환하는 AC/DC 컨버터 및 DC 중간 전압을 DC 출력 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함하는 피드백 제어 방식으로 LED를 구동하는 플리커 방지 기능을 가지는 엘이디 형광등을 제안하고 있다.
본 발명자는 두 개의 병렬 연결되는 컨버터 방식의 LED 구동회로를 활용하여 항상 LED 부하(load)에 거의 일정한 전류를 공급함으로써, AC입력 전원을 사용할 경우 발생할 수 있는 깜빡임(flicker) 현상을 제거하고, 동시에 0.9 이상의 높은 역률(power factor)을 달성할 수 있는 기술에 대한 연구를 하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-1211094호(2012. 12. 05)
본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 두 개의 병렬 연결되는 컨버터 방식의 LED 구동회로를 활용하여 LED 부하(load)에 거의 일정한 전류를 공급함으로써, AC입력 전원을 사용할 경우 발생할 수 있는 깜빡임(flicker) 현상을 제거하고, 동시에 높은 역률(power factor)을 달성할 수 있는 LED 조명 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치가 적어도 하나의 LED와; 상기 적어도 하나의 LED가 특정값 이상의 역률(Power Factor)을 만족하도록 역률 보정(PFC : Power Factor Correction) 제어를 수행하는 제1컨버터와; 상기 제1컨버터와 병렬 연결되어, 상기 적어도 하나의 LED의 깜빡임(Flicker) 현상을 개선하기 위해 상기 적어도 하나의 LED에 일정한 전류가 흐르도록 제어하는 제2컨버터를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제1컨버터는 일정한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 제어되고, 불연속 전도 모드(DCM : Discontinuous Conduction Mode)에서 동작하여 입력전류가 입력전압에 비례하는 파형을 가지도록 함으로써 역률 보정(PFC : Power Factor Correction)을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제2컨버터는 상기 적어도 하나의 LED에 흐르는 전류를 감지하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 피드백(Feedback) 제어를 통해 상기 적어도 하나의 LED에 일정한 전류가 흐르도록 하여 상기 적어도 하나의 LED의 깜빡임(Flicker) 현상을 개선하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제1컨버터가 일정한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 턴온 또는 턴오프되는 트랜지스터(M1)와; 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 에너지를 저장하고, 턴오프시 저장된 에너지를 이용해 제2컨버터로 전류를 인가하는 저장 캐패시터(CSTO)와; 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 상기 저장 캐패시터(CSTO)와 함께 에너지를 저장하되, 저장 캐패시터(CSTO)와 LC 필터를 형성하여 인가되는 전류의 고조파 성분을 제거하는 인덕터(L1)와; 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 상기 인덕터(L1)에 인가되는 전류의 통로 역할을 수행하는 다이오드(D1)를; 포함하는 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제1컨버터가 상기 저장 캐패시터(CSTO)와 접지(Ground)간에 연결되어, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 역전류를 방지하고, 상기 트랜지스터(M1)의 턴오프시 도통되는 다이오드(D2)를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제2컨버터가 피드백 전류 조정을 위한 저항(RS)과; 상기 저항(RS)에 의해 조정되어 피드백되는 전류에 기인하는 전압과 기준전압(VREF)의 비교에 의한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 턴온 또는 턴오프되는 트랜지스터(M2)와; 상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 에너지를 저장하고, 턴오프시 저장된 에너지를 이용해 적어도 하나의 LED로 전류를 인가하는 저장 캐패시터(COUT)와; 상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 상기 저장 캐패시터(COUT)와 함께 에너지를 저장하되, 저장 캐패시터(COUT)와 LC 필터를 형성하여 인가되는 전류의 고조파 성분을 제거하는 인덕터(L2)와; 상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 상기 인덕터(L1)에 인가되는 전류의 통로 역할을 수행하는 다이오드(D3)를; 포함하는 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치가 상기 제1컨버터와, 제2컨버터의 PWM 제어를 위한 제어부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제어부가 일정한 듀티 사이클의 PWM 신호를 생성하여 제1컨버터로 인가하는 제1제어부와; 제2컨버터로부터 피드백되는 신호에 의한 듀티 사이클의 PWM 신호를 생성하여 제2컨버터로 인가하는 제2제어부를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치가 입력 교류(AC) 전원을 직류(DC)로 정류하는 정류부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치가 상기 정류부에 의해 정류된 직류(DC)를 평활하는 평활부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 두 개의 병렬 연결되는 컨버터 방식의 LED 구동회로를 활용하여 LED 부하(load)에 거의 일정한 전류를 공급함으로써, AC입력 전원을 사용할 경우 발생할 수 있는 깜빡임(flicker) 현상을 제거하고, 동시에 높은 역률(power factor)을 달성할 수 있으므로, 안정적인 LED 조명장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 에너지 흐름 컨셉 및 입출력 파형을 예시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 제1컨버터 동작 모드에 따른 전류 흐름을 예시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 제1컨버터 동작 모드에서의 이론적인 전압 및 전류 파형을 예시한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 제1컨버터 동작 모드에서의 측정된 전압 및 전류 파형을 예시한 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 제1컨버터 동작 모드에서의 입력 전압, 전류 및 두 컨버터에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치(100)는 적어도 하나의 LED(110)와, 제1컨버터(120)와, 상기 제1컨버터와 병렬 연결되는 제2컨버터(130)를 포함한다.
상기 적어도 하나의 LED(110)는 제2컨버터(130)에 연결되며, 제1컨버터(120)에 의해 특정값 이상의 역률(Power Factor)을 만족하도록 역률 보정(PFC : Power Factor Correction)되고, 제2컨버터(130)에 의해 일정한 전류가 흐르도록 제어되어 깜빡임(Flicker) 현상이 개선될 수 있다.
상기 제1컨버터(120)는 상기 적어도 하나의 LED(110)가 특정값 이상의 역률(Power Factor)을 만족하도록 역률 보정(PFC : Power Factor Correction) 제어를 수행한다.
이 때, 상기 제1컨버터(120)가 일정한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 제어되고, 불연속 전도 모드(DCM : Discontinuous Conduction Mode)에서 동작하여 입력전류가 입력전압에 비례하는 파형을 가지도록 함으로써 역률 보정(PFC : Power Factor Correction)을 수행하도록 구현될 수 있다.
상기 제2컨버터(130)는 상기 제1컨버터(120)와 병렬 연결되어, 상기 적어도 하나의 LED(110)의 깜빡임(Flicker) 현상을 개선하기 위해 상기 적어도 하나의 LED(110)에 일정한 전류가 흐르도록 제어한다.
이 때, 상기 제2컨버터(130)가 상기 적어도 하나의 LED(110)에 흐르는 전류를 감지하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 피드백(Feedback) 제어를 통해 상기 적어도 하나의 LED(110)에 일정한 전류가 흐르도록 하여 상기 적어도 하나의 LED(110)의 깜빡임(Flicker) 현상을 개선하도록 구현될 수 있다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 두 개의 병렬 연결되는 컨버터 방식의 LED 구동회로를 활용하여 LED 부하(load)에 거의 일정한 전류를 공급함으로써, AC입력 전원을 사용할 경우 발생할 수 있는 깜빡임(flicker) 현상을 제거하고, 동시에 높은 역률(power factor)을 달성할 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제1컨버터(120)가 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 부스트(Boost) 컨버터 또는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터 형태로 구현될 수 있다.
예컨대, 상기 제1컨버터(120)가 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)로 구현된 경우, 트랜지스터(M1)와, 저장 캐패시터(CSTO)와, 인덕터(L1)와, 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
상기 트랜지스터(M1)는 소스(Source)는 접지(Ground)와 연결되고, 드레인(Drain)은 다이오드(D1)의 애노드(Anode)와 인덕터(L1)간에 연결되며, 게이트(Gate)에 인가되는 일정한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 턴온 또는 턴오프된다.
예컨대, 저장 캐패시터(CSTO)에 충전된 전압(vsto)이 기준전압(VREF _2) 이상일 경우 트랜지스터(M1)가 턴오프되고, 저장 캐패시터(CSTO)에 충전된 전압(vsto)이 기준전압(VREF_2) 미만일 경우 트랜지스터(M1)가 턴온되도록 구현될 수 있다.
상기 저장 캐패시터(CSTO)는 일측은 전원 입력단과 다이오드(D1)의 캐소드(Cathode)간에 연결되고, 타측은 인덕터(L1)에 연결되며, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 에너지를 저장하고, 턴오프시 저장된 에너지를 이용해 제2컨버터(130)로 전류를 인가한다.
상기 인덕터(L1)는 일측은 저장 캐패시터(CSTO)에 연결되고, 타측은 트랜지스터(M1)의 드레인(Drain)과 다이오드(D1)의 애노드(Anode)간에 연결되며, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 상기 저장 캐패시터(CSTO)와 함께 에너지를 저장하되, 저장 캐패시터(CSTO)와 LC 필터를 형성하여 인가되는 전류의 고조파 성분을 제거한다.
상기 다이오드(D1)는 애노드(Anode)는 트랜지스터(M1)의 드레인(Drain)과 인덕터(L1)간에 연결되고, 캐소드(Cathode)는 전원 입력단과 저장 캐패시터(CSTO)간에 연결되며, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 상기 인덕터(L1)에 인가되는 전류의 통로 역할을 수행한다.
한편, 상기 제1컨버터(120)가 상기 저장 캐패시터(CSTO)와 접지(Ground)간에 연결되어, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 역전류를 방지하고, 상기 트랜지스터(M1)의 턴오프시 도통되는 다이오드(D2)를 더 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3 을 참조하여 상기 제1컨버터(120)의 동작을 알아본다. 도 2 는 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 에너지 흐름 컨셉 및 입출력 파형을 예시한 도면이다. 도 3 은 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 제1컨버터 동작 모드에 따른 전류 흐름을 예시한 도면이다.
적어도 하나의 LED(110)의 높은 역률(Power Factor)을 달성하기 위해서는 입력 전류(iin)가 입력 전압(vac)과 비슷해야만 한다. 트랜지스터(M1)가 턴온된 동작 모드1에서는 입력 전력(Power)이 출력 전력(Power) 보다 큰 구간이므로, 저장 캐패시터(CSTO)에 에너지를 저장한다.
한편, 트랜지스터(M1)가 턴오프된 동작 모드2에서는 입력 전원으로부터 에너지를 전달받지 않고, 저장 캐패시터(CSTO)에 저장해 두었던 에너지를 활용하여 적어도 하나의 LED(110)에 일정한 전류를 공급한다.
제2컨버터(130)는 제1컨버터(120)의 동작에 상관없이 독립적으로 동작한다. 트랜지스터(M1)가 턴온된 동작 모드1에서 iin = i1 + i2의 관계가 성립하고, 제2컨버터(130)는 제1컨버터(120)의 동작 모드에 관계없이 적어도 하나의 LED(110)에 일정한 전류(ILED)가 흐르도록 제어된다.
제1컨버터(120)는 일정한 듀티 사이클(duty cycle)의 PWM 신호를 통해 제어되며, 불연속 전도 모드(DCM : Discontinuous Conduction Mode)에서 동작한다. 불연속 전도 모드(DCM)에서 동작할 경우, 제1컨버터(120)의 입력 전류(i1)가 입력 전압에 거의 비례하는 파형을 가지므로, 역률 보정(PFC : Power Factor Correction) 기능을 수행할 수 있다. 제1컨버터(120)에는 출력 부하(Output Load)가 없으므로 vsto 전압은 제1모드 구간에서 계속해서 증가한다.
vsto 전압이 vac 전압보다 커지게 되면, 제1컨버터(120)의 트랜지스터(M1)가 턴오프된 동작 모드2가 되고, 저장 캐패시터(CSTO)에 저장되었던 에너지가 제2컨버터(130)를 통해 적어도 하나의 LED(110)로 전달된다. 이에 따라, vsto 전압은 계속해서 감소하고, i2 = -i1의 관계가 성립한다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제2컨버터(130)가 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 부스트(Boost) 컨버터 또는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터 형태로 구현될 수 있다.
예컨대, 상기 제2컨버터(130)가 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)로 구현된 경우, 저항(RS)과, 트랜지스터(M2)와, 저장 캐패시터(COUT)와, 인덕터(L2)와, 다이오드(D3)를 포함할 수 있다.
상기 저항(RS)은 일측은 트랜지스터(M2)의 소스와 연결되고, 타측은 접지(Ground)와 연결되며, 트랜지스터(M2)의 턴온 또는 턴오프 제어를 위한 피드백 전류를 조정한다.
상기 트랜지스터(M2)는 소스(Source)는 접지(Ground)와 연결되고, 드레인(Drain)은 다이오드(D3)의 애노드(Anode)와 인덕터(L2)간에 연결되며, 게이트(Gate)에 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 턴온 또는 턴오프된다.
이 때, 트랜지스터(M2)의 게이트(Gate)에 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호는 상기 저항(RS)에 의해 조정되어 피드백되는 전류에 기인하는 전압(vs)과 기준전압(VREF)의 비교에 의한 듀티 사이클(Duty Cycle)을 가진다.
예컨대, 저항(RS)에 의해 조정되어 피드백되는 전류에 의한 전압(vs)이 기준전압(VREF) 이상일 경우 트랜지스터(M2)가 턴오프되고, 저항(RS)에 의해 조정되어 피드백되는 전류에 의한 전압(vs)이 기준전압(VREF) 미만일 경우 트랜지스터(M2)가 턴온되도록 구현될 수 있다.
상기 저장 캐패시터(COUT)는 일측은 전원 입력단과 제1컨버터(120) 및 다이오드(D1)의 캐소드(Cathode)에 연결되고, 타측은 인덕터(L2)에 연결되며, 동시에 저장 캐패시터(COUT) 양단이 적어도 하나의 LED(110) 양단에 연결되어 상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 적어도 하나의 LED(110)에 의해 소비되고 남는 에너지를 저장하고, 턴오프시 저장된 에너지를 이용해 적어도 하나의 LED(110)로 전류를 인가한다.
상기 인덕터(L2)는 일측은 저장 캐패시터(Cout)에 연결되고, 타측은 트랜지스터(M2)의 드레인(Drain)과 다이오드(D3)의 애노드(Anode)간에 연결되며, 상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 상기 저장 캐패시터(COUT)와 함께 적어도 하나의 LED(110)에 의해 소비되고 남는 에너지를 저장하되, 저장 캐패시터(COUT)와 LC 필터를 형성하여 인가되는 전류의 고조파 성분을 제거한다.
상기 다이오드(D3)는 애노드(Anode)는 트랜지스터(M2)의 드레인(Drain)과 인덕터(L2)간에 연결되고, 캐소드(Cathode)는 전원 입력단과 제1컨버터(120) 및 저장 캐패시터(COUT)간에 연결되며, 상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 상기 인덕터(L2)에 인가되는 전류의 통로 역할을 수행한다.
제2컨버터(130)는 제1컨버터(120)의 동작 모드와 상관없이 독립적으로 동작한다. 저항(RS)에 의해 조정되어 피드백되는 전류에 의한 전압(vs)이 기준전압(VREF) 미만일 경우 트랜지스터(M2)가 턴온되어 적어도 하나의 LED(110)에 의해 소비되고 남는 에너지를 저장 캐패시터(COUT)에 저장하고, 저항(RS)에 의해 조정되어 피드백되는 전류에 의한 전압(vs)이 기준전압(VREF) 이상일 경우 트랜지스터(M2)가 턴오프되어 저장 캐패시터(COUT)에 저장된 에너지를 이용해 적어도 하나의 LED(110)로 전류를 인가함으로써 적어도 하나의 LED(110)에 일정한 전류가 흐르도록 하여 적어도 하나의 LED(110)의 깜빡임(Flicker) 현상을 개선한다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치(100)가 제어부(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(140)는 상기 제1컨버터(120)와, 제2컨버터(130)의 PWM 제어를 수행한다.
이 때, 상기 제어부(140)가 일정한 듀티 사이클의 PWM 신호를 생성하여 제1컨버터(120)로 인가하는 제1제어부(141)와, 제2컨버터(130)로부터 피드백되는 신호에 의한 듀티 사이클의 PWM 신호를 생성하여 제2컨버터(130)로 인가하는 제2제어부(142)를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 제1제어부(141)가 제1컨버터(120)의 저장 캐패시터(CSTO)에 충전된 전압(vsto)과 기준전압(VREF _ 2)을 비교한 값을 이용하여 제1컨버터(120)의 트랜지스터(M1)의 게이트에 인가되는 PWM 신호의 듀티(Duty)를 제어하도록 구현될 수 있다.
예컨대, 상기 제2제어부(142)가 제2컨버터(130)의 저항(RS)에 의해 조정되어 피드백되는 전류에 의한 전압(vs)과 기준전압(VREF)을 비교한 값을 이용하여 제2컨버터(130)의 트랜지스터(M2)의 게이트에 인가되는 PWM 신호의 듀티(Duty)를 제어하도록 구현될 수 있다.
이 때, 기준전압(VREF) 값을 조정함에 의해 적어도 하나의 LED(110)에 흐르는 전류량이 조정되도록 제어하고, 제1인버터(120)의 저장 캐패시터(CSTO)의 양단 전압 vsto도 시간이 지남에 따라 일정한 범위의 값으로 설정할 수 있으므로, 적어도 하나의 LED(110)에 대한 아날로그 디밍(Dimming)이 가능해질 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치(100)가 정류부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 정류부(150)는 입력 교류(AC) 전원을 직류(DC)로 정류한다. 예컨대, 상기 정류부(150)가 풀브리지 정류기(Full Bridge Rectifier) 형태로 구현될 수 있다.
제1컨버터(120)의 트랜지스터(M1)의 턴온시에는 입력 교류(AC) 전원은 정류부(150)에 의해 정류되어, 제1컨버터(120) 및 제2컨버터(130)로 전원을 입력하고, 제1컨버터(120)의 트랜지스터(M1)의 턴오프시에는 정류부(150)가 동작하지 않아 제1컨버터(120)의 저장 캐패시터(CSTO)에 저장된 에너지만 제2컨버터(130)를 통해 적어도 하나의 LED(110)로 인가되도록 한다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치(100)가 평활부(160)를 더 포함할 수 있다. 상기 평활부(160)는 상기 정류부(150)에 의해 정류된 직류(DC)로부터 고조파 잡음을 제거하여 안정된 전압으로 평활한다. 예컨대, 평활부(160)가 파이형 EMI 필터(ElectroMagnetic Interference Filter) 형태로 구현될 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 제1컨버터 동작 모드에서의 이론적인 전압 및 전류 파형을 예시한 도면, 도 5 는 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 제1컨버터 동작 모드에서의 측정된 전압 및 전류 파형을 예시한 도면, 도 6 은 본 발명에 따른 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치의 제1컨버터 동작 모드에서의 입력 전압, 전류 및 두 컨버터에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면이다.
도 4 는 제1인버터(120)의 동작모드에 따른 이론적인 전압 및 전류 파형을 나타낸 것이고, 도 5 와 도 6 은 입력전압으로 AC 110 Vrms(60 Hz)를 사용하여 실험을 수행한 실험 결과 파형으로, 입력 전압 및 전류, 저장 캐패시터의 양단 전압의 파형을 나타낸 것이다.
실험 결과, 역률(Power Factor)은 0.91이고, 적어도 하나의 LED에 흐르는 전류는 약 342mA로 6% 정도의 전류 리플을 가짐을 볼 수 있다. 따라서, 0.9 이상의 높은 역률(Power Factor)을 가지면서, 동시에 LED 부하(Load)에 거의 일정한 전류를 공급할 수 있어 깜빡임(flicker) 없이 동작 가능한 LED 조명 장치가 구현되었음을 볼 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 두 개의 병렬 연결되는 컨버터 방식의 LED 구동회로를 활용하여 항상 LED 부하(load)에 거의 일정한 전류를 공급함으로써, AC입력 전원을 사용할 경우 발생할 수 있는 깜빡임(flicker) 현상을 제거하고, 동시에 높은 역률(power factor)을 달성할 수 있으므로, 안정적인 LED 조명장치를 제공할 수 있다.
더욱이, 종래의 two-stage 기반의 AC-DC LED 구동회로의 경우, 캐스케이드(cascaded) 구조이기 때문에 입력에서부터 LED 부하(load)로 전달되는 모든 전력(Power)이 2번 변환되므로, 상대적으로 효율이 낮은 반면에, 본 발명은 대부분의 전력(Power)이 입력에서부터 LED 부하(load)로 1번의 변환을 통해 직접 전달되므로, 더 높은 효율을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 변형된 벅 컨버터(buck converter) 형태인 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter) 2개를 병렬 연결하여, 각 출력단 저장 커패시터의 전압 스트레스(voltage stress)를 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명은 병렬 연결된 2개의 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)를 활용함으로써, 제어해야 하는 트랜지스터(Transistor) 2개가 모두 접지(Ground)에 연결되어 동작하므로, 일반적인 벅 컨버터(buck converter)에서 필요한 부가적인 부트스트래핑(bootstrapping) 회로가 필요하지 않기 때문에 비용 및 복잡성을 줄일 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 LED 조명 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : LED 조명 장치
110 : LED
120 : 제1컨버터
130 : 제2컨버터
140 : 제어부
141 : 제1제어부
142 : 제2제어부
150 : 정류부
160 : 평활부

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 LED와;
    상기 적어도 하나의 LED가 특정값 이상의 역률(Power Factor)을 만족하도록 역률 보정(PFC : Power Factor Correction) 제어를 수행하되, 일정한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 턴온 또는 턴오프되는 트랜지스터(M1)와, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 에너지를 저장하고, 턴오프시 저장된 에너지를 이용해 제2컨버터로 전류를 인가하는 저장 캐패시터(CSTO)와, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 상기 저장 캐패시터(CSTO)와 함께 에너지를 저장하되, 저장 캐패시터(CSTO)와 LC 필터를 형성하여 인가되는 전류의 고조파 성분을 제거하는 인덕터(L1)와, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 상기 인덕터(L1)에 인가되는 전류의 통로 역할을 수행하는 다이오드(D1)를 포함하는 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)인 제1컨버터와;
    상기 제1컨버터와 병렬 연결되어, 상기 적어도 하나의 LED의 깜빡임(Flicker) 현상을 개선하기 위해 상기 적어도 하나의 LED에 일정한 전류가 흐르도록 제어하는 제2컨버터와;
    일정한 듀티 사이클의 PWM 신호를 생성하여 상기 제1컨버터로 인가함으로써 제1컨버터가 불연속 전도 모드(DCM : Discontinuous Conduction Mode)에서 동작하도록 제어하여 입력전류가 입력전압에 비례하는 파형을 가지도록 함으로써 상기 LED의 역률을 보상하는 동시에 제2컨버터로부터 피드백되는 신호에 의한 듀티 사이클의 PWM 신호를 생성하여 제2컨버터로 인가함으로써 상기 LED에 일정한 전류가 흐르도록 하여 LED의 깜빡임(Flicker) 현상을 개선하는 제어부를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1컨버터가:
    상기 저장 캐패시터(CSTO)와 접지(Ground)간에 연결되어, 상기 트랜지스터(M1)의 턴온시 역전류를 방지하고, 상기 트랜지스터(M1)의 턴오프시 도통되는 다이오드(D2)를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2컨버터가:
    피드백 전류 조정을 위한 저항(RS)과;
    상기 저항(RS)에 의해 조정되어 피드백되는 전류에 기인하는 전압과 기준전압(VREF)의 비교에 의한 듀티 사이클(Duty Cycle)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 턴온 또는 턴오프되는 트랜지스터(M2)와;
    상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 에너지를 저장하고, 턴오프시 저장된 에너지를 이용해 적어도 하나의 LED로 전류를 인가하는 저장 캐패시터(COUT)와;
    상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 상기 저장 캐패시터(COUT)와 함께 에너지를 저장하되, 저장 캐패시터(COUT)와 LC 필터를 형성하여 인가되는 전류의 고조파 성분을 제거하는 인덕터(L2)와;
    상기 트랜지스터(M2)의 턴온시 상기 인덕터(L1)에 인가되는 전류의 통로 역할을 수행하는 다이오드(D3)를;
    포함하는 반전 벅 컨버터(Inverted Buck Converter)인 것을 특징으로 하는 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부가:
    일정한 듀티 사이클의 PWM 신호를 생성하여 제1컨버터로 인가하는 제1제어부와;
    제2컨버터로부터 피드백되는 신호에 의한 듀티 사이클의 PWM 신호를 생성하여 제2컨버터로 인가하는 제2제어부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치가:
    입력 교류(AC) 전원을 직류(DC)로 정류하는 정류부를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치가:
    상기 정류부에 의해 정류된 직류(DC)를 평활하는 평활부를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 현상이 개선된 LED 조명 장치.
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