[논문]플라이백 컨버터를 이용한 조명용 LED Driver의 모듈화 연구

최진봉; 김관우; 정영국; 임영철

플라이백 컨버터를 이용한 조명용 LED Driver의 모듈화 연구
A Study on the Modularization of LED Driver for Illumination Using a Fly-Back Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.14 no.6, 2009년, pp.504 - 513

최진봉 (지에프텍(주) 기술연구소) , 김관우 (지에프텍(주) 기술연구소) , 정영국 (대불대 융합기술학부) , 임영철 (전남대 전기공학과)

초록
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본 논문에서는 조명용 LED 구동 장치를 위한 새로운 방식의 LED 구동 모듈화 방법을 제안한다. 제안된 LED 구동 회로는 플라이백 컨버터를 이용하여 교류 입력 전원의 핫 접지와 LED 구동부의 콜드 접지를 절연한다. LED 전류 제어를 용이하게 하기위해 플라이백 컨버터를 동특성이 뛰어난 불연속 모드로 동작시키고, KIA2431을 이용하여 귀환 루프 제어를 한 후, 그에 대한 특성을 파악한다. 제안된 LED 구동 모듈은 폭넓은 교류 전원 입력 범위와 PWM 제어 IC를 직접 제어하여 버스트 디밍을 구현하고 넓은 범위의 LED 밝기 조절이 가능하게 하였다. 본 논문에서는 제안된 LED 구동 모듈에 대한 동작 원리를 설명하고 LED 구동 모듈을 실제로 구현 및 적용하여 제안된 구동 모듈의 유용성을 입증하였다. 또한, 소형화와 모듈화 된 LED 구동 모듈을 병렬로 연결한 다 채널 LED 구동 장치를 제안하고 그 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the new type LED driver modularization for illumination LED driver. The proposed LED driver circuit insulates a hot GND of AC input power and a cold GND of LED driver part by using a fly-back converter. In order to control easily the current of the LED, the fly-back converter is operated in the discontinuous mode with excellent dynamic characteristics, and the characteristics of the LED are verified after the closed loop control is performed using a KIA2431. The LED driver module allows the wide AC power input ranges and realizes the burst dimming function which directly regulates a PWM control IC. This paper describes the operation principle of the LED driver module and it is proved the usefulness through the real model with experimentation. Besides, this paper proposes the multi-channel LED driver which the miniaturized and modularized LED driver module are connected by parallel, and verified its propriety by experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 플라이백 컨버터를 이용한 LED 구동 모듈화를 제안하였다. 플라이백 컨버터의 전류 제어에 용이한 불연속 모드 적용, PWM 제어 IC의 직접 제어를 통한 버스트 디밍을 구현한 LED 구동 회로를 모듈화 하였다.

가설 설정

그림 13은 입력 출력 전압의 변동에 따른 플라이백 컨버터의 MOSFET 게이트와 드레인 전압 파형이다. 그림 15는 버스트 디밍 제어 할 때 (a) MOSFET 게이트, (b) 드레인 파형이다.

제안 방법

그림 5는 본 논문에서 제안한 LED 구동 모듈의 회로도로서 SMPS 토폴로지의 플라이백 컨버터를 이용한 모듈 회로도이다^[12-15]. 기존의 SMPS에서 플라이백 컨버터는 정전압 출력을 제어하지만, 제안된 LED 구동 모듈에서는 정전류 출력 제어를 한다. 이러한 정전류 출력 제어를 위하여 플라이백 컨버터는 불연속 모드로 동작시킨다^[11].
그림 20은 LED 구동 모듈의 온도에 변화에 따른 출력전류를 나타낸 차트로써 온도상승에 따라 미세하게 출력전류 낮아짐을 알 수 있다. 다 채널 LED 구동장치는 그림 4에서 교류 전원을 전파 정류한 전압을 제안된 LED 구동 모듈의 입력 전압으로 병렬로 연결된 LED 구동 모듈을 연결함으로써 그림 21과 같이 실제로 구현하고 검증하였다. 그림 19는 소형화, 모듈화를 위해 제안된 LED 구동 모듈의 전면 및 후면의 사진이다.
버스트 디밍 시비율 변화에 따른 출력 전류 제어가 선형적으로 동작하고, 버스트 디밍 시비율이 1%까지 광 출력이 안정적으로 제어됨으로써 기존의 방식에 비해 우수하였다. 모듈화 된 LED 구동 모듈을 이용하여 모듈을 병렬로 연결함으로써 다 채널 LED 구동장치를 실제 제작하였으며 타당성을 검증하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 LED 구동 모듈을 표준화, 모듈화 함으로써 LED 구동장치 응용의 다양성 및 부품의 소형화, 공용화를 통한 원가 절감 효과가 예상된다.
본 논문에 제안한 LED 구동 모듈은 플라이백 컨버터를 이용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다. 플라이백 컨버터는 전류 제어에 용이한 불연속 모드로 동작시키고, KIA2431의 특성을 이용하여 LED 출력 전류 귀환 루프를 형성하여 LED 정전류 제어를 한다.
모듈화 된 LED 구동 모듈을 이용하여 모듈을 병렬로 연결함으로써 다 채널 LED 구동장치를 실제 제작하였으며 타당성을 검증하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 LED 구동 모듈을 표준화, 모듈화 함으로써 LED 구동장치 응용의 다양성 및 부품의 소형화, 공용화를 통한 원가 절감 효과가 예상된다.
제안된 LED 구동 모듈은 LED의 밝기를 조절하기 위하여 LED에 흐르는 전류를 턴 온 턴 오프를 한다^[6]. 그림 10은 버스트 디밍을 구현하는 회로도이다.
본 논문에서 제안한 LED 구동 모듈에 대한 그림 6은 플라이백 컨버터의 설계 순서도이다. 제안한 LED 구동 모듈은 플라이백 컨버터를 이용하여 교류 전원 접지와 LED 구동부의 LED의 밝기를 조절하는 접지를 절연한다. 플라이백 컨버터를 설계할 때 고려해야 할 사항으로 교류 전원을 전파 정류한 모듈의 입력 전압 V_in, PWM 제어 IC 스위칭 주파수 f_s 등이 있다.
플라이백 컨버터는 전류 제어에 용이한 불연속 모드로 동작시키고, KIA2431의 특성을 이용하여 LED 출력 전류 귀환 루프를 형성하여 LED 정전류 제어를 한다. 종전의 버스트 디밍은 LED 출력단의 온 오프에 의해 기능을 구현했지만 본 논문에서 제안한 LED 구동 모듈은 PWM 제어 IC의 직접 온 오프에 의해 버스트 디밍 기능을 구현하고 LED 모듈의 소형화, 표준화된 회로로 LED 구동 장치 모듈화를 제안하였다. 또한 제안된 LED 모듈들을 서로 병렬 연결한 다 채널 LED 구동 장치를 제안하고 실험하였으며 유용성을 입증하였다.
본 논문에서는 플라이백 컨버터를 이용한 LED 구동 모듈화를 제안하였다. 플라이백 컨버터의 전류 제어에 용이한 불연속 모드 적용, PWM 제어 IC의 직접 제어를 통한 버스트 디밍을 구현한 LED 구동 회로를 모듈화 하였다. 버스트 디밍 시비율 변화에 따른 출력 전류 제어가 선형적으로 동작하고, 버스트 디밍 시비율이 1%까지 광 출력이 안정적으로 제어됨으로써 기존의 방식에 비해 우수하였다.

성능/효과

종전의 버스트 디밍은 LED 출력단의 온 오프에 의해 기능을 구현했지만 본 논문에서 제안한 LED 구동 모듈은 PWM 제어 IC의 직접 온 오프에 의해 버스트 디밍 기능을 구현하고 LED 모듈의 소형화, 표준화된 회로로 LED 구동 장치 모듈화를 제안하였다. 또한 제안된 LED 모듈들을 서로 병렬 연결한 다 채널 LED 구동 장치를 제안하고 실험하였으며 유용성을 입증하였다.
플라이백 컨버터의 전류 제어에 용이한 불연속 모드 적용, PWM 제어 IC의 직접 제어를 통한 버스트 디밍을 구현한 LED 구동 회로를 모듈화 하였다. 버스트 디밍 시비율 변화에 따른 출력 전류 제어가 선형적으로 동작하고, 버스트 디밍 시비율이 1%까지 광 출력이 안정적으로 제어됨으로써 기존의 방식에 비해 우수하였다. 모듈화 된 LED 구동 모듈을 이용하여 모듈을 병렬로 연결함으로써 다 채널 LED 구동장치를 실제 제작하였으며 타당성을 검증하였다.
그림 19는 소형화, 모듈화를 위해 제안된 LED 구동 모듈의 전면 및 후면의 사진이다. 제안된 LED 구동 모듈은 소형화, 모듈화로 구현되고 LED 구동에 필요한 전류 제어, LED 밝기 조절 즉, 버스트 디밍 등 설계 규격을 만족함을 확인하였다.
그림 3은 본 논문에서 제안된 LED 구동 모듈의 병렬 연결 구성도이다. 제안된 LED 구동 모듈은 플라이백 컨버터를 이용하여 모듈화 한 것으로, 조명용 LED 수가 증가함에 따라 모듈화 된 LED 구동 모듈을 병렬로 연결하여 쉽게 구현이 가능하다.
버스트 시비율의 변경에 따른 평균 출력 전류는 선형적으로 동작하고 있다. 제안된 모듈의 버스트 디밍으로 제어 가능한 최소 시비율은 1%까지 제어 가능함을 그림 18로 확인 할 수 있다. 그리고 2장에서 이미 설명한 것과 같이 LED의 턴 온 전압보다 낮아지면 LED는 오프로 동작하여 LED 양단에 전류가 흐르지 않음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED는 전류를 고정시켜 동작시켜야 하는 이유는 무엇인가?	그리고 LED는 특히 전류를 고정시켜 동작시켜야 하는 이유가 두 가지 있는데, 첫째는 LED의 광량은 전류에 비례하고, 둘째는 LED는 전류보다 전압에 더 민감하게 동작하기 때문이다[2-5]. 그림 1은 LED의 순방향 전압과 전류, 순방향 전류와 광량 관계를 나타내고 있다.
	LED 전원 구동 장치의 제어 방식으로 정전압 제어 방식 대신 정전류 제어 방식이 많이 적용되는 이유는 무엇인가?	그리고 정전류 제어 방식은 LED에 흐르는 전류를 검출하여 제어하는 방식이다. 일반적으로 정전압 제어 방식은 “저항”에서 소비되는 전력으로 효율이 떨어지는 문제가 있어 정전류 제어 방식이 많이 적용되고 있다. LED는 전류에 비례하여 광량이 비례함으로 LED 구동 장치는 출력 전류 제어가 요구되고 있다[4-5].
	정전류 제어 방식이란 무엇인가?	LED 전원 구동 장치의 제어 방식에는 정전압 제어 구동 방식과 정전류 제어 방식이 있는데, 정전압 제어 방식은 정전압에 “저항”과 LED를 직렬로 연결하여 LED에 흐르는 전류를 “저항”으로 제어하는 방식이다. 그리고 정전류 제어 방식은 LED에 흐르는 전류를 검출하여 제어하는 방식이다. 일반적으로 정전압 제어 방식은 “저항”에서 소비되는 전력으로 효율이 떨어지는 문제가 있어 정전류 제어 방식이 많이 적용되고 있다.

참고문헌 (15)

윤연주, '에너지 절약적인 직류 LED 조명과 조명제어', 전력전자학회지, 제14권 제2호, pp. 32-35, 2009.4

원문보기 상세보기
E. Fred Schubert, 'LIGHT-Emitting DIODES', pp. 89-93, 2003
임성무, 권영석, 송상빈, 여인선, '고출력 발광다이오드구동 전압 유형에 따른 특성', 한국조명전기설비학회 학술대회 논문집, pp. 169-173, 2003. 11
이상훈, 'LED조명 시스템을 위한 LED 및 직류전원 기술', 전력전자학회지, 제14권 제3호, pp. 29-35, 2009. 6

원문보기 상세보기
R. Mueller-Mach, and G.O. Mueller, 'White light emitting diodes for illumunation', SPIE Proc, 3938, pp. 30-41, 2000
신성대, 정영진, 한상규, 홍성수, 이일운, 오동성,이효범, 노정욱, 'LLC 공진형 컨버터를 이용한 고효율 조명용 LED 구동시스템', 2009년 전력전자학술대회 논문집, pp. 450-452, 2009. 7
송상빈, '방열특성과 구동방식을 고려한 다운라이트용 LED전구의 개발', 전남대학교 박사학위논문, 2006
Fairchild Semiconductor, 'Application Note AN4141, Troubleshooting and design Tips for Fairchild Power Switch Flyback Application', 2006. 5
Fairchild Semiconductor, 'Application Note AN4147, Design Guidelines for RCD Snubber of Flyback Converters', 2006
Kelvin Shih, 'LED Juction Temperature Measurement and its Application to Automotive Lamp Design', SPE international, pp. 25-28, 2004
강필순, 김원호, 박성준, 김철우, '전류 불연속 모드로 동작하는 1단 방식의 역률보상 AC/DC포워드 컨버터', 전력전자학술대회 논문집, pp. 319-322, 1999
Robert W. Erictson, Dragan Masksimovic, 'Fundamental of Power Electronics : Second Edition', Springer, 2001
Muhammad H. Rashid 'Power Electronics Third Edition', pp. 710-715, 2004
R. Erockson, M. Madigan and S. Singer, 'Design of a Simple High-Power-Factor Rectifier Based on the Flyback Converter', IEEE Applied Power Electronics Conference, Conference Proceedings, pp. 792-80, 1990
S. Freeland, 'Input Current Shaping for single Phase AC-DC Power Converters.', Ph. D. thesis, part 2, California Institute of Technology, October 1987

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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