KR20120018769A - 램프 구동을 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

LED(2)를 구동하기 위한 드라이버(10)는, AC 주전원 전압을 수신하고 DC 출력 전류를 발생시키는 ACDC 컨버터(5)와; DC 출력 전류를 수신하고, 정기적으로 차단된 출력 전류를 제공하는 초퍼(6)와; 클럭 신호(S_CL)를 발생시키는 클럭 발생기(20)와; 디밍 레벨을 나타내는 사용자 입력 신호(S_u)를 수신하고, 클럭 신호를 수신하며, 주전원 전압의 실제 위상을 나타내는 주전원 신호(S_M)를 수신하고, 초퍼를 위한 제어 신호(S_C)를 발생시키는 제어기(50)를 포함한다. 초퍼는 출력 전류의 스위칭 순간에 관하여 제어기의 제어 신호에 대해 응답한다. 제어기는 사용자 입력 신호에 기초하여 요구되는 듀티 사이클(duty cycle)을 계산한다. 제어기는 그 제어기의 제어 신호를 주전원 신호와 동기화 한다. 제어기는 출력 제어 신호의 입력 주전원 신호에 대한 위상차에 대해 임의의 값을 설정한다.

Description

램프 구동을 위한 시스템{SYSTEM FOR DRIVING A LAMP}

본 발명은 일반적으로 광원(light source), 특히 주전원과 같은 교류 전원으로부터 전원을 공급받고, 광원을 디밍(dimming)할 수 있는 LED와 같은 고상 광원들(solid state light sources)을 구동하는 시스템에 관한 것이다. 이하에서, 광원은 간단하게 "LED"로 표시될 것이다.

도 1은 광원(2)을 디밍하기 위한 전통적인 접근 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 가변 저항기(3)는 광원(2)과 직렬로 연결되어 있고, 이 직렬 배열은 입력부(1)에 연결되어 있으며, 이것은 일정한 진폭의 교류 전압원으로 여겨질 수 있는 주전원(mains)에 연결된다. 그 결과, 광원은 더 작은 전압을 수신할 것이다. 이러한 접근법의 단점은 저항기에서 발생하는 손실, 저강도에서의 디밍 레벨의 정확성 감소, 그리고 LED 전류의 변화로 인한 광 출력의 색 전이를 포함한다.

도 2는 광원(2)을 디밍하는 것에 대하여, 다르기는 하지만, 여전히 전통적인 접근 방법을 개략적으로 도시하고 있다. 디머(dimmer)(4)는 입력부에서 주전원으로부터 AC 전압을 공급받고, 페이즈 컷(phase-cut) AC 전압, 즉, 위상 범위에 대해서 실질적으로 영(Zero)이며, 나머지 위상에 대해서는 입력 전압과 실질적으로 동일한 전압을 출력한다. 이런 접근법의 단점은 눈에 보이는 깜빡거림과 스트로보스코픽(stroboscopic) 효과를 유발할 수도 있다는 것이다.

도 3은 상기의 단점을 피하기 위한 접근법을 개략적으로 도시한 것이며, "더 높은 주파수에서의 듀티 사이클 디밍"(duty cycle dimming at higher frequency)으로써 표시될 것이다. 컨버터(5)는 AC 주전원 전압을 수신하고 DC 전류를 출력한다. 초퍼(chopper)(6)는 컨버터(5)로부터 DC 전류를 수신하고, 주전원 주파수보다 적어도 높은, 일반적으로 300Hz 내지 3kHz 범위의 초핑 주파수(chopping frequency)를 갖는 초핑된 전류(chopped current)를 출력한다. "초핑"(Chopping)이라는 것은 전류 주기의 첫 번째 부분(초핑 주파수의 역)에서는 전류가 영(zero)이지만, 전류 주기의 두 번째 부분에서는 전류가 수신된 입력 전류와 동일하거나, 혹은 그 반대의 경우를 의미한다. 전체 주기에 대한 두 번째 부분의 구간의 비는 듀티 사이클(duty cycle)이라고 표시되며, 듀티 사이클을 변화시키는 것은 평균 전류를 변화시키는 것이다.

본 발명은 도 3에 도시되어있는 바와 같이 더 높은 주파수 듀티 사이클 디밍을 더 자세히 설명한다. 이러한 접근법의 문제점은, 초핑 주파수를 결정하는 시스템 클럭이 일반적으로 자유 작동 클럭(free running clock)이지만, 컨버터(5)에 의한 출력인 DC 전류가 정확하게 일정한 것이 아니라 주전원 위상과 관련해서 작은 변동을 갖는다는 사실과 관련이 있다. 초핑 주파수는 실제로 어느 정도 변화할 수도 있고 또는 안정될 수도 있다. 만약 초핑 주파수가 주전원 주파수의 정확한 배수가 아니라면, 깜빡거림으로 인식되는 비트 효과(beat effect)가 발생할 수 있어서 광출력이 비교적 작은 주파수에서 천천히 변화하게 되며, 예를 들면, 주전원 주파수가 50Hz이고 초핑 주파수가 310Hz 일 경우, 10Hz의 비팅(beating) 주파수가 발생할 수도 있다. 본 발명의 목적은 이러한 문제가 제거되거나 적어도 감소되는 드라이버 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 중요한 양태에 따르면, 초핑 주파수는 주전원 주파수에 동기화 되는 반면, 전원 주파수에 관한 초핑 주파수의 위상은 무작위로 정해진다. 결과적으로, 만약 본 발명이 구현된 다수의 드라이버에 의해 다수의 LED가 구동되면, 모든 LED는 같은 주파수로 구동될 것이지만, 그것들은 서로에 대해서 다른 위상들을 가지게 될 것이다. 동기화(Synchronization)때문에, 비트 효과는 발생하지 않을 것이다. 초핑 주파수의 상이한 위상 때문에, 상이한 램프들의 암 구간(dark period)은 일치하지 않고, 서로 다른 LED들의 광 출력의 평균인 전체적인 광 출력은 깜빡거림 현상을 보이지 않을 것이다. 추가적인 유리한 설명은 종속 청구항에 언급된다.

본 발명에 대한 이들 및 다른 양태들, 특징들과 장점들에 대해서는 도면을 참조하여, 하나 이상의 바람직한 실시예의 이하의 표현에 의해 더 설명될 것이며, 본 발명에서 동일한 참조 번호는 동일 또는 유사 부분들을 나타낸다.
도 1은 광원을 디밍하는 것에 대한 전통적인 접근방법을 개략적으로 도시한 블럭도이다;
도 2는 광원을 디밍하는 것에 대한 다른 방법이긴 하나 여전히 전통적인 접근방법을 개략적으로 도시한 블럭도이다;
도 3은 "더 높은 주파수에서의 듀티 사이클 디밍"을 개략적으로 도시한 블럭도이다;
도 4는 본 발명에 따른 LED 드라이버의 실시예를 개략적으로 도시한 블럭도이다;
도 5는 관련된 드라이버들을 갖는 복수의 LED를 포함하는 시스템을 개략적으로 도시한 블럭도이다.

도 4는 본 발명에 따른 LED 드라이버(40)의 실시예를 개략적으로 도시하는 블럭도이다. 이 드라이버의 일반적인 디자인은 도 3의 디자인과 대부분은 일치하며, 램프의 출력은 7에 표시되어 있다. 드라이버(40)는 초퍼(6)를 조절하는 제어기(50)와 클럭 신호 S_CL를 발생하기 위한 클럭 발생기(20)를 추가로 포함하고 있다. 제어기(50)는 클럭 발생기(20)로부터 클럭 신호 S_CL을 수신하기 위해 클럭 발생기(20)의 출력 단자와 연결된 클럭 입력부(52)를 갖는다. 제어기(50)는 요구된 디밍 레벨을 나타내는 사용자 입력 신호 S_U를 수신하기 위한 사용자 입력부(53)를 가지며, 사용자 입력 신호는, 예를 들면, 전위차계 장치(potentiometer)(도시되지 않음)에 의해서 발생 된다. 제어기(50)는 입력부(1)에서 주전원 전압의 실제 위상을 나타내는 주전원 신호 S_M을 수신하기 위해 ACDC 컨버터에 연결된 (또는, 다르게는, 입력부(1)에 직접 연결된) 주전원 입력부(55)를 가지며, 이런 주전원 신호는 입력 주전원 전압이나, 임의의 적절한 수단, 예를 들면 전압 센서에 의한 임의의 중간 전압으로부터 유도될 수 있고, 이것은 이 분야의 당업자에게는 명백할 것이므로 추가적인 설명은 필요 없을 것이다. 제어기(50)는 초퍼(6)에 연결된 제어 출력부(6)를 가지고 있다.

제어 출력부(6)에서, 제어기(50)는 초퍼(6)에 대해 제어 신호 S_C를 생성하며, 이 제어 신호 S_C는 ACDC 컨버터(5)에서 나온 전류가 차단될 때의 스위칭 순간과 ACDC 컨버터(5)에서 나온 전류가 통과되도록 허용될 때의 스위칭 순간을 결정한다. 특히, 제어 신호 S_C는 초핑 주파수 및 초핑 구간을 결정하고, 초핑 듀티 사이클(chopping duty cycle)을 결정한다.

제어기(50)는 사용자 입력 신호 S_U에 기초하여 요구되는 듀티 사이클을 계산하도록 설계된다.

추가로, 제어기(50)는 미리 결정된 주파수 범위 내에서 임의의 적당한 값, 예를 들면, 300Hz 내지 3000Hz사이 또는 제조업자에 의해 미리결정된 고정 주파수에서 초핑 주파수를 계산하도록 설계된다.

본 발명의 중요한 특징에 따르면, 제어기(50)는 제어 신호 S_C(혹은, 경우에 따라, 결과로 나오는 초핑된 출력 전류)가 주전원 신호 S_M을 기초로 하여 입력부(1)에서의 주전원 전압과 동기화되도록 설계된다. 입력 주전원 신호 S_M과 출력 제어 신호 S_C를 동기화하기 위한 방법들은 이 분야의 전문가들에게는 이용가능하고 명백하며, 예로써 위상 고정 루프(Phase-locked loop)를 포함하고, 본 명세서에서는 추가 설명이 필요치 않다.

출력 제어 신호 S_C를 입력 주전원 신호 S_M과 동기화할 때, 제어기(50)는 입력 주전원 신호 S_M에 대한 출력 제어 신호 S_C(혹은 결과로 나오는 초핑된 출력 전류)의 위상차에 관해서는 자유도를 가지고 있다. 예를 들면, 이러한 위상차는 입력 주전원 신호 S_M가 영 교차율(zero-crossing) 아래로 내려가는 부분에서의 출력 제어 신호 S_C(혹은 결과로 나오는 초핑된 출력 전류)의 위상으로 표현될 수 있고, 이는 당 분야의 전문가에게는 명백하다.

만약 상기 위상차가 모든 드라이버에 동일한, 미리결정된 고정 값이라면, 상이한 드라이버들을 갖는 다수의 LED들을 가진 시스템(100)에서, 모든 LED들은 정확히 동시에 ON 및/또는 OFF로 스위칭될 것이며, 따라서 어떤 깜빡거림 효과는 강화될 수 있고 더 눈에 띌 수 있게 될 것이다. 그러므로, 이러한 시스템에서는, 상이한 드라이버들의 출력 제어 신호들이 상호간 상이한 위상들을 가지게 된다면 더 유리할 것이다. 하나의 솔루션은 드라이버들의 세트(40A, 40B, 40C 등)가 서로에게 적응되어 그것들이 상호간에 상이한 위상들을 갖는 것을 제공하는 것이며, 예를 들면, 12개의 드라이버들을 포함하는 시스템에서, 상호 위상차는 항상 30^o이거나 또는 그것의 정수배가 될 수 있다.

그러나, 좀더 많은 유연성을 제공하고 그 때문에 선택되는 솔루션이라도 서로에게 적응하는 드라이버들을 요구하지는 않는다. 이 바람직한 실시예에서, 제어기(50)는 0 에서 360^o사이의 무작위 값에서 입력 주전원 신호 S_M에 대한 출력 제어 신호 S_C(혹은 결과로 나오는 초핑된 출력 전류)의 위상차를 설정하도록 항상 설계된다. 그런 후에, 상이한 드라이버들(40A, 40B, 40C)을 갖는 다수의 LED들(2A, 2B, 2C)을 가진 시스템(100)(도 5 참조)에서, 결과는, 실제로 서로 다른 드라이버들(40A, 40B, 40C)이 서로 다른 위상들을 가지며 또한 서로 다른 램프의 암 구간은 일치하지 않아 어떠한 깜빡거림도 거의 없거나 또는 더 이상 인지가능하지 않을 기회가 높다는 점이다.

주목할 것은, 출력 제어 신호 S_C에 대한 무작위 위상차를 결정하는 방법은 이 분야의 전문가에게는 잘 알려질 것이며 더 이상의 설명은 필요 없다는 것이다.

추가로 주목해야 할 것은, 무작위의 위상차는 제시간 내에 완벽히 일정할 필요는 없다는 것이다. 만약 이러한 위상차가 시간에 걸쳐 천천히 변화한다면, 즉, 주전원 주기보다 더 큰 시간 스케일로 변화한다면, 그런 변화는 인간의 눈으로는 거의 또는 전혀 알아차리지 못할 것이다. 더욱이, 그런 변화들 자신들은 상호간 독립적이고, 상이한 출력 제어 신호 S_C가 동기화되는 것을 초래하지 않는다고 가정하면, 그 결과는 여전히, 서로 다른 광 출력들의 암 구간들이 일치하지 않고, 서로 다른 LED들의 광출력들의 평균에 해당하는 전체적인 광 출력은 깜빡거림 현상을 거의 보이지 않거나 또는 없을 것이다.

추가로 주목해야 할 점은, 초핑 주파수는 모든 드라이버들에 있어서 동일한 것이 바람직하긴 하지만, 필수 사항은 아니다.

요약하건데, 본 발명은 LED(2)를 구동하는 드라이버(10)를 제공하며, 이 드라이버는:

- AC 주전원 전압을 수신하여 DC 출력 전류를 생성하는 ACDC 컨버터(5);

- DC 출력 전류를 수신하여, 정기적으로 차단된 출력 전류를 제공하는 초퍼(6);

- 클럭 신호 S_CL을 발생시키는 클럭 발생기(20);

- 디밍 레벨을 나타내는 사용자 입력 신호 S_U를 수신하고, 클럭 신호를 수신하며, 주전원 전압의 실제 위상을 나타내는 주전원 신호 S_M를 수신하고, 초퍼에 대해 제어 신호 S_C를 발생시키는 제어기(50)

를 포함한다.

초퍼는 출력 전류의 스위칭 순간에 대하여, 제어기의 제어 신호에 대해 응답한다.

제어기는 사용자 입력 신호에 기초하여 필요한 듀티 사이클을 계산한다.

제어기는 그것의 제어 신호를 주전원 신호에 동기화시킨다.

제어기는 입력 주전원 신호에 관하여 출력 제어 신호의 위상차에 대해 임의의 값을 설정한다.

본 발명이 도면들과 전술한 설명에서 상세히 설명되고 묘사되었지만, 이 분야의 전문가에게는 이러한 예시와 설명은 설명적이거나 예시적인 것으로 고려되어야하고 제한적인 것은 아닌 것으로 고려되어야 함은 명백하다. 본 발명은 개시된 실시예들에 국한되지 않고, 오히려, 첨부의 특허청구범위에서 정의된 본 발명의 보호 범위 내에서 몇몇의 변경 및 수정이 가능하다. 예를 들면, 초퍼(6)와 컨버터(5)는 하나의 유닛에 통합 가능하고, 컨버터(5)를 정기적으로 ON과 OFF로 스위칭함으로써 초핑 효과를 얻는 것도 가능하다.

도면, 개시 내용, 첨부된 청구항들에 대한 연구로부터, 본 발명을 구현하는데에 있어서, 이 분야의 당업자에 의해, 개시된 실시예들에 대한 그외의 변경들이 이해되고 또한 수행될 수 있다. 청구항에서, "포함하는(comprising)" 이라는 용어는 그외의 구성요소들이나 단계들을 배제하는 것은 아니며, 부정 관사 "a" 나 "an" 은 복수성을 배제하는 것이 아니다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛은 청구항에서 언급된 몇몇 항목들의 기능을 달성할 수도 있다. 특정한 계측들이 상호간 서로 다른 종속 청구항에서 언급되는 단순한 사실은, 이러한 계측들의 조합이 유리한 점으로 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.

위에서, 본 발명은 본 발명에 따른 디바이스의 기능별 블럭들을 예시하는 블럭도를 참조하여 설명되었다. 이러한 하나 또는 그 이상의 기능 블럭이 하드웨어 내에 구현될 수 있고, 이러한 기능 블럭의 기능은 개별적인 하드웨어 컴포넌트들에 의해서 수행될 수 있지만, 이들 하나 이상의 기능 블럭이 소프트웨어에서도 구현되어, 이런 기능 블럭의 기능이 컴퓨터 프로그램의 하나 또는 그 이상의 프로그램 라인이나, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 시그널 프로세서 등과 같은 프로그래밍가능한 장치에 의해서 수행될 수 있다는 것 또한 가능하다는 점이 이해되어 진다.

Claims (6)

1. 고상 광원(2)(solid state light source)을 구동하기 위한 드라이버(10)로서,
   - AC 주전원 전압을 수신하기 위한 전원 입력부(1);
   - 상기 AC 주전원 전압을 수신하고, 가변 듀티 사이클을 가지는 정기적으로 차단된 출력 전류를 제공하도록 설계된 전류원 수단(5, 6);
   - 광원(2)을 연결 시키기 위한 램프 출력부(7);
   - 클럭 신호 S_CL을 발생시키기 위한 클럭 발생기(20);
   - 원하는 디밍 레벨을 나타내는 사용자 입력 신호를 수신하기 위한 사용자 입력부(53)를 갖고, 상기 클럭 발생기(20)로부터 상기 클럭 신호 S_CL을 수신하기 위하여 연결된 클럭 입력부(52)를 갖고, 입력부(1)에서 주전원 전압의 실제 위상을 나타내는 주전원 신호 S_M을 수신하기 위해 연결된 주전원 입력부(55)를 갖고, 상기 전류원 수단(5, 6)에 대해 제어 신호 S_C를 발생시키기 위한 제어 출력부(56)를 갖는 제어기(50)
   를 포함하며,
   상기 전류원 수단(5, 6)은 출력 전류의 스위칭 순간에 관한 제어기의 제어 신호 S_C에 대해 응답하고,
   상기 제어기(50)는 사용자 입력 신호 S_U에 기초하여, 요구되는 듀티 사이클을 계산하도록 설계되며,
   상기 제어기(50)는 상기 제어기의 제어 신호 S_C를 그것의 주전원 입력부(55)에서 수신된 주전원 신호 S_M과 동기화하도록 설계되는, 드라이버.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어기(50)는 입력 주전원 신호 S_M에 관하여 출력 제어 신호 S_C의 위상차에 대한 임의의 값을 설정하도록 설계되는, 드라이버.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어기(50)는 미리 결정된 주파수 범위내, 예를 들면 300Hz 내지 3000Hz 사이의 임의의 적절한 값에서, 또는 고정된 미리 결정된 주파수에서 전류 차단 주파수를 계산하도록 설계되는, 드라이버.
4. 제1항에 있어서, 상기 전류원 수단은,
   - 상기 AC 주전원 전압을 수신하고, DC 출력 전류를 발생시키도록 고안된 ACDC 컨버터(5);
   - 상기 ACDC 컨버터(5)로부터 상기 DC 출력 전류를 수신하고, 가변 듀티 사이클을 가진 정기적으로 차단된 출력 전류를 제공하도록 고안된 제어가능한 초퍼(6)
   를 포함하는 드라이버.
5. 연관된 드라이버들(40A; 40B; 40C)을 갖는 복수의 LED들(2A, 2B, 2C)을 포함하는 조명 시스템(100)으로서,
   각각의 드라이버는 제2항에 따라 구현되는 조명 시스템(100).
6. 연관된 드라이버들(40A; 40B; 40C)을 갖는 복수의 LED들(2A, 2B, 2C)을 포함하는 조명 시스템(100)으로서,
   각각의 드라이버는 제1항에 따라 구현되고, 상기 드라이버들은 상기 드라이버들의 출력 제어 신호 S_C가 상호간에 서로 다른 위상들을 가지도록 서로에게 적응되는 조명 시스템(100).
   

Images