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KR102342546B1 - Led 구동 장치, 조명 장치 및 전류 제어 회로 - Google Patents

Led 구동 장치, 조명 장치 및 전류 제어 회로 Download PDF

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KR102342546B1
KR102342546B1 KR1020150113898A KR20150113898A KR102342546B1 KR 102342546 B1 KR102342546 B1 KR 102342546B1 KR 1020150113898 A KR1020150113898 A KR 1020150113898A KR 20150113898 A KR20150113898 A KR 20150113898A KR 102342546 B1 KR102342546 B1 KR 102342546B1
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Abstract

본 발명의 실시 형태에 따른 LED 구동 장치는, 복수의 LED를 구동하는 LED 구동 장치로서, 상기 복수의 LED의 출력단에서 검출되는 센싱 전압으로부터 제1 전압을 생성하고, 상기 제1 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 제어하는 적어도 하나의 비교기를 포함하는 전류 제어 회로, 및 상기 센싱 전압이 증가하면 상기 적어도 하나의 비교기의 동작을 정지시켜 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 차단하는 보호 회로를 포함한다.

Description

LED 구동 장치, 조명 장치 및 전류 제어 회로{LED DRIVING APPARATUS, LIGHTING APPARATUS AND CURRENT CONTROL CIRCUIT}
본 발명은 LED 구동 장치, 조명 장치 및 전류 제어 회로에 관한 것이다.
반도체 발광소자는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 등의 소자를 포함하며, 낮은 소비전력, 높은 휘도, 긴 수명 등의 여러 장점을 가지고 있어 광원으로 그 사용 영역을 점점 넓혀가고 있다. 특히 반도체 발광소자는 최근 들어 자동차의 헤드 램프 및 테일 램프 등의 광원으로 폭넓게 적용되고 있다.
반도체 발광소자가 자동차의 헤드 램프 및 테일 램프 등에 광원으로 적용되는 경우, 자동차 측에서 공급하는 전원의 전압 변화에 대응하여 반도체 발광소자의 밝기를 일정하게 유지할 수 있는 수단이 필요하다. 또한, 배터리의 이상 동작이나 반도체 발광소자의 파손으로 인한 과전압 또는 쇼트 전류 등으로부터 반도체 발광소자를 보호하기 위한 적절한 보호 회로가 필요하다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 입력 전압의 변화에 대응하여 반도체 발광소자의 밝기를 원하는 값으로 일정하게 유지할 수 있음은 물론, 과전압 및 쇼트 전류 등으로부터 반도체 발광소자를 보호할 수 있는 LED 구동 장치, 조명 장치, 및 전류 제어 회로를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 LED 구동 장치는, 복수의 LED를 구동하는 LED 구동 장치로서, 상기 복수의 LED의 출력단에서 검출되는 센싱 전압으로부터 제1 전압을 생성하고, 상기 제1 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 제어하는 적어도 하나의 비교기를 포함하는 전류 제어 회로, 및 상기 센싱 전압이 증가하면 상기 적어도 하나의 비교기의 동작을 정지시켜 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 차단하는 보호 회로를 포함한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 조명 장치는, 외부 전원에서 공급되는 구동 전원에 의해 동작하는 복수의 LED를 포함하는 광원, 상기 복수의 LED의 출력단에 연결되는 스위치 소자와, 상기 스위치 소자의 동작을 제어하는 적어도 하나의 비교기를 포함하며, 상기 스위치 소자의 턴-온 시간 및 턴-오프 시간을 제어하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값을 조절하는 전류 제어 회로, 및 상기 복수의 LED의 출력단으로부터 검출되는 센싱 전압이 소정의 임계 전압보다 크면, 상기 적어도 하나의 비교기의 동작을 정지시켜 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 차단하는 보호 회로를 포함한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 전류 제어 회로는, 복수의 LED의 출력단에 연결되는 스위치 소자, 상기 스위치 소자와 접지단 사이에 연결되는 적분 회로, 및 상기 적분 회로의 출력 전압과 소정의 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 조절하는 적어도 하나의 비교기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 비교기는, 상기 적분 회로의 출력 전압이 상기 기준 전압보다 클 때 상기 스위치 소자를 턴-온시키고, 상기 적분 회로의 출력 전압이 상기 기준 전압보다 작을 때 상기 스위치 소자를 턴-오프시켜 상기 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값을 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선형 제어 방식으로 전류를 제어하는 전류 제어 회로가 복수의 LED의 출력단에 연결되며, 복수의 LED의 출력단에서 검출한 전압에 의해 보호 회로가 전류 제어 회로의 동작을 결정될 수 있다. 특히, 능동 소자의 개수를 늘리 않고서도 전류 제어 회로가 발열과 스트레스 등의 문제 없이 안정적으로 동작할 수 있으며, 하나의 보호 회로로 과전압 및 쇼트 전류로부터의 보호 기능을 구현할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 포함하는 조명 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시한 LED 구동 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 파형도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시한 LED 구동 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 나타낸 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용된 자동차의 구성을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 평판 조명 장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 조명 장치로서 벌브형 램프를 간략하게 나타내는 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 조명 장치로서 바(bar) 타입의 램프를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 조명 장치로서 통신 모듈을 포함하는 램프를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 13 내지 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 조명 제어 네트워크 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시 형태가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 포함하는 조명 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치(100)는, 복수의 LED를 포함하는 광원(120), 광원(120)의 동작을 제어하는 LED 구동 장치(110)를 포함할 수 있다. 광원(120)은 서로 병렬로 연결되는 복수의 LED 스트링(121, 122, 123)을 포함할 수 있으며, 각 LED 스트링(121, 122, 123) 내에서 LED는 서로 직렬로 연결될 수 있다. 광원(120)에 포함되는 복수의 LED의 연결 구조는 도 1에 도시된 것과 다른 다양한 형태로 변형될 수도 있다.
LED 구동 장치(110)는 전류 제어 회로(111)와 보호 회로(112)를 포함할 수 있다. 전류 제어 회로(111)는 광원(120)에 포함되는 복수의 LED의 출력단에 연결되어 복수의 LED에 흐르는 전류를 선형적으로 제어하는 회로를 포함할 수 있다. 복수의 LED에 흐르는 전류를 선형적으로 제어하기 위해, 전류 제어 회로(111)는 복수의 LED의 출력단에 연결되는 스위치 소자를 포함할 수 있으며, 상기 스위치 소자의 동작은 적어도 하나의 비교기(comparator)에 의해 제어될 수 있다. 한편, 도 1에 도시한 실시예에서는, 복수의 LED 스트링(121, 122, 123)의 출력단이 하나의 전류 제어 회로(111)에 연결되는 것을 도시하였으나, 이와 달리 각 LED 스트링(121, 122, 123)이 서로 다른 전류 제어 회로(111)에 연결될 수도 있다.
보호 회로(112)는 과전압 또는 쇼트로 인해 발생하는 과전류 등으로부터 LED 구동 장치(110) 및 복수의 LED를 보호하기 위한 회로일 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 하나의 보호 회로(112)로 과전압 보호(Over Voltage Protection, OVP) 및 쇼트 전류 보호(Short Current Protection, SCP) 기능을 모두 구현할 수 있다. 과전압 보호 및 쇼트 전류 보호 기능을 하나의 회로로 구현하기 위해, 보호 회로(112)는 복수의 LED의 출력단에 흐르는 전류를 검출하여 센싱 전압을 생성할 수 있다.
보호 회로(112)는 복수의 LED의 출력단에 흐르는 전류를 검출하여 생성한 센싱 전압을 이용하여, 전류 제어 회로(111)의 동작을 제어할 수 있다. 일 실시예로, 보호 회로(112)는 입력 전압 Vin이 정상 범위 이상으로 증가하거나, 복수의 LED 중 일부에서 쇼트 불량이 발생하여 센싱 전압이 높아지는 경우, 전류 제어 회로(111)의 동작을 정지시켜서 과전압 보호 및 쇼트 전류 보호 기능을 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서, 입력 전압 Vin은 소정의 범위에 속하는 값을 갖는 직류 전압일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치(100)가 자동차용 실내등, 헤드 램프, 테일 램프 등의 조명으로 적용되는 경우, 입력 전압 Vin은 자동차에 장착된 배터리 또는 제너레이터 등에서 출력되는 직류 전압일 수 있으며 약 15V 내외의 값을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치(100)가 실내 또는 실외용 조명 기구에 적용되는 경우, 입력 전압 Vin은 상용 교류 전원을 정류하여 생성되는 직류 전압일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동 장치(210)는, 복수의 LED를 갖는 광원(220)과 함께 조명 장치(200)를 제공할 수 있다. LED 구동 장치(210)는 전류 제어 회로를 포함할 수 있는데, 전류 제어 회로는 복수의 LED의 출력단에 연결되는 스위치 소자 Q1, 스위치 소자 Q1의 동작을 제어하는 적어도 하나의 비교기(comparator) U1 등을 포함할 수 있다. 스위치 소자 Q1이 복수의 LED의 출력단에 연결된다는 표현은, 서로 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 LED 가운데 그 캐소드가 다른 LED와 연결되지 않는 LED에, 스위치 소자 Q1이 직렬로 연결된다는 의미로 이해될 수 있을 것이다.
스위치 소자 Q1은 바이폴라 접합 트랜지스터로 도시되었으나, 전계 효과 트랜지스터 등으로 대체될 수도 있다. 스위치 소자 Q1의 제어단(베이스 단자)에는 비교기 U1의 출력이 입력되며, 스위치 소자 Q1은 비교기 U1의 비반전 입력 단자의 전압이 반전 입력 단자의 전압보다 클 때 턴-온될 수 있다. 스위치 소자 Q1이 턴-온되면 복수의 LED에 전류가 흐르게 되며, 스위치 소자 Q1이 턴-오프되면 복수의 LED에 전류가 흐르지 않을 수 있다. 전류 제어 회로는 스위치 소자 Q1의 턴-온 시간 및 턴-오프 시간의 비율을 조절하여 복수의 LED에 흐르는 전류의 듀티 비를 조절함으로써, 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값을 제어할 수 있다.
도 2에 도시한 실시예에서, 비교기 U1의 비반전 입력 단자에는 소정의 기준 전압 Vref가 입력될 수 있다. 기준 전압 Vref는 정전압 Vcc와 저항 R5, R6를 포함하는 전압 분배 회로에 의해 생성될 수 있으며, 일정한 주기를 갖는 구형파(square wave)일 수 있다. 한편, 비교기 U1의 반전 입력 단자에는 스위치 소자 Q1의 이미터 전압 Vs에 의해 생성되는 제1 전압 V1이 입력될 수 있다.
스위치 소자 Q1의 이미터 단자에는 저항 R1, R2 및 커패시터 C1이 연결될 수 있다. 스위치 소자 Q1의 이미터 전압 Vs에 의해 커패시터 C1이 충전 또는 방전될 수 있으며, 커패시터 C1의 충전 또는 방전 상태에 따라 결정되는 제1 전압 V1이 비교기 U1의 반전 입력 단자에 공급될 수 있다. 스위치 소자 Q1의 이미터 전압 Vs는, 복수의 LED에 흐르는 전류와 마찬가지로 구형파 파형을 가질 수 있으며, Vs에 의해 커패시터 C1이 충전 또는 방전되므로, 제1 전압 V1은 도 3에 도시한 바와 같이 완만하게 증가 및 감소를 반복하는 파형을 가질 수 있다. 이하, 도 3을 함께 참조하여 도 2에 도시한 실시예에 따른 LED 구동 장치(210)의 동작을 설명하기로 한다.
도 3은 도 2에 도시한 LED 구동 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 파형도이다. 도 3을 참조하면, 센싱 전압 Vs와 기준 전압 Vref 및 제1 전압 V1가 도시되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 비교기 U1은 비반전 입력 단자와 반전 입력 단자에 각각 공급되는 기준 전압 Vref와 제1 전압 V1의 대소 관계에 따라 스위치 소자 Q1을 턴-온 또는 턴-오프시킬 수 있다. 이미터 전압 Vs는 구형파와 같은 파형를 가질 수 있으며, 기준 전압 Vref 역시 이미터 전압 Vs와 같은 주기를 갖는 구형파로 생성될 수 있다. 제1 전압 V1은 커패시터 C1을 충전 및 방전하는 데에 필요한 시정수에 따라 도 3에 도시한 바와 같은 파형을 가질 수 있다.
스위치 소자 Q1이 턴-온되어 복수의 LED에 전류가 흐르는 동안, 기준 전압 Vref은 하이(high) 값에 해당하는 VrefH로 고정될 수 있다. 동시에, 복수의 LED 및 스위치 소자 Q1을 통해 흐르는 전류에 의해 커패시터 C1이 충전되어 제1 전압 V1이 증가할 수 있다. 제1 전압 V1이 기준 전압 Vref과 동일한 VrefH까지 증가하면, 비교기 U1의 출력이 로우(low) 값으로 변경되며 스위치 소자 Q1이 턴-온되어 복수의 LED가 발광 동작을 멈출 수 있다.
커패시터 C1이 방전되어 제1 전압 V1이 기준 전압 Vref의 로우 값에 해당하는 VrefL까지 감소하면, 기준 전압 Vref이 다시 VrefH로 증가함으로써 비교기 U1의 출력이 하이(high)로 변경되고 복수의 LED가 동작할 수 있다. 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값은, 한 주기 T와 스위치 소자 Q1이 턴-온되는 시간 ton의 비율 및 복수의 LED가 동작할 때 흐르는 정전류 값 등에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 스위치 소자 Q1이 턴-온되는 시간 ton이 증가할수록 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값이 증가할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는, 한 주기 T 동안 스위치 소자 Q1이 턴-온되는 시간 ton의 비율을 조절함으로써 복수의 LED의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 스위치 소자 Q1이 턴-온되면, 스위치 소자 Q1이 매우 작은 온 저항 값을 갖기 때문에 스위치 소자 Q1이 턴-온되는 시간 ton 동안 스위치 소자 Q1에 걸리는 스트레스는 매우 작을 수 있다. 또한, 비교기 U1에 의해 스위치 소자 Q1이 턴-오프되면, 스위치 소자 Q1에 아예 전류가 흐르지 않으므로 스트레스가 거의 걸리지 않을 수 있다. 따라서, 스위치 소자 Q1의 온/오프 여부에 관계없이 스위치 소자 Q1에 걸리는 스트레스를 줄일 수 있다. 다만, 스위치 소자 Q1이 턴-온되는 동안 저항 R1에서 발열 등의 문제가 발생할 수 있으므로, 스위치 소자 Q1의 컬렉터 단자에 연결되는 저항 R1은 서로 병렬로 연결되는 복수의 저항 소자로 구현될 수도 있다.
다시 말해, 스위치 소자 Q1의 턴-온 및 턴-오프 여부와 관계없이, 본 발명의 실시예에서 스위치 소자 Q1에 걸리는 스트레스는 매우 작을 수 있다. 따라서, 큰 용량을 갖는 소자로 스위치 소자 Q1을 구현하거나, 또는 복수의 소자를 병렬로 연결하여 스위치 소자 Q1을 구현하지 않아도 되며, 가격 상승을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동 장치(300)는 복수의 LED를 포함하는 광원(320)의 동작을 제어하는 전류 제어 회로(311)와 함께, 전류 제어 회로(311)의 동작을 제어하는 보호 회로(312) 및 전류 제어 회로(311)에 동작 전압을 공급하는 레귤레이터 회로(313) 등을 포함할 수 있다. 전류 제어 회로(311)의 구성은, 도 2에 도시한 실시예에 따르거나, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 알려진 다양한 회로 구성에 따를 수 있다.
보호 회로(312)는 과전압 보호 및 쇼트 전류 보호 기능을 제공하기 위한 회로일 수 있으며, 제너 다이오드 ZD1, 스위치 소자 Q2 등으로 구현될 수 있다. 레귤레이터 회로(313)는, 입력 전압 Vin을 이용하여 전류 제어 회로(311) 등에 동작 전압을 공급할 수 있으며, 션트 레귤레이터 REG 및 스위치 소자 Q3 등으로 구현될 수 있다. 이때, 션트 레귤레이터 REG는 보호 회로(312)에 포함되는 스위치 소자 Q2와 서로 병렬로 연결될 수 있다. 한편, 션트 레귤레이터 REG에 의해 생성되는 전압 Vcc는, 전류 제어 회로(311)에 포함되는 능동 소자에 동작 전압으로 공급될 수 있다.
보호 회로(312)는 센싱 전압 Vsense를 이용하여 과전압 보호 또는 쇼트 전류 보호 기능을 제공할 수 있다. 센싱 전압 Vsense는 복수의 LED에 흐르는 전류를 검출하여 생성되는 전압일 수 있으며, 복수의 LED의 출력단에서 검출되는 전압일 수 있다.
센싱 전압 Vsense는 저항 R7 및 R8을 통해 커패시터 C2를 충전할 수 있다. 센싱 전압 Vsense이 증가함으로써 커패시터 C2의 전압이 제너 다이오드 ZD1의 제너 전압보다 커지면, 스위치 소자 Q2가 턴-온될 수 있다. 스위치 소자 Q2가 턴-온되면 션트 레귤레이터 REG에 흐르는 전류의 적어도 일부가 스위치 소자 Q2로 흐르게 되며, 결과적으로 레귤레이터 회로(313)의 출력 전압 Vcc가 감소할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 레귤레이터 회로(313)의 출력 전압 Vcc는 전류 제어 회로(311)에 포함되는 능동 소자에 동작 전압으로 공급될 수 있다. 결국, 센싱 전압 Vsense가 증가하면 레귤레이터가 출력하는 동작 전압 Vcc가 감소하여 전류 제어 회로(311)의 동작이 정지하게 되며, 복수의 LED가 턴-오프될 수 있다.
센싱 전압 Vsense는 입력 전압 Vin이 증가하거나, 또는 복수의 LED의 포워드 전압(Vf)이 감소하는 경우 증가할 수 있다. 입력 전압 Vin이 정상 범위를 넘어 과도하게 증가하면, 복수의 LED 중 일부가 파손되거나, 전류 제어 회로(311) 등에 스트레스가 가해져 회로가 파손될 수도 있다. 본 발명의 실시예에서 보호 회로(312)는, 입력 전압 Vin이 증가하여 센싱 전압 Vsense이 높아지면, 레귤레이터 회로(313)가 전류 제어 회로(311)의 능동 소자에 공급하는 동작 전압 Vcc를 감소시켜 전류 제어 회로(311)의 동작을 정지시키고 복수의 LED를 턴-오프함으로써 과전압 보호 기능을 제공할 수 있다.
한편, 복수의 LED 가운데 적어도 일부에서 쇼트가 발생하면, 복수의 LED의 포워드 전압이 감소할 수 있다. 입력 전압 Vin이 정상 범위의 값을 갖더라도, 복수의 LED의 포워드 전압이 감소하면 복수의 LED의 출력단에서 검출되는 센싱 전압 Vsense가 증가하게 된다. 따라서, 입력 전압 Vin이 증가하는 경우와 마찬가지로, 복수의 LED 중 일부에서 쇼트가 발생하면 보호 회로(312)가 전류 제어 회로(311)의 능동 소자에 공급되는 동작 전압 Vcc를 감소시키며, 전류 제어 회로(311)의 동작이 정지되어 복수의 LED를 턴-오프시키고 쇼트 전류 보호 기능을 제공할 수 있다.
결국, 입력 전압 Vin이 비정상적으로 증가하는 경우와, 복수의 LED 중 일부에서 쇼트가 발생하는 경우 모두 복수의 LED의 출력단에서 검출되는 센싱 전압 Vsense가 증가하는 현상으로 나타날 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 보호 회로(312)는 센싱 전압 Vsense가 증가하면 레귤레이터 회로(313)가 출력하는 동작 전압 Vcc를 감소시켜 전류 제어 회로(311)의 동작을 정지시키므로, 하나의 보호 회로(312)로 과전압 보호 및 쇼트 전류 보호 기능을 모두 구현할 수가 있다.
도 5는 도 4에 도시한 LED 구동 장치의 동작을 설명하기 위해 제공되는 파형도이다.
도 5를 참조하면, 입력 전압 Vin의 예시적인 파형 및 그에 따른 스위치 소자 Q2의 컬렉터 단자 전압의 파형이 도시되어 있다. 스위치 소자 Q2는 도 4에 도시된 바와 같이 보호 회로(312)에 포함되어 센싱 전압 Vsense의 크기에 따라 턴-온 또는 턴-오프될 수 있다.
입력 전압 Vin은 정상 동작 범위에서 약 15V 내외의 전압을 가질 수 있으나, 특정 요인에 의해 15V보다 큰 값으로 증가할 수 있다. 도 5의 파형도에 도시한 바와 같이, 입력 전압 Vin의 변화에 따라 보호 회로(312)가 동작하는 보호 구간 A1 및 비보호 구간 A2을 정의할 수 있다. 보호 구간 A1과 비보호 구간 A2 각각에서 입력 전압 Vin과 센싱 전압 Vsense의 관계는 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112015078238312-pat00001
Figure 112015078238312-pat00002
수학식 2에서 ILED는 복수의 LED 및 저항 Rin에 흐르는 전류이며, Vf는 복수의 LED 전체의 포워드 전압일 수 있다. 즉, 비보호 구간 A2 동안 Vsense는 보호 구간 A1 동안의 Vsense 보다 작은 값을 가질 수 있다.
입력 전압 Vin이 증가하여 소정의 임계 값 (도 5에 도시한 실시예에서는 약 20V) 보다 커지면, 센싱 전압 Vsense가 증가하여 제너 다이오드 ZD1의 제너 전압보다 커질 수 있다. 따라서, 스위치 소자 Q2가 턴-온되며, 컬렉터 단자의 전압이 접지 전압까지 감소하고 션트 레귤레이터 REG의 전류를 끌어와서 레귤레이터 회로(313)의 출력 전압 Vcc를 낮출 수 있다.
레귤레이터 회로(313)의 출력 전압 Vcc가 감소하면 전류 제어 회로(311)에 포함되는 능동 소자가 동작하지 않게 되어 복수의 LED가 턴-오프될 수 있다. 복수의 LED가 턴-오프되면 전류가 흐르지 않게 되어 입력 저항 Rin 및 복수의 LED에서 전압 강하가 발생하지 않으므로, 센싱 전압 Vsense가 입력 전압 Vin과 같은 값으로 증가할 수 있다. 즉, 수학식 1에서 설명한 바와 같이, 보호 회로(312)가 동작하는 보호 구간 A1 에서, 센싱 전압 Vsense와 입력 전압 Vin은 같은 값일 수 있다.
보호 구간 A1 에서 입력 전압 Vin이 감소하여 비보호 구간 A2에 진입하면, 센싱 전압 Vsense가 감소함에 따라 보호 회로(312)는 동작을 중지할 수 있다. 즉, 스위치 소자 Q2가 다시 턴-오프되어 레귤레이터 회로(313)의 출력 전압 Vcc가 증가하므로, 전류 제어 회로(311)가 다시 동작을 시작할 수 있다. 이때, 보호 구간 A1 에서 입력 전압 Vin과 센싱 전압 Vsense가 같은 값을 갖기 때문에, 센싱 전압 Vsense가 제너 다이오드 ZD1의 제너 전압보다 작아지기 위해서는, 보호 구간 A1가 시작되는 지점의 전압 값 (약 20V)보다 더 작은 전압 값 (약 17V) 이하로 입력 전압 Vin이 감소해야 한다.
즉, 본 발명의 실시예에서는, 보호 회로(312)가 동작을 시작하는 입력 전압 Vin의 값과, 보호 회로(312)가 동작을 멈추는 입력 전압 Vin의 값이 서로 다르며, 따라서 입력 전압 Vin에 포함되는 잡음 성분으로 인해 보호 회로(312)가 동작하는 것을 방지할 수 있다. 결국, 보호 회로(312)의 지속적인 반복 동작에 의해 발생하는 채터링(chattering) 문제 없이 보호 회로(312)를 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치를 나타낸 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 구동 장치(400)는, 전류 제어 회로(411), 보호 회로(412), 및 레귤레이터 회로(413) 등을 포함할 수 있다. 전류 제어 회로(411)는 광원(420)에 포함되는 복수의 LED에 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 보호 회로(412)는 복수의 LED의 출력단으로부터 검출되는 센싱 전압 Vsense를 이용하여 과전압 보호 또는 쇼트 전류 보호 기능을 제공할 수 있다. 레귤레이터 회로(413)는 입력 전압 Vin을 이용하여 전류 제어 회로(411)에 동작 전압 Vcc를 공급할 수 있다.
도 6에 도시한 실시예에 따른 LED 구동 장치(400)의 동작을 설명하기로 한다. 입력 전압 Vin은 직류 전압으로서, 다이오드 D1과, 커패시터 CF1~CF3를 포함하는 필터부(430) 및 입력 저항 Rin을 거쳐서 복수의 LED에 공급될 수 있다. 입력 전압 Vin이 복수의 LED의 포워드 전압보다 크면, 복수의 LED는 동작할 수 있다.
전류 제어 회로(411)는 적어도 하나의 비교기 U1과, 복수의 LED의 출력단에 연결되는 스위치 소자 Q1을 포함할 수 있다. 비교기 U1은 비반전 단자에 연결된 전압 분배 회로에 의해 생성되는 기준 전압 Vref와, 커패시터 C1의 전압에 해당하는 제1 전압 V1을 비교하여 스위치 소자 Q1의 동작을 제어할 수 있다. 제1 전압 V1은, 스위치 소자 Q2의 이미터 전압 Vs에 의해 커패시터 C1이 충전 및 방전되어 결정되는 전압일 수 있으며, 센싱 전압 Vsense에 대응하는 값일 수 있다.
기준 전압 Vref보다 제1 전압 V1가 크면, 스위치 소자 Q1이 턴-온되어 복수의 LED가 동작할 수 있다. 전류 제어 회로(311)는, 스위치 소자 Q1의 턴-온 시간 및 턴-오프 시간의 비율을 조절하여 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값을 제어하는 방식으로 복수의 LED의 밝기를 조절할 수 있다. 따라서, 스위치 소자 Q1의 온/오프 여부와 관계없이 대부분의 스트레스 및 발열이 저항 소자 R1에서 발생하게 되므로, 가격 상승 없이 간단하게 회로를 구성할 수 있다.
입력 전압 Vin이 지나치게 증가하면, 센싱 전압 Vsense가 함께 증가할 수 있다. 센싱 전압 Vsense가 보호 회로(412)에 포함되는 제너 다이오드 ZD1의 제너 전압보다 커지면, 스위치 소자 Q2가 턴-온되어 션트 레귤레이터 REG에 흐르는 전류의 적어도 일부를 끌어오게 된다. 따라서, 레귤레이터 회로(413)가 전류 제어 회로(411)의 비교기 U1에 공급하는 동작 전압 Vcc가 감소하게 되며, 비교기 U1의 동작이 정지되어 복수의 LED가 동작을 멈출 수 있다.
한편, 입력 전압 Vin은 정상적인 값으로 유지되고 있으나 복수의 LED 중 일부가 쇼트되는 경우, 광원(420)의 포워드 전압이 감소하여 센싱 전압 Vsense가 증가할 수 있다. 따라서, 입력 전압 Vin이 증가하는 경우와 마찬가지로 레귤레이터 회로(413)가 비교기 U1에 공급하는 동작 전압 Vcc가 감소하고, 비교기 U1의 동작이 정지되어 복수의 LED 및 회로를 안전하게 보호할 수 있다. 결국, 본 발명의 실시예에서는, 하나의 보호 회로(412)로 입력 전압 Vin이 증가하는 경우에 대한 과전압 보호 기능 및 복수의 LED 중 일부가 쇼트되는 경우에 대한 쇼트 전류 보호 기능을 함께 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치(500)는 자동차용 조명 장치로서, 실내등, 헤드 램프, 또는 테일 램프 등에 적용될 수 있다. 전원(550)은 자동차용 배터리 또는 제너레이터 등일 수 있으며, 직류 형태의 입력 전압 Vin을 공급할 수 있다. 입력 전압 Vin은 차체 제어 모듈(540)에 의해 적절한 전압으로 변환된 후 필터(530)를 거쳐서 LED 구동 장치(510) 및 광원(520) 등에 전달될 수 있다.
광원(520)은 복수의 LED 스트링(521-524)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 광원부(520)가 제1 내지 제4 LED 스트링(521-524)을 포함하는 것으로 가정하였으나, 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아님에 유의해야 할 것이다. 제1 내지 제4 LED 스트링(521-524)은 서로 다른 목적을 위한 광원으로 제공될 수 있으며, 서로 다른 색상, 휘도 등을 갖는 빛을 출력할 수 있다. 예를 들어, 광원(520)이 자동차용 헤드 램프에 적용되는 경우, 제1 내지 제4 LED 스트링(521-524)은 각각 로우 빔, 하이 빔, 주간 주행등, 턴 시그널 등의 목적을 위한 광원이 될 수 있다.
LED 구동 장치(510)는, 전류 제어 회로(511), 보호 회로(512) 및 레귤레이터 회로(513) 등을 포함할 수 있다. 전류 제어 회로(511)는 각 LED 스트링(521-524)의 출력단에 연결되어 각 LED 스트링(521-524)에 흐르는 전류의 평균 값을 독립적으로 제어할 수 있다. 전류 제어 회로(511)는 하나의 블록으로 도시되었지만, 각 LED 스트링(521-524)마다 별개의 전류 제어 회로(511)에 연결될 수도 있다.
보호 회로(512)는 입력 전압 Vin이 정상 범위 이상으로 증가하거나, LED 스트링(521-524)에 포함되는 LED 중 일부가 쇼트되는 경우, 레귤레이터 회로(513)가 전류 제어 회로(511)에 공급하는 동작 전압을 차단시켜 LED 스트링(521-524) 및 LED 구동 장치(510)를 보호할 수 있다. 보호 회로(512)는 레귤레이터 회로(513)의 출력을 차단할 수 있는 스위치 소자를 포함할 수 있으며, 특히 각 LED 스트링(521-524)의 출력단에서 검출되는 센싱 전압에 기초하여 입력 전압 Vin의 증가 및 LED의 쇼트 여부를 판단할 수 있다.
레귤레이터 회로(513)는 입력 전압 Vin을 이용하여 전류 제어 회로(511)에 동작 전압을 공급할 수 있다. 레귤레이터 회로(513)가 공급하는 동작 전압에 의해, 전류 제어 회로(511)에 포함되는 능동 소자가 동작할 수 있다. 보호 회로(512)는 입력 전압 Vin이 증가하거나, LED 중 일부가 쇼트되는 경우 상기 동작 전압의 공급을 차단하여 전류 제어 회로(511)의 동작을 중지시킴으로써, LED 스트링(521-524) 및 LED 구동 장치(510)를 보호할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용된 자동차의 구성을 설명하기 위해 제공되는 도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동 장치(610-640)는 자동차용 헤드 램프 및 테일 램프 등에 각각 적용될 수 있다. LED 구동 장치(610-640)는 차체 제어 모듈(650)과 CAN 등의 통신 프로토콜을 통해 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 한편, LED 구동 장치(610-640)와 차체 제어 모듈(650) 사이에는 반도체 소자 스위치(Intelligent Power Switch, IPS)가 마련될 수 있다. 반도체 소자 스위치(IPS)는 LED 구동 장치(610-640)의 단선, 단락, 과전류 등을 검출하는 데에 이용될 수 있다.
도 8에는 LED 구동 장치(610-640)가 자동차(600)의 좌우 헤드 램프와 좌우 테일 램프에 각각 마련되는 것으로 도시되었으나, 이와 다른 구성도 가능함은 물론이다. 예를 들어, 하나의 LED 구동 장치로 자동차(600)의 좌우 헤드 램프의 동작을 제어하고, 다른 하나의 LED 구동 장치로 자동차(600)의 좌우 테일 램프의 동작을 제어할 수도 있다. 또한, 하나의 LED 구동 장치로 자동차(600)의 좌우 헤드 램프 및 좌우 테일 램프를 모두 제어할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 LED 구동 장치 및 LED 조명 장치는, 자동차 이외에 다양한 어플리케이션에도 적용될 수 있다. 이하, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LED 구동 장치 및 LED 조명 장치가 적용될 수 있는 다양한 어플리케이션에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 평판 조명 장치를 간략하게 나타내는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 평판 조명 장치(1000)는 광원모듈(1010), 전원공급장치(1020) 및 하우징(1030)을 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 광원모듈(1010)은 발광소자 어레이를 광원으로 포함할 수 있고, 전원공급장치(1020)는 발광소자 구동부를 포함할 수 있다.
광원모듈(1010)은 발광소자 어레이를 포함할 수 있고, 전체적으로 평면 현상을 이루도록 형성될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 발광소자 어레이는 발광소자 및 발광소자의 구동정보를 저장하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
전원공급장치(1020)는 광원모듈(1010)에 전원을 공급하도록 구성될 수 있다. 하우징(1030)은 광원모듈(1010) 및 전원공급장치(1020)가 내부에 수용되도록 수용 공간이 형성될 수 있고, 일측면에 개방된 육면체 형상으로 형성되나 이에 한정되는 것은 아니다. 광원모듈(1010)은 하우징(1030)의 개방된 일측면으로 빛을 발광하도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 LED 구동 장치는 전원공급장치(1020)에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 전류 제어 회로와 함께 보호 회로를 전원 공급 장치(1020)에 적용함으로써, 입력 전원이 불안정할 때에도 광원모듈(1010)을 안정적으로 동작시키는 한편, 과전압 및 쇼트 전류로부터 광원모듈(1010)을 보호할 수 있다. 또한, 전류 제어 회로에 포함되는 스위치 소자의 개수를 최소화하여 회로의 단가를 낮출 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 조명 장치로서 벌브형 램프를 간략하게 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 조명 장치(1100)는 소켓(1110), 전원부(1120), 방열부(1130), 광원모듈(1140) 및 광학부(1150)를 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 광원모듈(1140)은 발광소자 어레이를 포함할 수 있고, 전원부(1120)는 발광소자 구동부를 포함할 수 있다.
소켓(1110)은 기존의 조명 장치와 대체 가능하도록 구성될 수 있다. 조명 장치(1100)에 공급되는 전력은 소켓(1110)을 통해서 인가될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전원부(1120)는 제1 전원부(1121) 및 제2 전원부(1122)로 분리되어 조립될 수 있다. 방열부(1130)는 내부 방열부(1131) 및 외부 방열부(1132)를 포함할 수 있고, 내부 방열부(1131)는 광원모듈(1140) 및/또는 전원부(1120)와 직접 연결될 수 있고, 이를 통해 외부 방열부(1132)로 열이 전달되게 할 수 있다. 광학부(1150)는 내부 광학부(미도시) 및 외부 광학부(미도시)를 포함할 수 있고, 광원모듈(1140)이 방출하는 빛을 고르게 분산시키도록 구성될 수 있다.
광원모듈(1140)은 전원부(1120)로부터 전력을 공급받아 광학부(1150)로 빛을 방출할 수 있다. 광원모듈(1140)은 하나 이상의 발광소자(1141), 회로기판(1142) 및 컨트롤러(1143)를 포함할 수 있고, 컨트롤러(1143)는 발광소자(1141)들의 구동 정보를 저장할 수 있다.
본 발명에 따른 LED 구동 장치는 컨트롤러(1143) 및 전원부(1120)로 제공될 수 있다. 즉, 발광소자(1141)에 구동 전원을 공급하기 위한 전원부(1120) 내에 본 발명의 실시예에 따른 전류 제어 회로와 보호 회로 등이 포함될 수 있다. 따라서, 소켓(1110)을 통해 입력되는 교류 전원을 정류 및 필터링한 직류 전원에 리플 성분이 포함되거나, 또는 직류 전원이 갑자기 증가하는 등의 예측하지 못한 상황에서도 광원모듈(1140)을 안전하게 보호할 수 있다. 또한, 전류 제어 회로에 포함되는 스위치 소자의 개수를 최소화하여 회로의 단가를 낮출 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 조명 장치로서 바(bar) 타입의 램프를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 조명 장치(1200)는 방열 부재(1210), 커버(1220), 광원 모듈(1230), 제1 소켓(1240) 및 제2 소켓(1250)을 포함한다. 방열 부재(1210)의 내부 또는/및 외부 표면에 다수개의 방열 핀(1211, 1212)이 요철 형태로 형성될 수 있으며, 방열 핀(1211, 1212)은 다양한 형상 및 간격을 갖도록 설계될 수 있다. 방열 부재(1210)의 내측에는 돌출 형태의 지지대(1213)가 형성되어 있다. 지지대(1213)에는 광원 모듈(1230)이 고정될 수 있다. 방열 부재(1210)의 양 끝단에는 걸림 턱(1214)이 형성될 수 있다.
커버(1220)에는 걸림 홈(1221)이 형성되어 있으며, 걸림 홈(1221)에는 방열 부재(1210)의 걸림 턱(1214)이 후크 결합 구조로 결합될 수 있다. 걸림 홈(1221)과 걸림 턱(1214)이 형성되는 위치는 서로 바뀔 수도 있다.
광원 모듈(1230)은 발광소자 어레이를 포함할 수 있다. 광원 모듈(1230)은 인쇄회로기판(1231), 광원(1232) 및 컨트롤러(1233)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 컨트롤러(1233)는 광원(1232)의 구동 정보를 저장할 수 있다. 인쇄회로기판(1231)에는 광원(1232)을 동작시키기 위한 회로 배선들이 형성되어 있다. 또한, 광원(1232)을 동작시키기 위한 구성 요소들이 포함될 수도 있다.
제1, 2 소켓(1240, 1250)은 한 쌍의 소켓으로서 방열 부재(1210) 및 커버(1220)로 구성된 원통형 커버 유닛의 양단에 결합되는 구조를 갖는다. 예를 들어, 제1 소켓(1240)은 전극 단자(1241) 및 전원 장치(1242)를 포함할 수 있고, 제2 소켓(1250)에는 더미 단자(1251)가 배치될 수 있다. 또한, 제1 소켓(1240) 또는 제2 소켓(1250) 중의 어느 하나의 소켓에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수 있다. 예를 들어, 더미 단자(1251)가 배치된 제2 소켓(1250)에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수 있다. 다른 예로서, 전극 단자(1241)가 배치된 제1 소켓(1240)에 광센서 및/또는 통신 모듈이 내장될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 구동 장치는 전원 장치(1242)로 제공될 수 있다. 즉, 도 10의 실시예와 유사하게, 전원 장치(1242)에 본 발명의 실시예에 따른 전류 제어 회로 및 보호 회로 등이 포함될 수 있다. 따라서, 소켓(1250)을 통해 입력되는 교류 전원을 정류 및 필터링한 직류 전원에 리플 성분이 포함되거나, 또는 직류 전원이 갑자기 증가하는 등의 예측하지 못한 상황에서도 광원모듈(1230)을 안전하게 보호할 수 있다. 또한, 전류 제어 회로에 포함되는 스위치 소자의 개수를 최소화하여 회로의 단가를 낮출 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 조명 장치로서 통신 모듈을 포함하는 램프를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 조명 장치(1300)와 도 14에서 개시하는 조명 장치(1100)와의 차이점은 광원 모듈(1340)의 상부에 반사판(1310)이 포함되어 있으며, 반사판(1310)은 광원으로부터의 빛을 측면 및 후방으로 고르게 퍼지게 하여 눈부심을 줄일 수 있다.
반사판(1310)의 상부에는 통신 모듈(1320)이 장착될 수 있으며 상기 통신 모듈(1320)을 통하여 홈-네트워크(home-network) 통신을 구현할 수 있다. 예를 들어, 상기 통신 모듈(1320)은 지그비(Zigbee), 와이파이(WiFi) 또는 라이파이(LiFi)를 이용한 무선 통신 모듈일 수 있으며, 스마트폰 또는 무선 컨트롤러를 통하여 조명 장치의 온(on)/오프(off), 밝기 조절 등과 같은 가정 내외에 설치되어 있는 조명을 컨트롤 할 수 있다. 또한 상기 가정 내외에 설치되어 있는 조명 장치의 가시광 파장을 이용한 라이파이 통신 모듈을 이용하여 TV, 냉장고, 에어컨, 도어락, 자동차 등 가정 내외에 있는 전자 제품 및 자동차 시스템의 컨트롤을 할 수 있다.
상기 반사판(1310)과 통신 모듈(1320)은 커버부(1330)에 의해 커버될 수 있다. 소켓(1370)은 기존의 조명 장치와 대체 가능하도록 구성될 수 있다. 조명 장치(1300)에 공급되는 전력은 소켓(1370)을 통해서 인가될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전원부(1360)는 제1 전원부(1361) 및 제2 전원부(1362)로 분리되어 조립될 수 있다. 방열부(1350)는 내부 방열부(1351) 및 외부 방열부(1352)를 포함할 수 있고, 내부 방열부(1351)는 광원모듈(1340) 및/또는 전원부(1360)와 직접 연결될 수 있고, 이를 통해 외부 방열부(1352)로 열이 전달되게 할 수 있다. 한편, 도 10 및 도 11의 실시예와 유사하게, 도 12의 조명 장치(1300)에도 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있다.
도 13 내지 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동 장치가 적용될 수 있는 조명 제어 네트워크 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 13은 실내용 조명 제어 네트워크 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
본 실시예에 따른 네트워크 시스템(2000)은 LED 등의 발광소자를 이용하는 조명 기술과 사물인터넷(IoT) 기술, 무선 통신 기술 등이 융합된 복합적인 스마트 조명-네트워크 시스템일 수 있다. 네트워크 시스템(2000)은, 다양한 조명 장치 및 유무선 통신 장치를 이용하여 구현될 수 있으며, 센서, 컨트롤러, 통신수단, 네트워크 제어 및 유지 관리 등을 위한 소프트웨어 등에 의해 구현될 수 있다.
네트워크 시스템(2000)은 가정이나 사무실 같이 건물 내에 정의되는 폐쇄적인 공간은 물론, 공원, 거리 등과 같이 개방된 공간 등에도 적용될 수 있다. 네트워크 시스템(2000)은, 다양한 정보를 수집/가공하여 사용자에게 제공할 수 있도록, 사물인터넷 환경에 기초하여 구현될 수 있다. 이때, 네트워크 시스템(2000)에 포함되는 LED 램프(2200)는, 주변 환경에 대한 정보를 게이트웨이(2100)로부터 수신하여 LED 램프(2200) 자체의 조명을 제어하는 것은 물론, LED 램프(2200)의 가시광 통신 등의 기능에 기초하여 사물인터넷 환경에 포함되는 다른 장치들(2300-2800)의 동작 상태 확인 및 제어 등과 같은 역할을 수행할 수도 있다.
도 13을 참조하면, 네트워크 시스템(2000)은, 서로 다른 통신 프로토콜에 따라 송수신되는 데이터를 처리하기 위한 게이트웨이(2100), 게이트웨이(2100)와 통신 가능하도록 연결되며 LED 발광소자를 포함하는 LED 램프(2200), 및 다양한 무선 통신 방식에 따라 게이트웨이(2100)와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 장치(2300-2800)를 포함할 수 있다. 사물인터넷 환경에 기초하여 네트워크 시스템(2000)을 구현하기 위해, LED 램프(2200)를 비롯한 각 장치(2300-2800)들은 적어도 하나의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 일 실시예로, LED 램프(2200)는 WiFi, 지그비(Zigbee), LiFi 등의 무선 통신 프로토콜에 의해 게이트웨이(2100)와 통신 가능하도록 연결될 수 있으며, 이를 위해 적어도 하나의 램프용 통신 모듈(2210)을 가질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 네트워크 시스템(2000)은 가정이나 사무실 같이 폐쇄적인 공간은 물론 거리나 공원 같은 개방적인 공간에도 적용될 수 있다. 네트워크 시스템(2000)이 가정에 적용되는 경우, 네트워크 시스템(2000)에 포함되며 사물인터넷 기술에 기초하여 게이트웨이(2100)와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 장치(2300-2800)는 가전 제품(2300), 디지털 도어록(2400), 차고 도어록(2500), 벽 등에 설치되는 조명용 스위치(2600), 무선 통신망 중계를 위한 라우터(2700) 및 스마트폰, 태블릿, 랩톱 컴퓨터 등의 모바일 기기(2800) 등을 포함할 수 있다.
네트워크 시스템(2000)에서, LED 램프(2200)는 가정 내에 설치된 무선 통신 네트워크(Zigbee, WiFi, LiFi 등)를 이용하여 다양한 장치(2300-2800)의 동작 상태를 확인하거나, 주위 환경/상황에 따라 LED 램프(2200) 자체의 조도를 자동으로 조절할 수 있다. 또한 LED 램프(2200)에서 방출되는 가시광선을 이용한 LiFi 통신을 이용하여 네트워크 시스템(2000)에 포함되는 장치들(2300-2800)을 컨트롤 할 수도 있다.
우선, LED 램프(2200)는 램프용 통신 모듈(2210)을 통해 게이트웨이(2100)로부터 전달되는 주변 환경, 또는 LED 램프(2200)에 장착된 센서로부터 수집되는 주변 환경 정보에 기초하여 LED 램프(2200)의 조도를 자동으로 조절할 수 있다. 예를 들면, 텔레비젼(2310)에서 방송되고 있는 프로그램의 종류 또는 화면의 밝기에 따라 LED 램프(2200)의 조명 밝기가 자동으로 조절될 수 있다. 이를 위해, LED 램프(2200)는 게이트웨이(2100)와 연결된 램프용 통신 모듈(2210)로부터 텔레비전(2310)의 동작 정보를 수신할 수 있다. 램프용 통신 모듈(2210)은 LED 램프(2200)에 포함되는 센서 및/또는 컨트롤러와 일체형으로 모듈화될 수 있다.
예를 들어, TV프로그램에서 방영되는 프로그램 값이 휴먼드라마일 경우, 미리 셋팅된 설정 값에 따라 조명도 거기에 맞게 12000K 이하의 색 온도, 예를 들면 5000K로 낮아지고 색감이 조절되어 아늑한 분위기를 연출할 수 있다. 반대로 프로그램 값이 개그프로그램인 경우, 조명도 셋팅 값에 따라 색 온도가 5000K 이상으로 높아지고 푸른색 계열의 백색조명으로 조절되도록 네트워크 시스템(2000)이 구성될 수 있다.
또한, 가정 내에 사람이 없는 상태에서 디지털 도어록(2400)이 잠긴 후 일정 시간이 경과하면, 턴-온된 LED 램프(2200)를 모두 턴-오프시켜 전기 낭비를 방지할 수 있다. 또는, 모바일 기기(2800) 등을 통해 보안 모드가 설정된 경우, 가정 내에 사람이 없는 상태에서 디지털 도어록(2400)이 잠기면, LED 램프(2200)를 턴-온 상태로 유지시킬 수도 있다.
LED 램프(2200)의 동작은, 네트워크 시스템(2000)과 연결되는 다양한 센서를 통해 수집되는 주변 환경에 따라서 제어될 수도 있다. 예를 들어 네트워크 시스템(2000)이 건물 내에 구현되는 경우, 빌딩 내에서 조명과 위치센서와 통신모듈을 결합, 건물 내 사람들의 위치정보를 수집하여 조명을 턴-온 또는 턴-오프하거나 수집한 정보를 실시간으로 제공하여 시설관리나 유휴공간의 효율적 활용을 가능케 한다. 일반적으로 LED 램프(2200)와 같은 조명 장치는, 건물 내 각 층의 거의 모든 공간에 배치되므로, LED 램프(2200)와 일체로 제공되는 센서를 통해 건물 내의 각종 정보를 수집하고 이를 시설관리, 유휴공간의 활용 등에 이용할 수 있다.
한편, LED 램프(2200)와 이미지센서, 저장장치, 램프용 통신 모듈(2210) 등을 결합함으로써, 건물 보안을 유지하거나 긴급상황을 감지하고 대응할 수 있는 장치로 활용할 수 있다. 예를 들어 LED 램프(2200)에 연기 또는 온도 감지 센서 등이 부착된 경우, 화재 발생 여부 등을 신속하게 감지함으로써 피해를 최소화할 수 있다. 또한 외부의 날씨나 일조량 등을 고려하여 조명의 밝기를 조절, 에너지를 절약하고 쾌적한 조명환경을 제공할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LED 구동 장치는, LED 램프(2200)에 적용될 수 있다. 특히, 네트워크 시스템(2000)에 복수의 LED 램프(2200)가 포함되는 경우, 각 LED 램프(2200)를 하나의 LED 구동 장치로 통합 제어할 수 있다. 서로 다른 발광 특성을 갖는 LED 램프(2200)를 능동적으로 통합 제어할 수 있으며, 각 LED 램프(2200)의 특성에 맞는 보호 파라미터를 설정하여 적용함으로써, 전력 효율을 최적화할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 네트워크 시스템(2000)은 가정, 오피스 또는 건물 등과 같이 폐쇄적인 공간은 물론, 거리나 공원 등의 개방적인 공간에도 적용될 수 있다. 물리적 한계가 없는 개방적인 공간에 네트워크 시스템(2000)을 적용하고자 하는 경우, 무선 통신의 거리 한계 및 각종 장애물에 따른 통신 간섭 등에 따라 네트워크 시스템(2000)을 구현하기가 상대적으로 어려울 수 있다. 각 조명 기구에 센서와 통신 모듈 등을 장착하고, 각 조명 기구를 정보 수집 수단 및 통신 중개 수단으로 사용함으로써, 상기와 같은 개방적인 환경에서 네트워크 시스템(2000)을 좀 더 효율적으로 구현할 수 있다. 이하, 도 14를 참조하여 설명한다.
도 14는 개방적인 공간에 적용된 네트워크 시스템(3000)의 일 실시예를 나타낸다. 도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 네트워크 시스템(3000)은 통신 연결 장치(3100), 소정의 간격마다 설치되어 통신 연결 장치(3100)와 통신 가능하도록 연결되는 복수의 조명 기구(3200, 3300), 서버(3400), 서버(3400)를 관리하기 위한 컴퓨터(3500), 통신 기지국(3600), 통신 가능한 상기 장비들을 연결하는 통신망(3700), 및 모바일 기기(3800) 등을 포함할 수 있다.
거리 또는 공원 등의 개방적인 외부 공간에 설치되는 복수의 조명 기구(3200, 3300) 각각은 스마트 엔진(3210, 3310)을 포함할 수 있다. 스마트 엔진(3210, 3310)은 빛을 내기 위한 발광소자, 발광소자를 구동하기 위한 구동 드라이버 외에 주변 환경의 정보를 수집하는 센서, 및 통신 모듈 등을 포함할 수 있다. 상기 통신 모듈에 의해 스마트 엔진(3210, 3310)은 WiFi, Zigbee, LiFi 등의 통신 프로토콜에 따라 주변의 다른 장비들과 통신할 수 있다.
일례로, 하나의 스마트 엔진(3210)은 다른 스마트 엔진(3310)과 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 이때, 스마트 엔진(3210, 3310) 상호 간의 통신에는 WiFi 확장 기술(WiFi Mesh)이 적용될 수 있다. 적어도 하나의 스마트 엔진(3210)은 통신망(3700)에 연결되는 통신 연결 장치(3100)와 유/무선 통신에 의해 연결될 수 있다. 통신의 효율을 높이기 위해, 몇 개의 스마트 엔진(3210, 3310)을 하나의 그룹으로 묶어 하나의 통신 연결 장치(3100)와 연결할 수 있다.
통신 연결 장치(3100)는 유/무선 통신이 가능한 액세스 포인트(access point, AP)로서, 통신망(3700)과 다른 장비 사이의 통신을 중개할 수 있다. 통신 연결 장치(3100)는 유/무선 방식 중 적어도 하나에 의해 통신망(3700)과 연결될 수 있으며, 일례로 조명 기구(3200, 3300) 중 어느 하나의 내부에 기구적으로 수납될 수 있다.
통신 연결 장치(3100)는 WiFi 등의 통신 프로토콜을 통해 모바일 기기(3800)와 연결될 수 있다. 모바일 기기(3800)의 사용자는 인접한 주변의 조명 기구(3200)의 스마트 엔진(3210)과 연결된 통신 연결 장치(3100)를 통해, 복수의 스마트 엔진(3210, 3310)이 수집한 주변 환경 정보를 수신할 수 있다. 상기 주변 환경 정보는 주변 교통 정보, 날씨 정보 등을 포함할 수 있다. 모바일 기기(3800)는 통신 기지국(3600)을 통해 3G 또는 4G 등의 무선 셀룰러 통신 방식으로 통신망(3700)에 연결될 수도 있다.
한편, 통신망(3700)에 연결되는 서버(3400)는, 각 조명 기구(3200, 3300)에 장착된 스마트 엔진(3210, 3310)이 수집하는 정보를 수신함과 동시에, 각 조명 기구(3200, 3300)의 동작 상태 등을 모니터링할 수 있다. 각 조명 기구(3200, 3300)의 동작 상태의 모니터링 결과에 기초하여 각 조명 기구(3200, 3300)를 관리하기 위해, 서버(3400)는 관리 시스템을 제공하는 컴퓨터(3500)와 연결될 수 있다. 컴퓨터(3500)는 각 조명 기구(3200, 3300), 특히 스마트 엔진(3210, 3310)의 동작 상태를 모니터링하고 관리할 수 있는 소프트웨어 등을 실행할 수 있다.
스마트 엔진(3210, 3310)이 수집한 정보를 사용자의 모바일 기기(3800)로 전달하기 위해 다양한 통신 방식이 적용될 수 있다. 도 15를 참조하면, 스마트 엔진(3210, 3310)과 연결된 통신 연결 장치(3100)를 통해, 스마트 엔진(3210, 3310)이 수집한 정보가 모바일 기기(3800)로 전송되거나, 또는 스마트 엔진(3210, 3310)과 모바일 기기(3800)가 직접 통신 가능하도록 연결될 수 있다. 스마트 엔진(3210, 3310)과 모바일 기기(3800)는 가시광 무선통신(LiFi)에 의해 서로 직접 통신할 수 있다. 이하, 도 15를 참조하여 설명한다.
도 15는 가시광 무선통신에 의한 조명 기구(3200)의 스마트 엔진(3210)과 모바일 기기(3800)의 통신 동작을 설명하기 위한 블록도이다. 도 15를 참조하면, 스마트 엔진(3210)은 신호 처리부(3211), 제어부(3212), LED 드라이버(3213), 광원부(3214), 센서(3215) 등을 포함할 수 있다. 스마트 엔진(3210)과 가시광 무선통신에 의해 연결되는 모바일 기기(3800)는, 제어부(3801), 수광부(3802), 신호처리부(3803), 메모리(3804), 입출력부(3805) 등을 포함할 수 있다.
가시광 무선통신(LiFi) 기술은 인간이 눈으로 인지할 수 있는 가시광 파장 대역의 빛을 이용하여 무선으로 정보를 전달하는 무선통신 기술이다. 이러한 가시광 무선통신 기술은 가시광 파장 대역의 빛, 즉 상기 실시예에서 설명한 발광 패키지로부터의 특정 가시광 주파수를 이용한다는 측면에서 기존의 유선 광통신기술 및 적외선 무선통신과 구별되며, 통신 환경이 무선이라는 측면에서 유선 광통신 기술과 구별된다. 또한, 가시광 무선통신 기술은 RF 무선통신과 달리 주파수 이용 측면에서 규제 또는 허가를 받지 않고 자유롭게 이용할 수 있다는 편리성과 물리적 보안성이 우수하고 통신 링크를 사용자가 눈으로 확인할 수 있다는 차별성을 가지고 있으며, 무엇보다도 광원의 고유 목적과 통신기능을 동시에 얻을 수 있다는 융합 기술로서의 특징을 가지고 있다.
도 15를 참조하면, 스마트 엔진(3210)의 신호 처리부(3211)는, 가시광 무선통신에 의해 송수신하고자 하는 데이터를 처리할 수 있다. 일 실시예로, 신호 처리부(3211)는 센서(3215)에 의해 수집된 정보를 데이터로 가공하여 제어부(3212)에 전송할 수 있다. 제어부(3212)는 신호 처리부(3211)와 LED 드라이버(3213) 등의 동작을 제어할 수 있으며, 특히 신호 처리부(3211)가 전송하는 데이터에 기초하여 LED 드라이버(3213)의 동작을 제어할 수 있다. LED 드라이버(3213)는 제어부(3212)가 전달하는 제어 신호에 따라 광원부(3214)를 발광시킴으로써, 데이터를 모바일 기기(3800)로 전달할 수 있다.
모바일 기기(3800)는 제어부(3801), 데이터를 저장하는 메모리(3804), 디스플레이와 터치스크린, 오디오 출력부 등을 포함하는 입출력부(3805), 신호 처리부(3803) 외에 데이터가 포함된 가시광을 인식하기 위한 수광부(3802)를 포함할 수 있다. 수광부(3802)는 가시광을 감지하여 이를 전기 신호로 변환할 수 있으며, 신호 처리부(3803)는 수광부에 의해 변환된 전기 신호에 포함된 데이터를 디코딩할 수 있다. 제어부(3801)는 신호 처리부(3803)가 디코딩한 데이터를 메모리(3804)에 저장하거나 입출력부(3805) 등을 통해 사용자가 인식할 수 있도록 출력할 수 있다.
한편, 도 14 및 도 15의 실시예에서 스마트 엔진(3210)은 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동 장치를 포함할 수 있다. 도 15를 참조하면, 제어부(3212)가 본원의 실시예에 따른 LED 구동 장치에서 마이크로 컨트롤러 유닛에 해당할 수 있으며, LED 드라이버(3213)이 전원 공급 모듈에 해당할 수 있다. 즉, 하나의 마이크로 컨트롤러 유닛으로 광원부(3214)를 능동적으로 제어, 보호함은 물론, 가시광 통신 기능을 함께 제공할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500: 조명 장치
110, 210, 310, 410, 510: LED 구동 장치
120, 220, 320, 420, 520: 광원
111, 311, 411, 511: 전류 제어 회로
112, 312, 412, 512: 보호 회로
113, 313, 413, 513: 레귤레이터 회로

Claims (20)

  1. 복수의 LED를 구동하는 LED 구동 장치에 있어서,
    상기 복수의 LED의 출력단에서 검출되는 센싱 전압으로부터 제1 전압을 생성하고, 상기 제1 전압을 소정의 기준 전압과 비교하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 제어하는 적어도 하나의 비교기를 포함하는 전류 제어 회로; 및
    상기 복수의 LED에 공급되는 입력 전압이 증가하여 제1 임계 전압보다 커지거나 상기 복수의 LED 중 적어도 일부에 쇼트가 발생하여, 상기 센싱 전압이 증가하면 상기 적어도 하나의 비교기의 동작을 정지시켜 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 차단하는 보호 회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 제어 회로는,
    상기 복수의 LED에 흐르는 전류의 듀티 비를 제어하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 제어 회로는,
    상기 기준 전압을 생성하는 전압 분배 회로;
    상기 복수의 LED의 출력단에 연결되는 스위치 소자; 및
    상기 센싱 전압으로부터 상기 제1 전압을 생성하는 적분 회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전류 제어 회로는,
    상기 스위치 소자와 접지단 사이에 연결되는 저항부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저항부는 서로 병렬로 연결되는 복수의 저항 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 적분 회로는, 상기 스위치 소자의 턴-온 시간 동안 충전되고, 상기 스위치 소자의 턴-오프 시간 동안 방전되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 센싱 전압은, 상기 복수의 LED의 출력단에 연결되는 상기 스위치 소자의 입력단으로부터 검출되는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비교기에 동작 전압을 공급하는 레귤레이터 회로; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 보호 회로는,
    상기 센싱 전압이 증가하면, 상기 레귤레이터 회로가 공급하는 상기 동작 전압을 감소시켜 상기 적어도 하나의 비교기의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 보호 회로는,
    상기 레귤레이터 회로와 연결되는 스위치 소자;
    상기 센싱 전압에 의해 충전되는 커패시터; 및
    상기 스위치 소자의 제어단과 상기 커패시터 사이에 연결되는 제너 다이오드; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 보호 회로는,
    상기 커패시터의 전압이 상기 제너 다이오드의 제너 전압보다 커지면, 상기 스위치 소자를 턴-온시켜 상기 레귤레이터 회로에 흐르는 전류를 끌어오는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 레귤레이터 회로와 상기 스위치 소자는 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 레귤레이터 회로는, 션트 레귤레이터 회로인 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 보호 회로는,
    상기 입력 전압이 감소하여 제2 임계 전압보다 작아지면 상기 적어도 하나의 비교기를 동작시키는 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 임계 전압은 상기 제2 임계 전압보다 큰 것을 특징으로 하는 LED 구동 장치.
  17. 외부 전원에서 공급되는 구동 전원에 의해 동작하는 복수의 LED를 포함하는 광원;
    상기 복수의 LED의 출력단에 연결되는 스위치 소자와, 상기 스위치 소자의 동작을 제어하는 적어도 하나의 비교기를 포함하며, 상기 스위치 소자의 턴-온 시간 및 턴-오프 시간을 제어하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값을 조절하는 전류 제어 회로; 및
    상기 복수의 LED에 공급되는 입력 전압이 증가하여 상기 복수의 LED의 출력단으로부터 검출되는 센싱 전압이 소정의 임계 전압보다 커지면, 상기 적어도 하나의 비교기의 동작을 정지시켜 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 차단하는 보호 회로; 를 포함하는 조명 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광원은 서로 병렬로 연결되는 복수의 LED 스트링을 포함하며,
    상기 전류 제어 회로는 상기 복수의 LED 스트링 각각의 출력단에 연결되는 복수의 스위치 소자 및 상기 복수의 스위치 소자의 동작을 제어하는 복수의 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 비교기 각각은, 상기 복수의 LED 스트링 각각에 흐르는 전류의 평균 값을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  20. 복수의 LED의 출력단에 연결되는 스위치 소자;
    상기 스위치 소자와 접지단 사이에 연결되는 적분 회로; 및
    상기 적분 회로에 포함된 커패시터의 충전 상태에 기초하여 결정되는 상기 적분 회로의 출력 전압과 소정의 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 LED에 흐르는 전류를 조절하는 적어도 하나의 비교기; 를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 비교기는, 상기 적분 회로의 출력 전압이 상기 기준 전압보다 클 때 상기 스위치 소자를 턴-온시키고, 상기 적분 회로의 출력 전압이 상기 기준 전압보다 작을 때 상기 스위치 소자를 턴-오프시켜 상기 복수의 LED에 흐르는 전류의 평균 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 전류 제어 회로.

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