KR101078988B1 - 발광다이오드 드라이버 회로 - Google Patents

Abstract

브릿지 다이오드로 구성되어 교류 입력을 맥류로 변환하는 정류부; 상기 정류부의 출력 전원에 의해 충전되거나 하기의 스위칭 트랜지스터에 의해 방전하여 출력 전원을 승압/강압하는 인덕터; 상기 평활회로를 통해 출력되는 전원이 부하 변동에 관계없이 일정한 크기로 유지되도록 스위칭 펄스를 출력하는 제어부; 상기 제어부의 스위칭 펄스를 받아 스위칭하여 상기 인덕터에 전류를 충전 또는 방전시키는 스위칭 트랜지스터; 상기 인덕터를 통해 승압 또는 강압된 전원을 평활하여 직류화하여 부하단에 전달하는 평활회로; 상기 스위칭 트랜지스터의 스위칭 동작에 따른 스위치 잡음 및 전자파를 제거하기 위한 필터회로; 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭하여 발광다이오드(LED) 모듈에 과전류가 전달되는 것을 방지하기 위한 과전류 보호회로; 상기 평활회로, 상기 제어부와 부하단 사이에 직·병렬로 연결되어 부하단으로부터 전원단으로 유입되는 역전압, 신호 잡음, 충격전압, 외부 펄스 등을 제거하는 보호회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 드라이버 회로.

Description

발광다이오드 드라이버 회로{Light emitting diode driving circuit}

본 발명은 발광다이오드 드라이버 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조명장치로 사용되는 발광다이오드 모듈의 부하단에서 유입되는 역전압이나 노이즈로부터 전원단을 보호하기 위한 보호회로를 구비한 발광다이오드 드라이버 회로에 관한 것이다.

전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 조명 장치로는 백열등, 형광등 또는 할로겐 램프 등이 있으며 그 용도에 따라 선택적으로 사용되는데, 백열등은 유리관 내부의 필라멘트에 전기 에너지가 가해지면 그것을 빛 에너지로 변화시켜 열 및 소비전력을 소비하는 구조이며, 형광등은 방전관으로 구성되어 있으며 양전극에 전기에너지가 가해지면 방전관 내부의 각 원자와 전자가 산란을 하여 형광체에 빛을 발산시켜서 사용하는 조명기구이다.

백열등은 스위치를 단시간에 켰다 껐다 반복을 하여도 열에너지로 소비하기 때문에 소비전력에 큰 차이가 없지만 단점으로 많은 열이 발생하고, 그에 따른 화재의 위험이 따르며 소비전력이 크기 때문에 장시간 사용하면 비용이 많이 들고, 수명이 매우 짧아서 조명을 자주 바꿔줘야 하는 공수가 들어가는 문제점이 있다. 형광등은 쉽게 구매가 가능한 저가형으로 일반 가정에서 가장 많이 사용하고 있으나, 단점으로는 백열등과 같이 장시간 사용시 고열이 발생하며 수명은 4,000 ~ 8,000시간 정도로 상대적으로 백열등보다 긴 편이지만 빈번하게 스위치를 켰다 껐다 반복하면 1회에 1시간 정도의 수명이 줄어들게 되어 형광램프를 자주 교체해야 하는 불편함이 있다.

한편, 기존 조명 기구에 비하여 높은 신뢰성으로 수명이 길고 유지 보수비가 낮으며 소모 전력이 적어 새로운 조명 장치로서 발광다이오드(Light Emitting Diode)를 이용한 조명장치가 관심을 끌고 있다.

상기 발광다이오드는 반도체의 P-N접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 정공)를 만들어내고 이들의 재결합에 의하여 빛에너지를 방출하는 반도체소자로서, 종래의 광원에 비해 소형이고 수명이 길며 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 발광효율이 높아서 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용 광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자/문자/도형 표시장치, 조명장치, 카드판독기, 액정디스플레이의 백라이트 등에 널리 사용되고 있다.

이러한 장점 때문에 다수의 발광다이오드를 직렬 또는 직병렬로 배영한 발광다이오드 모듈이 조명 또는 각종 표시장치 등에 널리 이용되고 있으며, 특히 최근에는 그 입력 전력 및 출력 밝기가 높아져 다양한 영역에 활용되고 있다.

그런데, 발광다이오드 조명장치가 점차 고출력으로 변경됨에 따라 발광다이오드 부하단으로부터 전원단으로 역전압, 역전류 또는 노이즈가 유입되는 경우가 발생하는데, 이로 인해 상기 발광다이오드의 드라이버 회로가 파손되거나 과도 상태로 인해 화재가 발생하는 등의 문제가 발생한다.

본 발명은 발광다이오드 동작제어용 비절연성 반도체 집적회로를 보호할 수 있는 발광다이오드 드라이버 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 부하단으로부터 전원단으로부터 유입되는 역전압이나 역전류 또는 노이즈를 차단할 수 있는 발광다이오드 드라이버 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 발광다이오드 램프가 동작할 때 80% 이상의 부하효율을 나타낼 수 있는 발광다이오드 드라이버 회로를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로는 브릿지 다이오드로 구성되어 교류 입력을 맥류로 변환하는 정류부; 상기 정류부의 출력 전원에 의해 충전되거나 하기의 스위칭 트랜지스터에 의해 방전하여 출력 전원을 승압/강압하는 인덕터; 상기 평활회로를 통해 출력되는 전원이 부하 변동에 관계없이 일정한 크기로 유지되도록 스위칭 펄스를 출력하는 제어부; 상기 제어부의 스위칭 펄스를 받아 스위칭하여 상기 인덕터에 전류를 충전 또는 방전시키는 스위칭 트랜지스터; 상기 인덕터를 통해 승압 또는 강압된 전원을 평활하여 직류화하여 부하단에 전달하는 평활회로; 상기 스위칭 트랜지스터의 스위칭 동작에 스위치 잡음 및 전자파를 제거하기 위한 필터회로; 상기 제어부의 제어신호에 따른 스위칭되어 발광다이오드(LED) 모듈에 과전류가 전달되는 것을 방지하기 위한 과전류 보호회로; 상기 인덕터와 평활회로의 사이에 직렬로 연결된 제너다이오드와, 상기 제너다이오드와 접지선 사이에 연결된 제1바리스터, 일단이 상기 제1바리스터와 평활회로의 사이에 연결되고, 타단이 상기 과전류보호회로와 제어부 사이의 연결된 제2바리스터, 상기 제어부의 과전압 감지신호 입력단과 접지선 사이에 연결된 제3바리스터, 일단이 상기 제2바리스터와 제어부 사이에 연결되고 타단이 접지선에 연결된 제4바리스터를 포함하여 구성되고, 부하단에서 전원단으로 유입되는 역전압, 신호 잡음, 충격전압, 외부 펄스 등을 제거하는 보호회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로의 다른 특징은 상기 제1, 제3 및 제4바리스터가 동일한 규격이고 그 허용전압이 제2바리스터의 허용전압보다 큰 점이다.

삭제

본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로의 또 다른 특징은 상기 제1, 제2, 제3 및 제4바리스터가 30V보다 큰 과전압 또는 잡음(noise)이 부하단으로부터 전원단으로 인입되는 것을 차단하는 점이다.

본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로의 또 다른 특징은 9~16V의 입력전압을 이용하여 3~24V의 고휘도 발광다이오드를 구동하는 점이다.

본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 부하단으로부터 전원단으로 역전압이나 역전류가 인입되어 회로가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

둘째, 발광다이오드 조명장치를 부하단의 역전압으로부터 보호할 수 있다.

셋째, 전원단과 분전반에서 인입하는 각종 기기를 부하단의 역전압으로부터 보호할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관련한 발광다이오드를 이용한 조명장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로의 구성을 나타낸 회로도이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명에 관련한 발광다이오드를 이용한 조명장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 드라이버 회로(1)는 교류(AC) 전압을 인가받아 다수의 발광다이오드(LD1, LD2, …LDn)로 이루어지는 발광다이오드 그룹을 제어하며, 상기 발광다이오드 그룹은 드라이버 회로에 직렬로 연결되는 발광 다이오드들(LD1, LD2, …LDn)의 집합으로서, 동일하거나 상이한 색상의 발광다이오드로 구성된다. 본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로는 입력전압 DC 9~16V을 이용하여 3~24V의 출력전압에 의해 구동되는 발광다이오드를 사용하기 위한 드라이버 구성회로로서 Boost-buck 회로를 이용하여 고휘도 발광다이오드에 응용이 가능한 회로이다.

도 2는 본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로의 구성을 나타낸 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드 드라이버 회로는 브리지 다이오드(BD)를 포함하여 구성되어 입력 전원을 정류하는 정류부(10)와, 상기 정류부(10)의 출력 전원에 의해 충전되거나 하기의 스위칭 트랜지스터에 의해 방전하여 출력 전원을 승압/강압하는 인덕터(L1)와, 상기 인덕터(L1)를 통해 승압 또는 강압된 전원을 평활하여 직류화하여 부하단에 전달하는 평활회로(20)와, 상기 평활회로(20)를 통해 출력되는 전원이 부하 변동에 관계없이 일정한 크기로 유지되도록 스위칭 펄스를 출력하는 제어부(40)와, 상기 제어부(40)의 스위칭 펄스를 받아 스위칭하여 상기 인덕터에 전류를 충전 또는 방전시키는 스위칭 트랜지스터(Q1), 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭 동작에 따른 스위치 잡음 및 전자파를 제거하기 위한 필터회로(30); 상기 제어부(40)의 제어신호에 따라 스위칭되어 발광다이오드 모듈에 과전류가 전달되는 것을 방지하기 위한 과전류 보호회로(50); 상기 평활회로(20), 상기 제어부(40)와 부하단 사이에 제너다이오드(ZD1)와, 제1, 제2, 제3 및 제4바리스터(VX1, VX2, VX3, VX4)가 각각 직렬 또는 병렬로 연결되어 발광다이오드 모듈측에서 전원단으로 유입되는 역전압, 신호 잡음, 충격전압, 외부 펄스 등을 제거하는 보호회로(100)를 포함하여 이루어지며, DC 9~16V을 이용하여 3~24V의 출력전압에 의해 구동되는 고휘도 발광다이오드를 사용할 수 있다.

상기 정류부(10)는 브리지 다이오드를 포함하여 병렬로 연결된 다수의 커패시터(C1, C2)를 포함하여 이루어져 교류 입력 전원을 전파 정류하여 맥류 전원을 출력한다.

상기 커패시터(C2)에 병렬로 연결된 인덕터(L1)는 상기 정류부(10)로부터 출력되는 맥류 전원에 의해 전류를 일시적으로 충전하고, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭에 의해 충전된 전류를 방전하여 상기 정류부(10)의 출력 전원을 승압/강압하여 상기 평활회로(20)에 공급한다.

상기 평활회로(20)는 상기 인덕터(L1)을 통과한 맥류 전원을 정류하는 다이오드(D1)와, 상기 다이오드(D1)에 의해 정류된 전원을 평활하여 직류화하는 커패시터(C10, C11)를 포함하여 이루어진다.

상기 스위칭 트랜지스터(Q1)는 상기 인덕터(L1)에 드레인단이 연결되고, 제어부(40)에 게이트 단이 연결된 전계효과트랜지스터(field effect transistor: FET)로 이루어진다. 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 소오스 단에 연결된 저항(R11, R12)은 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭 동작을 안정화시키는 역할을 한다.

상기 제어부(40)는 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 게이트 단자로 펄스신호를 인가하여 상기 평활회로(20)를 통해 발광다이오드에 정전압 또는 정전류가 공급되도록 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭을 제어하며, 펄스폭변조(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 게이트 단자로 인가하는 펄스 신호의 펄스폭을 변조한다.

상기 제어부(40)의 동기신호 입력단(SYNC)에는 저항(R3)이 연결되고, 피드백신호 입력단(FDBK), 비교신호 입력단(COMP)에는 커패시터(C8)에는 저항(R6)과 커패시터(C9)가 나란히 병렬로 연결되고, 클램핑 신호 입력단(CLM)에는 저항(R7, R8)이 서로 병렬로 연결된다. 상기 제어부(40)의 이득제어 출력단(GAT)을 통해 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭 동작에 필요한 펄스가 출력된다.

상기 필터회로(30)는 서로 병렬로 연결된 커패시터(C4, C5, C6)가 인덕터(L1)와 코일(L2) 사이에 직렬로 연결되어, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)의 스위칭 동작에 의한 잡음 및 전자파를 제거한다.

상기 과전류 보호회로(50)는 부하에 연결된 저항(R1, R2) 및 커패시터(C3)와, 게이트단을 통해 상기 제어부(40)로부터 제어신호를 전달받는 스위칭 트랜지스터(Q2)와, 상기 스위칭 트랜지스터(Q2)의 소오스단에 연결된 저항(R13, R14) 및 커패시터(C12)와, 상기 스위칭 트랜지스터(Q2)의 드레인단과 부하단에 연결된 다이오드(D2)를 포함하여 이루어진다.

상기 저항(R1, R2) 및 커패시터(C3)는 상기 평활부(20)의 출력단과 발광다이오드 모듈로 구성된 부하단 사이에 연결되어 발광다이오드 모듈을 통과하여 출력되는 전류의 크기를 감지하여 제어부(40)의 과전압 감지신호 입력단(OVP)에 전달한다. 이에 따라 상기 제어부(40)의 동작차단신호 출력단(FAULT)을 통해 출력되는 제어신호에 의해 스위칭 트랜지스터(Q2)가 턴-오프된다. 상기 저항(R13, R14)은 상기 스위칭 트랜지스터(Q2)의 스위칭 동작을 안정화시키고, 상기 커패시터(C12)는 고주파 대역에서 이득을 보상하는 역할을 하며, 상기 저항 (R13)에 걸리는 전압은 제어부(40)의 피드백신호 입력단(FDBK)에 전달되어, 상기 제어부(40)가 피드백 신호를 이용하여 상기 스위칭 트랜지스터(Q1)에 인가하는 펄스 신호의 펄스 폭을 제어한다.

상기 보호회로(100)는 상기 인덕터(L1)와 평활회로(20)의 사이에 직렬로 연결된 제너다이오드(ZD1)와, 상기 제너다이오드(ZD1)와 접지선 사이에 연결된 제1바리스터(VX1)와, 일단이 상기 제1바리스터(VX1)와 평활회로의 사이에 연결되고, 타단이 상기 과전류 보호회로(50)와 제어부(40) 사이의 연결된 제2바리스터(VX2)와, 상기 제어부(40)의 과전압 감지신호 입력단(OVP)와 접지선 사이에 연결된 제3바리스터(VX3); 일단이 상기 제2바리스터(VX2)와 제어부(40) 사이에 연결되고 타단이 접지선에 연결된 제4바리스터(VX4)를 포함하여 이루어진다.

상기 바리스터(VX1, VX2, VX3, VX4)의 종류로는 가해지는 전압의 극성에 관계없이, 전압의 크기에 의해 저항이 정해지는 대칭형 바리스터와, 가해지는 전압의 극성에 의해서 달라지는 비대칭형 바리스터로 구분되는데, 서지전압(surge voltage)으로부터 발광다이오드 드라이버 회로를 보호하는데 사용된다.

상기 제너다이오드(ZD1)는 부하단으로부터 평활회로(20)를 거쳐 유입되는 역전압이 제어부(40)나 스위칭 트랜지스터(Q1)에 전달되는 것을 차단하고, 제1바리스터(VX1)은 상기 제너다이오드(ZD1)에 전달되는 역전압이나 역전류를 접지로 유도하는 역할을 수행하고, 제2바리스터(VX2)는 부하단으로부터 평활회로(20)를 거쳐 유입되는 역전압이나 역전류가 제어부(40)에 전달되는 것을 차단하는 역할을 수행한다. 한편, 제3바리스터(VX3)는 부하단으로부터 저항(R1)을 통해 유입되는 역전압이나 역전류, 노이즈, 충격전압 또는 외부 펄스가 제어부(40)의 과전압 감지신호 입력단(OVP)에 전달되는 것을 차단하는 역할을 수행하고, 제4바리스터(VX4)는 상기 제2바리스터(VX2)에 의해 차단되지 않은 역전압이나 역전류, 노이즈, 충격전압 또는 외부 펄스가 제어부(40)의 동작차단신호 출력단(FAULT)에 전달되는 것을 차단한다.

상기 제1, 제3, 제4바리스터(VX1, VX3, VX4)는 동일한 규격(05D560K)을 가지며 그 허용전압(allowable voltage)은 AC 35V, DC 45V로써 제2바리스터(VX2)(05D470K)의 허용전압 AC 30V, DC 38V보다 크다. 따라서, 제2바리스터(VX2)에 의해 차단되지 않는 역전압이 제어부(40)로 전달되는 것을 차단할 수 있다.

상기 보호회로(100)는 부하단에서 전원단으로 역류하는 30V 이상의 역전압이나 전류를 제거하기 위하여 일정전압과 특정전류를 차단함으로써 발광다이오드 드라이버 회로를 보호하고 궁극적으로는 발광다이오드를 이용한 조명장치는 물론 전원단과 분전반에서 인입하는 각종기기를 보호할 수 있으며, 입출력이 전압, 전류 또는 외부의 노이즈에 의하여 회로가 파손되거나 과도 상태에 따라 화재가 발생하는 등의 위험 요소를 제거할 수 있다. 발광다이오드 조명 장치 즉, 부하단 회로 부분으로부터 쇼트(short)나 잡음(noise) 등이 유입되었을 때, 다수의 바리스터(VX1, VX2, VX3, VX4)와 제너다이오드(ZD1)의 동작에 의해 전원단으로 역류하는 전압이나 전류를 제거할 수 있으며, 발광다이오드 조명장치가 동작하였을 때, 80% 이상의 부하효율을 가질 수 있다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 구조를 갖는 발광다이오드 드라이버 회로에 대해 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 발광다이오드 드라이버 회로 10: 정류부
20: 평활회로 30: 필터회로
40: 제어부 50: 과전류보호회로
100: 보호회로

Claims (6)

1. 브릿지 다이오드로 구성되어 교류 입력을 맥류로 변환하는 정류부;
   상기 정류부의 출력 전원에 의해 충전되거나 하기의 스위칭 트랜지스터에 의해 방전하여 출력 전원을 승압/강압하는 인덕터;
   평활회로를 통해 출력되는 전원이 부하 변동에 관계없이 일정한 크기로 유지되도록 스위칭 펄스를 출력하는 제어부;
   상기 제어부의 스위칭 펄스를 받아 스위칭하여 상기 인덕터에 전류를 충전 또는 방전시키는 스위칭 트랜지스터;
   상기 인덕터를 통해 승압 또는 강압된 전원을 평활하여 직류화하여 부하단에 전달하는 평활회로;
   상기 스위칭 트랜지스터의 스위칭 동작에 따른 스위치 잡음 및 전자파를 제거하기 위한 필터회로;
   상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭하여 발광다이오드 모듈에 과전류가 전달되는 것을 방지하기 위한 과전류 보호회로;
   상기 인덕터와 평활회로의 사이에 직렬로 연결된 제너다이오드와, 상기 제너다이오드와 접지선 사이에 연결된 제1바리스터, 일단이 상기 제1바리스터와 평활회로의 사이에 연결되고, 타단이 상기 과전류보호회로와 제어부 사이의 연결된 제2바리스터, 상기 제어부의 과전압 감지신호 입력단과 접지선 사이에 연결된 제3바리스터, 일단이 상기 제2바리스터와 제어부 사이에 연결되고 타단이 접지선에 연결된 제4바리스터를 포함하여 구성되고, 부하단에서 전원단으로 유입되는 역전압, 신호 잡음, 충격전압, 외부 펄스 중 어느 하나의 신호를 제거하는 보호회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 드라이버 회로.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제3 및 제4바리스터의 허용전압이 제2바리스터의 허용전압보다 큰 것을 특징으로 발광다이오드 드라이버 회로.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1, 제3 및 제4바리스터는 동일한 규격의 소자인 것을 특징으로 발광다이오드 드라이버 회로.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4바리스터는 30V보다 큰 역전압이 부하단으로부터 제어부로 인입되는 것을 차단하는 것을 특징으로 발광다이오드 드라이버 회로.
6. 제1항에 있어서, 상기 발광다이오드 드라이버 회로는 9~16V의 입력전압을 이용하여 3~24V의 고휘도 발광다이오드를 구동하는 것을 특징으로 발광다이오드 드라이버 회로.

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