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KR101357636B1 - 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 엘이디 구동 회로 - Google Patents

플리커 제거 기능의 고효율 직결형 엘이디 구동 회로 Download PDF

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KR101357636B1
KR101357636B1 KR1020120012755A KR20120012755A KR101357636B1 KR 101357636 B1 KR101357636 B1 KR 101357636B1 KR 1020120012755 A KR1020120012755 A KR 1020120012755A KR 20120012755 A KR20120012755 A KR 20120012755A KR 101357636 B1 KR101357636 B1 KR 101357636B1
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Abstract

본 발명은 직결형 LED 구동 회로에 관한 것으로서, 스위칭 소자를 상대적으로 작은 용량으로 설계할 수 있으며, 충전된 전하를 바이패스시키지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지하고, 플리커를 제거하며 또한 효율의 저하를 방지할 수 있도록 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로에 관한 것이다.
본 발명은, 입력 교류 전원을 브리지 다이오드(BD)를 거쳐 전파 정류된 전압으로 LED를 구동하는 직결형 LED 구동 회로에 있어서, LED 어레이의 애노드(anode)와 캐소드(cathod) 단자에 플리커 제거용 커패시터의 양단이 접속되어 하나의 LED 그룹을 이루고, 단일의 LED 어레이의 캐소드와 인접한 LED 어레이의 애노드 간에는 정류용 다이오드가 순방향으로 접속되어 복수의 LED 어레이 각각이 직렬로 연결되며, 상기 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 LED 어레이에 정류용 다이오드를 통해 접속되는 인접 LED 어레이의 캐소드 단자 간에는 병렬로 스위칭 소자가 연결되고, 상기 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 상기 LED 어레이의 캐소드에 접속된 정류용 다이오드는 상기 스위칭 소자의 'on', 'off' 동작에 따라 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공되도록 구성된 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로 및 그 실시예들을 제공한다.

Description

플리커 제거 기능의 고효율 직결형 엘이디 구동 회로 {A high efficiency direct driving circuit for LEDs with flickerless function}
본 발명은 직결형 엘이디 구동 회로에 관한 것으로서, 스위칭 소자를 상대적으로 작은 용량으로 설계할 수 있으며, 충전된 전하를 바이패스시키지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지하고, 플리커를 제거하며 또한 효율의 저하를 방지할 수 있도록 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로에 관한 것이다.
발광 다이오드를 조명으로서 사용하기 위한 구동회로로서, 교류 상용 전원을 전파 정류하고 이를 직접 복수의 발광 다이오드에 제공하는 직결형 LED 구동 회로 방식이 있다. 이 방식에 의한 발광 다이오드 구동회로는 스위칭 모드 전원(SMPS : witching Mode Power Supply)과 같이 복잡한 회로 구성을 사용하지 않으므로, 회로 소자의 경년 변화 등에 따른 구동 회로의 신뢰성이 높아 널리 사용되고 있다. 통상의 상용 전원에 대한 직결형 LED 구동 회로는 전파 정류 전압의 변동에 대한 점등 효율을 높히기 위해 입력 전압의 크기에 따라 복수의 LED 어레이를 스위칭하여 구동한다.
그러나 이 방식으로 구동되는 복수의 발광 다이오드에는 브리지 다이오드(BD)로부터 제공되는 전파 정류 전압의 변동에 따라 상용 전압 주파수의 2배에 해당하는 점멸(flicker) 현상이 발생하며, 또한 LED 어레이의 동적 저항(dynamic resistance)에 의해 상기 LED 어레이는 점등되지 않는 구간이 발생하게 되어 전체적인 밝기의 변동이 주기적으로 반복되어 나타나게 된다.
본 발명에 대한 배경 기술로서 도면 제1도에 도시된 미국특허공보 제7,649,326 B2호의 개별 LED 제어 기능의 고효율 직렬 스트링 LED 드라이버 기술이 있다. 이 기술은 정전류원이 넓은 범위의 출력 전압에 대해 고효율로 정전류를 생성하고 상기 전류를 직렬 연결된 스트링 LED의 일단에 제공하며 상기 스트링의 타단은 저항을 통해 접지로 연결된다. 상기 저항에 나타나는 전압은 직렬 스트링의 전류량으로서 정전류원에 피드백되며, 이로부터 정전류원은 넓은 범위의 출력 전압에 대해 일정 전류를 제공한다. 스트링 내의 LED 각각에는 전계 효과 트랜지스터가 병렬로 연결되고 각각의 전계 효과 트랜지스터의 게이트는 레벨 시프트 게이트 구동부로부터 제공되는 펄스폭 변조 제어 신호로써 구동된다. 상기 전계 효과 트랜지스터에 의해 LED가 바이패스되거나 전류가 제공되어 발광하며 전계 효과 트랜지스터 듀티비를 변조하여 LED 각각의 밝기를 전체 범위에 걸쳐 완만하게 변화시킬 수 있다. 그러나 이 기술에 의하면 상기 정전류원에 제공되는 전압이 전파 정류된 파형인 경우 상용 전원 주파수의 2배에 달하는 플리커(flicker)가 발생하며 또한 LED가 점등되지 않는 구간이 발생하므로 LED를 최대 밝기로 구동할 수 없는 제약을 가진다.
본 발명에 대한 다른 배경 기술로서 도면 제2도에 도시된 유럽공개특허 EP 2 288 234 A1호의 LED 구동회로와 그 방법에 관한 기술이 있다. 이 기술은 복수의 LED 어레이들과, 하나 이상의 분할 다이오드, 전원부, 구동부, 한조 이상의 스위치쌍, 전압 감지부를 구비한 LED 드라이버를 특징으로 한다. 각각의 LED 어레이는 직렬로 연결된 다수의 LED들로 구성되며, 분할 다이오드는 인접한 LED 어레이 간에 구비되며, 전원부는 외부 전원에 연결되어 DC 맥류 전원을 제공한다. 구동부는 DC 맥류전압을 제공받아 일정 전류를 LED 어레이에 제공하며, 전압 감지부는 스위치쌍을 개방하거나 단락하여 LED 어레이의 전기적 연결을 변경한다. 그러나 이 기술도 LED 어레이에 제공되는 전압이 DC 맥류 전원이므로 상용 전원 주파수의 2배에 달하는 플리커(flicker)가 발생하며 또한 LED가 점등되지 않는 구간이 발생하므로 LED의 구동 효율에 있어 한계가 있다.
본 발명에 대한 또 다른 배경 기술로서 본 발명의 동일 출원인에 의한 대한민국 등록특허 제10-0942234호의 발광 다이오드 조명장치 기술이 있다. 이 기술은 도면 제3도에 도시된 바와 같이, 교류 전원에 병렬로 접속되며, 적어도 하나의 LED로 이루어진 복수의 LED 어레이으로 어레이핑되며, 그 복수의 LED어레이이 직렬로 배열되고, 각 LED 어레이 사이와 마지막 LED 어레이의 캐소드단자에 각각 탭이 형성되어 있는 LED 어레이와; 기준전압을 생성하는 기준전압원과; 상기 교류 입력 전압의 증가 및 감소에 따라 기준전압을 기준으로 상기 각 LED어레이 별로 피크 전류를 효율적으로 제어하는 스위칭부를 포함하여 구성되어, 넓은 입력전압범위에서 고효율, 고효율 및 저고조파 특성을 갖는 발광다이오드 조명장치를 특징으로 한다. 그러나 이 기술도 상용 전원 주파수의 2배에 달하는 플리커(flicker)가 발생하며 또한 LED가 점등되지 않는 구간이 발생함으로써 LED를 최대 밝기와 효율로 구동할 수 없는 제약이 있다.
US 7649326 B2 EP 2288234 A1 KR 10-0942234 B1 US 20100194298 A1 KR 10-2007-0000963 A KR 10-2009-0060878 A KR 10-2008-0032090 A KR 10-2009-0010269 A
본 발명은, 직결형 LED 구동 회로 방식으로 구동되는 복수의 발광 다이오드에는 브리지 다이오드(BD)로부터 제공되는 전파 정류 전압의 변동에 따라 발생하는 상용 전압 주파수의 2배에 해당하는 점멸(flicker) 현상을 제거한 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한 본 발명은, 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지함으로써 스위칭 소자를 상대적으로 작은 용량으로 설계할 수 있도록 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
아울러 본 발명은 플리커 제거를 위해 커패시터에 충전된 전하를 바이패스시키지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 효율의 저하를 방지할 수 있게 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은,
입력 교류 전원을 브리지 다이오드(BD)를 거쳐 전파 정류된 전압으로 LED를 구동하는 직결형 LED 구동 회로에 있어서, 하나 이상의 LED 어레이가 직렬 연결되며, 단일 LED 어레이의 애노드(anode)와 캐소드(cathod) 단자에는 플리커 제거용 커패시터의 양단이 접속되어 하나의 LED 그룹을 이루고, 단일의 LED 어레이의 캐소드와 인접한 LED 어레이의 애노드 간에는 정류용 다이오드가 순방향으로 접속되어 복수의 LED 어레이 각각이 직렬로 연결되며, 상기 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 LED 어레이에 정류용 다이오드를 통해 접속되는 인접 LED 어레이의 캐소드 단자 간에는 병렬로 스위칭 소자가 연결되고, 상기 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 상기 LED 어레이의 캐소드에 접속된 정류용 다이오드는 상기 스위칭 소자의 'on', 'off' 동작에 따라 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공되도록 구성된 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로 및 그 실시예들을 과제의 해결 수단으로 제공한다.
본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로에 의하면,
직결형 LED 구동 회로 방식으로 구동되는 복수의 발광 다이오드에 발생하는 상용 전압 주파수의 2배에 해당하는 점멸(flicker) 현상을 제거하는 기술적 효과가 있다.
또한 본 발명은, 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지함으로써 스위칭 소자를 상대적으로 작은 용량으로 설계할 수 있도록 하는 효과가 있다. 아울러 본 발명은 플리커 제거를 위해 커패시터에 충전된 전하를 바이패스시키지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 효율의 저하를 방지할 수 있게 하는 작용 효과를 제공한다.
도면 제1도는 배경 기술로서 개별 LED 제어 기능의 고효율 직렬 스트링 LED 드라이버 기술의 구성
도면 제2도는 다른 배경 기술로서 LED 구동회로와 그 방법에 관한 기술의 구성
도면 제3도는 또 다른 배경 기술로서 발광 다이오드 조명장치 기술의 구성
도면 제4도는 직결형 LED 구동 회로의 기본 구성과 플리커(flicker) 제거 메카니즘
도면 제5도는 발광 다이오드의 V-I 특성과 동적 저항(dynamic resistance)
도면 제6도는 직결형 LED 구동 회로의 기본 구성에 대한 전압 전류의 관계
도면 제7도는 복수의 LED 어레이을 구동하는 직결형 LED 구동 회로 및 플리커 제거 구성의 일 실시예
도면 제8도는 직결형 LED 구동 회로 및 플리커 제거 구성에 대한 전류의 작용 관계
도면 제9도는 본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로의 기본 구성과 전류의 흐름
도면 제10도는 본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로의 제1 실시예
도면 제11도는 본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로의 제2 실시예
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 이에 따라 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 더욱 분명해 질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도면 제4도는 직결형 LED 구동 회로의 기본 구성과 플리커(flicker) 제거 메카니즘을 도시한다. 입력 교류 전원은 브리지 다이오드(BD)를 거쳐 전파 정류된 전압으로 LED 어레이로 제공된다. 상기 LED 어레이는 복수의 LED를 직렬로 연결하여 구비되며 상기 LED 어레이에 흐르는 전류를 제한하는 전류 제한 회로를 직렬로 연결하여, 브리지 다이오드(BD)로부터 제공되는 전파 정류된 전압의 변동에 대해 일정 전류를 LED 어레이에 공급하도록 한다. 이때 LED 어레이는 브리지 다이오드(BD)로부터 제공되는 전파 정류 전압의 변동에 따라 상용 전압 주파수의 2배에 해당하는 점멸(flicker) 현상이 발생하며, 또한 LED 어레이의 동적 저항(dynamic resistance)에 의해 상기 LED 어레이는 점등되지 않는 구간이 발생하게 되어 전체적인 밝기의 변동이 주기적으로 반복되어 나타나게 된다. 이 플리커 현상은 육안으로는 구분되지 않으나 산업용 조명이나 영상 처리 시스템을 위한 조명으로 사용되는 경우에 영상의 화질에 영향을 미치게 되고, 또한 LED 어레이의 발광 효율을 저하시키게 된다. 이에 대한 대책으로서 도면 제4도에 도시된 바와 같이 LED 어레이과 병렬로 커패시터를 연결하여 사용함으로써 플리커 현상을 개선할 수 있다.
도면 제5도는 발광 다이오드의 V-I 특성과 동적 저항(dynamic resistance)을 도시한다. 발광 다이오드는 단일의 PN 접합을 기본으로 순방향으로 인가되는 전압에 따른 전류를 빛으로 변환한다. 상기 발광 다이오드는 PN 접합의 공핍층(depletion layer)을 홀과 자유전자가 통과할 수 있는 전압으로서 0.6~0.7 V의 Vf1 이상 전압이 인가되어야 전류가 흐르기 시작하며, PN 접합부에 인가되는 전압에 따라 전류량이 증가한다. 따라서 다이오드의 동적 저항(dynamic resistance)은 Vf1 부근에서는 V-I 특성 곡선에 대한 접선의 기울기가 수평에 가까우므로 매우 큰 저항값을 가지게 되며, 인가 전압이 증가할수록 수직 방향으로 근접하므로 동적 저항이 감소하는 특성을 갖는다. 도면 제5도의 오른쪽의 그래프는 통상의 조명용 발광 다이오드의 V-I 특성의 예로서, 조명용 발광 다이오드는 복수의 발광 다이오드를 직렬로 연결하여 구현하므로 단일 접합의 발광 다이오드에 비해 순방향 전압 Vfn이 상대적으로 큰 값을 가진다. 예로서 AC 220 V 50 Watt 조명용 발광 다이오드의 경우, 84개의 발광 다이오드가 직렬로 연결되어 있으므로, 순방향 전압 Vfn은 0.6 V X 84 ≒ 50 V가 된다. 따라서, 상기 AC 220 V 50 Watt 조명용 발광 다이오드에 인가되는 전압이 50 V 이하인 경우 상기 조명용 발광 다이오드는 순방향 바이어스임에도 불구하고 차단 상태로서 점등이 되지 않게 된다.
도면 제6도는 직결형 LED 구동 회로의 기본 구성에 대한 전압 전류의 관계를 도시한다. 전술한 바와 같이 직결형 LED 구동 회로에서 LED 어레이에 전파 정류 전압이 제공되면 상용 전압 주파수의 2배에 해당하는 점멸(flicker) 현상이 발생하며, 또한 LED 어레이의 순방향 전압과 동적 저항(dynamic resistance)에 의해 상기 LED 어레이은 점등되지 않는 구간이 발생하게 되어 전체적인 밝기의 변동이 주기적으로 반복되어 나타나게 된다. 도면 제6도의 (a)는 LED 어레이에 전파 정류 전압 V가 제공될 때, LED 어레이의 순방향 전압 Vf에 대한 전류 IL을 도시한다. 직결형 LED 구동 회로에서 LED 어레이의 전류 IL은, 순방향 전압 Vf 부근에서 동적 저항(dynamic resistance)의 영향으로 미세한 전류가 흐르기 시작하여 순방향 전압 Vf이상의 위상각에서 흐르기 시작하므로 전파 정류 전압의 각 반파장 구간에서는 상기 LED 어레이이 점등되지 않는 구간 d가 발생함을 알 수 있다. 이러한 직결형 LED 구동 회로 대해 도면 제4도에서 설명한 바와 같이 LED 어레이와 병렬로 커패시터를 병렬로 연결하게 되면 도면 제6도의 (b)와 같이 LED 어레이의 전류 IL은 커패시터의 충방전에 의해 연속적으로 흐르게 되어 플리커 현상과 LED 어레이가 점등되지 않는 구간이 제거될 수 있다.
도면 제7도는 복수의 LED 어레이을 구동하는 직결형 LED 구동 회로 및 플리커 제거 구성의 일 실시예를 도시한다. 본 명세서의 배경 기술에서 설명된 바와 같이 통상의 상용 전원에 대한 직결형 LED 구동 회로는 전파 정류 전압의 변동에 대한 점등 효율을 높히기 위해 입력 전압의 크기에 따라 복수의 LED 어레이를 스위칭하여 구동한다. 도면 제7도의 회로에 대한 작용 관계는 다음과 같다. 상용 교류 전원으로부터 제공되는 전력은 브리지 다이오드를 통해 전파 정류되어 직결형 LED 구동 회로에 제공된다. 브리지 다이오드의 +와 - 단자에는 복수의 LED 어레이 G1~G4가 직렬 연결되고 또한 상기 복수의 LED 어레이들의 일단에는 전류 제한회로(current limit circuit)가 연결되어 복수의 LED 어레이에 일정 전류를 제공한다. 이때 브리지 다이오드의 + 단자에 연결된 최초의 LED 어레이 이후의 LED 어레이 각각에는 병렬로 스위칭 소자 SW1~SW3가 연결되어 상기 LED 어레이에 대해 브리지 다이오드로부터의 전원을 제공하거나 바이패스시킨다. 상기 스위칭 소자는 OP1, OP2 및 OP3로 구성된 비교기에 의해 구동되며, 기준 전압원과 LED 어레이 간의 인가 전압을 비교하여 기준 전압보다 LED 어레이 간의 인가 전압이 작은 경우 스위칭 소자를 'on'시키고, 기준 전압보다 LED 어레이 간의 인가 전압이 큰 경우 스위칭 소자를 'off'시킴으로써 입력 전압의 크기에 따른 LED 어레이의 구동을 제어한다. 도면 제7도의 예에서는 입력 전압이 작은 경우 OP1, OP2 및 OP3로 구성된 비교기는 SW1, SW2 및 SW3를 'on'시킴으로써 LED 어레이 G1만이 점등되고, 점차 입력 전압이 증가됨에 따라 SW1이 'off'되어 LED 어레이 G1과 G2가 점등된다,. 이어 SW2가 'off'되면 LED 어레이 G1, G2, G3가 점등되고, 최대 전압 구간에서는 SW1~SW3가 'off'되므로 전체 LED 어레이 G1~G4가 모두 점등된다. 이어 입력 전압의 감소 구간에서는 점등의 역순으로 스위칭 소자 SW1~SW3가 'on'되므로 LED 어레이들이 점등의 역순으로 소등된다.
상기의 직결형 LED 구동 회로에 대해 도면 제4도 내지 제6도에서 설명된 바와 같은 플리커 제거를 위해서는 각각의 LED 어레이 G1~G4에 병렬로 커패시터 C1~C4를 각각 연결할 수 있다. 그러나 상기의 구성은 플리커를 제거할 수는 있으나 후술할 효율의 문제를 야기한다.
도면 제8도는 도면 제7도의 직결형 LED 구동 회로 및 플리커 제거 구성에 대한 전류의 작용 관계를 도시한다. 도면 제8도의 도면에서 우측에 도시된 도면은 도면 제7도의 회로에 대해 LED 어레이 G1과 G2가 연결된 점을 중심으로 스위칭 소자 SW1이 'off' 상태에서 'on' 상태로 전이하는 경우 전류의 흐름을 도시한다. 입력 전압의 변동에 따라 LED 어레이 G2에 병렬로 연결된 스위칭 소자 SW1이 'on'되면, 스위칭 소자 SW1을 통해 바이패스되는 전류 IS1은 키르히호프의 전류 법칙에 따라,
IS1 = IG1-IG2+IC1+IC2
가 된다. 여기서 LED 어레이 G2와 커패시터 C2는 SW1에 의해 단락되므로 커패시터 C2에 충전되어 있던 전하는 IC2로서 모두 스위칭 소자 SW1을 통해 흐르게 되어 순간적으로 큰 돌입 전류가 흐르게 된다. 이에 대해 스위칭 소자 SW1은 불필요하게 큰 용량으로 설계되어야 할 뿐만 아니라, 전원으로부터 제공받은 전류를 커패시터 C2에 충전한 뒤 스위칭 소자 SW1을 통해 방전시키는 경로를 제공하게 되어 효율의 저하를 야기하게 된다. 이러한 현상은 커패시터를 병렬로 연결한 복수의 LED 어레이를 구동하는 직결형 LED 구동 회로에서 각각의 LED 어레이와 병렬로 연결된 스위칭 소자마다 발생되어 돌입 전류와 효율의 저하를 더욱 가중시키는 원인이 된다.
본 발명은 상기 스위칭 소자들이 'on'되면 커패시터에 충전된 전하를 바이패스시키지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지하고, 플리커를 제거하며 또한 효율의 저하를 방지하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로를 제공한다.
도면 제9도는 본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로의 기본 구성과 전류의 흐름을 도시한다.
본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로는 하나 이상의 복수의 LED 어레이 G1~G4가 직렬 연결되며, 상기 각각의 LED 어레이 사이에는 순방향으로 정류 다이오드 D1, D2, D3 및 D4가 직렬로 연결된다. 또한 상기 복수의 LED 어레이들의 일단에는 전류 제한회로(current limit circuit)가 직렬 연결되어 복수의 LED 어레이에 일정 전류를 제공한다. 상기 LED 어레이는 각각 플리커 방지를 위한 커패시터 C1~C4가 병렬로 연결되며 하나의 LED 어레이와 상기 하나의 LED 어레이에 병렬로 연결된 커패시터를 구동 단위로 한다. 이때 전원의 + 단자에 연결된 최초의 LED 어레이 이후의 LED 어레이 각각에는 병렬로 스위칭 소자 SW1~SW3가 연결되어 상기 LED 어레이에 대해 브리지 다이오드로부터의 전원을 제공하거나 바이패스시킨다. 상기 스위칭 소자는 하나의 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 하나의 LED 어레이에 병렬로 연결된 커패시터의 연결점으로부터 다음단의 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 다음단의 LED 어레이에 병렬로 연결된 커패시터의 연결점 간을 스위칭하며, 기준 전압원과 스위칭되는 LED 어레이 캐소드 단자 간의 인가 전압을 비교하여 기준 전압보다 스위칭되는 LED 어레이 캐소드 단자 전압이 작은 경우 스위칭 소자를 'on'시키고, 기준 전압보다 스위칭되는 LED 어레이 캐소드 단자의 전압이 큰 경우 스위칭 소자를 'off'시킴으로써 입력 전압의 크기에 따른 LED 어레이의 구동을 제어한다.
도면 제9도의 우측 도면은 LED 어레이 G1과 G2가 연결된 점을 중심으로 스위칭 소자 SW1이 'off' 상태에서 'on' 상태로 전이하는 경우 전류의 흐름을 도시한다. 입력 전압의 변동에 따라 LED 어레이 G2에 병렬로 연결된 스위칭 소자 SW1이 'on'되면, 스위칭 소자 SW1을 통해 바이패스되는 전류 IS1은 키르히호프의 전류 법칙에 따라,
IS1 = IG1-IG2+IC1
이 된다. 여기서 SW1이 'on'되면 커패시터 C2에 충전되어 있던 전하는 D1에 의해 차단되어 IC2로서 모두 LED 어레이 G2을 통해 흐르게 되어 점등 에너지로 사용된다.
상기의 구성을 일반적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로는, 하나 이상의 복수의 LED 어레이가 직렬 연결되며, 단일 LED 어레이의 애노드(anode)와 캐소드(cathod) 단자에는 플리커 제거용 커패시터의 양단이 접속되어 하나의 LED 그룹을 이루고, 단일의 LED 어레이의 캐소드와 인접한 LED 어레이의 애노드 간에는 정류용 다이오드가 순방향으로 접속되어 복수의 LED 어레이 각각이 직렬로 연결된다. 상기 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 LED 어레이에 정류용 다이오드를 통해 접속되는 인접 LED 어레이의 캐소드 단자 간에는 병렬로 스위칭 소자가 연결된다. 상기 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 상기 LED 어레이의 캐소드에 접속된 정류용 다이오드는 상기 스위칭 소자의 'on', 'off' 동작에 따라 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공된다. 이때 브리지 다이오드의 + 단자에 최초로 연결되는 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터는 스위칭 소자를 배제하여 입력 조건에 무관하게 상시 점등될 수 있도록 구성한다.
따라서 본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로에 의하면, 스위칭 소자를 상대적으로 작은 용량으로 설계될 수 있으며, 충전된 전하를 바이패스시키지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지하고, 플리커를 제거하며 또한 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
도면 제10도는 본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로의 제1 실시예를 도시한다.
상용 교류 전원으로부터 제공되는 전력은 브리지 다이오드를 통해 전파 정류되어 직결형 LED 구동 회로에 제공된다. 브리지 다이오드의 +와 - 단자에는 복수의 LED 어레이들의 일단이 직렬 연결되고 또한 상기 복수의 LED 어레이들의 타단에는 전류 제한회로(current limit circuit)가 연결되어 복수의 LED 어레이에 일정 전류를 제공한다.
단일 LED 어레이의 애노드(anode)와 캐소드(cathod) 단자에는 플리커 제거용 커패시터의 양단이 접속되어 하나의 LED 그룹을 이루고, 단일의 LED 어레이의 캐소드와 인접한 LED 어레이의 애노드 간에는 정류용 다이오드가 순방향으로 접속되어 복수의 LED 어레이 각각이 직렬로 연결된다. 상기 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 LED 어레이에 정류용 다이오드를 통해 접속되는 인접 LED 어레이의 캐소드 단자 간에는 병렬로 스위칭 소자가 연결된다. 상기 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 상기 LED 어레이의 캐소드에 접속된 정류용 다이오드는 상기 스위칭 소자의 'on', 'off' 동작에 따라 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공된다. 이때 브리지 다이오드의 + 단자에 최초로 연결되는 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터는 스위칭 소자를 배제하여 입력 조건에 무관하게 상시 점등될 수 있도록 구성한다.
상기 스위칭 소자는 OP1, OP2 및 OP3로 구성된 비교기에 의해 구동되며, 기준 전압원과 스위칭되는 LED 어레이의 캐소드 단자의 인가 전압을 비교하여 기준 전압보다 LED 어레이 케소드 단자의 인가 전압이 작은 경우 스위칭 소자를 'on'시키고, 기준 전압보다 LED 어레이 캐소드 단자의 인가 전압이 큰 경우 스위칭 소자를 'off'시킴으로써 입력 전압의 크기에 따른 LED 어레이의 구동을 제어한다.
도면 제10도의 예에서 입력 전압이 작은 경우 OP1, OP2 및 OP3로 구성된 비교기는 SW1, SW2 및 SW3를 'on'시킴으로써 플리커 제거용 커패시터 C1에 병렬 접속된 LED 어레이 G1만이 전류 제한 회로 CLC0를 통해 점등되고, 점차 입력 전압이 증가됨에 따라 SW1이 'off'되어 C1에 병렬 접속된 LED 어레이 G1과 C2에 병렬 접속된 G2가 전류 제한 회로 CLC0를 통해 점등된다. 이어 SW2가 'off'되면 LED 어레이 G1, G2, G3가 전류 제한 회로 CLC0를 통해 점등되고, 최대 전압 구간에서는 SW1~SW3가 'off'되므로 전체 LED 어레이 G1~G4가 모두 전류 제한 회로 CLC0를 통해 점등된다. 이어 입력 전압의 감소 구간에서는 점등의 역순으로 스위칭 소자 SW1~SW3가 'on'되므로 LED 어레이들이 점등의 역순으로 소등된다.
따라서 본 발명의 제1 실시예의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로는 플리커 제거용 커패시터에 충전된 전하를 바이패스시키지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지하고, 플리커를 제거하며 또한 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
도면 제11도는 본 발명의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로의 제2 실시예를 도시한다. 본 발명의 제2 실시예의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로는 전술한 플리커 제거용 커패시터의 용량이 큰 값으로 설정되는 경우에도 입력 전압의 트래킹(tracking)을 수행할 수 있도록 구성된다.
상용 교류 전원으로부터 제공되는 전력은 브리지 다이오드를 통해 전파 정류되고 정류용 다이오드 D0를 경유하여 직결형 LED 구동 회로에 제공된다. 브리지 다이오드의 + 단자에는 복수의 LED 어레이들이 직렬 연결되고 또한 상기 복수의 LED 어레이들의 일단은 전류 제한회로(current limit circuit)를 통해 브리지 다이오드의 - 단자로 연결되어 복수의 LED 어레이에 일정 전류를 제공한다.
단일 LED 어레이의 애노드(anode)와 캐소드(cathod) 단자에는 플리커 제거용 커패시터의 양단이 접속되어 하나의 LED 그룹을 이루고, 단일의 LED 어레이의 캐소드와 인접한 LED 어레이의 애노드 간에는 정류용 다이오드가 순방향으로 접속되어 복수의 LED 어레이 각각이 직렬로 연결된다. 상기 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 LED 어레이에 정류용 다이오드를 통해 접속되는 인접 LED 어레이의 캐소드 단자 간에는 병렬로 스위칭 소자가 연결된다. 상기 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 상기 LED 어레이의 캐소드에 접속된 정류용 다이오드는 상기 스위칭 소자의 'on', 'off' 동작에 따라 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공된다. 이때 브리지 다이오드의 + 단자에 최초로 연결되는 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터는 스위칭 소자를 배제하여 점등될 수 있도록 구성한다.
상기 스위칭 소자는 OP1, OP2 및 OP3로 구성된 비교기에 의해 구동되며, 다이오드 브리지에 의해 제공되는 전압을 스위칭 전압별로 분압하고 이를 기준 전압원과 비교하여 기준 전압보다 분압된 스위칭 전압이 작은 경우 스위칭 소자를 'on'시키고, 기준 전압보다 분압된 스위칭 전압이 큰 경우 스위칭 소자를 'off'시킴으로써 입력 전압의 크기에 따른 LED 어레이의 구동을 제어한다.
도면 제11도의 예에서 저항 R1, R2, R3 및 R4로 분압된 입력 전압이 작은 경우 OP1, OP2 및 OP3로 구성된 비교기는 SW1, SW2 및 SW3를 'on'시킴으로써 플리커 제거용 커패시터 C1에 병렬 접속된 LED 어레이 G1만이 전류 제한 회로 CLC0를 통해 점등되고, 점차 입력 전압이 증가됨에 따라 SW1이 'off'되어 C1에 병렬 접속된 LED 어레이 G1과 C2에 병렬 접속된 G2가 전류 제한 회로 CLC0를 통해 점등된다. 이어 SW2가 'off'되면 LED 어레이 G1, G2, G3가 전류 제한 회로 CLC0를 통해 점등되고, 최대 전압 구간에서는 SW1~SW3가 'off'되므로 전체 LED 어레이 G1~G4가 모두 전류 제한 회로 CLC0를 통해 점등된다. 이어 입력 전압의 감소 구간에서는 점등의 역순으로 스위칭 소자 SW1~SW3가 'on'되므로 LED 어레이들이 점등의 역순으로 소등된다.
따라서 본 발명의 제2 실시예의 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로는 플리커 제거용 커패시터에 충전된 전하를 바이패스시키지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지하고, 플리커를 제거하며 또한 효율의 저하를 방지할 뿐만 아니라 플리커 제거용 커패시터의 용량이 큰 값으로 설정되는 경우에도 입력 전압의 트래킹(tracking)을 수행할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
C1, C2, C3, C4 : 플리커 제거용 커패시터
G1, G2, G3, G4 : LED 어레이
OP1, OP2, OP3 : 비교기
SW1, SW2, SW3 :스위칭 소자
CLC0 : 전류 제한 회로 (current limiting circuit)

Claims (8)

  1. 입력 교류 전원을 브리지 다이오드(BD)를 거쳐 전파 정류된 전압으로 구동되는 LED 어레이와, 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 스위칭 소자에 의해 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공되도록 구성된 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로에 있어서,
    하나 이상의 LED 어레이가 직렬 연결되며,
    단일 LED 어레이의 애노드(anode)와 캐소드(cathod) 단자에는 플리커 제거용 커패시터의 양단이 접속되어 하나의 LED 그룹을 이루고,
    단일의 LED 어레이의 캐소드와 인접한 LED 어레이의 애노드 간에는 정류용 다이오드가 순방향으로 접속되어 복수의 LED 어레이 각각이 직렬로 연결되며,
    상기 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 LED 어레이에 정류용 다이오드를 통해 접속되는 인접 LED 어레이의 캐소드 단자 간에는 병렬로 스위칭 소자가 연결되고,
    상기 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 상기 LED 어레이의 캐소드에 접속된 정류용 다이오드는 상기 스위칭 소자의 'on', 'off' 동작에 따라 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공되도록 구성된 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로
  2. 청구항 제1항에 있어서 상기 하나 이상의 LED 어레이는,
    브리지 다이오드의 + 단자에 최초로 연결되는 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터는 스위칭 소자를 배제하여 구비되는 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로
  3. 입력 교류 전원을 브리지 다이오드(BD)를 거쳐 전파 정류된 전압으로 구동되는 LED 어레이와, 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 스위칭 소자에 의해 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공되도록 구성된 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로에 있어서,
    상용 교류 전원으로부터 제공되는 전력을 전파 정류하여 직결형 LED 구동 회로에 제공하는 브리지 다이오드;
    상기 브리지 다이오드의 +와 - 단자에는 복수의 LED 어레이들의 일단이 직렬 연결되고;
    또한 상기 복수의 LED 어레이들의 타단에는 전류 제한회로(current limit circuit)가 연결되어 복수의 LED 어레이에 일정 전류를 제공하며;
    단일 LED 어레이의 애노드(anode)와 캐소드(cathod) 단자에는 플리커 제거용 커패시터의 양단이 접속되어 하나의 LED 그룹을 이루고,
    단일의 LED 어레이의 캐소드와 인접한 LED 어레이의 애노드 간에는 정류용 다이오드가 순방향으로 접속되어 복수의 LED 어레이 각각이 직렬로 연결되며,
    상기 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 LED 어레이에 정류용 다이오드를 통해 접속되는 인접 LED 어레이의 캐소드 단자 간에는 병렬로 스위칭 소자가 연결되고,
    상기 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 상기 LED 어레이의 캐소드에 접속된 정류용 다이오드는 상기 스위칭 소자의 'on', 'off' 동작에 따라 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공되도록 하며,
    상기 스위칭 소자는 비교기에 의해 구동되며,
    상기 비교기는, 기준 전압원과 스위칭되는 LED 어레이의 캐소드 단자의 인가 전압을 비교하여 기준 전압보다 LED 어레이 캐소드 단자의 인가 전압이 작은 경우 스위칭 소자를 'on'시키고,
    기준 전압보다 LED 어레이 캐소드 단자의 인가 전압이 큰 경우 스위칭 소자를 'off'시킴으로써 입력 전압의 크기에 따른 LED 어레이의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로
  4. 청구항 제3항의 상기 복수의 LED 어레이들에 있어서,
    브리지 다이오드의 + 단자에 최초로 연결되는 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터는 스위칭 소자를 배제하여 구비되는 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로
  5. 청구항 제3항에 있어서 상기 스위칭 소자는 비교기에 의해 구동되며,
    상기 비교기는, 기준 전압원과 스위칭되는 LED 어레이의 캐소드 단자의 인가 전압을 비교하여 기준 전압보다 LED 어레이 캐소드 단자의 인가 전압이 작은 경우 스위칭 소자를 'on'시키고,
    기준 전압보다 LED 어레이 캐소드 단자의 인가 전압이 큰 경우 스위칭 소자를 'off'시킴으로써,
    플리커 제거용 커패시터에 병렬 접속된 LED 어레이들을 각각 전류 제한 회로를 통해 연결하여,
    입력 전압의 크기에 따른 LED 어레이의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로
  6. 입력 교류 전원을 브리지 다이오드(BD)를 거쳐 전파 정류된 전압으로 구동되는 LED 어레이와, 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 스위칭 소자에 의해 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공되도록 구성된 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로에 있어서,
    상용 교류 전원으로부터 제공되는 전력은 브리지 다이오드를 통해 전파 정류되고 정류용 다이오드 D0를 경유하여 직결형 LED 구동 회로에 제공되고,
    상기 브리지 다이오드의 +와 - 단자에는 복수의 LED 어레이들의 일단이 직렬 연결되고;
    또한 상기 복수의 LED 어레이들의 타단에는 전류 제한회로(current limit circuit)가 연결되어 복수의 LED 어레이에 일정 전류를 제공하며;
    단일 LED 어레이의 애노드(anode)와 캐소드(cathod) 단자에는 플리커 제거용 커패시터의 양단이 접속되어 하나의 LED 그룹을 이루고,
    단일의 LED 어레이의 캐소드와 인접한 LED 어레이의 애노드 간에는 정류용 다이오드가 순방향으로 접속되어 복수의 LED 어레이 각각이 직렬로 연결되며,
    상기 LED 어레이의 캐소드 단자와 상기 LED 어레이에 정류용 다이오드를 통해 접속되는 인접 LED 어레이의 캐소드 단자 간에는 병렬로 스위칭 소자가 연결되고,
    상기 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터 및 상기 LED 어레이의 캐소드에 접속된 정류용 다이오드는 상기 스위칭 소자의 'on', 'off' 동작에 따라 브리지 다이오드의 + 단자로부터 제공되는 전류가 바이패스되거나 LED 어레이의 전류로 제공되도록 구성된 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로
  7. 청구항 제6항의 상기 복수의 LED 어레이들에 있어서,
    브리지 다이오드의 + 단자로부터 정류용 다이오드 D0를 경유하여 최초로 연결되는 LED 어레이와 이에 병렬로 연결된 플리커 제거용 커패시터는 스위칭 소자를 배제하여 구비되는 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로
  8. 청구항 제6항에서 상기 스위칭 소자는,
    비교기에 의해 각각 구동되며,
    상기 비교기는 다이오드 브리지에 의해 제공되는 전압을 스위칭 전압별로 분압하고 이를 기준 전압원과 비교하여,
    기준 전압보다 분압된 스위칭 전압이 작은 경우 스위칭 소자를 'on'시키고, 기준 전압보다 분압된 스위칭 전압이 큰 경우 스위칭 소자를 'off'시킴으로써,
    플리커 제거용 커패시터에 병렬 접속된 LED 어레이들을 각각 전류 제한 회로를 통해 연결하여,
    플리커 제거용 커패시터에 병렬 접속된 LED 어레이들을 각각 전류 제한 회로를 통해 연결하여,
    입력 전압의 크기에 따른 LED 어레이의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로
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