WO2016085124A1 - 플리커-프리 ａｃ ｌｅｄ 조명 시스템 - Google Patents

플리커-프리 ａｃ ｌｅｄ 조명 시스템 Download PDF

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WO2016085124A1
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charging
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류태하
정동열
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DMB Tech Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • This embodiment relates to a flicker-free AC LED lighting system.
  • LED (Lighting Emitting Diode) lighting uses the DC LED lighting system that supplies the LED driving current by using the DC voltage converted by the AC / DC converter according to the driving method, and the AC voltage rectified by the full-wave rectification without any conversion process.
  • AC LED lighting system that supplies the LED driving current.
  • the AC LED lighting system does not control PWM (Pulse Width Modulation), so it is a switch, an inductor, a capacitor, etc. It does not use bulky components, so it takes up less space in the drive circuit and has good reliability and ease of design.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams showing an example and an operating waveform of a conventional AC LED lighting system 100.
  • the AC LED lighting system 100 of FIG. 1A includes a full-wave rectifier 110 for full-wave rectifying and converting an AC input voltage into a pulse current voltage, a light-emitting unit 120 for receiving and receiving a pulsed output voltage of the full-wave rectifier 110 and emitting light.
  • An AC LED driver 130 for supplying a driving current to the unit 120 and a reference voltage generator 140 for providing a driving reference voltage to the AC LED driver 130 are provided.
  • Each single light emitting unit from the first stage light emitting unit LED1 to the fourth stage light emitting unit LED4 may be actually a configuration in which a plurality of LEDs are connected in series, or a series and parallel connection in which a series and a parallel connection are mixed.
  • the AC LED driver 130 outputs driving currents I1 to I4 respectively driving the first stage light emitting unit LED1 to the fourth stage light emitting unit LED4.
  • the diode on voltages of the first stage light emitting unit LED1 and the fourth stage light emitting unit LED4 will be named VLED1 to VLED4, respectively, and the operation method of the AC LED lighting system 100 will be briefly described with reference to the operation waveform of FIG. It will be described.
  • a bias circuit which is not explicitly shown in FIG. 1A, is operated, and accordingly, the reference voltage generator 140 outputs the reference voltages VREF1 to VREF4 to output the AC LED driver 130.
  • the AC LED driver 130 is in a state capable of supplying I4 to the light emitting unit 120 at the driving current I1. However, since the light emitting unit input voltage Vin is lower than the voltage capable of driving the first stage light emitting unit LED1, all driving currents from I1 to I4 are in a zero state.
  • the VCS voltage maintains VREF1 as a result of the feedback by the amplifier A1 and M1.
  • the driving current I2 increases, the driving current I1 decreases and the sum operates while the value of VREF1 / RCS is maintained.
  • the operation during one period can be easily understood by referring to the operation waveform diagram of FIG. 1B and the operation description above.
  • the fundamental wave component of the light emitting unit input current Iin of the AC LED lighting system 100 has the same phase as the light emitting unit input voltage Vin, so the power factor is very good and the THD (Total Harmonic Distortion) characteristics are excellent.
  • the sections Toff1 and Toff2 are generated in which the output currents I1 to I4 of the AC LED driver 130 are all zero. These intervals occur at the same intervals in every Vin cycle, resulting in invisible flicker that is unrecognizable to the human eye, but those who are sensitive to these flicker can cause headaches, anxiety, and seizures.
  • Figure 2 shows how to quantify these flickers by specification.
  • Percent Flicker P.F
  • Flicker Index F.I
  • the maximum value of the light output is A
  • the minimum value B is A1
  • the area of the area larger than the average value of the light output is A1 and the area of the small area is A2
  • the flicker index is more effective in indicating asymmetrical waveform characteristics or periodic flicker of light output waveforms, and is widely used in regulations that limit the homogeneity of light output.
  • the percent flicker is equal to 100 for two light sources having different sizes of the sections Toff1 and Toff2 where the light output becomes zero, but the flicker index has different values so that the light output waveform can be well characterized. .
  • 3a and 3b is a view showing an example of the prior art for improving the flicker characteristics by avoiding a section in which the light output is zero in the conventional AC LED lighting system 100 of FIGS. 1a and 1b in the power electronic system
  • the valley fill AC LED lighting system 200 of the prior art in which a valley fill circuit of the AC input voltage is added to the rear end of a full-wave rectifier by using a commonly used valley fill circuit, can be operated.
  • the sign of the light emitter, the light emitter input voltage and the current, and the drive current sign of each single light emitter have the same function, although the operating waveforms are different.
  • the valley fill AC LED lighting system 200 further includes a valley fill circuit 250 in a system including a full wave rectifier 210, a light emitting unit 220, an AC LED driver 230, and a reference voltage generator 240. It is an added system.
  • the valley fill circuit 250 drives the LED load during the valley period by compensating for the period in which the LED is turned off because the AC input power is so low that the LED load cannot be driven, and the two valley fill capacitors CV1 and CV2 are provided. It consists of three valley-fill diodes DV1, DV2, and DV3, and has an inrush current limiting resistor in place on the charge path to limit excessive inrush current flow as soon as CV1 and CV2 start to charge. For example, it may be added between the full-wave rectifier 210 and the valley fill circuit 250 or before or after DV2.
  • FIG. 3B is a view illustrating an operation waveform of the valley fill AC LED lighting system 200, and the operation of the valley fill circuit 250 will be briefly described with reference to FIG. 3B.
  • the diode-on voltage of the full-wave rectifier 210 and the valley-fill circuit 250 is very small compared to the AC input voltage, it is ignored and the valley-fill capacitors CV1 and CV2 have the same capacitor value.
  • the first mode is a period denoted by Tchg in the waveform diagram of FIG. 3B, and the full-wave rectified AC input voltage is greater than the sum of the voltages charged in series connected CV1 and CV2.
  • DV1 and DV3 are off and DV2 is on to charge CV1 and CV2 from the AC input supply through the path of CV1-DV2-CV2-ground, and CV1 and CV2 are charged to Vpeak / 2 voltage respectively.
  • IAC Ivalley + Iin.
  • the second mode is a period denoted by Tflot in the waveform diagram of FIG. 3B, in which the AC input voltage is smaller than the sum of the voltages charged in CV1 and CV2 but greater than Vpeak / 2.
  • DV1, DV2, and DV3 are all turned off, so that CV1 and CV2 are all off.
  • the third mode is a section labeled Tvalley in the operation waveform diagram of FIG. 3B.
  • the DV1 and DV3 are turned on and the DV2 is turned off, and the CV1 and CV2 are connected in parallel to each other.
  • the load current is supplied to the LED load 220.
  • the light emitting unit 220 is required to design the valley fill AC LED lighting system 200 to operate properly.
  • the on-voltage of the first stage light emitting unit LED1 to the fourth stage light emitting unit LED4 is respectively displayed as VLED1 to VLED4
  • the charging voltage of the valley fill circuit 250 is Vpeak / 2
  • the discharge period is Tvalley.
  • the final discharge voltage of CV1 and CV2 should have a sufficient capacitor value so as not to fall to a voltage lower than the on-voltage VLED1 of the first stage light emitting portion (LED1).
  • each stage LED configuration of the light emitting unit 220 should be configured such that VLED1 ⁇ Vpeak / 2 ⁇ (VLED1 + VLED2). If the sum of the voltages charged in CV1 and CV2 is greater than the sum of the on voltage of the first stage light emitting unit and the on voltage of the second stage light emitting unit (LED2), the first stage driving current I1 is always turned off and operates like a three stage LED. Done.
  • the peak current flows because the CV1 and the CV2 must be charged during the Tchg period by the energy discharged from the CV1 and the CV2 during the Tvalley period.
  • This peak input current becomes larger as the output power of the LED light is higher.
  • the valley-fill AC LED lighting system 200 of the prior art degrades electrical characteristics such as THD and Electro Magnetic Interference (EMI), and the AC input to improve EMI characteristics.
  • EMI Electro Magnetic Interference
  • the first stage current is not zero even in a valley section, and thus a constant value can be maintained to improve flicker characteristics.
  • the second stage driving current I2 starts to be output.
  • the subsequent operation is performed in a similar manner as described with reference to FIG. 1B.
  • the flicker index is still poor and the very large peak current through the AC input leads to the need for a very large EMI filter.
  • the driving method using AC / DC converter in LED driving method is basically a method of converting AC input to DC output, so it is possible to supply a constant driving current to the LED load so that it can produce a constant light output. It will be a drive type.
  • the AC driving method does not use the PWM switching control method, the driving circuit occupies little space, has high reliability, relatively easy to design, and has excellent electrical characteristics such as power factor, THD, EMI, etc. 1B, since the LED cannot be driven until the AC input power voltage is increased enough to basically turn on the LED, a section in which the driving current becomes zero occurs in the LED, thereby causing flicker.
  • high-side switching devices use discrete devices, and the SoC (System) makes a high-side gate driver and control circuit into one chip to control on / off of these devices.
  • SoC System
  • it can be implemented in the form of an On Chip IC or a hybrid IC, a large number of high voltage MOSFET switches and a gate driver to drive them are required. Significantly increased, there is an unrealistic problem in terms of price and reliability compared to the DC driving method.
  • This embodiment solves the above problems and does not use a high-side MOSFET transistor and gate driver to provide a low cost, high reliability flicker-free AC LED lighting system, which is the only universal for system implementation. To provide a flicker-free AC LED lighting system that uses an AC LED SoC.
  • the Universal AC LED SoC of this embodiment provides the charge current source and flicker-free characteristics for controlling the charge current of the active valley fill circuit and the diodes required in the active valley fill circuit of this embodiment.
  • a flicker-free control IC that integrates control circuits into one chip is a SoC packaged into one chip. More specifically, the lead frame with the valley-fill diodes and the flicker-free control IC in the universal AC LED SoC is isolated from each other, so that an electrical short through the lead frame does not occur.
  • the drive method receives AC input directly, it avoids the arc discharge problem that can occur between the pins of high voltage input SoC, but does not use jumper during PCB (Printed Circuit Board) wiring process.
  • the pin assignment of the SoC was decided to simplify the PCB wiring of the entire AC LED lighting system, and this pin assignment further added a lead frame for bonding wiring to solve the short-term short-circuit problem that occurs during the bonding of the SoC.
  • the parts of the active valley-fill circuit 10 and the flicker-free control IC in the added lead frame are bonded to each other internally or externally and are packaged as a single chip.
  • the flicker-free control IC in the universal AC LED SoC of the present embodiment further includes a circuit capable of controlling the charging current of the active valley fill circuit 10.
  • the change of the charging current value is performed by one external pin. It is configured to be set by resistance value connected between grounds.
  • the valley fill current may be changed in any other way, such as configured to be changed by an external voltage, and the present embodiment may not be out of the spirit of the present embodiment. It is self-evident that it must be protected within.
  • the active valley fill circuit 10 of the present embodiment is composed of five valley fill diodes and two valley fill capacitors, unlike the conventional valley fill circuit, and the active valley of the present embodiment is included in the universal AC LED SoC of the present embodiment.
  • the fill circuit 10 five valleyfill diodes are integrated inside the SoC.
  • the flicker-free control IC of the present embodiment is an IC in which a driving circuit capable of controlling the light output of a multi-stage LED light emitting unit is more integrated. Ideally, no flicker occurs, so that the flicker index is zero. It is a control IC that can implement a system. Specifically, the size of the LED light output is almost proportional to the LED driving current due to the characteristics of the LED. When the next stage is turned on and emits more light in the multi-stage light emitting unit, the number of LEDs is increased so that a constant light output can be maintained.
  • the driving current is output from the step-up / down AC LED driver of the present embodiment by outputting the LED driving current of the next stage to a value smaller than the LED driving current of the previous stage.
  • the step up / down AC LED driver of the present embodiment has a step down in which the driving current value of the next stage can be driven smaller than the driving current value of the previous stage.
  • the step-up / down AC LED driver of the present embodiment is a voltage output terminal of the N-stage luminous current driver from an earlier stage luminous current driver to an input terminal corresponding to the (N-1) luminous current driver.
  • Each of the (N-1) stage luminous current drivers is connected to the respective output terminals of the (N-1) stage luminous current driver and the (N-2) stage luminous current driver respectively. It has a configuration of multiple feedback loops connected to feedback.
  • the step-up / down AC LED driver of the present embodiment may configure step-up LED driving in which the driving current value increases as the number of LEDs emitting light increases, as in the prior art AC LED driver.
  • it is a universal AC LED driver that can configure step up / down LED driving, which can be driven to increase or decrease the drive current compared to the drive current.
  • the magnitude of each stage driving current is determined according to the magnitude of the resistance value connected to the ground at the voltage output terminal of each stage of the luminous current driving unit. Since the voltage output stage of each stage of the step-up / down AC LED driver of the present embodiment is connected to an external pin, the driving current value of each stage of the step-up / down AC LED driver is increased by the external resistance value. As a result, it is possible to increase, decrease or increase / decrease the system, so that the system can be configured to meet various needs of AC LED lighting system. However, it is obvious that all or part of the resistors that set the driving current of each stage may be integrated in the IC.
  • the charging process and the discharging process are mutually corresponding to the period of the AC input power according to the voltage magnitude of the AC input power.
  • a valley compensator for discharging the charged energy to supply a current for driving the light emitting diode module
  • a light emitting current controller configured to supply a driving current corresponding to the changed light emitting diode unit to the light emitting diode module when the light emitting diode unit emitting light according to the voltage level of the AC input power is changed
  • a valley charging control unit configured to control the charging current of the valley compensator by a preset first reference voltage and a predetermined charging current setting resistor.
  • the device for controlling the drive current supplied to the light emitting diode module including first to nth (where n is a natural number of two or more) light emitting diode portion sequentially connected to the input power source, A first to n-th light emitting current driving unit connected to one end of each of the first to nth (n is natural numbers of two or more) light emitting diode parts to supply the driving current, and the first to nth light emitting current
  • Each of the drivers receives a reference voltage, and the first luminous current driver is fed back from the voltage output terminal of the second to nth luminous current drivers to the corresponding input terminal of the first luminous current driver, and k (1 ⁇ k ⁇ n , k is a natural number)
  • the light emitting current driver is fed back from the voltage output terminal of the (k + 1) to the nth light emitting current driver to the corresponding input terminal of the kth light emitting current driver, It provides a light emitting current control unit showing
  • the AC LED lighting system of the present embodiment is to implement a flicker-free AC LED lighting system that is AC driven but not flicker, and more specifically, a universal AC LED SoC for implementing a flicker-free lighting system is provided. It is also intended to enable low cost, high reliability flicker-free AC LED lighting systems.
  • FIG. 1A and 1B show an example and an operating waveform of a typical AC LED lighting system.
  • 3A and 3B show an example and operating waveform of a typical valley fill AC LED lighting system.
  • FIG. 4 is a view showing a flicker-free AC LED lighting system according to the present embodiment.
  • 5A and 5B are diagrams and operational waveforms showing in more detail the flicker-free AC LED lighting system according to the present embodiment.
  • 6A to 6D are views showing various circuits and symbols of the P- N N amplifier constituting the single emission current driving units of the step-up / down AC LED driver according to the present embodiment.
  • FIG. 7 shows a step up / down AC LED driver according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a parallel driving method according to the present embodiment.
  • FIGS 9A to 9C are diagrams showing operational waveforms of the flicker-free AC LED lighting system according to the present embodiment.
  • FIGS 10A and 10B are diagrams showing operation waveforms when the setting of each stage driving current is different in the flicker-free AC LED lighting system according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment.
  • the flicker-free AC LED lighting system 300 sets the driving current of the full-wave rectifier 310, the light emitting unit 320, the universal AC LED SoC 330, the valley-fill capacitors CV1 and CV2, and the single light emitting current driving unit. It consists of resistors R1 through R5, valley fill current setting resistor R5, and regulator output capacitor CVDD.
  • the light emitting unit 320 is connected in series from the first stage light emitting unit LED1 to the fourth stage light emitting unit LED4.
  • the pin configuration of the universal AC LED SoC 330 is a power input terminal VP, a ground terminal VN, a first stage current output terminal S1, a two stage current output terminal S2, and a three stage current that receive an AC input directly, respectively.
  • Negative input terminal CN1 of the fill capacitor, and positive input terminal CP of the second valleyfill capacitor and negative input terminal CN2, voltage output terminal RC of the active valleyfill charging control unit 26, analog dimming control input It consists of the pins of terminal ADIM and regulator output terminal VDD.
  • the pin configuration of the universal AC LED SoC 330 further includes four unused NC pins.
  • NC pins between CN1 and VP, VP and S1, and S1 and S2 are intentionally inserted to prevent the high voltage arc discharge from occurring between the pins with high AC voltage.
  • the negative input terminal CN2 of the second valley fill capacitor of the active valley fill circuit 10 is a drive current output terminal of the active valley fill charging control unit 26.
  • the power input terminal VP of the universal AC LED SoC 330 is connected to the light emitting unit input voltage Vin and the ground terminal VN is connected to the ground terminal of the full-wave rectifier 310.
  • the first stage drive current value is determined by the value of the resistor R1 connected between the first stage voltage output terminal RS1 and the ground
  • the second stage drive current value is determined by the value of the resistor R2 connected between the second stage voltage output terminal RS2 and the ground.
  • the three-stage drive current value is determined by the value of the resistor R3 connected between the three-stage voltage output terminal RS3 and ground
  • the four-stage drive current value is determined by the value of the resistor R4 connected between the four-stage voltage output terminal RS4 and ground. Determined by
  • the charging current value of the active valley fill circuit 10 is determined by the value of the resistor R5 connected between the voltage output terminal RC of the active valley fill charging control unit 26 and the ground.
  • the first valley fill capacitor CV1 of the active valley fill circuit 10 is connected between the light emitting unit input voltage Vin and the negative input terminal CN1 of the first valley fill capacitor, and the second valley fill capacitor of the active valley fill circuit 10 is connected.
  • CV2 is connected between the positive input terminal CP and the negative input terminal CN2 of the second valley-fill capacitor and CV1 and CV2 are normally designed to have the same value.
  • the first valleyfill diode DV1 of the active valley fill circuit 10 has a cathode connected to CN1 and an anode connected to VN
  • a second valleyfill diode DV2 has an anode connected to CN1 and a cathode connected to CP
  • a third Valleyfill diode DV3 has an anode connected to CP and a cathode connected to VP
  • a fourth valleyfill diode DV4 has an anode connected to VN and a cathode connected to CN2
  • a fifth valleyfill diode DV5 has an anode connected to CN2 and a cathode active to CN2. It is connected to one end of the valley fill charging control unit 26.
  • Capacitor CVDD may be further added between the regulator output terminal VDD and ground, and although not shown in the circuit of FIG. 4, the output voltage range is universal in the analog dimming terminal ADIM, such as an external dimmer such as 0-10 dimmer.
  • ADIM analog dimming terminal
  • a resistance divider circuit and a stabilization capacitor may be further added.
  • the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment is not a simple valley fill circuit of the related art compensating the valley section of the AC input power, but controls the charging current for charging the valley fill capacitor, and more specifically, the valley section.
  • the energy discharging from the valley-fill capacitor during the same period is the energy to charge the valley-fill capacitor during the charge of the valley-fill capacitor, so controlling the current to charge the valley-fill capacitor can control the voltage charged to the valley-fill capacitor.
  • the charging current of the prior art valley fill circuit is deteriorated in the electrical characteristics due to the peak charging current flowing in a short period of time, whereas the present embodiment controls the charging current of the valley fill circuit to lower the charging current for a wide charging period. To improve the electrical characteristics.
  • the voltage charged in the valley fill capacitor through the charging current control is greater than the on voltage VLED1 of the first stage light emitting unit LED1 of the light emitting unit 320 while the first stage light emitting unit LED1 and the second stage light emitting unit LED2
  • Each LED of the light emitting unit 320 may be configured to be smaller than the sum of the on voltages (VLED1 + VLED2).
  • the universal AC LED SoC 330 of the present embodiment further includes an active valley fill charging control unit 26 for setting a charging current of the active valley fill circuit 10, and a voltage output terminal RC. The value of the charge current is determined by the value of the resistor R5 connected between grounds.
  • the universal AC LED SoC 330 When the number of LEDs emitting light increases as the number of light emitting stages of the light emitting unit 320 increases and thus the light output increases, the universal AC LED SoC 330 also increases the number of light emitting driving currents. It is a SoC that controls flicker-free so that flicker-free characteristics can be realized even in AC driving.
  • FIG. 5A is a more detailed view of the universal AC LED SoC 330 in the flicker-free AC LED lighting system 300 and FIG. 5B is an operational waveform diagram.
  • the universal AC LED SoC 330 is a SoC in which the diodes DV1 to DV5 are integrated in one chip in the flicker-free control IC 20 and the active valley fill circuit 10.
  • the flicker-free control IC 20 includes a step up / down AC LED driver 21, a dimming unit 22, a regulator 23, a protection circuit 24, a bias circuit 25 and an active valley fill charging control unit 26. It consists of).
  • the bias circuit 25 generates bias voltages and currents for each functional block of the universal AC LED SoC 330 from the AC voltage input terminal VP to operate normally, although not explicitly shown in FIG. 5A.
  • the dimming unit 22 receives a voltage from the analog dimming input terminal ADIM and outputs a reference voltage VREF to the step-up / down AC LED driver 21 and the active valley fill charging control unit 26.
  • the step-up / down AC LED driver 21 and the active valley fill charging control unit 26 receive the same reference voltage from the dimming unit 22, different reference voltages may be supplied.
  • the reference voltage may be supplied from the bias circuit 25 instead of the dimming unit 22.
  • the regulator 23 outputs a constant voltage to the VDD terminal and may further add a capacitor between the VDD terminal and the ground.
  • the protection circuit 24 is a circuit for preventing damage to the IC due to abnormal conditions such as pin shorts of the flicker-free control IC 20 or excessive temperature rise of the IC.
  • the first stage driving current of the step-up / down AC LED driver 21 is determined by the R1 resistance value connected between the RS1 terminal and the ground, and the second stage driving current is determined by the R2 resistance value connected between the RS2 terminal and the ground.
  • the three-stage drive current is determined by the value of the R3 resistor connected between the RS3 terminal and ground, and the four-stage drive current is determined by the value of the R4 resistor connected between the RS4 terminal and ground.
  • the number of series-connected LEDs constituting the first stage light emitting unit (LED1) is k1
  • the number of series-connected LEDs constituting k3 and four-stage light emitting units (LED4) is k4
  • the light output of the LED is almost linearly proportional to the LED driving current. Therefore, when only the first stage light emitting unit (LED1) emits light, the light output is k1.
  • the light output is proportional to (k1 + k2) ⁇ I2, and the first stage light emitting unit ( In case of emitting light from LED1) to three-stage light emitting part (LED2), the light output is proportional to (k1 + k2 + k3) ⁇ I3, and emits all of light from one-stage light emitting part (LED1) to four-stage light emitting part (LED4). In this case, the light output is proportional to (k1 + k2 + k3 + k4) ⁇ I4.
  • the above resistance ratio is for realizing the ideal flicker-free or AC LED lighting system with a flicker index of zero, and considering that the flicker index satisfies the flicker specification when the flicker index is less than 0.12 in the international standard, the THD in actual AC LED lighting system In order to improve other electrical characteristics, the ratio of the current set resistance can be varied.
  • the active valley fill circuit 10 of FIG. 5A has two additional diodes DV4 and DV5, and the charging current of the valley fill capacitors CV1 and CV2 is charged with a constant current source Icap. .
  • DV4 is a diode to create the discharge path of CV2 in the discharge mode of the valley fill circuit
  • DV5 is to prevent the current path from the parasitic diode component of the transistor Mc in the discharge mode.
  • the role of the DV5 is that in almost all semiconductor processes, the substrate substrate is of p type and the p substrate is used for the normal operation of the elements of the integrated circuit under normal operation. Is connected to ground.
  • the active valley fill charging control circuit 26 there is a parasitic diode between an anode of the transistor Mc and a cathode of the drain connected to the ground. If there is no DV5 when CV2 is discharged, Mc's parasitic diode is turned on with DV4, and Mc's drain voltage drops to a negative value. As a result, various parasitic elements in the chip are activated and malfunction occurs. DV5 is designed to prevent such malfunctions. DV5 is on in the charging mode of the valley fill circuit, and normal charging operation is performed in the discharge mode. However, DV5 is turned off in the discharge mode to prevent Mc parasitic diodes from turning on. Of course, if there is a semiconductor process where a high voltage transistor can isolate the substrate, DV5 can be eliminated.
  • the active valley fill circuit 10 is charged with a controlled charging current when the AC input power voltage is sufficiently high according to the voltage magnitude of the full-wave rectified AC input power, and the AC input power voltage is a light emitting diode module ( When the first stage of the light emitting unit 320 is too low to drive, the charged energy is discharged to drive the light emitting diode module 320. When the AC input power voltage is in the above state, the charging is performed. It can be implemented as a valley compensator that repeats the operation of maintaining only the charging voltage without the discharge and corresponding to the cycle of the AC input power.
  • the valley compensation unit is connected in parallel with the LED module at one end of the input power and repeats charging and discharging according to the cycle of the input power.
  • the valley compensator discharges the charged energy to discharge the LED module.
  • Supplying a discharge current to drive the power supply and maintains the charging voltage when the input power supply voltage is greater than the charging voltage and less than the predetermined voltage, and if the input power supply voltage is more than the preset voltage, the charging current from the input power supply to the set size.
  • the active valley fill circuit 10 provides a current for driving the light emitting diode module 320 during discharge, and is connected in parallel to the light emitting diode module and the AC input power rectified.
  • the active valley fill circuit 10 operates in the discharge mode, the charging mode, and the floating mode based on the charging voltage determined by the control of the charging current determined by the active valley fill charging controller 26.
  • the active valley fill circuit 10 operates in the discharge mode when the full-wave rectified AC input power supply voltage is smaller than the charging voltage, and operates in the charge mode when the full-wave rectified AC input power supply voltage is greater than twice the charging voltage. .
  • the active valley fill circuit 10 operates in a floating mode when the full-wave rectified AC input power supply voltage is greater than or equal to the charging voltage and less than or equal to twice the charging voltage.
  • the active valley fill circuit 10 includes a first series circuit, a third valley fill diode DV3, and a second valley fill capacitor, in which a first valley fill capacitor CV1 and a first valley fill diode DV1 are sequentially connected in series.
  • a second series circuit in which the CV2 and the fourth valley-fill diode DV4 are sequentially connected in series, the contacts of the first valley-fill capacitor CV1 and the first valley-fill diode DV1, and the third valley-fill diode DV3.
  • a second valley-fill diode DV2 connected between the contact point of the second valley-fill capacitor CV2.
  • the active valley fill circuit 10 includes a fourth valley fill diode DV4 connected in series with the second valley fill capacitor CV2.
  • the active valley fill circuit 10 may include a fifth valley fill diode connected in series between a contact point of the second valley fill capacitor CV2 and the fourth valley fill diode DV4 and one end of the active valley fill charging controller 26. DV5) further.
  • the active valley fill circuit 10 may include the first valley fill capacitor CV1, the second valley fill diode DV2, the second valley fill capacitor CV2, and the fifth valley that are sequentially connected from the AC input power supply voltage in the charging mode.
  • Charge current is controlled and charged by a path connected to one end of the fill diode (DV5) -active valley fill charging control unit 26, and in the discharge mode, the first through the first series circuit and the light emitting diode module 320 are grounded. Discharge simultaneously through the first discharge path and the second discharge path through the second series circuit and the light emitting diode module 320 from the ground.
  • the active valley fill circuit 10 that is, the valley compensator, includes a first series circuit and a second series circuit (the first series circuit in which the first valley fill capacitor CV1 and the first valley fill diode DV1 are connected in parallel).
  • the second series circuit is sequentially connected in series, and the second valley fill diode (DV3), the second valley fill capacitor (CV2) and the fourth valley fill diode (DV4) are sequentially connected in series), and the first valley fill.
  • the contact between the second valley fill capacitor CV2 and the fourth valley fill diode DV4 is connected in series with the output of the valley charge control unit. And a fifth valleyfill diode DV5 connected thereto.
  • the active valley fill circuit 10 sequentially stores the first valley fill capacitor CV1, the second valley fill diode DV2, the second valley fill capacitor CV2, and the fifth valley fill diode DV5 during charging.
  • the charging current flows through.
  • the charging current is controlled to flow at a constant size by the control of the valley charging control unit.
  • the active valley fill circuit 10 may include a first discharge current, a fourth valley fill diode DV4, and a second discharge current sequentially passing through the first valley fill diode DV1 and the first valley fill capacitor CV1 during discharge.
  • a second discharge current flows through the valley fill capacitor CV2 and the third valley fill diode DV3 sequentially.
  • Tchg of the active valley fill circuit 10 is fixed and the charging current Icap is gradually increased. Then, more energy is charged in the capacitor during Tchg. Since the current discharging during Tvalley is fixed at I1, the Tvalley must be increased to discharge the same energy as the charged energy.
  • increasing Tvalley means that the charging voltage Vcap charged to the capacitor becomes large, and the Vcap increases, so that the AC input voltage is a period in which the AC input voltage is greater than 2 ⁇ Vcap, which is the sum of the voltages charged to the valley-fill capacitor. This means that the charging period becomes smaller, so that the Tchg becomes smaller eventually.
  • valley fill charge current shortens the valley fill charge period, increases the discharge period, and increases the voltage charged to the valley fill capacitor.
  • Higher valley fill charging current and shorter charging periods mean that the peak current is getting larger at the AC input current, resulting in worse THD.
  • the active valley fill charging control unit 26 is a circuit for supplying a valley fill charging current Icap, and includes a differential amplifier Ac and a transistor Mc.
  • the positive input terminal of Ac is connected to the reference voltage VREF, the output of Ac is connected to the gate of Mc, the source of Mc is connected to the negative input terminal of Ac, and at the same time the active valley fill charging control unit ( It is also connected to the voltage output terminal Rc of 26 to complete the unity feedback circuit.
  • the valley fill voltage is determined based on the valley fill charging current value. Since the valley fill voltage is the voltage driving the first stage light emitting unit (LED1) in the valley section Tvalley of the AC input power, the first stage light emitting section in the Tvalley section is used.
  • the valley fill charging current should be set to be greater than the on voltage VLED1 of (LED1) and at the same time smaller than the sum of the on voltages of the first stage light emitting unit LED1 and the second stage light emitting unit LED2, that is, less than VLED1 + VLED2. That is, it must be VLED1 ⁇ Vcap ⁇ (VLED1 + VLED2).
  • the active valley fill charging control unit 26 receives a preset first reference voltage and controls valley charging of the active valley fill circuit 10 by the first reference voltage and the charging current setting resistor. It may be implemented as a controller.
  • the active valley fill charging control unit 26 includes a differential amplifier and a transistor, the differential amplifier receives a first reference voltage from the dimming unit 22, and the transistor is connected in series with the active valley fill circuit 10 to charge current. To supply.
  • a first reference voltage is applied to the positive input terminal of the differential amplifier included in the active valley fill charging control unit 26, the output terminal of the differential amplifier is connected to the gate of the transistor, and the source of the transistor is differential. It is connected to the negative input of the amplifier.
  • the active valley fill charging control unit 26 is connected to the provided voltage output terminal and determines the magnitude of the charging current according to the resistance value of the resistor connected to the voltage output terminal.
  • the driving current must be driven small.
  • the general AC LED drivers 130 and 230 described in FIGS. 1A and 3A have a structure in which the light emission driving current can be driven only as the number of LED driving stages increases as the AC input voltage increases.
  • the step-up / down AC LED driver 21 of the present embodiment can drive the light emission driving current as the number of LED driving stages increases as the AC input voltage increases, thereby implementing a flicker-free AC LED lighting system.
  • the light emission driving current may increase as the number of driving stages increases, such as the general AC LED drivers 130 and 230.
  • each stage driving current of the step-up / down AC LED driver 21 may be configured to increase or decrease the light emission driving current as the number of driving stages increases, or may be configured in any manner.
  • the two-stage light emission driving current is smaller than the one-stage light emission driving current
  • the three-stage driving current is larger than the first-stage driving current
  • the four-stage driving current is smaller than the one-stage driving current but larger than the two-stage driving current.
  • Each single emission drive current value may be set arbitrarily.
  • 6A to 6D are basic blocks constituting the step-up / down AC LED driver 21 of this embodiment, in which one output voltage and one output current are subtracted by subtracting n inputs to one input of this embodiment.
  • the figure shows a P- N N amplifier that can be supplied.
  • FIG. 6A is a circuit diagram and FIG. 6B shows a symbol.
  • the P- n N amplifier has one positive input terminal INp, n negative input terminals INn1 to INn n , a terminal OUT1 for voltage output and a terminal OUT2 for current output.
  • the P- n N amplifier consists of a differential amplifier An, transistor Mn, 2 (n + 1) resistors Ra, Ra1 to Ran, Rb1 to Rbn, and Rf.
  • a resistor Ra is connected between the INp terminal and the positive input terminal n1 of An, n resistors Ra1 to Ran are connected in parallel between n1 and ground, and a resistor Rb1 is connected between the INn1 terminal and the negative input terminal n2 of An.
  • a resistor Rb2 is connected between the INn2 terminal and n2, a resistor Rbn is connected between the INn n terminal and n2, and a resistor Rf is connected between the OUT1 terminal and the n2 terminal.
  • the differential amplifier output n3 is connected to the gate of transistor Mn, the source of Mn is connected to the OUT1 terminal and the drain terminal to the OUT2 terminal.
  • An arbitrary resistor to set the output current is connected between the OUT1 terminal and ground, which can be integrated inside the chip or externally.
  • the OUT2 terminal is connected to one end of the light emitting unit to output a light emission driving current.
  • a reference voltage for setting the light emission drive current is input to the INp terminal, and feedback is provided from the voltage output terminals of the next stage P- n N amplifier to INn1 to INn n terminals, respectively.
  • the input terminal of the P- n N amplifier has four INps, INn1, INn2, and INn3 in total.
  • the output voltage VREF of the dimming unit 22 which is a reference voltage for setting the emission current, is input to the INp terminal, the voltage output terminal of the two-stage luminous current driver is connected to INn1, and the three-stage luminous current is connected to INn2.
  • the voltage output terminal of the driving unit is connected, and the voltage output terminal of the four-stage luminous current driving unit is connected to INn3.
  • the OUT1 terminal voltage is VOUT1
  • the INp terminal voltage is VINp
  • the terminal voltages from INn1 to INn n are respectively VINn1 to VINn n.
  • VOUT1 becomes as shown in Equation 1 below.
  • the two-stage luminous current driver only needs two inputs to receive feedback from the other voltage output terminal.
  • Fig. 6C an example of a possible circuit configuration is shown in Fig. 6C.
  • one of the resistors Rb3 to Rbn other than the resistor connected to the two input terminals among the resistors connected to the negative input terminal of the differential amplifier is open and is also connected to the positive input terminal of the differential amplifier. Open one end of the resistors Ra3 to Ran except the two parallel connected resistors Ra1 and Ra2 among the n parallel connected resistors.
  • the operation of the two-stage luminous current driver can be configured in the same manner even if all the resistors of Ra3 to Ran and Rb3 to Rbn are removed or a circuit is configured to open any one resistor. .
  • FIG. 6D illustrates an example of a four-stage luminous current driver circuit in an n-stage luminous current driver and a four-stage luminous current driver, wherein Ra and Rb are either one. Or you can short everything.
  • Fig. 7 shows the step-up / down AC LED driver 21 using the P- N N amplifier of this embodiment.
  • the step-up / down AC LED driver 21 is composed of a first stage luminous current driver 51, a two stage luminous current driver 52, a three stage luminous current driver 53, and a four stage luminous current driver 54.
  • each stage of the luminous current driving unit is connected to the output voltage VREF of the dimming unit 22, and the negative input terminals are fed back to the corresponding negative input terminals from the voltage output terminal of the next stage.
  • the voltage output terminal OUT1 of the P-3n amplifier of the first stage luminous current driver 51 is connected to the first stage voltage output terminal RS1 of the step-up / down AC LED driver 21, and the resistance value of the resistor R1 connected between RS1 and ground.
  • the first stage driving current I1 is determined, and the current output terminal OUT2 of the first stage luminous current driver 51 P-3n amplifier is connected to the first stage current output terminal S1 of the step-up / down AC LED driver 21. It is further connected to the connection point of the short emitting part LED1 and the two stage light emitting part LED2.
  • the voltage output terminal OUT1 of the two-stage luminous current driver 52 P-2n amplifier is connected to the two-stage voltage output terminal RS2 of the step-up / down AC LED driver 21 and the resistance value of the resistor R2 connected between RS2 and ground.
  • the second stage driving current I2 is determined, and the current output terminal OUT2 of the two-stage luminous current driver 52 P-2n amplifier is connected to the second stage current output terminal S2 of the step-up / down AC LED driver 21. It is further connected to the connection point of the short emitting part LED2 and the three stage light emitting part LED3.
  • the voltage output terminal OUT1 of the 3-stage luminous current driver 53 P-1n amplifier is connected to the three-stage voltage output terminal RS3 of the step-up / down AC LED driver 21 and is connected between RS3 and ground to the resistance value of the resistor R3. 3 stage driving current I3 is determined, and the current output terminal OUT2 of the 3-stage luminous current driver 53 P-1n amplifier is connected to the 3 stage current output terminal S3 of the step-up / down AC LED driver 21, and 3 It is further connected to the connection point of the short emitting part LED3 and the four-level light emitting part LED4.
  • Voltage output terminal OUT1 of the 4-stage luminous current driver 54 P-0n amplifier is connected to the 4-stage voltage output terminal RS4 of the step-up / down AC LED driver 21, and the resistance value of the resistor R4 connected between RS4 and ground.
  • Four stage driving current I4 is determined by the four stage driving current output unit 54, the current output terminal OUT2 of the P-0n amplifier is connected to the fourth stage current output terminal S4 of the step-up / down AC LED driver 21, and 4 It is further connected to the other end of the light emitting part LED4.
  • RS4, RS3, and RS2 terminal voltages are fed back to the three negative input terminals IN1, IN2, and IN3 from the first stage luminous current driver 51, respectively, and the two negative input terminals IN1 and two of the two stage luminous current drivers 52 are fed back.
  • the terminal voltages of RS4 and RS3 are fed back to IN2, and the terminal voltages of RS4 are fed back to one negative input terminal IN1 of the three-stage luminous current driver 53 to form a multi-feedback loop.
  • the driving current of each LED drive stage is referred to in order for the driving currents of the previous LED emitter to become zero.
  • the voltage should increase as the number of stages increases. Accordingly, only the configuration in which the light emission driving current increases as the number of LED driving stages increases.
  • the light emission current reference voltage of the next stage is lower than the reference voltage of the previous stage, the light emission current of the stage is always turned off. For example, when the three-stage luminous current reference voltage is less than the two-stage luminous reference voltage, the three-stage luminous current is always off.
  • the step-up / down AC LED driver 21 of the present embodiment operates normally even if the light emitting drive current is arbitrarily increased or decreased as the number of LED driving stages increases.
  • Equation 1 the terminal voltage of each stage voltage output terminal from Equation 1 may be represented by Equations 2 to 5 below. .
  • the step-up / down AC LED driver 21 is implemented as a light emitting current controller that supplies a corresponding driving current to the light emitting diode module 320 when the light emitting unit that emits light varies according to the magnitude of the AC input power voltage. Can be.
  • the light emitting current controller is configured to contact each contact between the mth (1 ⁇ m ⁇ n-1) th light emitting diode part and the (m + 1) th light emitting diode part, and the nth light emitting diode not contacting the (n-1) th light emitting diode part.
  • the driving current and the nth driving current flowing between the nth LED unit and the other end of the input power source are controlled.
  • the light emitting current control unit receives a first driving current for driving the first light emitting diode unit from the discharge current when the input power supply voltage is smaller than the charging voltage.
  • the driving current is supplied to the n-light emitting diode unit, but the input power supply voltage is increased enough to turn on the k-th LED unit (2 ⁇ k ⁇ n-1)
  • the first to (k-1) th driving currents are turned off to
  • the k driving current is controlled to flow from the input power supply through the first to k th light emitting diode parts, and the size thereof decreases as the number of LEDs emitting as the k th light emitting diode part is additionally turned on in response to an increase in the input power supply voltage.
  • the k-th driving current is driven to control the flicker of the light output of the light emitting diode unit to be attenuated.
  • the light emitting diode module includes first to nth light emitting diode units sequentially connected to an AC input power source, where n is a natural number of two or more, and the step-up / down AC LED driver 21 Includes first to nth light emitting current drivers connected to one end of the first to nth light emitting diode units, respectively.
  • the step-up / down AC LED driver 21 determines the light emission driving current of the first to nth light emitting current driving units according to the second reference voltage and the first to nth light emitting current setting resistance values.
  • the first to n-th light emitting current driving units included in the step-up / down AC LED driver 21 are connected to one end of each light emitting diode unit included in the light emitting diode module 320 to drive a driving current to drive each light emitting diode unit. Supply.
  • each of the first to nth light emitting current drivers is applied with a second reference voltage, and the first light emitting current driver is fed back from the voltage output terminal of the second to nth light emitting current drivers to a corresponding input terminal of the first light emitting current driver.
  • the kth (1 ⁇ k ⁇ n, k is a natural number) light emitting current driving unit is fed back from the voltage output terminal of the (k + 1) to the nth light emitting current driving unit to the corresponding input terminal of the kth light emitting current driver.
  • the step up / down AC LED driver 21 of the present embodiment changes the voltage of the previous stage voltage output terminal only by the voltage of each stage voltage output terminal when the AC input voltage is increased and the number of LED emitting stages is increased.
  • the resistance value of each stage driving current setting resistor R1 ⁇ R4 can be set so that each stage driving current has an arbitrary value.
  • the step-up / down AC LED driver 21 of the present embodiment is different from the general AC LED drivers 130 and 230, so that the number of LEDs emitting light increases as the AC input voltage increases. In this case, it can be configured to reduce each stage driving current value in response to the higher light output, thereby implementing a flicker-free AC LED lighting system.
  • the resistance values of the driving current setting resistors R1 to R4 are also configured to increase.
  • the resistance values of the driving current setting resistors R1 to R4 are also configured to increase.
  • the resistance value of the drive current setting resistors R1 to R4 so that each stage driving current arbitrarily increases or decreases when the number of LEDs emitting light increases as the AC input voltage increases.
  • FIG. 8 shows a parallel driving method of the present embodiment for constructing an AC LED lighting system having high LED output power while using only two valley fill capacitors.
  • the LED output power is large, the required valley fill capacitor charge current will also increase, resulting in increased power consumption of the SoC, which can significantly increase the package temperature. If the CN2 terminals of the two chips are connected as shown in FIG. 8 and the valley fill charging current setting resistor R5 is configured to have the same value, the valley fill capacitor of the SoC is excessively supplied because only half of the valley fill capacitor charging current is supplied from the two chips. It can prevent the increase.
  • FIGS 9A to 9C are diagrams showing operational waveforms of the flicker-free AC LED lighting system of the present embodiment.
  • Figure 9a is a diagram showing the AC input voltage and the current waveform
  • Figure 9b is a view showing the LED light emitting unit input voltage, the input current and the output current of each single light emitting current driver
  • Figure 9c is the LED light emitting unit input voltage, input current And a charge current of the active valley fill circuit 10.
  • FIG. 10A shows the LED light emitting unit input voltage, the input current and the output current of each single light emitting current driver when the single light emission current increases as the short current increases in the flicker-free AC LED lighting system of the present embodiment.
  • 10B is a diagram showing the LED light emitting unit input voltage, the input current, and the output current of each single light emitting current driver when the single light emitting current is configured to increase or decrease arbitrarily.
  • FIG. 11 converts the LED light output to voltage through the LED emitter input voltage, the input current, and the photo coupler when each single emission current value is set such that the flicker index is zero, that is, a constant light output.
  • the light output is a constant flicker-free AC LED drive.
  • the universal AC LED SoC of the present embodiment can implement a low cost, high reliability AC LED lighting system to meet various market demands, and specifically, implement a flicker-free AC LED lighting system. This is possible.
  • the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment provides a system that can almost solve the flicker, which is the biggest problem of the AC LED lighting system of general technology, and also provides the electrical characteristics such as THD and the like.
  • the AC LED lighting system can also be configured with well coordinated flicker index characteristics.
  • the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment may be configured to operate in the same manner as the valley fill AC LED lighting system 200 of the general technique, and the active valley fill circuit 10 of the present embodiment By controlling the valley fill capacitor charge current, the THD and EMI characteristics can be better than conventional technologies.
  • the active valley fill circuit 10 of the present embodiment requires five diodes as compared to the conventional valley fill circuit 250.
  • the diode and the valley fill charging controller 26 for providing a discharge path of the second valley fill capacitor are provided.
  • a diode is added to prevent the parasitic diode operation.
  • the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment may be configured to reduce the respective luminous current for flicker-free implementation when the number of LED emitters emitting light is increased by increasing the AC input voltage. Alternatively, it may be configured to increase, or may be configured to increase or decrease in any manner.
  • the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment may use the step up / down AC LED driver 21 of the present embodiment. Provide more.
  • the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment further provides the active valley fill circuit 10 and the step up / down AC LED driver 21 of the present embodiment to provide the AC LED lighting system according to various market demands. It is a universal AC LED lighting system that can provide.
  • the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment described above can be configured in any number of ways.
  • the diodes of the active valley fill circuit 10 of the present embodiment are the universal AC LED SoC of the present embodiment.
  • 330 may be implemented as a discrete element instead of inside, and in the flicker-free AC LED lighting system 300 of the present embodiment, the flicker-free characteristic is implemented when the number of LED loads emitting light is increased by increasing the AC input voltage.
  • the circuit of the step-up / down AC LED driver 21 of this embodiment which is provided in detail in FIG. 7 so that each single emission drive current can be reduced, may be configured in any other way, and even the emission current may be It may be configured such that only a reduction is possible in response to an increase in the number of light emission stages.
  • each single emission driving current is reduced in such a manner as to be configured. It must be clear that it should be protected.
  • full-wave rectifier 220 light emitting unit
  • AC LED driver 240 reference voltage generator
  • bias circuit 26 active valley fill charging control
  • LED1 1 stage light emitting unit
  • LED2 2 stage light emitting unit
  • LED3 three-stage light emitting part
  • LED4 four-stage light emitting part
  • VLED1 1 stage light emitter on voltage
  • VLED2 2 stage light emitter on voltage
  • VLED3 3-stage emitter on voltage
  • VLED4 4-stage emitter on voltage
  • CV1 first valleyfill capacitor
  • CV2 second valleyfill capacitor
  • S3 3-stage current output terminal
  • S4 4-stage current output terminal
  • RS3 3-stage voltage output terminal
  • RS4 4-stage voltage output terminal
  • CN1 negative input terminal of the first valleyfill capacitor of the active valleyfill circuit
  • CN2 negative input terminal of the second valleyfill capacitor of the active valleyfill circuit
  • VDD Regulator output terminal
  • ADIM Analog dimming input terminal
  • VN Ground terminal
  • R1 One-stage drive current setting resistor
  • R2 Two-stage drive current setting resistor
  • R3 3-stage drive current setting resistor
  • R4 4-stage drive current setting resistor
  • VAC AC input voltage
  • IAC AC input current
  • I1 1st stage drive current
  • I2 2nd stage drive current
  • I3 three stage drive current
  • I4 four stage drive current
  • VREF1 Single-Level Voltage Reference for AC LED Driver
  • VREF2 Two-Level Voltage Reference for AC LED Driver

Landscapes

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Abstract

본 실시예는 하이-사이드 MOSFET 트랜지스터와 게이트 드라이버를 사용하지 않고, 저비용 고신뢰성의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 제공하기 위한 것으로, 시스템 구현을 위해 단 하나의 유니버설(Universal) AC LED SoC를 사용하는 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 제공하기 위한 것이다.

Description

플리커-프리 ＡＣ ＬＥＤ 조명 시스템
본 실시예는 플리커-프리 AC LED 조명 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
LED(Lighting Emitting Diode) 조명은 구동 방식에 따라 AC/DC 컨버터를 통해 변환된 DC 전압을 이용하여 LED 구동 전류를 공급하는 DC LED 조명 시스템과 전파 정류한 교류 전압을 별도의 변환 과정 없이 그대로 이용하여 LED 구동 전류를 공급하는 AC LED 조명 시스템이 있으며, AC LED 조명 시스템은 DC LED 조명 시스템과는 다르게 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 하지 않으므로 스위치(Switch), 인덕터(Inductor), 커패시터(Capacitor) 등 부피가 큰 부품을 사용하지 않아 구동회로의 공간을 적게 차지하며 신뢰성과 설계 편의성이 좋은 장점을 가지고 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 AC LED 조명 시스템(100)의 한 예와 동작 파형을 도시한 도면이다.
도 1a의 AC LED 조명 시스템(100)은 AC 입력 전압을 전파 정류하여 맥류 전압으로 변환하는 전파 정류기(110), 전파 정류기(110)의 맥류 출력 전압을 입력 받아 발광하는 발광부(120), 발광부(120)에 구동 전류를 공급하는 AC LED 드라이버(Driver)(130) 그리고 AC LED 드라이버(130)에 구동 기준 전압을 제공하는 기준 전압 발생부(140)로 구성된다. 1단 발광부(LED1)에서 4단 발광부(LED4)까지 각 단 발광부는 실제적으로는 다수의 LED가 직렬 연결된 구성이거나, 혹은 직렬과 병렬 연결이 혼합된 직병렬 연결의 구성일 수 있다. AC LED 드라이버(130)는 1단 발광부(LED1)에서 4단 발광부(LED4)를 각각 구동하는 구동 전류 I1에서 I4까지를 출력한다.
1단 발광부(LED1)로부터 4단 발광부(LED4)의 다이오드 온 전압을 각각 VLED1에서 VLED4까지로 명명하기로 하고 도 1b의 동작 파형을 참조하여 AC LED 조명 시스템(100)의 동작 방법을 간단히 서술하기로 한다.
AC 입력 전원이 어느 정도 이상의 값으로 증가하면 도 1a에 명시적으로 도시하지는 않은 바이어스 회로가 동작하며 이에 따라 기준 전압 발생부(140)는 기준 전압 VREF1부터 VREF4까지를 출력하여 AC LED 드라이버(130)에 공급하고, AC LED 드라이버(130)는 구동 전류 I1에서 I4를 발광부(120)에 공급할 수 있는 상태가 된다. 하지만 발광부 입력 전압 Vin이 1단 발광부(LED1)을 구동할 수 있는 전압보다 낮기 때문에 I1에서 I4까지의 모든 구동 전류는 영인 상태에 있게 된다. Vin이 점점 증가하여 1단 발광부(LED1)의 온 전압 VLED1 이상으로 증가하면 AC LED 드라이버(130)의 1단 발광 전류 구동 트랜지스터 M1의 드레인(Drain) 전압이 증가하고 이에 따라 1단 구동 전류 I1이 증가하여 1단 발광부(LED1)을 구동하게 된다. Vin이 좀 더 증가하고 이에 따라 M1의 드레인 전압이 증가하여 M1이 포화(Saturation) 영역에 동작할 수 있을 정도로 Vin이 증가하게 되면 AC LED 드라이버(130)는 I1=VREF1/RCS의 일정한 크기의 전류로 1단 발광부(LED1)를 구동한다. 이때 센스 저항 RCS에 걸리는 전압 VCS는 VCS=VREF1이 된다. Vin이 2단 발광부(LED2)까지 구동할 수 있을 정도로 더욱 증가하면 2단 구동 전류 I2가 흐르기 시작하며 Vin이 증가할수록 더욱 증가하게 된다. 그런데 이때에도 증폭기(A1)과 M1에 의한 피드백에 의해 VCS 전압은 VREF1을 그대로 유지 하고 있어서 구동 전류 I2가 증가할수록 구동 전류 I1은 감소하며 그 합은 VREF1/RCS의 값이 유지되면서 동작한다. Vin이 더욱 증가하여 구동 전류 I2가 I2=VREF1/RCS로 되면 구동 전류 I1은 영이 되고 M1은 오프 된다. 이후 Vin이 증가함에 따라 I2는 점점 더 증가하고 M2가 포화 영역에서 동작할 수 있을 정도로 M2의 드레인 전압이 증가하면 I2는 I2=VREF2/RCS의 일정한 전류로 직렬 연결된 1단 발광부(LED1)와 2단 발광부(LED2)를 구동하게 된다. 이후 Vin이 더욱 증가하는 경우에는 앞서의 설명과 같은 동작으로 구동 전류 I3와 I4가 차례대로 온 되어 발광부(120)를 구동하게 된다. 4단 발광부(LED4)까지 충분히 구동할 수 있을 정도로 Vin이 상승 한 경우 I4는 I4=VREF4/RCS의 전류로 직렬 연결된 1단 발광부(LED1)부터 4단 발광부(LED4)까지 구동하게 된다. 이후 Vin이 최고점에 이른 후 점점 감소하여 발광 전류 구동 트랜지스터 M4의 드레인 전압이 점점 감소하여 M4가 포화영역에서 트라이오드(Triode) 영역으로 들어가게 되면 I4는 점점 감소한다. Vin이 더욱 감소하여 I4가 I4=VREF3/RCS에 해당하는 전류로 될 만큼 Vin이 감소하면 I3가 흐르기 시작한다. 하지만 이때에도 I3와 I4의 합 전류는 VREF3/RCS의 값이 유지되면서 동작하며 Vin이 더욱 감소하여 I3가 I3=VREF3/RCS로 되는 순간 I4는 영이 된다. 이후 Vin이 감소함에 따라 유사한 동작으로 I3에서 I2 그리고 I1까지 온 된 후 모두 오프 되는 한 주기 동작을 한다. 한 주기 동안의 동작은 도 1b의 동작 파형도와 앞서의 동작 설명을 참조하면 쉽게 이해 할 수 있다. 이때 발광부 입력 전류 Iin은 AC LED 드라이버(130)의 각 단 구동 전류의 합으로 Iin=I1+I2+I3+I4로 된다.
도 1b에 도시한 것처럼 AC LED 조명 시스템(100)의 발광부 입력 전류 Iin의 기본파 성분은 발광부 입력전압 Vin과 같은 위상을 가지므로 역률(Power Factor)이 아주 좋으며 THD(Total Harmonic Distortion) 특성도 좋은 장점을 가지고 있지만, Vin이 1단 발광부(LED1)도 구동 할 수 없을 정도로 낮은 영역에서는 AC LED 드라이버(130)의 출력 전류 I1 ~ I4가 모두 영이 되는 구간 Toff1과 Toff2가 발생하게 된다. 이러한 구간은 Vin의 매 주기마다 동일한 주기를 가지고 발생하므로 사람 눈으로는 인식할 수 없는 비가시적인 플리커(Flicker)가 발생되지만 이러한 플리커에 민감한 사람은 두통, 불안, 발작 등의 문제를 일으킬 수 있다
도 2는 이러한 플리커를 규격으로 정량화하는 방법을 보이는 도로 각각 퍼센트 플리커(Percent Flicker, P.F)와 플리커 인덱스(Flicker Index, F.I)의 두 가지 방법이 있다. 한 주기 동안 광출력의 최대치를 A, 최소치를 B라고 하고 광출력의 평균값보다 큰 영역의 면적을 A1, 작은 영역의 면적을 A2라고 하면 퍼센트 플리커 P.F는 P.F=100*(A-B)/(A+B)의 수식으로 정의되고, 플리커 인덱스 F.I는 F.I=A1/(A1+A2)로 정의 되며 퍼센트 플리커와 플리커 인덱스는 값이 작을수록 플리커가 적은 광이 된다. 광출력 파형의 비대칭적인 파형의 특성 혹은 주기적인 깜박임을 나타내는데 플리커 인덱스가 더 효과적이어서 광출력의 균질성을 제한하는 규정에 많이 사용되고 있다. 예를 들어 도 1b에서 광출력이 영이 되는 구간 Toff1과 Toff2의 크기가 다른 두 광원에 대해 퍼센트 플리커는 모두 100으로 같게 되지만 플리커 인덱스는 다른 값을 가지게 되어 광출력 파형이 특성을 잘 나타낼 수 있게 된다.
도 3a 및 도 3b는 도 1a 및 도 1b의 종래의 AC LED 조명 시스템(100)에서 광출력이 영이 되는 구간이 없도록 하여 플리커 특성을 개선하기 위한 종래 기술의 한 예를 보이는 도로써 전력전자 시스템에서 흔히 사용되는 밸리필(Valley Fill) 회로를 전파 정류기 뒤 단에 부가하여 AC 입력 전압의 밸리 구간에는 밸리필 회로가 LED를 구동할 수 있도록 구성한 종래 기술의 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)과 그 동작 파형을 보이는 도이다.
도 3a의 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)에서 발광부의 부호와 발광부 입력 전압과 전류 그리고 각 단 발광부의 구동 전류 부호는 비록 동작 파형이 다르지만 같은 기능을 하므로 도 1a와 같은 부호를 사용하였다.
도 3a 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)은 전파 정류기(210), 발광부(220), AC LED 드라이버(230), 기준 전압 발생부(240)로 구성된 시스템에 밸리필 회로(250)가 더 부가된 시스템이다. 밸리필 회로(250)는 LED 부하를 구동할 수 없을 정도로 AC 입력 전원이 낮아져 LED가 오프 되는 기간이 생기는 것을 보상하여 밸리 구간 동안에 LED 부하를 구동하는 역할을 하는 것으로 두 개의 밸리필 커패시터 CV1과 CV2 그리고 세 개의 밸리필 다이오드 DV1, DV2, DV3로 구성 되어 있으며 CV1과 CV2가 충전되기 시작하는 순간 과도한 인러쉬(Inrush) 전류가 흐르는 것을 제한하기 위한 인러쉬 전류 제한 저항을 충전 경로 상의 적당한 곳, 예를 들면 전파 정류기(210)와 밸리필 회로(250) 사이 혹은 DV2의 전 또는 후에 더 부가할 수 있다.
도 3b는 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)의 동작 파형을 보이는 도로써 도 3b를 참조하여 밸리필 회로(250)의 동작을 간단히 설명해 보도록 한다. 이때 전파 정류기(210)와 밸리필 회로(250)의 다이오드 온 전압은 AC 입력 전압에 비해 매우 작으므로 무시하며 또한 밸리필 커패시터 CV1과 CV2는 동일한 커패시터 값을 가지는 경우로 한다. 밸리필 회로(250)는 3개의 동작 모드가 존재 하는데, 제1 모드는 도 3b 동작 파형도에서 Tchg로 표기된 구간으로써 전파 정류된 AC 입력 전압이 직렬 연결된 CV1과 CV2에 충전된 전압의 합보다 커서 DV1과 DV3는 오프 되고 DV2는 온 되어 AC 입력 전원으로부터 CV1-DV2-CV2-그라운드의 경로를 통해 CV1과 CV2를 충전하는 기간이며 CV1과 CV2에는 각각 Vpeak/2 전압까지 충전된다. 이때 AC 입력 전류 IAC는 밸리필 회로(250)의 충전 전류 Ivalley와 발광부 입력 전류 Iin을 동시에 공급하고 있으므로 IAC=Ivalley+Iin 이 된다. 제2 모드는 도 3b 동작 파형도에서 Tflot로 표기된 구간으로써 AC 입력 전압이 CV1과 CV2에 충전된 전압의 합보다는 작지만 Vpeak/2 보다는 큰 경우로 DV1, DV2, DV3는 모두 오프 되어 있어서 CV1과 CV2는 충전도 방전도 하지 않고 충전된 전압을 그대로 유지하고 있는 모드이다. 이때 충전도 방전도 하지 않고 있으므로 Ivalley는 영이고 AC 입력이 LED 부하만 구동하고 있는 상태로 IAC=Iin이 된다. 제3 모드는 도 3b 동작 파형도에서 Tvalley로 표기된 구간으로써 AC 입력 전압이 Vpeak/2 전압 보다 낮아지게 되면 DV1과 DV3는 온 되고 DV2만 오프 되는 방전 모드가 되어 CV1과 CV2는 병렬 연결되어 발광부(220)의 LED 부하에 부하 전류를 공급하게 된다. 이때 AC 입력 전압은 Vpeak/2보다 작으므로 전파 정류기(210)의 모든 다이오드가 오프 되어 IAC는 영이 되고 따라서 Ivalley=-Iin이 된다. CV1과 CV2가 방전함에 따라 충전된 전압은 계속해서 낮아지지만 커패시터 값이 매우 크다고 가정하여 도 3b에서 방전기간 Tvalley 구간에서 발광부 입력 전압 Vin은 Vpeak/2의 일정한 전압을 유지하는 것으로 도시하였다.
도 3b의 동작 파형도에 보인 것과 같이 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)이 제대로 동작하도록 설계하기 위해서는 발광부(220)의 적절한 설계가 필요하다. 예를 들어 1단 발광부(LED1)에서 4단 발광부(LED4)까지의 온 전압을 VLED1에서 VLED4로 각각 표시한다고 하면, 밸리필 회로(250)의 충전 전압이 Vpeak/2 이므로 방전 구간인 Tvalley 동안 CV1과 CV2의 최종 방전 전압이 1단 발광부(LED1)의 온 전압 VLED1 보다 낮은 전압으로 떨어지지 않도록 충분한 커패시터 값을 가져야 한다. 또한 CV1과 CV2에 충전된 전압은 1단 발광부(LED1)의 온 전압 VLED1 보다는 크지만 1단 발광부의 온 전압과 2단 발광부(LED2) 온 전압의 합 보다는 작도록 해야 한다. 즉, VLED1 < Vpeak/2 < (VLED1+VLED2) 의 조건이 되도록 발광부(220)의 각 단 LED 구성을 하여야 한다. 만약 CV1과 CV2에 충전된 전압의 합이 1단 발광부의 온 전압과 2단 발광부(LED2) 온 전압의 합 보다 크게 되면 1단 구동 전류 I1은 항상 오프 상태가 되어 3단으로 구성된 LED 처럼 동작하게 된다.
도 3b에서 AC 입력 전원의 입력 전류 IAC의 동작 파형에서 보는 것과 같이 Tvalley 구간 동안 CV1과 CV2에서 방전된 에너지만큼 Tchg 구간 동안 CV1과 CV2를 충전해야 하므로 매우 큰 피크(Peak) 전류가 흐르게 된다. 이러한 피크 입력 전류는 LED 조명의 출력 파워가 높을수록 더욱 커지게 된다. LED 조명의 출력 파워를 높이기 위해서는 LED 구동 전류 I1에서 I4까지를 키워야 하는데 이에 따라 방전 기간 동안 밸리필 커패시터의 충전 전압이 VLED1이하로 떨어지지 않도록 커패시터 값을 키워야 할 수도 있으며, 커패시터 값을 크게 할수록 충전기간 Tchg는 짧아져 피크 전류 Ipeak는 더욱 커지게 된다. 이러한 밸리필 커패시터를 충전하기 위한 AC 입력단의 피크 전류 때문에 종래 기술의 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)은 THD와 EMI(Electro Magnetic Interference)와 같은 전기적 특성이 나빠지며 EMI 특성을 좋게 하기 위해 AC 입력 단에 큰 EMI 필터를 부가해야 하는 문제가 있다. 그러나 도 3b에서 보는 것과 같이 발광부 입력 전압 Vin은 항상 1단 발광부(LED1)의 온 전압 VLED1보다 크므로 밸리 구간에서도 1단 전류가 영으로 되지 않고 일정한 값을 유지할 수 있어 플리커 특성을 개선할 수는 있다. 도 3b에서 AC 입력 전압이 점점 증가하여 2단 발광부(LED2)까지도 구동할 수 있을 정도로 증가하면 2단 구동 전류 I2이 출력되기 시작되며 이후의 동작은 도 1b에서 설명한 바와 같이 유사한 방법으로 동작한다. 이때 발광부 입력 전류는 Iin=I1+I2+I3+I4으로 주어지며 광출력이 영으로 되는 기간이 존재하지 않으므로 퍼센트 플리커는 개선된다. 하지만 플리커 인덱스는 여전히 좋지 않으며 AC 입력단에 흐르는 매우 큰 피크 전류로 인하여 매우 큰 EMI 필터가 필요한 문제가 있다.
LED 구동 방식에 있어서 AC/DC 컨버터를 이용하는 구동방식은 기본적으로 AC 입력을 DC 출력으로 변환하는 방식이므로 일정한 구동 전류를 LED 부하에 공급할 수 있어서 일정한 광출력을 낼 수 있으므로 플리커의 관점으로 보면 가장 좋은 구동 방식일 것이다. 반면에 AC 구동 방식은 PWM 스위칭 제어 방식을 사용하지 않으므로 구동 회로가 적은 공간을 차지하고 신뢰성이 높고 비교적 설계가 용이하며 역률, THD, EMI 등의 전기적 특성이 우수한 장점을 가지고 있지만, 종래 기술의 도 1a 및 도 1b에서 전술한 것과 같이 기본적으로 LED가 온 될 수 있을 정도로 AC 입력 전원 전압이 증가하기 전에는 LED를 구동 할 수 없으므로 LED에 구동 전류가 영이 되는 구간이 발생하여 플리커가 발생하는 문제가 있다. 이러한 플리커 특성을 개선하기 위해 입력 전원의 밸리 구간을 보상하는 밸리필 회로를 AC 구동 방식에 더 부가한 종래 기술의 한 예를 도 3a 및 도 3b에서 전술하였지만 이 구동 방식 역시 플리커 특성을 조금 개선하는 정도이고 THD나 EMI 특성은 더 나빠지는 문제가 있다. 본 실시예의 앞서의 설명에서는 기술하지 않았지만 AC 구동 방식이면서도 광출력에 플리커가 없는, 즉 플리커-프리(Fliker-Free)를 구현하는 AC 구동 방식의 여러 예가 공개 되었지만 하나 같이 최신의 700V 고압 반도체 제조 공정에서 제공되지 않는 하이-사이드(High-Side) 스위칭 소자가 여러 개 필요하고 더군다나 스위치를 온/오프 하기 위한 센싱과 제어 방식이 복잡하여 하나의 IC(Integrated Circuit)로 구현하는 것이 거의 불가능한 문제가 있다. 이러한 방식에서 하이-사이드 스위칭 소자들은 디스크리트(Discrete) 소자를 사용하고 이 소자들을 온/오프 제어하기 위한 하이-사이드 게이트 드라이버(Gate Driver)와 제어 회로를 하나의 칩(Chip)으로 만드는 SoC(System On Chip) IC 혹은 하이브리드(Hybrid) IC의 형태로 구현할 수 있다 하더라도 다수의 고압 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 스위치와 이를 구동하기 위한 게이트 드라이버가 필요하기 때문에 시스템을 구현할 수 있다고 하더라도 가격이 매우 크게 증가하여 DC 구동 방식에 비해 가격과 신뢰성 측면에서 비현실적인 문제가 있다.
본 실시예는 위에서 상술한 문제를 해결하여 하이-사이드 MOSFET 트랜지스터와 게이트 드라이버를 사용하지 않으므로 저비용 고신뢰성의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 제공하기 위한 것으로 시스템 구현을 위해 단 하나의 유니버설(Universal) AC LED SoC를 사용하는 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 제공하기 위한 것이다.
보다 상세하게 본 실시예의 유니버설 AC LED SoC는 본 실시예의 액티브 밸리필(Active Valley Fill) 회로에서 필요한 다이오드들과 액티브 밸리필 회로(10)의 충전 전류를 제어하기 위한 충전 전류원 및 플리커-프리 특성을 구현할 수 있는 제어 회로가 한 칩으로 집적된 플리커-프리 제어 IC가 하나의 칩으로 패키징(Packaging)된 SoC이다. 보다 구체적으로 유니버설 AC LED SoC 내의 밸리필 다이오드들과 플리커-프리 제어 IC가 부착된 리드 프레임(Lead Frame)은 서로 격리(Isolation) 되어 있어서 리드 프레임을 통한 전기적 쇼트(Short)가 발생하지 않는다. 또한 AC 입력을 직접 받는 구동 방식이기 때문에 고압이 입력되는 SoC의 핀(Pin)간 발생할 수 있는 아크(Arc) 방전 문제를 회피하면서도 PCB(Printed Circuit Board) 배선 과정에서 점퍼(Jumper)을 사용하지 않고 전체 AC LED 조명 시스템의 PCB 배선이 간소화 될 수 있도록 SoC의 핀 배치가 결정되었으며, 이러한 핀 배치 때문에 SoC의 본딩(Bonding) 과정에서 발생하는 소자간 쇼트 문제를 해결 할 수 있도록 본딩 배선용 리드 프레임이 더 부가된 리드 프레임에 액티브 밸리필 회로(10)의 다이오드들과 플리커-프리 제어 IC가 필요한 부분끼리 서로 내부에서 혹은 외부로 본딩 되어 하나의 칩으로 패키징된 유니버설 AC LED SoC이다.
플리커를 개선하기 위해 종래 기술의 AC LED 조명 시스템에 단순히 밸리필 회로를 더 부가한 종래의 밸리필 AC LED 조명 시스템에서 밸리필 회로의 충전 전류가 제어되지 않고 AC 입력 전원이 두 개의 밸리필 커패시터의 충전 전압의 합보다 큰 충전 기간 동안 임의로 충전됨에 따라 AC 입력단에 발생하는 매우 큰 피크 전류가 흐르고 이에 따라 구동 시스템의 THD, EMI 등 전기적 특성이 좋지 않은 것에 비해, 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템은 밸리필 커패시터를 충전하는 전류를 제어하며, 이에 따라 밸리필 커패시터에 충전되는 충전 전압과 충전 기간이 제어되도록 하여 종래 기술의 밸리필 AC LED 조명 시스템보다 THD, EMI 등의 전기적 특성을 좋게 하는 방법이다. 본 실시예의 유니버설 AC LED SoC 내의 플리커-프리 제어 IC에는 액티브 밸리필 회로(10)의 충전 전류를 제어할 수 있는 회로가 더 부가되어 있으며 본 실시예에서 충전 전류 값의 변경은 외부 한 개의 핀과 그라운드 사이에 연결된 저항 값에 의해 설정할 수 있도록 구성 되어 있다. 본 실시예의 구성과 다르게 밸리필 충전 전류가 외부 전압에 의해 변경되도록 구성 하는 등 얼마든지 여타 다른 방법으로 구성 될 수도 있음은 분명하며 본 실시예의 사상을 벗어 나지 못하는 경우 본 실시예는 본 실시예의 사상 내에서 보호 되어야 함은 자명하다.
보다 상세하게 본 실시예의 액티브 밸리필 회로(10)는 종래의 밸리필 회로와는 다르게 5개의 밸리필 다이오드와 2개의 밸리필 커패시터로 구성 되며, 본 실시예의 유니버설 AC LED SoC에는 본 실시예의 액티브 밸리필 회로(10)에서 5개의 밸리필 다이오드들이 SoC 내부에 집적되어 있다.
보다 상세하게 본 실시예의 플리커-프리 제어 IC에는 다단으로 구성된 LED 발광부의 광출력이 일정하도록 제어할 수 있는 구동회로가 더 집적된 IC로 이상적으로는 플리커가 발생하지 않아 플리커 인덱스가 영인 AC LED 조명 시스템을 구현할 수 있는 제어 IC이다. 구체적으로 LED 광출력의 크기는 LED 특성상 거의 LED 구동 전류에 비례하는데, 다단으로 구성된 발광부에서 다음 단이 온 되어 더 발광하는 경우 발광되는 LED 개수가 많아 지므로 일정한 광출력이 유지될 수 있도록 이에 상응하여 다음 단의 LED 구동 전류를 이전 단의 LED 구동 전류보다 작은 값으로 출력하여 구동하는 방식으로 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버에서 이러한 구동 전류를 출력한다.
보다 상세하게 종래 기술의 AC LED 드라이버가 AC 입력 전압이 영에서 최대치로 증가함에 따라 발광하는 LED 단 수가 증가하는 경우, 다음 단의 구동 전류 값이 이전 단의 구동 전류 값보다 크게만 구동 전류를 출력하는 스텝 업(Step Up) LED 구동만 할 수 있는데 반해, 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버는 다음 단의 구동 전류 값이 이전 단의 구동 전류 값보다 작게 구동할 수 있는 스텝 다운(Step Down) LED 구동을 제공하여 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 구현 할 수 있게 한다. 구체적으로 이러한 특성을 구현하기 위해, 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버는 N단 발광전류 구동부의 전압 출력단에서 이전 1단 발광전류 구동부부터 (N-1)단 발광전류 구동부에 해당하는 입력단으로 각각 피드백 연결되고, (N-1)단 발광전류 구동부는 (N-1)단 발광전류 구동부의 전압 출력단에서 이전 1단 발광전류 구동부부터 (N-2)단 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 각각 피드백 연결되는 다중 피드백 루프(Feedback Loop)의 구성을 가진다. 또한 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버는 종래 기술의 AC LED 드라이버처럼 발광하는 LED 단수가 증가할수록 구동 전류 값이 증가하는 스텝 업 LED 구동을 구성 할 수도 있으며, 임의의 단에서 이전 혹은 이후의 단 구동 전류와 비교하여 구동 전류가 증가하거나 아니면 반대로 감소하도록 구동할 수 있는 스텝 업/다운(Step Up/Down) LED 구동을 구성할 수도 있는 유니버설한 AC LED 드라이버이다.
보다 상세하게 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버에서 각 단 구동 전류의 크기는 각 단 발광전류 구동부의 전압 출력단에서 그라운드로 연결되는 저항 값의 크기에 따라 정해지며, 본 실시예의 유니버설 AC LED SoC는 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버의 각 단 발광전류 구동부 전압 출력단이 외부 핀으로 연결되어 외부 저항 값에 의해 스텝 업/다운 AC LED 드라이버의 각 단 구동 전류 값이 LED 발광 단이 증가 함에 따라 증가하거나 감소하거나 혹은 증가-감소가 가능하도록 하여 AC LED 조명 시스템의 다양한 요구에 맞추어 시스템을 구성 할 수 있도록 하였다. 그러나 각 단 구동 전류를 설정하는 저항의 전부 혹은 일부를 IC 내에 집적하여 구성할 수도 있음은 자명하다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 복수의 발광 다이오드부를 포함하는 발광 다이오드 모듈을 구동하는 구동 장치에 있어서, AC 입력 전원의 전압 크기에 따라 충전 과정과 방전 과정을 상기 AC 입력 전원의 주기에 상응하여 서로 번갈아가며 반복하며, 상기 충전 시에는 제어된 충전 전류로 충전되며, 상기 방전 시에는 충전된 에너지를 방전하여 상기 발광 다이오드 모듈을 구동하는 전류를 공급하는 밸리 보상부; 상기 AC 입력 전원의 전압 크기에 따라 발광하는 상기 발광 다이오드부가 변경되는 경우, 변경된 발광 다이오드부에 상응하는 구동 전류를 상기 발광 다이오드 모듈에 공급하는 발광전류 제어부; 및 기 설정된 제1 기준 전압과 기 설정된 충전 전류 설정 저항에 의하여 상기 밸리 보상부의 상기 충전 전류를 제어하는 밸리 충전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 입력 전원에 순차적으로 연결된 제1 내지 제n(단, n은 2 이상의 자연수) 발광 다이오드부를 포함하는 발광 다이오드 모듈에 공급하는 구동 전류를 제어하는 장치에 있어서, 상기 제1 내지 제n(단, n은 2 이상의 자연수) 발광 다이오드부 각각의 일 단과 연결되어 상기 구동 전류를 공급하는 제1 내지 제n 발광전류 구동부를 포함하고, 상기 제1 내지 제n 발광전류 구동부 각각은, 기준 전압을 인가 받고, 제1 발광전류 구동부는 제2 내지 제n 발광전류 구동부의 전압 출력단으로부터 상기 제1 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 피드백 되고, 제k(1 < k < n, k는 자연수) 발광전류 구동부는 제(k+1) 내지 제n 발광전류 구동부의 전압 출력단으로부터 상기 제k 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 피드백 되며, 상기 제k 발광전류 구동부의 전압 출력에 의해 제1 내지 제(k-1) 발광전류 구동부의 상기 구동 전류가 제어 되는 것을 특징으로 하는 발광전류 제어장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 AC LED 조명 시스템은 AC 구동 방식이면서도 플리커가 없는 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 구현하기 위한 것이며, 보다 상세하게는 플리커-프리 조명 시스템 구현을 위한 유니버설 AC LED SoC를 더 제공하여 저비용, 고신뢰성의 플리커 프리 AC LED 조명 시스템을 구현할 수 있게 하기 위함이다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 AC LED 조명 시스템의 한 예와 동작 파형을 도시한 도면이다.
도 2는 플리커를 정량화하는 방법을 보이는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 일반적인 밸리필 AC LED 조명 시스템의 한 예와 동작 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 보이는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 실시예에 따른 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 보다 상세히 도시한 도와 동작 파형도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 실시예에 따른 스텝 업/다운 AC LED 드라이버의 각 단 발광전류 구동부를 구성하는 P-nN 앰프의 여러 회로와 심볼을 보이는 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 스텝 업/다운 AC LED 드라이버를 보이는 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 병렬 구동 방법을 보이는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 실시예에 따른 플리커-프리 AC LED 조명 시스템의 동작 파형을 보이는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 실시예에 따른 플리커-프리 AC LED 조명 시스템에서 각 단 구동 전류의 설정을 다르게 하는 경우의 동작 파형을 보이는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)의 한 예를 보이는 도면이다.
본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)은 전파 정류기(310), 발광부(320), 유니버설 AC LED SoC(330), 밸리필 커패시터 CV1과 CV2, 각 단 발광전류 구동부의 구동 전류 설정 저항 R1 내지 R5, 밸리필 충전 전류 설정 저항 R5 그리고 레귤레이터 출력 커패시터 CVDD로 구성되어 있다. 발광부(320)는 1단 발광부(LED1)부터 4단 발광부(LED4)까지 직렬 연결되어 있다.
유니버설 AC LED SoC(330)의 핀(Pin) 구성은 각각, 교류 입력을 직접 받는 전원 입력 단자 VP, 그라운드(Ground) 단자 VN, 1단 전류 출력 단자 S1, 2단 전류 출력 단자 S2, 3단 전류 출력 단자 S3, 4단 전류 출력 단자 S4, 1단 전압 출력 단자 RS1, 2단 전압 출력 단자 RS2, 3단 전압 출력 단자 RS3, 4단 전압 출력 단자 RS4, 액티브 밸리필 회로(10)에서 제1 밸리필 커패시터의 음의 입력 단자 CN1, 그리고 제2 밸리필 커패시터의 양의 입력 단자 CP와 음의 입력 단자 CN2, 액티브 밸리필 충전 제어부(26)의 전압 출력 단자 RC, 아날로그 디밍(Analog Dimming) 제어 입력 단자 ADIM, 레귤레이터 출력 단자 VDD의 핀으로 구성된다. 유니버설 AC LED SoC(330)의 핀 구성은 4개의 사용하지 않는 NC 핀들을 더 포함한다. NC 핀들 중 CN1과 VP, VP와 S1 그리고 S1과 S2사이에 있는 NC 핀들은 높은 교류 전압이 입력되는 핀들 간에 고압 아크(Arc) 방전이 발생하여 시스템에 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해 고의로 삽입한 NC 핀들이다. 또한, 액티브 밸리필 회로(10)의 제2 밸리필 커패시터의 음의 입력 단자 CN2는 액티브 밸리필 충전 제어부(26)의 구동 전류 출력 단자이다.
유니버설 AC LED SoC(330)의 전원 입력 단자 VP는 발광부 입력 전압 Vin에 연결되고 그라운드 단자 VN은 전파 정류기(310)의 접지 단자와 연결된다. 1단 구동 전류 값은 1단 전압 출력 단자 RS1과 그라운드 사이에 연결되는 저항 R1의 값에 의해 정해지며, 2단 구동 전류 값은 2단 전압 출력 단자 RS2와 그라운드 사이에 연결되는 저항 R2의 값에 의해 정해진다. 3단 구동 전류 값은 3단 전압 출력 단자 RS3와 그라운드 사이에 연결되는 저항 R3의 값에 의해 정해지며, 4단 구동 전류 값은 4단 전압 출력 단자 RS4와 그라운드 사이에 연결되는 저항 R4의 값에 의해 정해진다.
액티브 밸리필 회로(10)의 충전 전류 값은 액티브 밸리필 충전 제어부(26)의 전압 출력 단자 RC와 그라운드 사이에 연결되는 저항 R5의 값에 의해 정해진다.
액티브 밸리필 회로(10)의 제1 밸리필 커패시터 CV1은 발광부 입력 전압 Vin과 제1 밸리필 커패시터의 음의 입력 단자 CN1 사이에 연결되고, 액티브 밸리필 회로(10)의 제2 밸리필 커패시터 CV2는 제2 밸리필 커패시터의 양의 입력 단자 CP와 음의 입력 단자 CN2 사이에 연결되며 CV1과 CV2는 보통의 경우 같은 값을 가지도록 설계된다.
액티브 밸리필 회로(10)의 제1 밸리필 다이오드 DV1은 캐소드가 CN1에 연결되고 애노드가 VN에 연결되며, 제2 밸리필 다이오드 DV2는 애노드가 CN1에 연결되고 캐소드가 CP에 연결되며, 제3 밸리필 다이오드 DV3는 애노드가 CP에 연결되고 캐소드가 VP에 연결되며, 제4 밸리필 다이오드 DV4는 애노드가 VN에 캐소드가 CN2에 연결되며, 제5 밸리필 다이오드 DV5는 애노드가 CN2에 캐소드가 액티브 밸리필 충전 제어부(26) 일 단에 연결된다.
레귤레이터 출력 단자 VDD와 그라운드 사이에는 커패시터 CVDD가 더 부가 될 수 있으며, 도 4의 회로에는 도시하지 않았지만 아날로그 디밍 단자 ADIM에도 외부의 디머(Dimmer) 예를 들면 0-10 디머 등과 같이 출력 전압 영역이 유니버설 AC LED SoC(330)의 디밍 전압 입력 영역에 대응하도록 하기 위해 저항 분압 회로 및 안정화 커패시터 등이 더 부가 될 수 있다.
본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)은 AC 입력 전원의 밸리 구간을 보상하는 종래 기술의 단순한 밸리필 회로가 아니라 밸리필 커패시터를 충전하는 충전 전류를 제어하는 것이며, 보다 구체적으로 밸리 구간 동안 밸리필 커패시터에서 방전하는 에너지는 밸리필 커패시터 충전 기간 동안 밸리필 커패시터에 충전하는 에너지와 같으므로 결국 밸리필 커패시터를 충전하는 전류를 제어하면 밸리필 커패시터에 충전되는 전압을 제어 할 수 있다. 이러한 제어를 통해 종래기술의 밸리필 회로의 충전 전류는 짧은 기간에 피크성 충전 전류가 흘러 전기적 특성이 나빠지는 것에 반해 본 실시예는 밸리필 회로의 충전 전류를 제어하여 넓은 충전 기간 동안 낮은 충전 전류로 충전하여 전기적 특성을 좋게 하는 것이다.
또한, 이러한 충전 전류 제어를 통해 밸리필 커패시터에 충전되는 전압은 발광부(320)의 1단 발광부(LED1)의 온 전압 VLED1보다 크게 하면서 1단 발광부(LED1)와 2단 발광부(LED2) 온 전압의 합(VLED1+VLED2) 보다 작게 되도록 발광부(320)의 각 단 LED를 구성할 수 있다. 이러한 동작 특성을 구현하기 위해 본 실시예의 유니버설 AC LED SoC(330)에는 액티브 밸리필 회로(10)의 충전 전류를 설정할 수 있는 액티브 밸리필 충전 제어부(26)가 더 집적되어 있으며 전압 출력 단자 RC와 그라운드 사이에 연결되는 저항 R5의 값에 의해 충전 전류 값이 정해진다.
유니버설 AC LED SoC(330)는 발광부(320)의 발광 단 수가 증가함에 따라 발광하는 LED 개수가 증가하고 이에 따라 광출력이 증가하는 것을 보상할 수 있도록 발광 구동 전류의 크기 역시 발광 단 수가 증가하면 감소하도록 제어하여 AC 구동 방식에서도 플리커-프리 특성이 구현될 수 있도록 하는 SoC이다.
도 5a는 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)에서 유니버설 AC LED SoC(330)를 보다 자세하게 도시한 도이고 도 5b는 동작 파형도 이다.
도 5a에서 유니버설 AC LED SoC(330)는 플리커-프리 제어 IC(20)와 액티브 밸리필 회로(10)에서 다이오드(DV1~DV5)들이 한 칩에 집적된 SoC이다.
플리커-프리 제어 IC(20)는 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21), 디밍부(22), 레귤레이터(23), 보호 회로(24), 바이어스 회로(25) 그리고 액티브 밸리필 충전 제어부(26)로 구성되어 있다.
바이어스 회로(25)는 도 5a에서 명시적으로 나타내진 않았지만 교류 전압 입력 단자 VP로부터 유니버설 AC LED SoC(330)의 각 기능 블록이 정상적으로 동작하기 위한 바이어스 전압과 전류를 생성한다.
디밍부(22)는 아날로그 디밍 입력 단자 ADIM으로부터 전압을 입력 받아 기준 전압(VREF)을 출력하여 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)와 액티브 밸리필 충전 제어부(26)로 입력한다.
본 발명의 실시예에서는 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)와 액티브 밸리필 충전 제어부(26)가 디밍부(22)로부터 같은 기준 전압을 공급받는 예를 보였으나 서로 다른 기준 전압을 공급받을 수도 있고 아예 디밍부(22)가 아닌 예를 들어 바이어스 회로(25)로부터 기준 전압을 공급받을 수도 있다.
레귤레이터(23)는 일정한 전압을 VDD 단자로 출력하며 VDD 단자와 그라운드 사이에 커패시터를 더 부가 할 수 있다.
보호 회로(24)는 플리커-프리 제어 IC(20)의 핀 쇼트 혹은 IC의 과도한 온도 상승과 같은 비정상적인 상태로 인한 IC의 손상을 방지하기 위한 회로이다.
스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 1단 구동 전류는 RS1 단자와 그라운드 사이에 연결된 R1 저항 값에 의해 정해지며, 2단 구동 전류는 RS2 단자와 그라운드 사이에 연결된 R2 저항 값에 의해 정해지며, 3단 구동 전류는 RS3 단자와 그라운드 사이에 연결된 R3 저항 값에 의해 정해지며, 4단 구동 전류는 RS4 단자와 그라운드 사이에 연결된 R4 저항 값에 의해 정해진다.
플리커-프리 제어 IC(20)의 구동을 위한 각 단 발광 전류의 설정 방법을 설명하도록 한다. 먼저 1단 발광부(LED1)을 구성하는 직렬 연결된 LED 개수를 k1, 2단 발광부(LED2)을 구성하는 직렬 연결된 LED 개수를 k2, 3단 발광부(LED3)을 구성하는 직렬 연결된 LED 개수를 k3, 4단 발광부(LED4)을 구성하는 직렬 연결된 LED 개수를 k4 라고 하면 LED의 광출력은 LED 구동 전류에 거의 선형적으로 비례하므로 1단 발광부(LED1)만 발광하는 경우 광출력은 k1×I1에 비례하고, Vin이 점점 증가하여 1단 발광부(LED1)와 2단 발광부(LED2)가 모두 발광하는 경우 광출력은 (k1+k2)×I2에 비례하고, 1단 발광부(LED1)부터 3단 발광부(LED2)까지 모두 발광하는 경우 광출력은 (k1+k2+k3)×I3에 비례하고, 1단 발광부(LED1)부터 4단 발광부(LED4)까지 모두 발광하는 경우 광출력은 (k1+k2+k3+k4)×I4에 비례한다. 따라서 일정한 광출력을 얻기 위한 각 단 구동 전류를 1단 구동 전류의 함수로 표현하면, I2=(k1/(k1+k2))×I1, I3=(k1/(k1+k2+k3))×I1, I4=(k1/(k1+k2+k3+k4))×I1 의 관계식이 만족하도록 각 단 구동 전류를 설정해야 한다. 그런데 플리커-프리 제어 IC(20)에서 각 단 구동 전류는 각각, I1=VREF/R1, I2=VREF/R2, I3=VREF/R3, I4=VREF/R4로 주어지므로 플리커-프리 AC LED 구동을 위한 각 단 구동 전류 설정 저항을 1단 구동 전류 설정 저항 R1의 함수로 구하면 R2=((k1+k2)/k1)×R1, R3=((k1+k2+k3)/k1)×R1, R4=((k1+k2+k3+k4)/k1)×R1 의 비율을 만족하도록 정해야 한다.
위의 저항 비율은 이상적인 플리커-프리 즉 플리커 인덱스가 영인 AC LED 조명 시스템을 구현하기 위한 것으로 국제 규격에서 플리커 인덱스가 0.12 이하면 플리커 규격을 만족하는 것으로 정한 것을 고려하면 실제의 AC LED 조명 시스템에서는 THD와 같이 다른 전기적 특성을 좋게 하기 위해 전류 설정 저항의 비율을 달리 할 수 있다.
도 5a의 액티브 밸리필 회로(10)는 도 3a의 밸리필 회로(250)와 비교하여 두 개의 다이오드 DV4와 DV5가 더 부가 되어 있으며 밸리필 커패시터 CV1과 CV2의 충전 전류는 일정 전류원 Icap으로 충전 된다. DV4는 밸리필 회로의 방전 모드일 때 CV2의 방전 경로를 만들어 주기 위한 다이오드이고 DV5는 방전 모드일 때 트랜지스터 Mc의 기생 다이오드 성분으로 전류 경로가 생기는 것을 방지하기 위한 것이다.
DV5의 역할을 좀더 상세히 설명하면, 근래의 거의 모든 반도체 공정에서 웨이퍼(Wafer)의 서브스트레이트(Substrate)는 p 타입(p Type)이고 정상적인 동작 상태에서 집적회로의 소자들이 정상적으로 동작하기 위해 p 서브스트레이트는 그라운드에 연결 된다.
액티브 밸리필 충전 제어부(26) 회로에 명시적으로 도시하지는 않았지만 트랜지스터 Mc의 드레인과 그라운드 사이에는 애노드(Anode)가 그라운드에 캐소드가 드레인에 연결된 기생 다이오드가 존재한다. 만약, CV2가 방전할 때 DV5가 없는 경우에는 Mc의 기생 다이오드가 DV4와 함께 온 되어 Mc의 드레인 전압은 음으로 떨어지게 되고 이에 따라 칩 내의 여러 기생 소자들이 활성화 되면서 오동작이 발생하게 된다. DV5는 이러한 오동작을 방지하기 위한 것으로 밸리필 회로의 충전 모드 일 때는 DV5가 온 되어 정상적인 충전 동작을 하지만 방전 모드 일 때는 DV5가 오프 되어 Mc의 기생 다이오드가 온 되는 것을 방지 한다. 물론 고압 트랜지스터가 서브스트레이트와 격리(Isolation) 할 수 있는 반도체 공정이 있다면 DV5는 제거 할 수 있다.
본 실시예에 따른 액티브 밸리필 회로(10)는 전파 정류된 AC 입력 전원의 전압 크기에 따라 AC 입력 전원 전압이 충분히 높은 경우에는 제어된 충전 전류로 충전되며, AC 입력 전원 전압이 발광 다이오드 모듈(발광부(320))의 제1 단 조차 구동할 수 없을 정도로 낮은 경우에는, 충전된 에너지를 방전하여 발광 다이오드 모듈(320)을 구동하며, AC 입력 전원 전압이 위의 중간 상태에 있는 경우에는 충전도 방전도 하지 않고 충전 전압을 유지 하고만 있는 동작을 AC 입력 전원의 주기에 상응하여 반복하는 밸리 보상부로 구현될 수 있다.
밸리 보상부는 입력 전원의 일단에 발광 다이오드 모듈과 병렬로 연결되어 입력 전원의 주기에 따라 충전과 방전을 반복하되, 입력 전원 전압이 기 설정된 충전 전압보다 작은 경우에는 충전된 에너지를 방전하여 발광 다이오드 모듈을 구동하는 방전 전류를 공급하고, 입력 전원 전압이 충전 전압보다는 크고 기 설정 전압보다 작은 경우에는 상기 충전 전압을 유지하며, 입력 전원 전압이 기 설정 전압 이상인 경우에는 설정된 크기로 입력 전원으로부터 충전 전류를 공급받아 충전한다.
여기서, 액티브 밸리필 회로(10)는 방전 시에 발광 다이오드 모듈(320)을 구동하는 전류를 제공하며, 발광 다이오드 모듈과 전파 정류된 AC 입력 전원에 병렬로 연결된다.
액티브 밸리필 회로(10)는 액티브 밸리필 충전 제어부(26)에 의해 정해지는 충전 전류의 제어에 의해 결정된 충전 전압에 근거하여 방전 모드, 충전 모드 그리고 플로팅(Floating)모드로 동작한다.
액티브 밸리필 회로(10)는 전파 정류된 AC 입력 전원 전압이 충전 전압보다 작은 경우, 방전 모드로 동작하고, 전파 정류된 AC 입력 전원 전압이 충전 전압의 2 배보다 큰 경우, 충전 모드로 동작한다. 한편, 액티브 밸리필 회로(10)는 전파 정류된 AC 입력 전원 전압이 충전 전압보다 크거나 같고, 충전 전압의 2 배보다 작거나 같은 경우, 플로팅 모드로 동작한다.
액티브 밸리필 회로(10)는 제1 밸리필 커패시터(CV1)와 제1 밸리필 다이오드(DV1)가 직렬로 순차적으로 연결된 제1 직렬회로, 제3 밸리필 다이오드(DV3)와 제2 밸리필 커패시터(CV2)와 제4 밸리필 다이오드(DV4)가 직렬로 순차적으로 연결된 제2 직렬회로, 제1 밸리필 커패시터(CV1)와 제1 밸리필 다이오드(DV1)의 접점 및 제3 밸리필 다이오드(DV3)와 제2 밸리필 커패시터(CV2)의 접점 사이에 연결된 제2 밸리필 다이오드(DV2)를 포함한다. 여기서, 액티브 밸리필 회로(10)는 제2 밸리필 커패시터(CV2)와 직렬로 연결된 제4 밸리필 다이오드(DV4)를 포함한다.
액티브 밸리필 회로(10)는 제2 밸리필 커패시터(CV2)와 제4 밸리필 다이오드(DV4)의 접점과 액티브 밸리필 충전 제어부(26)의 일 단 사이에 직렬로 연결된 제5 밸리필 다이오드(DV5)를 추가로 포함한다.
액티브 밸리필 회로(10)는 충전 모드인 경우 AC 입력 전원 전압으로부터 순차적으로 연결된 제1 밸리필 커패시터(CV1)-제2 밸리필 다이오드(DV2)-제2 밸리필 커패시터(CV2)-제5 밸리필 다이오드(DV5)-액티브 밸리필 충전 제어부(26)의 일 단으로 연결되는 경로로 충전 전류가 제어되어 충전되며, 방전 모드인 경우 그라운드부터 제1 직렬회로 그리고 발광 다이오드 모듈(320)을 통한 제1 방전 경로와, 그라운드부터 제2 직렬회로 그리고 발광 다이오드 모듈(320)을 통한 제2 방전 경로를 통해 동시에 방전한다.
다시 말해, 액티브 밸리필 회로(10) 즉, 밸리 보상부는 병렬 연결된 제1 직렬회로 및 제2 직렬회로(제1 직렬회로는 제1 밸리필 커패시터(CV1)와 제1 밸리필 다이오드(DV1)가 직렬로 순차적으로 연결되고, 제2 직렬회로는 제3 밸리필 다이오드(DV3)와 제2 밸리필 커패시터(CV2)와 제4 밸리필 다이오드(DV4)가 직렬로 순차적으로 연결됨), 제1 밸리필 커패시터(CV1)와 제1 밸리필 다이오드(DV1) 사이의 접점 및 제3 밸리필 다이오드(DV3)와 제2 밸리필 커패시터(CV2) 사이의 접점 사이에 연결된 제2 밸리필 다이오드(DV2) 및 밸리 보상부의 방전 시 밸리 충전 제어부의 기생 소자에 의한 제어 회로의 오동작을 방지하기 위하여 제2 밸리필 커패시터(CV2)와 제4 밸리필 다이오드(DV4) 사이의 접점과 밸리 충전 제어부의 출력 사이에 직렬로 연결된 제5 밸리필 다이오드(DV5)를 포함한다.
액티브 밸리필 회로(10)는 충전 시에, 제1 밸리필 커패시터(CV1), 제2 밸리필 다이오드(DV2), 제2 밸리필 커패시터(CV2) 및 제5 밸리필 다이오드(DV5)를 순차적으로 경유하여 충전 전류가 흐른다. 여기서, 충전 전류는 밸리 충전 제어부의 제어에 의해 일정한 크기로 제어되어 흐른다.
액티브 밸리필 회로(10)는 방전 시에, 제1 밸리필 다이오드(DV1), 제1 밸리필 커패시터(CV1)를 순차적으로 경유하는 제1 방전 전류와 제4 밸리필 다이오드(DV4), 제2 밸리필 커패시터(CV2), 제3 밸리필 다이오드(DV3)를 순차적으로 경유하는 제2 방전 전류가 흐른다.
도 5b 동작 파형도에서 밸리필 충전 전류의 변화에 따라 어떠한 동작이 일어 나는가를 알아보도록 한다.
액티브 밸리필 회로(10)의 충전 기간 Tchg가 고정 되어 있고, 충전 전류 Icap을 점점 크게 하는 것으로 가정한다. 그러면, Tchg 동안 커패시터에 충전되는 에너지가 더 많아지게 되는데 Tvalley 동안 방전하는 전류는 I1으로 고정되어 있으므로 충전된 에너지와 똑 같은 에너지를 방전하기 위해서는 Tvalley가 늘어나야 한다. 도 5b에서 보듯이 Tvalley가 늘어 난다는 것은 커패시터에 충전되는 충전 전압 Vcap이 커진다는 것을 의미 하고 Vcap이 커지므로 결국 AC 입력 전압이 밸리필 커패시터에 충전된 전압의 합인 2×Vcap 보다 큰 구간, 즉 충전 기간이 작아지는 것을 의미하므로 결국 Tchg가 작아 진다. 결론적으로 밸리필 충전 전류를 증가하면 밸리필 충전 기간은 짧아지고 방전 기간은 늘어나며 밸리필 커패시터에 충전되는 전압도 커지게 된다. 밸리필 충전 전류가 높아지고 충전 기간이 짧아진다는 것은 AC 입력 전류에 피크성 전류가 점점 커진다는 것을 의미하는데 이에 따라 THD가 더욱 나빠지게 된다.
액티브 밸리필 충전 제어부(26)는 밸리필 충전 전류 Icap를 공급하는 회로로 차동 증폭기 Ac와 트랜지스터 Mc로 구성 되어 있다. Ac의 양의 입력 단에는 기준 전압 VREF가 연결되고, Ac의 출력은 Mc의 게이트(Gate)에 연결되고, Mc의 소스(Source)가 Ac의 음의 입력단으로 연결되며 동시에 액티브 밸리필 충전 제어부(26)의 전압 출력 단자 Rc와도 연결되어 유니티 피드백(Unity Feedback) 회로를 완성한다. Rc와 그라운드 사이에는 밸리필 충전 전류 설정 저항 R5가 연결되며 이 저항 값에 의해 밸리필 충전 전류가 정해지는데, 유니티 피드백에 의해 RC 단자 전압은 VREF가 되므로 결국 밸리필 충전 전류 Icap은 Icap=VREF/R5로 된다.
앞서 설명 했듯이 밸리필 충전 전류 값에 따라 밸리필 충전 전압이 결정 되는데 이 밸리필 충전 전압이 AC 입력 전원의 밸리 구간 Tvalley에서 1단 발광부(LED1)을 구동하는 전압이므로 Tvalley 구간에서 1단 발광부(LED1)의 온 전압 VLED1 보다는 크고 동시에 1단 발광부(LED1)와 2단 발광부(LED2) 온 전압의 합, 즉 VLED1+VLED2 보다는 작도록 밸리필 충전 전류를 설정해야 한다. 즉 VLED1 < Vcap < (VLED1+VLED2) 이어야 한다.
본 실시예에 따른 액티브 밸리필 충전 제어부(26)는 기 설정된 제1 기준 전압을 인가 받고, 제1 기준 전압과 충전 전류 설정 저항에 의하여 액티브 밸리필 회로(10)의 충전 전류를 제어하는 밸리 충전 제어부로 구현될 수 있다.
액티브 밸리필 충전 제어부(26)는 차동 증폭기 및 트랜지스터를 포함하고, 차동 증폭기는 디밍부(22)로부터 제1 기준 전압을 인가 받고, 트랜지스터는 액티브 밸리필 회로(10)와 직렬로 연결되어 충전 전류를 공급한다.
액티브 밸리필 충전 제어부(26)에 포함된 차동 증폭기의 양의 입력 단에는 제1 기준 전압이 인가되고, 차동 증폭기의 출력단은 트랜지스터의 게이트(Gate)에 연결되고, 트랜지스터의 소스(Source)는 차동 증폭기의 음의 입력단에 연결된다.
액티브 밸리필 충전 제어부(26)는 구비된 전압 출력 단자와 연결되며, 전압 출력 단자와 연결된 저항의 저항값에 의하여 충전 전류의 크기를 결정한다.
본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 완성하기 위해서는 AC 입력 전압이 상승하는 기간 동안 LED 구동 단 수가 증가할수록 구동 전류를 작게 구동하여야 한다. 하지만, 도 1a 및 도 3a에 기재된 일반적인 AC LED 드라이버(130, 230)는 AC 입력 전압이 증가하여 LED 구동 단 수가 증가할수록 발광 구동 전류는 커지게만 구동할 수 있는 구조이다. 이에 반해 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 AC 입력 전압이 증가하여 LED 구동 단 수가 증가할수록 발광 구동 전류를 작게 구동 할 수 있어 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 일반적인 AC LED 드라이버(130, 230)처럼 구동 단 수 증가에 따라 발광 구동 전류가 증가하도록 구성 할 수도 있다. 본 실시예의 AC LED 조명 시스템을 일반적인 기술과 같이 구동 단 수가 증가할수록 발광 구동 전류가 증가하도록 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 각 단 구동 전류를 설정하는 경우, 도 3a 및 도 3b의 일반적인 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)과 비교하여 AC 입력 전류에서 발생하는 피크성 전류를 크게 낮출 수 있으므로 THD와 EMI 특성이 좋은 AC LED 조명 시스템을 구현 할 수 있다. 또한, 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21) 각 단 구동 전류는 구동 단 수가 증가 할수록 발광 구동 전류가 증가하거나 혹은 감소하거나 임의의 방법으로 구성할 수도 있다. 예를 들어, 1단 발광 구동 전류에 비해 2단 발광 구동 전류는 작고, 3단 구동 전류는 1단 구동 전류보다 크고, 4단 구동 전류는 1단 구동 전류보다는 작지만 2단 구동 전류보다는 큰 것과 같이 임의로 각 단 발광 구동 전류 값을 설정할 수도 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)를 구성하는 기본 블록으로, 본 실시예의 하나의 입력에 대해 n개의 입력을 빼기 하여 하나의 출력 전압과 하나의 출력 전류를 공급할 수 있는 P-nN 앰프를 도시한 도이다.
도 6a는 회로도이고 도 6b는 심볼(Symbol)을 나타낸다. P-nN 앰프는 하나의 양의 입력 단자 INp, n개의 음의 입력 단자 INn1 ~ INnn, 전압 출력을 위한 단자 OUT1 그리고 전류 출력을 위한 단자 OUT2의 입출력 단자를 가지고 있다. P-nN 앰프는 차동 증폭기 An, 트랜지스터 Mn, 2(n+1) 개의 저항 Ra, Ra1 ~ Ran, Rb1 ~ Rbn 그리고 Rf로 구성 되어 있다.
INp 단자와 An의 양의 입력 단자 n1 사이에 저항 Ra가 연결되고, n1과 그라운드 사이에는 n개의 저항 Ra1 ~ Ran 이 병렬로 연결되고, INn1 단자와 An의 음의 입력 단자 n2 사이에는 저항 Rb1이 연결되고, INn2 단자와 n2 사이에는 저항 Rb2이 연결되고, INnn 단자와 n2 사이에는 저항 Rbn이 연결되고, OUT1 단자와 n2 단자 사이에는 저항 Rf가 연결된다.
차동 증폭기 출력 n3는 트랜지스터 Mn의 게이트에 연결되고, Mn의 소오스는 OUT1 단자에 그리고 드레인 단자는 OUT2 단자에 연결된다. OUT1 단자와 그라운드 사이에는 출력 전류를 설정하기 위한 임의의 저항이 연결되며 이 저항은 칩 내부에 집적 되거나 혹은 외부에서 연결될 수 있다. OUT2 단자는 발광부의 일 단에 연결되어 발광 구동 전류를 출력한다.
도 6a의 회로를 AC LED 드라이버에 사용하는 경우, INp 단자에는 발광 구동 전류를 설정하기 위한 기준 전압이 입력되고 INn1부터 INnn 단자들에는 각각 다음 단 P-nN 앰프의 전압 출력 단자들로부터 피드백 연결된다. 예를 들어, 4단으로 구성되는 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)에서 1단 전류 발광전류 구동부의 경우, P-nN 앰프의 입력 단자는 INp 하나와 INn1, INn2, INn3, 총 4개의 입력 단자로 구성 되는데, INp 단자에는 발광 전류 설정을 위한 기준 전압인 디밍부(22) 출력 전압 VREF가 입력되고, INn1에는 2단 발광전류 구동부의 전압 출력 단자가 연결되고, INn2에는 3단 발광전류 구동부의 전압 출력 단자가 연결되고, INn3에는 4단 발광전류 구동부의 전압 출력 단자가 연결된다.
도 6a의 회로에서 OUT1 단자 전압을 VOUT1, INp 단자 전압을 VINp, INn1 ~ INnn 까지의 단자 전압을 각각 VINn1 ~ VINnn 이라고 하고 또한 모든 저항의 저항 값은 모두 같다고 가정하면 VOUT1은 다음의 수학식 1과 같이 된다.
Figure PCTKR2015011119-appb-M000001
4단으로 구성 되는 AC LED 드라이버에서 예를 들어 2단 발광전류 구동부는 타 단의 전압 출력 단자로부터 피드백 받기 위한 두 개의 입력단만 있으면 된다. 이 경우 가능한 회로 구성의 한 예를 도 6c에 도시한다.
도 6c에 보인 것과 같이 차동 증폭기 음의 입력단에 연결되는 저항 중에서 두 개의 입력 단자에 연결된 저항 이외의 나머지 저항 Rb3 ~ Rbn 의 일 단은 모두 오픈(Open)하고 또한 차동 증폭기의 양의 입력단에 연결되는 n개의 병렬 연결된 저항 중에서 두 개의 병렬 연결된 저항 Ra1과 Ra2를 제외한 나머지 저항 Ra3 ~ Ran 의 일 단을 모두 오픈하면 된다. 물론 얼마든지 다른 구성, 예를 들어 Ra3 ~ Ran, Rb3 ~ Rbn 의 모든 저항을 제거하거나 어느 일개의 저항들을 오픈 한 회로 구성을 하여도 2단 발광전류 구동부의 동작은 같게 구성할 수 있음은 물론이다.
도 6d는 n단으로 구성된 발광 전류 구동부에서 마지막단 발광전류 구동부, 예를 들어 4단으로 구성 되는 발광 전류 구동부에서 4단 발광전류 구동부 회로의 한 예를 도시한 것으로 Ra와 Rb는 둘 중의 어느 하나 혹은 모두를 쇼트(Short) 시킬 수도 있다.
도 7은 본 실시예의 P-nN 앰프를 사용한 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)를 보이는 도이다.
스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 1단 발광전류 구동부(51), 2단 발광전류 구동부(52), 3단 발광전류 구동부(53), 4단 발광전류 구동부(54)로 구성된다.
각 단 발광전류 구동부의 양의 입력 단자는 디밍부(22)의 출력 전압 VREF가 연결되어 있으며 음의 입력 단자들은 다음 단의 전압 출력 단자로부터 해당하는 음의 입력 단자들로 피드백 되어 있다.
1단 발광전류 구동부(51) P-3n 앰프의 전압 출력 단자 OUT1은 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 1단 전압 출력 단자 RS1으로 연결되고 RS1에서 그라운드 사이에 연결되는 저항 R1의 저항 값에 의해 1단 구동 전류 I1이 정해지며, 1단 발광전류 구동부(51) P-3n 앰프의 전류 출력 단자 OUT2는 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 1단 전류 출력 단자 S1에 연결되며 1단 발광부(LED1)와 2단 발광부(LED2)의 접속 지점에 더 연결된다.
2단 발광전류 구동부(52) P-2n 앰프의 전압 출력 단자 OUT1은 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 2단 전압 출력 단자 RS2로 연결되고 RS2에서 그라운드 사이에 연결되는 저항 R2의 저항 값에 의해 2단 구동 전류 I2이 정해지며, 2단 발광전류 구동부(52) P-2n 앰프의 전류 출력 단자 OUT2는 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 2단 전류 출력 단자 S2에 연결되며 2단 발광부(LED2)와 3단 발광부(LED3)의 접속 지점에 더 연결된다.
3단 발광전류 구동부(53) P-1n 앰프의 전압 출력 단자 OUT1은 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 3단 전압 출력 단자 RS3로 연결되고 RS3에서 그라운드 사이에 연결되는 저항 R3의 저항 값에 의해 3단 구동 전류 I3이 정해지며, 3단 발광전류 구동부(53) P-1n 앰프의 전류 출력 단자 OUT2는 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 3단 전류 출력 단자 S3에 연결되며 3단 발광부(LED3)과 4단 발광부(LED4)의 접속 지점에 더 연결된다.
4단 발광전류 구동부(54) P-0n 앰프의 전압 출력 단자 OUT1은 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 4단 전압 출력 단자 RS4로 연결되고 RS4에서 그라운드 사이에 연결되는 저항 R4의 저항 값에 의해 4단 구동 전류 I4이 정해지며, 4단 발광전류 구동부(54) P-0n 앰프의 전류 출력 단자 OUT2는 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 4단 전류 출력 단자 S4에 연결되며 4단 발광부(LED4) 타 단에 더 연결된다.
1단 발광전류 구동부(51)에서 3개의 음의 입력단 IN1, IN2, IN3에는 각각 RS4, RS3, RS2 단자 전압이 피드백 되어 입력 되고, 2단 발광전류 구동부(52)의 2개의 음의 입력단 IN1과 IN2에는 각각 RS4와 RS3의 단자 전압이 피드백 되어 입력 되고, 3단 발광전류 구동부(53)의 1개의 음의 입력단 IN1에는 RS4의 단자 전압이 피드백 되어 멀티 피드백 루프를 구성한다.
일반적인 기술의 AC LED 드라이버(130, 230)에서 어떤 임의의 단 LED 발광부가 온 될 수 있을 정도로 AC 입력 전압이 높게 들어오는 경우 이전 단 LED 발광부의 구동 전류들이 영이 되기 위해서는 각 LED 구동 단의 발광 전류 기준 전압들이 단수가 증가 할수록 커져야만 하고 이에 따라 LED 구동 단 수가 증가할수록 발광 구동 전류는 증가하는 구성만 가능하였다. 일반적인 기술에서 다음 단의 발광 전류 기준 전압이 이전 단의 기준 전압 보다 낮으면 그 단 발광 전류는 항상 오프 되어 있는 상태가 된다. 예를 들어, 3단 발광 전류 기준 전압이 2단 발광 기준 전압보다 작으면 3단 발광 전류는 항상 오프 된다. 그러나 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 LED 구동 단 수가 증가함에 따라 발광 구동 전류를 임의로 증가 혹은 감소하게 구성하여도 정상적으로 동작한다.
1단 전압 출력 단자 RS1부터 4단 전압 출력 단자 RS4까지의 단자 전압을 각각 VRS1 ~ VRS4 라고 한다면 수학식 1로부터 각 단 전압 출력 단자의 단자 전압은 다음의 수학식 2에서 수학식 5까지 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2015011119-appb-M000002
Figure PCTKR2015011119-appb-M000003
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AC 입력 전압이 1단 발광부(LED1)만 온 할 수 있을 정도까지만 증가한 경우 2단 발광부(LED2)에서 4단 발광부(LED4)까지 전류가 흐를 수 없으므로 RS2, RS3, RS4 단자 전압은 모두 영인 상태에 있어서 VRS2=VRS3=VRS4=0 이다. 따라서, 수학식 2에 의하면 RS1의 단자 전압 VRS1은 VREF가 되어 결국 1단 구동 전류는 I1=VREF/R1이 된다. AC 입력 전압이 2단 발광부(LED2)까지만 온 될 수 있을 정도로 증가한 경우 3단 발광부(LED3)와 4단 발광부(LED4)에는 전류가 흐를 수 없으므로 RS3와 RS4 단자 전압은 모두 영이 되어 VRS3=VRS4=0 이다. 따라서, 수학식 3에 의해 RS2의 단자 전압 VRS2는 VRS2=VREF가 되고 2단 구동 전류는 I2=VREF/R2이 된다.
한편, VRS2=VREF이므로 수학식 2에 의해 VRS1은 영이 되고 이에 따라 1단 구동 전류 I1도 영이 된다. 이때 I2는 직렬 연결된 1단 발광부(LED1)와 2단 발광부(LED2)에 흐른다. AC 입력 전압이 3단 발광부(LED3)까지만 온 될 수 있을 정도로 증가한 경우 4단 발광부(LED4)에는 전류가 흐를 수 없으므로 RS4 단자 전압은 영이 되어 VRS4=0 이다. 따라서 수학식 4에 의해 RS3의 단자 전압 VRS3는 VREF가 되고 3단 구동 전류는 I3=VREF/R3이 된다. 한편 VRS3=VREF이므로 수학식 2와 3에 의해서 VRS1과 VRS2는 모두 영이 되고 이에 따라 I1과 I2도 영이 된다. 이때 I3는 직렬 연결된 1단 발광부(LED1)부터 3단 발광부(LED3)로 흐른다. AC 입력 전압이 4단 발광부(LED4)까지 충분히 온 될 수 있을 정도로 증가한 경우 RS4 단자 전압은 VRS4=VREF가 되어 4단 구동 전류는 I4=VREF/R4가 된다. 한편 VRS4=VREF이므로 수학식 2, 3 그리고 4에 의해서 VRS1 ~ VRS3는 모두 영이 되고 이에 따라 I1=I2=I3=0이 된다. 이때 I4는 직렬 연결된 1단 발광부(LED1)부터 4단 발광부(LED4)까지 모든 발광부에 흐른다.
AC 입력 전압이 어떤 임의의 단 발광부를 충분히 온 할 수 있을 정도의 전압까지는 증가하지 못하는 경우, 각 단 전압 출력 단자 전압은 수학식 2에서 5까지의 관계식을 만족하면서 동작하는데 수학식을 살펴보면 다음 단 전류 설정 단자 전압이 증가하면 이에 상응하여 이전 단 전류 설정 단자 전압들은 감소하면서 동작하게 된다.
본 실시예에 따른 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 AC 입력 전원 전압의 크기에 따라 발광하는 발광부가 달라질 때 이에 상응하는 구동 전류를 발광 다이오드 모듈(320)에 공급하는 발광전류 제어부로 구현될 수 있다.
발광전류 제어부는 제m(1≤m≤n-1) 발광 다이오드부와 제(m+1) 발광 다이오드부 사이의 각 접점, 제(n-1) 발광 다이오드부에 접하지 않은 제n 발광 다이오드부의 일단 및 입력 전원의 타단과 각각 연결되어, 입력 전원 전압의 크기에 따라 상기 제m 발광 다이오드부와 제(m+1) 발광 다이오드부 사이의 각 접점으로부터 흐르는 제1 내지 제(n-1) 구동전류 및 제n 발광 다이오드부와 입력 전원의 타단 사이에 흐르는 제n 구동전류를 제어한다.
발광전류 제어부는 입력 전원 전압이 충전 전압보다 작은 경우에는 제1 발광 다이오드부를 구동하는 제1 구동전류를 방전 전류로부터 공급받고, 입력 전원 전압이 충전 전압보다 큰 경우에는 입력 전원 전압으로부터 제1 내지 제n 발광 다이오드부의 구동전류를 공급 받되, 입력 전원 전압이 제k 발광 다이오드부(2≤k≤n-1)가 온 될 정도로 증가한 경우에는 제1 내지 제(k-1) 구동전류가 오프 되어 제k 구동전류가 입력 전원으로부터 제1 내지 제k 발광 다이오드부를 통하여 흐르도록 제어하고, 제k 발광 다이오드부가 입력 전원 전압의 증가에 상응하여 추가적으로 온 되면서 발광하는 LED의 개수가 증가함에 따라 크기가 감소되는 제k 구동전류가 흐르도록 구동하여 발광 다이오드부의 광출력의 플리커가 감쇄되도록 제어한다.
여기서, 발광 다이오드 모듈(발광부(320))은 AC 입력 전원에 순차적으로 연결된 제1 내지 제n(단, n은 2 이상의 자연수) 발광 다이오드부를 포함하고, 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 제1 내지 제n 발광 다이오드부의 일 단과 각각 연결되는 제1 내지 제n 발광전류 구동부를 포함한다.
스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 제2 기준 전압과 제1 내지 제n 발광 전류 설정 저항값에 따라 제1 내지 제n 발광전류 구동부의 발광 구동 전류가 정해진다. 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)에 포함된 제1 내지 제n 발광전류 구동부는 발광 다이오드 모듈(320)에 포함된 각각의 발광 다이오드부의 일 단과 연결되어 각각의 발광 다이오드부를 구동하는 구동 전류를 공급한다. 여기서, 제1 내지 제n 발광전류 구동부 각각은 제2 기준 전압을 인가 받고, 제1 발광전류 구동부는 제2 내지 제n 발광전류 구동부의 전압 출력단으로부터 제1 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 피드백 되고, 제k(1 < k < n, k는 자연수) 발광전류 구동부는 제(k+1) 내지 제n 발광전류 구동부의 전압 출력단으로부터 제k 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 피드백 된다.
스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 AC 입력 전압이 상승하여 발광 다이오드 모듈(320)의 제k 발광 다이오드부가 온 되고, 제k 발광전류 구동부의 전압 출력이 기 설정된 제2 기준 전압에 이르는 경우, 제1 내지 제(k-1) 발광전류 구동부를 오프 상태로 제어한다.
위에서 설명한 것과 같이 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 AC 입력 전압이 증가하여 LED 발광 단 수가 증가하는 경우, 각 단 전압 출력 단자 전압에 의해서만 이전 단의 전압 출력 단자 전압이 변하므로 각 단 구동 전류는 임의의 값을 가지도록 각 단 구동 전류 설정 저항 R1 ~ R4의 저항 값을 설정 할 수 있다. 여기서, R1 ~ R4 값을 임의로 설정할 수 있으므로 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)는 일반적인 AC LED 드라이버(130, 230)와는 다르게 AC 입력 전압이 증가함에 따라 발광하는 LED 단수가 증가하는 경우, 광출력이 더 높아 질 수 있는 것에 반대로 대응하여 각 단 구동 전류 값이 감소하도록 구성할 수 있으며 이에 따라 플리커-프리 AC LED 조명 시스템을 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예의 도 4와 같은 AC LED 조명 시스템에서, AC 입력 전압이 증가함에 따라 발광하는 LED 단수가 증가할 때 각 단 구동 전류 역시 증가하도록 구동 전류 설정 저항 R1 ~ R4의 저항 값을 구성하는 경우 종래의 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)과 비교하여 플리커 특성 및 THD와 EMI가 훨씬 더 우수한 AC LED 조명 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 본 실시예의 도 4와 같은 AC LED 조명 시스템에서, AC 입력 전압이 증가함에 따라 발광하는 LED 단수가 증가할 때 각 단 구동 전류가 임의로 증가 혹은 감소하도록 구동 전류 설정 저항 R1 ~ R4의 저항 값을 구성 할 수도 있으며 밸리필 커패시터 CV1 혹은 CV2 중 둘 중 하나만 밸리필 커패시터로 사용하고 나머지 하나는 쇼트 시켜 시스템을 구성할 수도 있으며, CV1과 CV2를 모두 오픈 하여 종래의 AC LED 조명 시스템(100)처럼 구성 할 수도 있다.
도 8은 단지 두 개의 밸리필 커패시터만 사용하면서 LED 출력 파워가 큰 AC LED 조명 시스템을 구성하기 위한 본 실시예의 병렬 구동 방법을 보이는 도이다.
LED 출력 파워가 큰 경우 요구되는 밸리필 커패시터 충전 전류 역시 증가하게 되고 이에 따라 SoC의 전력 소모가 증가하여 패키지 온도가 많이 증가할 수 있다. 도 8과 같이 두 칩의 CN2 단자를 연결 시켜주고 또한 밸리필 충전 전류 설정 저항 R5를 같은 값을 가지도록 구성하면 밸리필 커패시터 충전 전류가 두 칩에서 각각 반만 공급하면 되므로 SoC의 패키지 온도가 과도하게 증가하는 것을 방지할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템의 동작 파형을 보이는 도이다.
도 9a는 AC 입력 전압과 전류 파형을 보이는 도이고, 도 9b는 LED 발광부 입력 전압, 입력 전류 그리고 각 단 발광 전류 구동부의 출력 전류를 보이는 도이고, 도 9c는 LED 발광부 입력 전압, 입력 전류 그리고 액티브 밸리필 회로(10)의 충전 전류를 보이는 도이다.
도 10a은 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템에서 단 전류가 증가할수록 각 단 발광 전류가 증가하는 구성을 했을 시의 LED 발광부 입력 전압, 입력 전류 그리고 각 단 발광전류 구동부의 출력 전류를 보이는 도이고, 도 10b는 각 단 발광 전류를 임의로 증가 혹은 감소하게 구성 했을 시의 LED 발광부 입력 전압, 입력 전류 그리고, 각 단 발광전류 구동부의 출력 전류를 보이는 도이다.
도 11은 플리커 인덱스가 영이 되도록, 즉 일정한 광출력이 되도록 각 단 발광 전류 값을 설정 했을 시의 LED 발광부 입력 전압, 입력 전류, 그리고 포토 커플러(Photo Coupler)를 통해 LED 광출력을 전압으로 변환한 파형을 보이는 도로써, 광출력이 일정한 플리커-프리 AC LED 구동임을 알 수 있다.
도 9a 내지 도 11의 동작 파형도에서 볼 수 있듯이 본 실시예의 유니버설 AC LED SoC는 다양한 시장에 요구에 맞추어 저비용 고신뢰성의 AC LED 조명 시스템을 구현할 수 있으며 특별히, 플리커-프리 AC LED 조명 시스템의 구현이 가능하다.
이상에서 설명한 것과 같이 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)은 일반적인 기술의 AC LED 조명 시스템의 가장 큰 문제인 플리커를 거의 완벽하게 해결할 수 있는 시스템을 제공하는 것이며 또한 THD 등의 전기적 특성과 플리커 인덱스 특성을 서로 잘 조화롭게 조정하면서 AC LED 조명 시스템을 구성할 수도 있다. 또한, 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)은 일반적인 기술의 밸리필 AC LED 조명 시스템(200)과 같은 방식으로 동작하도록 구성할 수도 있으며, 본 실시예의 액티브 밸리필 회로(10)와 같이 밸리필 커패시터 충전 전류를 제어함으로써 일반적인 기술과 비교하여 THD와 EMI 특성을 좋게 할 수 있다.
또한, 본 실시예의 액티브 밸리필 회로(10)는 일반적인 밸리필 회로(250)와 비교하여 다섯 개의 다이오드가 필요한데, 제2 밸리필 커패시터의 방전 경로를 제공하기 위한 다이오드와 밸리필 충전 제어부(26)의 기생 다이오드 동작을 방지하기 위한 다이오드가 더 추가 된다.
또한, 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)은 AC 입력 전압이 증가하여 발광하는 LED 발광부 단 수가 증가하는 경우 플리커-프리 구현을 위해 각 단 발광 전류가 감소하도록 구성할 수 있으며, 혹은 증가하도록 구성 할 수도 있으며, 혹은 임의의 방식으로 증가 또는 감소 하도록 구성할 수도 있는데 이를 위해 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)은 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)를 더 제공한다.
본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)은 추가적으로 본 실시예의 액티브 밸리필 회로(10), 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)를 더 제공하여 다양한 시장 요구에 따라 AC LED 조명 시스템을 제공 할 수 있는 유니버설한 AC LED 조명 시스템이다.
위와 같이 설명한 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)은 얼마든지 다른 방법으로 구성할 수 있는데, 예를 들어 본 실시예의 액티브 밸리필 회로(10)의 다이오드들은 본 실시예의 유니버설 AC LED SoC(330) 내부가 아니라 외부에서 디스크리트 소자로 구현할 수도 있으며, 본 실시예의 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)에서 AC 입력 전압이 증가하여 발광하는 LED 부하 단 수가 증가할 때 플리커-프리 특성 구현을 위해 각 단 발광 구동 전류가 감소하도록 구성할 수 있게 도 7에 상세하게 제공된 본 실시예의 스텝 업/다운 AC LED 드라이버(21)의 회로도 얼마든지 다른 방법으로 구성할 수도 있을 것이며 심지어는 발광 전류가 LED 발광 단수 증가에 대응하여 감소만 가능하도록 구성할 수도 있을 것이다. 하지만, 플리커-프리 AC LED 조명 시스템(300)에서 플리커-프리 특성 구현을 위해, AC 입력 전압이 증가하여 발광하는 LED 부하 단 수가 증가할 때 각 단 발광 구동 전류가 감소할 수 있도록 구성하는 방식으로 보호 되어야 함은 자명할 것이다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
<부호의 설명>
100: AC LED 조명 시스템 110: 전파 정류기
120: 발광부 130: AC LED 드라이버
140: 기준 전압 발생부
200: 밸리필 AC LED 조명 시스템
210: 전파 정류기 220: 발광부
230: AC LED 드라이버 240: 기준 전압 발생부
250: 밸리필 회로
300: 플리커-프리 AC LED 조명 시스템
310: 전파 정류기 320: 발광부
330: 유니버설 AC LED SoC
10: 액티브 밸리필 회로 20: 플리커-프리 제어 IC
21: 스텝 업/다운 AC LED 드라이버 22: 디밍부
23: 레귤레이터 24: 보호 회로
25: 바이어스 회로 26: 액티브 밸리필 충전 제어부
51: 1단 발광전류 구동부 52: 2단 발광전류 구동부
53: 3단 발광전류 구동부 54: 4단 발광전류 구동부
LED1: 1단 발광부 LED2: 2단 발광부
LED3: 3단 발광부 LED4: 4단 발광부
VLED1: 1단 발광부 온 전압 VLED2: 2단 발광부 온 전압
VLED3: 3단 발광부 온 전압 VLED4: 4단 발광부 온 전압
CV1: 제1 밸리필 커패시터 CV2: 제2 밸리필 커패시터
DV1: 제1 밸리필 다이오드 DV2: 제2 밸리필 다이오드
DV3: 제3 밸리필 다이오드 DV4: 제4 밸리필 다이오드
DV5: 제5 밸리필 다이오드
S1: 1단 전류 출력 단자 S2: 2단 전류 출력 단자
S3: 3단 전류 출력 단자 S4: 4단 전류 출력 단자
RS1: 1단 전압 출력 단자 RS2: 2단 전압 출력 단자
RS3: 3단 전압 출력 단자 RS4: 4단 전압 출력 단자
RC: 액티브 밸리필 충전 제어부의 전압 출력 단자
CN1: 액티브 밸리필 회로의 제1 밸리필 커패시터의 음의 입력 단자
CP: 액티브 밸리필 회로의 제2 밸리필 커패시터의 양의 입력 단자
CN2: 액티브 밸리필 회로의 제2 밸리필 커패시터의 음의 입력 단자
VDD: 레귤레이터 출력 단자 ADIM: 아날로그 디밍 입력 단자
VP: 교류 전압 입력 단자 VN: 그라운드 단자
NC: 사용하지 않는 단자
R1: 1단 구동 전류 설정 저항 R2: 2단 구동 전류 설정 저항
R3: 3단 구동 전류 설정 저항 R4: 4단 구동 전류 설정 저항
R5: 밸리필 충전 전류 설정 저항
VAC: AC 입력 전압 IAC: AC 입력 전류
Vin: 발광부 입력 전압 Iin: 발광부 입력 전류
I1: 1단 구동 전류 I2: 2단 구동 전류
I3: 3단 구동 전류 I4: 4단 구동 전류
Icap: 밸리필 충전 전류 Vcap: 밸리필 충전 전압
VREF1: AC LED 드라이버의 1단 기준 전압
VREF2: AC LED 드라이버의 2단 기준 전압
VREF3: AC LED 드라이버의 3단 기준 전압
VREF4: AC LED 드라이버의 4단 기준 전압
VREF: AC LED 드라이버의 기준 전압
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본 특허출원은 2014년 11월 28일 한국에 출원한 특허출원번호 제10-2014-0168880호에 대해 미국 특허법 119(a)조(35 U.S.C § 119(a))에 따라 우선권을 주장하면, 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다. 아울러, 본 특허출원은 미국 이외에 국가에 대해서도 위와 동일한 이유로 우선권을 주장하면 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (17)

  1. 복수의 발광 다이오드부를 포함하는 발광 다이오드 모듈을 구동하는 구동 장치에 있어서,
    AC 입력 전원의 전압 크기에 따라 충전 과정과 방전 과정을 상기 AC 입력 전원의 주기에 상응하여 서로 번갈아가며 반복하며, 상기 충전 시에는 제어된 충전 전류로 충전되며, 상기 방전 시에는 충전된 에너지를 방전하여 상기 발광 다이오드 모듈을 구동하는 전류를 공급하는 밸리 보상부;
    상기 AC 입력 전원의 전압 크기에 따라 발광하는 상기 발광 다이오드부가 변경되는 경우, 변경된 발광 다이오드부에 상응하는 구동 전류를 상기 발광 다이오드 모듈에 공급하는 발광전류 제어부; 및
    기 설정된 제1 기준 전압과 기 설정된 충전 전류 설정 저항에 의하여 상기 밸리 보상부의 상기 충전 전류를 제어하는 밸리 충전 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸리 보상부는,
    상기 충전 전류의 크기에 따라 결정되는 충전 전압에 근거하여 충전 모드, 방전 모드 및 플로팅(Floating) 모드 중 적어도 하나의 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸리 보상부는,
    상기 AC 입력 전원의 전압 크기가 상기 충전 전압보다 작은 경우, 상기 방전 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸리 보상부는,
    상기 상기 AC 입력 전원의 전압 크기가 상기 충전 전압보다 크거나 같고, 상기 충전 전압의 2 배보다 작거나 같은 경우, 상기 방전 모드 또는 상기 충전 모드로 동작하지 않고, 상기 충전 전압을 유지하는 상기 플로팅 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸리 보상부는,
    상기 AC 입력 전원의 전압 크기가 상기 충전 전압의 2 배보다 큰 경우, 상기 충전 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸리 보상부는,
    제1 밸리필 커패시터(CV1)와 제1 밸리필 다이오드(DV1)가 직렬로 순차적으로 연결된 제1 직렬회로;
    제3 밸리필 다이오드(DV1)와 제2 밸리필 커패시터(CV2)와 제4 밸리필 다이오드(DV4)가 직렬로 순차적으로 연결된 제2 직렬회로;
    상기 제1 밸리필 커패시터(CV1)와 상기 제1 밸리필 다이오드(DV1)의 접점 및 상기 제3 밸리필 다이오드(CV3)와 상기 제2 밸리필 커패시터(CV2)의 접점 사이에 연결된 제2 밸리필 다이오드(DV2)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 밸리 보상부는,
    상기 제2 밸리필 커패시터(CV2)와 상기 제4 밸리필 다이오드(DV4)의 접점과 상기 밸리 충전 제어부의 일 단이 연결된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 밸리필 커패시터(CV2)와 상기 제4 밸리필 다이오드(DV4)의 접점과 상기 밸리 충전 제어부의 일 단 사이에 직렬로 연결된 제5 밸리필 다이오드(DV5)
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 모듈은,
    상기 AC 입력 전원에 순차적으로 연결된 제1 내지 제n(단, n은 2 이상의 자연수) 발광 다이오드부를 포함하고, 상기 발광전류 제어부는 상기 제1 내지 제n 발광 다이오드부의 일 단과 각각 연결되는 제1 내지 제n 발광전류 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 발광전류 구동부는,
    상기 발광 다이오드 모듈에 포함된 각각의 발광 다이오드부의 일 단과 연결되어 상기 각 발광 다이오드부를 구동하는 상기 구동 전류를 공급하고,
    상기 제1 내지 제n 발광전류 구동부 각각은 제2 기준 전압을 인가 받고, 제1 발광전류 구동부는 제2 내지 제n 발광전류 구동부의 전압 출력단으로부터 상기 제1 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 피드백 되고, 제k(1 < k < n, k는 자연수) 발광전류 구동부는 제(k+1) 내지 제n 발광전류 구동부의 전압 출력단으로부터 상기 제k 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 피드백 되며, 상기 제2 기준 전압과 상기 제1 내지 제n 발광전류 구동부 각각에 대한 제1 내지 제n 발광 전류 설정 저항값에 따라 상기 제1 내지 제n 발광전류 구동부의 발광 구동 전류가 정해지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 발광전류 제어부는,
    상기 AC 입력 전압이 상승하여 상기 발광 다이오드 모듈의 제k 발광 다이오드부가 온(On)되고, 상기 제k 발광전류 구동부의 전압 출력이 기 설정된 상기 제2 기준 전압에 이르는 경우, 상기 제1 내지 제(k-1) 발광전류 구동부를 오프(Off) 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸리 보상부는,
    상기 발광 다이오드 모듈과 상기 AC 입력 전원에 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸리 충전 제어부는,
    차동 증폭기 및 트랜지스터를 포함하고,
    상기 차동 증폭기는 상기 제1 기준 전압을 인가 받고, 상기 트랜지스터는 상기 밸리 보상부와 직렬로 연결되어 충전 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 밸리 충전 제어부는,
    상기 차동 증폭기의 양의 입력 단에는 상기 제1 기준 전압이 인가되고, 상기 차동 증폭기의 출력은 상기 트랜지스터의 게이트(Gate)에 연결되고, 상기 트랜지스터의 소스(Source)가 상기 차동 증폭기의 음의 입력단에 연결된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 구동장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 밸리 충전 제어부는,
    전압 출력 단자와 연결되며, 상기 전압 출력 단자와 연결된 저항의 저항값에 의하여 상기 충전 전류의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구동장치.
  16. 입력 전원에 순차적으로 연결된 제1 내지 제n(단, n은 2 이상의 자연수) 발광 다이오드부를 포함하는 발광 다이오드 모듈에 공급하는 구동 전류를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 제1 내지 제n(단, n은 2 이상의 자연수) 발광 다이오드부 각각의 일 단과 연결되어 상기 구동 전류를 공급하는 제1 내지 제n 발광전류 구동부를 포함하고,
    상기 제1 내지 제n 발광전류 구동부 각각은, 기준 전압을 인가 받고, 제1 발광전류 구동부는 제2 내지 제n 발광전류 구동부의 전압 출력단으로부터 상기 제1 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 피드백 되고, 제k(1 < k < n, k는 자연수) 발광전류 구동부는 제(k+1) 내지 제n 발광전류 구동부의 전압 출력단으로부터 상기 제k 발광전류 구동부의 해당하는 입력단으로 피드백 되며, 상기 제k 발광전류 구동부의 전압 출력에 의해 제1 내지 제(k-1) 발광전류 구동부의 상기 구동 전류가 제어 되는 것을 특징으로 하는 발광전류 제어장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 발광전류 구동부는,
    제n 발광전류 구동부의 전압 출력단에서 제1 발광전류 구동부 내지 제(n-1) 발광전류 구동부 각각의 입력단으로 피드백이 연결되고,
    상기 제(n-1) 발광전류 구동부는 상기 제(n-1) 발광전류 구동부의 전압 출력단에서 상기 제1 발광전류 구동부 내지 제(n-2) 발광전류 구동부 각각의 입력단으로 피드백이 연결되는 다중 피드백 루프(Feedback Loop)의 구성인 것을 특징으로 하는 발광전류 제어장치.
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