KR20140020001A

KR20140020001A - 정전류 제어를 통한 입력전류왜곡 저감 엘이디 구동회로 및 구동방법

Info

Publication number: KR20140020001A
Application number: KR1020120086265A
Authority: KR
Inventors: 이건영; 이정훈
Original assignee: 서울반도체 주식회사
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-02-18

Abstract

발광 다이오드를 포함하는 LED 그룹에 병렬로 연결되어 부궤환 동작을 통해 동작의 안정성을 확보할 수 있는 엘이디 구동회로 및 이의 구동방법이 개시된다. 부궤환 동작을 수행하는 전류제어부는 바이폴라 졍션 트랜지스터인 전류검출회로를 가진다. 전류검출회로는 정형파형 입력전압의 변동에 따라 컬렉터-에미터 간의 전류량을 변동시킨다. 또한, 전류제어부는 MOS 트랜지스터인 정전류 구동회로를 가진다. 정전류 구동회로는 부궤환 동작시, 활성영역에서 동작하여 입력전압의 변동에도 일정한 정전류를 공급한다.

Description

정전류 제어를 통한 입력전류왜곡 저감 엘이디 구동회로 및 구동방법{Circuit of driving Light Emitting Diode by using Constant Current Control for Minimizing THD and Method of driving the same}

본 발명은 발광 다이오드를 이용하는 조명 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전류파형과 전압파형의 변동양상을 일치시켜서, 신호의 왜곡을 제거하고, 역률을 개선하기 위한 엘이디 구동회로 및 이의 구동방법에 관한 것이다.

발광 다이오드를 이용하는 조명 장치는 휴대용 장치의 백라이트로 이용되거나, 일반 조명용 기구로 이용된다.

휴대용 장치의 백라이트로 이용되는 조명 장치는 모바일 환경에서 직류전원을 사용한다. 따라서, 소모전력의 최소화를 위해서는 발광 다이오드 차체의 효율 개선이 중요한 요소가 된다. 또한, 기기 자체에서 전원의 절환동작 또는 직류전원의 공급 시간과 레벨을 조절하여 소모 전력을 수행한다.

반면, 일반 조명 장치에 발광 다이오드가 사용되는 경우, 조명 장치가 사용되는 환경에 따라 다양한 동작양상을 가진다. 예컨대, 스위칭 동작 등을 통해 다수개의 발광 다이오드들 중 일부만이 턴온되거나, 순차적 턴온되는 동작 모드가 선택될 수 있다.

이외에 일반 조명 장치에서는 대략 정현파의 전원전압을 사용하고, 이를 정류하여 사용하는 양상을 가진다. 따라서, 정류된 직류 전압은 양의 방향으로 맥류하는 특성을 가진다. 맥류하는 파형은 이론적으로 실수와 허수 성분으로 구분되는 복소 주파수 성분으로 해석된다. 따라서, 맥류하는 파형을 사용하는 조명 장치는 역률이 문제가 된다. 역률의 개선을 위해 다양한 회로가 제안되고 있으며, 사용환경에 적합한 동작을 수행할 수 있는 다양한 회로들이 제시되고 있다.

역률의 개선 또는 효율의 개선과 함께, 조명 장치를 형성하는 회로는 제어가능한 동작양상을 가져야 한다. 즉, 안정적인 동작 범위 내에서 동작하여야 하며, 반복되는 전원전압의 파형에도 동작의 안정성을 확보하여야 하는 문제가 있다.

최근, 미합중국에서 시행된 Energy Independence and Security Act 2007(EISA 2007)에서는 조명소자에 대해 엄격한 에너지 절감 기준을 적용하고 있으며, 전세계적으로 조명소자에 관한 에너지 효율 규정이 강화되고 있는 실정이다. 따라서, 전고조파 왜곡(Total Harmonic Distortion)의 개선을 위해 순차점등회로를 구현하고, 순차점등시 전류검출을 위해 사용되는 전류량을 최소화하여 역률의 개선 및 에너지 효율이 향상된 발광 다이오드 구동회로는 요청된다 할 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 맥류하는 공급전압을 추종하는 별도의 감지전압을 형성하고, 감지전압의 상태에 따라 발광 동작을 선택적으로 수행할 수 있는 엘이디 구동회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2 과제는 상기 제1 과제를 달성하기 위한 엘이디 구동회로의 구동방법을 제공하는데 있다.

상기 제1 과제를 이루기 위하여 본 발명은, 입력전압을 공급받고 제1 임계전압 이상에서 턴온되어 발광동작을 수행하는 제1 LED 그룹; 상기 제1 LED 그룹의 캐소드 단자와 애노드 단자 사이에 연결되고, 제1 바이폴라 졍션 트랜지스터의 부궤환을 통해 제1 MOS 트랜지스터를 이용한 정전류를 발생하는 제1 전류제어부; 상기 제1 LED 그룹에 직렬연결되고, 제2 임계전압 이상에서 턴온되어 발광동작을 수행하는 제2 LED 그룹; 및 상기 제2 LED 그룹의 캐소드 단자와 애노드 단자 사이에 연결되고, 제2 임계전압 이상에서 제2 바이폴라 졍션 트랜지스터의 부궤환 동작을 수행하여 제2 MOS 트랜지스터를 통한 정전류를 발생하며, 상기 제1 전류제어부의 부궤환 동작을 중지시키는 엘이디 구동회로를 제공한다.

상기 제2 과제를 이루기 위한 본 발명은, 다수의 LED 그룹들이 직렬연결되고, 각각의 LED 그룹들의 애노드 단자 및 캐소드 단자에 연결된 전류 제어부들을 가지는 조명회로의 구동방법에 있어서, 입력전압을 공급하여 상기 입력전압에 직접 연결된 제1 LED 그룹을 턴온시키고, 상기 제1 LED 그룹에 연결된 제1 전류 제어부를 활성화하여, 제1 LED 그룹이 정전류 동작을 수행하는 단계; 및 제1 LED 그룹에 연결된 제2 LED 그룹을 턴온시키고, 제1 전류 제어부의 부궤환 동작을 중지시키며, 제1 LED 그룹에 연결된 제2 전류 제어부의 활성화를 통해 상기 제1 LED 그룹 및 상기 제2 LED 그룹의 턴온 및 정전류 동작을 수행하는 단계를 포함하는 엘이디 구동회로의 구동방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 엘이디 구동회로는 전류제어부를 가지며, 전류제어부의 부궤환 동작을 통해 입력전압의 변동에도 일정한 전류량을 유지한다. 일정한 전류량의 공급은 MOS FET인 정전류 구동회로에 의해 구현된다. 또한, 입력전압의 변동은 바이폴라 졍션 트랜지스터인 전류검출회로에 의해 컬렉터-에미터 간의 전류로 반영된다. 전류검출회로의 컬렉터 단자에는 비교적 높은 값을 가지는 바이어스 저항이 연결된다. 또한, 바이폴라 트랜지스터 자체의 특성을 통해 높은 입력전압에도 정상적인 동작을 수행할 수 있는 우월한 내압특성을 확보할 수 있다.

또한, 바이폴라 졍션 트랜지스터의 빠른 응답특성을 이용하여 입력전압의 변동에 따른 LED 그룹들의 순차점등 및 점등시의 정전류의 파형의 외형은 입력전압의 변동을 추종한다. 따라서, 입력전압의 변동에 따라, 전압-전류의 위상의 차이에서 발생되는 역률의 저하는 방지된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구동회로를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1에 도시된 LED 그룹과 전류제어부를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 부궤환 동작을 수행하는 구동회로를 도시한 회로도이다.
도 4a 내지 도 4c는 상기 도 3에 도시된 왜곡보상부를 도시한 회로도들이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3에 도시된 구동회로의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 부궤환 동작을 수행하는 구동회로를 도시한 다른 회로도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 6에 도시된 구동회로의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3 또는 도 7의 회로가 IC에 적용된 경우를 도시한 회로도이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

본 실시예들에서 "제1", "제2", 또는 "제3"는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다

실시예

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구동회로를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 구동회로에는 입력전압 Vin이 공급된다. 또한, 조명장치가 가지는 로드(load)에 상응하여 입력전류 Iin이 양의 입력단자로 인입되고, 입력전류 Iin이 음의 입력단자로 유출된다.

도시된 구동회로는 제1 LED 그룹 LED1과 제2 LED 그룹 LED2를 가진다. 각각의 LED 그룹은 하나의 발광 다이오드일 수 있으며, 다수의 발광 다이오드들이 직렬, 병렬 또는 직/병렬로 다양하게 연결된 형태일 수 있다. 또한, 도시된 2개의 LED 그룹들 이외에 다른 LED 그룹이 제2 LED 그룹 LED2에 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 LED 그룹 LED2의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에는 제1 전류제어부(210)가 연결되고, 제2 LED 그룹 LED2의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에는 제2 전류제어부(220)가 연결된다. 즉, 각각의 LED 그룹의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에는 전류제어부가 구성된다.

입력전압 Vin이 가장 낮은 레벨에서부터 상승하면, 제1 LED 그룹 LED1은 턴온된다. 제1 LED 그룹 LED1의 턴온과 함께 제1 전류제어부(210)는 부궤환 동작을 수행한다. 따라서, 제2 LED 그룹 LED2가 턴온되기 전까지 제1 전류제어부(210)는 정전류원으로 동작한다. 따라서, 제1 LED 그룹 LED1은 입력전압 Vin의 상승에도 불구하고, 일정한 전류를 통과시키며, 제1 전류제어부(210)를 흐르는 전류도 일정하게 설정된다. 즉, 제2 LED 그룹 LED2가 발광 동작을 수행하기 직전까지, 제1 LED 그룹 LED1을 흐르는 전류는 일정하게 설정되어, 제1 LED 그룹 LED1의 휘도는 일정한 상태를 유지한다.

입력전압 Vin의 상승이 지속되면, 제2 LED 그룹 LED2도 턴온된다. 제2 LED 그룹 LED2가 턴온되면, 제1 전류제어부(210)는 부궤환 동작을 중지한다. 따라서, 제1 전류제어부(210)를 흐르는 전류는 미미하거나 차단된다. 또한, 제2 LED 그룹 LED2가 턴온되면, 제2 전류제어부(220)가 부궤환 동작을 개시한다. 따라서, 제2 전류제어부(220)를 흐르는 전류는 일정하게 설정되며, 이는 곧 제1 LED 그룹 LED1 및 제2 LED 그룹 LED2를 흐르는 전류가 일정해짐을 의미한다. 만일, 입력전압 Vin의 레벨이 더 상승하여 제2 LED 그룹 LED2에 직렬로 연결된 다른 LED 그룹이 턴온되는 경우, 제2 전류제어부(220)는 부궤환 동작을 중지한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1에 도시된 LED 그룹과 전류제어부를 도시한 회로도이다.

도 2를 참조하면, LED 그룹 LED의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에는 전류제어부(200)가 구비된다.

전류제어부(200)는 바이어스 저항 RM, 정전류 구동회로 QM, 전류검출회로 QB 및 궤환저항 RB를 가진다.

바이어스 저항 RM은 LED 그룹 LED의 애노드 단자에 연결되며, 전류검출회로 QB는 바이폴라 졍션 트랜지스터의 구성을 가지며, 컬렉터 단자는 바이어스 저항 RM의 타단에 연결된다. 또한, 정전류 구동회로 QM은 MOS-FET의 구성을 가지며, 드레인 단자는 LED 그룹 LED의 캐소드 단자에 연결되고, 게이트 단자는 전류검출회로 QB의 컬렉터 단자에 연결된다. 또한, 소스 단자는 전류검출회로 QB의 베이스 단자 및 궤환저항 RB의 일단에 연결된다. 또한, 전류검출회로 QB의 에미터 단자는 궤환저항 RB의 타단에 연결된다.

상기 전류제어부(200)는 2개의 전류경로를 가진다. 제1 전류경로는 바이어스 저항 RM 및 전류검출회로 QB로 구성된다. 제2 전류경로는 정전류 구동회로 QM 및 궤환저항 RB로 구성된다.

전류제어부(200)가 부궤환 동작을 수행하는 기간에는 2개의 전류경로들이 활성화된다. 특히, 정전류 구동회로 QM으로 구성된 전류경로는 정전류 Ids를 형성한다. 또한, 전류검출회로 QB가 포함된 다른 전류경로는 입력레벨 Vi의 변동을 컬렉터-에미터 간의 전류 Ice로 반영한다.

만일, 전류제어부(200)가 부궤환 동작을 수행하지 않은 기간에는 정전류 구동회로 QM은 턴오프되고, 정전류 Ids는 발생하지 않는다. 다만, 전류검출회로 QB를 통한 Ice는 흐를 수 있다. Ice의 양은 정전류 Ids에 비해 매우 미미한 값을 가진다.

입력레벨 Vi가 상승하는 경우, LED 그룹 LED 및 정전류 구동회로 QM은 턴온된다. 상기 정전류 구동회로 QM은 MOS 트랜지스터로 구성된다. 따라서, 게이트- 소스 간의 전압 Vgs의 레벨에 따라 턴온되며, 게이트- 드레인의 바이어스 조건에 따라 활성영역에서 동작할 수 있다. 정전류 구동회로 QM의 턴온동작은 트랜지스터가 가지는 게이트-소스 간의 전압 Vgs가 문턱전압을 상회하는 경우에 발생된다. 따라서, LED 그룹 LED, 정전류 구동회로 QM 및 궤환저항 RB로 구성된 전류 경로가 형성된다. 형성된 전류 경로에 의해 궤환저항 RB 양단의 전압차는 증가하고, 이는 전류검출회로 QB의 턴온을 유발한다. 전류검출회로 QB는 턴온되면서 활성영역 또는 포화영역에서 동작한다. 상기 전류검출회로 QB는 바이폴라 졍션 트랜지스터(BJT)의 구성을 가진다. 따라서, 입력레벨 Vi의 높은 변동에 대해서 우수한 내압 특성을 유지할 수 있다.

BJT의 경우, 컷오프 영역, 활성 영역 및 포화 영역의 3가지 동작 모드를 가진다. 컷오프의 경우, BJT가 턴오프된 상태를 지칭하며, 활성 영역은 턴온 상태이며, 베이스와 컬렉터 사이가 역바이어스된 상태를 지칭한다. 또한, 포화 영역은 턴온 상태이며, 베이스와 컬렉터 사이가 정바이어스된 상태를 지칭한다.

도 2의 경우, 전류검출회로는 활성영역 또는 포화영역에서 동작하며, 활성영역에서 동작함이 바람직하다. 따라서, 전류제어부(200)에서는 2개의 전류경로가 나타난다. 즉, 정전류 구동회로 QM 및 궤환저항 RB로 흐르는 전류경로와 바이어스 저항 RM 및 전류검출회로 QB로 흐르는 전류 경로가 나타난다.

만일, 입력레벨 Vi가 상승하면, 정전류 구동회로 QM의 게이트 단자의 전압도 상승된다. 따라서, 정전류 구동회로 QM의 게이트-소스 간의 전압 Vgs도 증가한다. 이는 활성영역에서 동작하는 정전류 구동회로 QM의 드레인-소스 간의 전류의 증가를 유발한다. 증가된 드레인-소스 간의 전류 Ids는 궤환저항 RB 양단의 전압차를 증가시킨다. 궤환저항 RB 양단의 전압차는 전류검출회로의 베이스-에미터 간의 전압 Vbe이다. Vbe가 증가하면, 활성영역에서 동작하는 전류검출회로의 컬렉터-소스 간의 전류 Ice의 증가가 발생된다. Ice가 증가하는 경우, 이는 바이어스 저항 RM을 통과하는 전류가 증가하며, 다시 정전류 구동회로 QM의 게이트 단자의 전압의 강하를 유발한다. 따라서, 정전류 구동회로의 게이트-소스 간의 전압변동은 최소화되며, 정전류 구동회로의 드레인-소스 간 전류 Ids는 일정하게 유지된다.

즉, 궤환저항 RB 및 전류검출회로 QB를 통한 부궤환 동작이 발생되어 입력레벨 Vi가 상승하더라도, 정전류 구동회로 QM을 흐르는 전류 Ids는 일정하게 유지되며, 입력레벨 Vi의 증가는 전류검출회로 QB의 Ice의 증가로만 나타난다.

특히, 바이어스 저항 RM 의 크기를 궤환저항 RB의 크기보다 높게 설정한다면, Ice의 증가에 따라 발광동작에 참여하지 못하는 전류량은 최소화될 수 있다. 상기 바이어스 저항 RM의 크기는 궤환저항 RB의 크기보다 1000배 이상으로 설정됨이 바람직하다. 상대적으로 높은 바이어스 저항 RM에 의해 Ice는 Ids에 비해 미미한 값을 가진다.

이어서, 상기 도 2에서 출력레벨 Vo로부터 추가적인 전류의 유출입이 발생되는 경우를 가정한다. 이는 상기 도 1에서 제2 LED 그룹이 턴온되는 상태를 가정한 것이다. 따라서, 상기 도 2에서 궤환저항 RB를 흐르는 전류는 정전류 구동회로를 흐르는 전류 Ids 이외에 추가적인 전류 Iex로 증가된다. 따라서, 전류검출회로 QB의 베이스 단자의 전압은 증가한다. 만일, 전류검출회로 QB가 활성영역에서 동작하는 경우, 베이스-에미터 간의 전압 Vbe의 증가는 Ice의 증가를 유발한다. 따라서, 바이어스 저항 RM을 통한 전압강하는 증가한다. 따라서, 정전류 구동회로 QM의 게이트-소스 간의 전압차 Vgs도 감소되어, 문턱전압 이하의 레벨로 진입된다. 결국, 정전류 구동회로 QM은 턴오프된다. 따라서, 출력레벨 Vo로부터 추가적인 전류 Iex의 유출입이 발생하는 경우, 전류제어부(200)는 부궤환 동작을 중지한다. 또한, 전류검출회로 QB는 부궤환 동작을 수행하지 않고, 증가된 입력레벨 Vi에 대해 소정의 미미한 전류를 통과시킬 수 있다. 즉, 상기 조건에서 전류검출회로 QB는 활성영역 또는 포화영역에서 동작하여 입력레벨 Vi의 변동을 Ice로 변환한다. 다만, Ice는 바이어스 저항 RB가 가지는 높은 저항값으로 인해 미미한 수준이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 부궤환 동작을 수행하는 구동회로를 도시한 회로도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 구동회로는 전원 공급부(100), 제1 LED 그룹 LED1 내지 제3 LED 그룹 LED3 및 제1 전류제어부(210) 내지 제3 전류제어부(230)를 가진다.

상기 LED 그룹들은 서로 직렬 연결된 구조를 가진다. 또한, 상기 전류제어부들은 상호간에 병렬 연결된 구조를 가진다. 각각의 전류제어부는 LED 그룹의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 배치된다.

먼저, 전원 공급부(100)는 정현파 형태의 전원전압 Vac에 대한 전파정류를 수행하여 입력 전압 Vin을 형성한다. 상기 전원 공급부(100)의 형태는 도 3에 도시된 형태 이외에 다양한 형태로 구성이 가능하다 할 것이다.

또한, 전원 공급부의 출력단에는 왜곡보상부(110)가 추가적으로 연결될 수 있다.

도 4a 내지 도 4c는 상기 도 3에 도시된 왜곡보상부를 도시한 회로도들이다.

도 4a는 리플 필터를 도시한다. 상기 리플 필터는 하나의 커패시터 Cf로 구성된다.

또한, 도 4b는 시리즈 리플 필터(series ripple filter)를 도시한다. 상기 시리즈 리플 필터는 상호간에 병렬연결된 저항 Rf1 및 커패시터 Cf2의 1차 필터단과 상호 병렬연결된 저항 Rf2 및 커패시터 Cf3의 2차 필터단으로 구성된다. 2개의 필터단은 상호 직렬연결된다.

도 4c는 밸리 필 회로(vally fill circuit)를 개시한다. 상기 밸리 필 회로는 수동형 역률 개선을 위해 구비되며, 3개의 다이오드 DF1 내지 DF3, 2개의 커패시터 Cf4, Cf5 및 저항 Rf3으로 구성된다.

왜곡보상부를 통해 전원 공급부의 출력이 가지는 THD는 저감된다.

다시 도 3을 참조하면, 전원 공급부(100)에는 제1 LED 그룹 LED1 및 제1 전류제어부(210)가 연결된다. 제1 전류제어부(210)는 제1 LED 그룹 LED1의 입력단과 출력단 사이에 연결된다. 제2 LED 그룹 LED2는 제1 LED 그룹 LED1의 출력단에 연결된다. 또한, 제2 LED 그룹 LED2의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에는 제2 전류제어부(220)가 연결된다. 또한, 제2 LED 그룹 LED2에는 제3 LED 그룹 LED3이 직렬로 연결되고, 제3 LED 그룹 LED3의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에는 제3 전류제어부(230)가 연결된다.

상술한 구조에서 입력전압 Vin이 가장 낮은 레벨에서 서서히 상승하면, 제1 LED 그룹 LED1이 턴온되고, 나머지 LED 그룹은 오프 상태를 유지한다. 따라서, 제1 LED 그룹 LED1과 제1 전류제어부(210)로 구성된 전류경로가 형성된다. 제1 전류제어부(210)는 입력전압 Vin의 상승에도 일정한 전류가 제1 발광그룹 LED1을 흐르도록 하는 부궤환 동작을 수행한다.

이어서, 입력전압 Vin이 계속 상승하여 제1 LED 그룹 LED1과 제2 LED 그룹 LED2가 턴온되고, 제3 LED 그룹 LED3이 오프 상태를 유지하는 경우, 제1 전류제어부(210)는 부궤환을 통한 정전류 동작을 중지한다. 대신, 제2 전류제어부(220)가 부궤환 동작을 수행하여 제1 LED 그룹 LED1과 제2 LED 그룹 LED2를 흐르는 전류가 일정하도록 유지한다. 따라서, 실질적으로 제1 LED 그룹 LED1, 제2 LED 그룹 LED2 및 제2 전류제어부(220)로 구성된 전류 경로가 형성된다. 물론, 제1 전류제어부(210)에서는 제1 바이어스 저항 RM1 및 제1 전류검출회로 QB1로 구성된 전류경로가 형성될 수 있다. 다만, 제1 바이어스 저항 RM1은 제1 궤환저항 RB1에 비해 매우 큰 값을 유지하므로 입력전류 Iin에 비해 미미한 정도의 전류가 흐른다. 따라서, 설명의 편의를 위해 부궤환 동작을 중지한 제1 전류제어부(210)를 흐르는 미미한 전류는 설명을 생략한다.

계속해서, 입력전압 Vin이 더욱 상승하면 제1 LED 그룹 LED1, 제2 LED 그룹 LED2 및 제3 LED 그룹 LED3이 턴온된다. 또한, 제1 전류제어부(210) 및 제2 전류제어부(220)는 부궤환 동작이 중지되고, 제3 전류제어부(230)가 부궤환 동작을 개시한다. 제3 전류제어부(230)는 부궤환 동작을 통해 제1 LED 그룹 LED1 내지 제3 LED 그룹 LED3을 흐르는 전류량이 입력전압 Vin의 변동에도 불구하고 일정한 레벨을 유지하도록 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3에 도시된 구동회로의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 입력전압 Vin은 양의 방향으로 맥류하는 형태로 제공된다.

입력전압 Vin이 시간 T1에서 제1 임계전압 Vf1 이상인 경우, 제1 LED 그룹 LED1은 턴온된다. 반면, 상대적으로 낮은 레벨로 인해 제2 LED 그룹 LED2 및 제3 LED 그룹 LED3은 오프 상태를 유지한다. 상기 제1 임계전압 Vf1은 제1 LED 그룹 LED1이 가지는 턴온 전압을 지칭한다.

제1 LED 그룹 LED1의 턴온과 함께 제1 전류제어부(210)는 부궤환을 통한 입력전류 Iin의 안정성을 확보한다. 즉, 상기 도 2에서 설명된바대로, 제1 정전류 구동회로 QM1은 포화영역에서 동작하여 정전류 I1을 공급하고, 제1 전류검출회로 QB1은 입력전압 Vin의 상승에 따른 변동을 컬렉터-에미터 간의 전류변화로 흡수한다. 즉, 입력전압 Vin이 상승하면, 제1 전류검출회로 QB1의 컬랙터-에미터 간의 전류 Ice는 증가한다. 또한, 입력신호 Vin의 증가에 따라 제1 정전류 구동회로 QM1의 게이트 단자의 전압이 증가하여 제1 정전류 구동회로 QM1의 드레인-소스 간의 전류가 증가하고자 하더라도, 바이어스 저항 RM1을 통한 전압의 강하로 인해 제1 정전류 구동회로 QM1의 게이트-소스 간의 전압은 일정한 레벨을 유지한다. MOS 트랜지스터인 제1 정전류 구동회로 QM1은 포화영역에서 동작하므로 드레인-소스 간의 전류는 Vgs에 의존한다. 따라서, 제1 정전류 구동회로 QM1을 흐르는 전류 I1은 일정한 값을 유지한다. 따라서, 입력전류 Iin은 제1 전류검출회로 QB1을 흐르는 전류를 무시한다면 제1 정전류 구동회로 QM1을 흐르는 전류 I1이 된다.

입력전압 Vin이 시간 T2에서, 제2 임계전압 Vf2 이상인 경우, 제1 LED 그룹 LED1 및 제2 LED 그룹 LED2가 턴온된다. 따라서, 제2 임계전압 Vf2는 제1 LED 그룹 LED1 및 제2 LED 그룹 LED2가 직렬연결된 경우의 턴온 전압에 근접한다. 물론 각각의 LED 그룹의 턴온 전압은 발광 다이오드의 연결상태에 따라 달리 설정될 수 있다.

제2 LED 그룹 LED2의 턴온과 함께 제2 전류제어부(220)도 턴온되어 부궤환 동작을 개시한다. 부궤환 동작은 상기 도 2에서 설명한 바와 동일하다. 즉, 제2 정전류 구동회로 QM2는 포화영역에서 동작하고, 제2 바이어스 저항 RM2, 제2 전류검출회로 QB2 및 제2 궤환저항 RB2를 통한 부궤환 동작이 수행된다. 또한, 제2 바이어스 저항 RB2는 제1 바이어스 저항 RB1보다 낮은 값을 가진다. 따라서, 제2 전류검출회로 QB2의 게이트-소스 간 전압은 제1 전류검출회로 QB1이 턴온된 경우보다 높은 값을 가진다. 따라서, 제2 전류제어부를 흐르는 전류 I2는 제1 LED 그룹 LED1만의 턴온시에 흐르는 입력전류 Iin보다 높은 값을 가진다. 또한, 제2 궤환저항 RB2는 제1 궤환저항 RB1보다 낮은 값을 가짐이 바람직하다. 이는 제2 전류검출회로 QB2의 턴온조건을 제1 전류검출회로 QB1과 동일하거나 유사하게 가져가기 위한 조치이다. 즉, 제2 궤환저항 RB2를 흐르는 전류 I2는 높은 값을 가지므로 제2 전류검출회로 QB2의 베이스-에미터 간 전압의 설정을 제1 전류검출회로 QB1의 설정과 유사하도록 하기 위해 제2 궤환저항 RB2를 RB1보다 낮은 값을 가지도록 설정함이 바람직하다.

증가된 전류량 I2으로 인해 제1 궤환저항 RB1에서의 전압강하는 증가한다. 즉, 제1 정전류 구동회로 QM1의 소스 단자의 전압은 상승한다. 따라서, 제1 정전류 구동회로 QM1은 턴오프된다. 반면, 베이스 단자의 전압의 상승으로 인해 제1 전류검출회로 QB1은 포화영역 또는 활성영역에서 동작한다. 결국, 제1 정전류 구동회로 QM1의 오프로 인해 제1 전류제어부(210)는 궤환동작을 중지한다. 또한, 제1 정전류 구동회로 QM1을 흐르는 전류는 차단되므로, 입력전류 Iin의 대부분은 제2 정전류 구동회로 QM2로 흐른다. 즉, 제1 전류검출회로 QB1 및 제2 전류검출회로 QB2가 턴온되더라도, 이를 통해 흐르는 전류는 높은 저항값을 가지는 바이어스 저항들 RM1 및 RM2로 인해 미미하다. 따라서, 상기 도 4에서는 전류검출회로들을 통해 흐르는 전류의 표시는 생략키로 한다.

즉, 제2 전류제어부(220)의 부궤환 동작의 개시와 함께 제1 전류제어부(210)는 부궤환 동작을 중지한다. 따라서, 제1 LED 그룹 LED1과 제2 LED 그룹 LED2를 흐르는 정전류 I2는 제2 전류제어부(220)의 제2 정전류 구동회로 QM2에 의해 결정된다.

계속해서 입력전압 Vin이 증가하여 시간 T3에서 제3 임계전압 Vf3 이상인 경우, 제3 LED 그룹 LED3도 턴온된다. 따라서, 3개의 LED 그룹들이 직렬연결되고, 턴온되는 양상이 전개된다. 또한, 제3 전류제어부(230)는 부궤환 동작을 개시하고, 제2 전류제어부(220)는 제2 정전류 구동회로 QM2의 턴오프에 의해 부궤환 동작을 중지한다. 제3 전류제어부(230)의 부궤환 동작에 의해 입력전압 Vin의 상승에도 제3 전류제어부(230)를 흐르는 전류량 I3은 일정해진다. 따라서, 입력전류 Iin은 일정한 값을 유지한다.

또한, 제3 바이어스 저항 RM3은 RM2보다 낮은 값을 유지한다. 따라서, 포화영역에서 동작하는 제3 정전류 구동회로 QM3의 Vgs는 제2 정전류 구동회로 QM2의 턴온시의 Vgs보다 높은 값을 가지며, 제3 정전류 구동회로 QM3을 흐르는 전류량 I3은 제2 정전류 구동회로 QM2를 흐르는 전류량 I2보다 큰 값을 유지한다.

또한, 정전류 구동회로를 흐르는 전류는 입력전압 Vin의 파형을 추종한다. 이는 BJT의 Vbe 가 MOS-FET의 Vgs보다 낮은 사실에 기인하며, BJT의 빠른 동작 특성으로 인해 입력전압 Vin의 변화를 정전류 구동회로들이 빠르게 추종할 수 있기 때문이다. 따라서, 입력전압과 전류의 위상차에 의해 발생되는 역률의 저하는 최소화된다.

본 발명에서는 제1 전류제어부(210)가 동작하는 기간에서는 나머지 전류제어부들은 동작하지 않으며, 입력전류 Iin은 제1 전류제어부(210)를 흐르는 정전류 I1과 실질적으로 동일하다. 또한, 제2 전류제어부(220)가 동작하는 기간에서도 나머지 전류제어부들은 동작하지 않으며, 입력전류 Iin은 제2 전류제어부(220)를 흐르는 정전류 I2와 실질적으로 동일하다. 마찬가지로, 제3 전류제어부(230)가 동작하는 기간에서는 나머지 전류제어부들은 동작하지 않으며, 입력전류 Iin은 제3 전류제어부(230)를 흐르는 정전류 I3과 실질적으로 동일하다.

물론, 전류제어부들의 정전류는 정전류 구동회로에 의해 결정된다. 다만, 전류검출회로를 흐르는 전류는 정전류 구동회로를 흐르는 전류에 비해 미미하므로 상기 도 5에서는 표시를 생략키로 한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 부궤환 동작을 수행하는 구동회로를 도시한 다른 회로도이다.

도 6을 참조하면, 상기 도 3에 도시된 구성 이외에 저전압 LED 그룹 LED0 및 저전압 전류제어부(205)가 개시된다. 특히, 저전압 LED 그룹 LED0은 낮은 인가전압에도 턴온되는 특징을 가진다. 예컨대, 다른 LED 그룹들 LED1 내지 LED3이 일정한 턴온전압 Vf를 가지는 경우, 상기 저전압 LED 그룹 LED0은 약 1/4Vf에서 턴온되는 특성을 가질 수 있다. 이를 통해 낮은 입력전압 Vin에도 턴온되어 발광 동작을 개시할 수 있으며, 입력전압 Vin의 인가에도 불구하고, 모든 LED 그룹들이 오프되는 dead time이 감소될 수 있다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 6에 도시된 구동회로의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.

도 7을 참조하면, 시간 T0에서 저전압 LED 그룹 LED0는 턴온되어 정전류 I0을 발생하는 동작이 수행된다. 따라서, dead time은 감소하며, 입력전압 Vin에 대해 위상의 변동없이 입력전류 Iin은 입력전압 Vin의 변동을 추종하는 특성을 가진다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3 또는 도 7의 회로가 IC에 적용된 경우를 도시한 회로도이다.

도 8을 참조하면, 전원 전압 공급부로부터 입력전압은 공급되고, 전류제어부는 집적회로(300)로 구현된다. 집적회로(300)는 바이폴라 졍션 트랜지스터와 MOS 트랜지스터가 공정상 통합된 Bi-CMOS 공정을 통해 구현될 수 있다. LED 그룹들은 집적회로(300)에서 분기되는 핀들에 연결되는 구성을 취할 수 있다.

도 9를 참조하면, 궤환 저항 RB1 내지 RB3이 집적회로(310)에서 배제되며, 외부로부터 궤환저항 RB1 내지 RB3의 선택을 통해 동일한 동작을 유지할 수 있다.

상술한 본 발명의 구동회로는 부궤환 동작을 통해 입력전압의 상승에도 일정한 전류량을 유지하여 LED 그룹의 동작의 안정성을 유지한다. 또한, 바이폴라 트랜지스터로 전류검출회로를 구성하여 높은 입력전압에서도 정상적인 동작을 수행할 수 있는 우월한 내압특성을 유지할 수 있다. 이외에 바이폴라 졍션 트랜지스터를 이용한 빠른 동작 특성 및 LED 그룹들의 순차 점등을 통해 입력전압의 변화에 빠른 응답특성을 확보할 수 있으며, 입력전압의 변동양상을 추종하여 THD를 저감할 수 있으며, 구동회로의 역률을 개선할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

200 : 전류제어부 210 : 제1 전류제어부
220 : 제2 전류제어부 230 : 제3 전류제어부

Claims

입력전압을 공급받고 제1 임계전압 이상에서 턴온되어 발광동작을 수행하는 제1 LED 그룹;
상기 제1 LED 그룹의 캐소드 단자와 애노드 단자 사이에 연결되고, 제1 바이폴라 졍션 트랜지스터의 부궤환을 통해 제1 MOS 트랜지스터를 이용한 정전류를 발생하는 제1 전류제어부;
상기 제1 LED 그룹에 직렬연결되고, 제2 임계전압 이상에서 턴온되어 발광동작을 수행하는 제2 LED 그룹; 및
상기 제2 LED 그룹의 캐소드 단자와 애노드 단자 사이에 연결되고, 제2 임계전압 이상에서 제2 바이폴라 졍션 트랜지스터의 부궤환 동작을 수행하여 제2 MOS 트랜지스터를 통한 정전류를 발생하며, 상기 제1 전류제어부의 부궤환 동작을 중지시키는 제2 전류제어부를 포함하는 엘이디 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 제1 전류제어부는,
상기 제1 LED 그룹의 애노드 단자에 일단이 연결된 제1 바이어스 저항;
상기 제1 바이어스 저항의 타단에 연결되고, 상기 부궤환 동작과 무관하게 상기 입력전압의 변동을 반영하는 전류를 발생시키는 제1 바이폴라 졍션 트랜지스터인 제1 전류검출회로;
상기 제1 LED 그룹의 캐소드 단자에 연결되된 제1 MOS 트랜지스터인 제1 정전류 구동회로; 및
상기 정전류 구동회로의 소스 단자에 연결되고, 상기 제1 전류검출회로의 에미터 단자와 베이스 단자 사이에 연결된 제1 궤환저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제2항에 있어서, 상기 부궤환 동작시, 상기 제1 정전류 구동회로는 포화영역에서 동작하며, 상기 입력전압의 변동에도 정전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제3항에 있어서, 상기 부궤환 동작시, 상기 제1 전류검출회로는 활성영역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제2항에 있어서, 상기 제2 전류제어부는,
상기 제2 LED 그룹의 애노드 단자에 일단이 연결된 제2 바이어스 저항;
상기 제2 바이어스 저항의 타단에 연결되고, 상기 부궤환 동작과 무관하게 상기 입력전압의 변동을 반영하는 전류를 발생시키는 제2 바이폴라 졍션 트랜지스터인 제2 전류검출회로;
상기 제2 LED 그룹의 캐소드 단자에 연결되된 제2 MOS 트랜지스터인 제2 정전류 구동회로; 및
상기 정전류 구동회로의 소스 단자에 연결되고, 제2 전류검출회로의 에미터 단자와 베이스 단자 사이에 연결된 제2 궤환저항을 가지는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제5항에 있어서, 상기 제1 바이어스 저항은 상기 제2 바이어스 저항보다 높은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제6항에 있어서, 상기 제1 궤환저항은 상기 제2 궤환저항보다 높은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제7항에 있어서, 상기 제1 바이어스 저항은 상기 제1 궤환저항보다 1000배 이상의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제7항에 있어서, 상기 제1 전류제어부 및 상기 제2 전류제어부의 일부는 반도체 공정을 통해 집적회로로 구현되고, 상기 2개의 LED 그룹들 및 상기 2개의 궤환저항들은 은 상기 집적회로로부터 외부로 분기된 핀에 연결되는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 입력전압과 상기 제1 LED 그룹 사이에,
상기 제1 LED 그룹보다 낮은 전압에서 턴온되는 저전압 LED 그룹; 및
상기 저전압 LED 그룹의 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 연결된 저전압 전류제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제10항에 있어서, 상기 저전압 LED 그룹의 턴온전압은 상기 제1 LED 그룹의 턴온전압의 1/4인 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 제1 전류제어부 및 상기 제2 전류제어부는 반도체 공정을 통해 집적회로로 구현되고, 상기 2개의 LED 그룹들은 상기 집적회로로부터 외부로 분기된 핀에 연결되는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 입력전압은,
정현퍄 형태의 전원전압을 공급하고, 이를 전파 정류하는 전원 공급부; 및
상기 전원 공급부에 연결된 왜곡보상부를 통해 공급되며,
상기 왜곡보상부는 리플 필터, 시리즈 리플 필터 또는 밸리 필 회로인 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로.
다수의 LED 그룹들이 직렬연결되고, 각각의 LED 그룹들의 애노드 단자 및 캐소드 단자에 연결된 전류 제어부들을 가지는 조명회로의 구동방법에 있어서,
입력전압을 공급하여 상기 입력전압에 직접 연결된 제1 LED 그룹을 턴온시키고, 상기 제1 LED 그룹에 연결된 제1 전류 제어부를 활성화하여, 제1 LED 그룹이 정전류 동작을 수행하는 단계; 및
제1 LED 그룹에 연결된 제2 LED 그룹을 턴온시키고, 제1 전류 제어부의 부궤환 동작을 중지시키며, 제1 LED 그룹에 연결된 제2 전류 제어부의 활성화를 통해 상기 제1 LED 그룹 및 상기 제2 LED 그룹의 턴온 및 정전류 동작을 수행하는 단계를 포함하는 엘이디 구동회로의 구동방법.
제14항에 있어서, 상기 제2 전류 제어부의 활성화는, 상기 제1 전류 제어부의 MOS 트랜지스터인 제1 정전류 구동회로를 오프시키고, 상기 제2 전류 제어부의 MOS 트랜지스터인 제2 정전류 구동회로를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 엘이디 구동회로의 구동방법.