[논문]LED 조명용 정전류 SMPS 개발

신현용

doi:10.13067/jkiecs.2015.10.1.111

[국내논문] LED 조명용 정전류 SMPS 개발
Development of constant current SMPS for LED Lighting 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.10 no.1, 2015년, pp.111 - 116

초록
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본 연구에서는 실내조명을 위한 LED 조명용 정전류 컨버터를 설계하고 제작된 SMPS의 전기적 특성을 측정하였다. 출력전류가 300mA 일 때 최대 85%의 효율을 나타내었으며 100~400mA의 범위에서는 70% 이상의 효율을 나타내었다. 또한 0~250mV의 제어신호를 이용하여 디밍레벨 0~100%의 범위를 모두 제어할 수 있었다.

In this study, the constant current converter for LED lighting was designed and the electrical characteristics of the fabricated SMPS was measured. When the output current is 300mA the maximum efficiency of 85% was shown and the output current is in the range of 100~400mA efficiency over 70% were ex...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 LED 조명용 LED 모듈을 구동하기 위한 전용 전원공급 장치개발을 목표로 하였다. 기존 조명기구에 적용받고 있는 전기적 요구사항을 모두 만족시킬 뿐만 아니라 새로 제정되고 있는 LED 조명기구에 대한 KS 규격에 적합한 LED 조명용 SMPS를 개발하고자 한다.
현재 실내조명기구의 90% 이상을 차지하고 있는 형광등 조명기구는 세부적으로 형광등, 등기구, 안정기로 구성되어 있으며, 이를 LED 조명으로 대체하기 위해서는 형광등을 대체하기 위한 LED 모듈, 이를 기구화하기 위한 등기구, 그리고 LED의 구동을 위한 컨버터가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 LED 조명용 LED 모듈을 구동하기 위한 전용 전원공급 장치개발을 목표로 하였다. 기존 조명기구에 적용받고 있는 전기적 요구사항을 모두 만족시킬 뿐만 아니라 새로 제정되고 있는 LED 조명기구에 대한 KS 규격에 적합한 LED 조명용 SMPS를 개발하고자 한다.
따라서 다양한 LED 배열에 따라 공통의 전원공급 장치를 사용하기 어렵고 모든 상이한 LED 배열에 따라 다른 전원의 사용해야하기 때문에 일반 조명기구와 같은 전력별 안정기 혹은 컨버터를 사용하기 어려운 단점을 가지고 있다. 본 연구개발의 핵심은 비교적 폭넓은 LED 배열(V_F의 차이)에 대해서 안정적으로 정전류를 공급할 수 있는 LED 조명용 전용 전원공급 장치(SMPS; Switching Mode Power Supply)를 개발하여 적용하고자 하였다.

제안 방법

개발된 LED 조명용 SMPS의 입력부의 회로도를 그림 3에 나타내었으며 이 입력부는 출력 모듈 4개까지 구동이 가능하며 최대 60W의 전력을 공급할 수 있도록 설계하였으며 필요에 따라서는 사용된 부품의 용량을 바꾸어 100W 이상의 출력도 가능하도록 설계하였다. 입력부 회로에는 그림 3에 나타낸 것과 같이 과전류 보호를 위하여fuse를 삽입하였다.
고 휘도 LED를 사용하여 제작된 LED조명용 SMPS의 전기 특성 및 광 특성을 조사하였다. 시험에 사용된 LED는 3 chip형 고 휘도 LED로 정격전류가 20mA이며, 직병렬 조합을 통해 100～450mA의 출력전류를 갖도록 조정하여 측정하였다.
외부 surge차단 및 내부에서 발생하는 EMI 제거를 위한 line filter 등을 삽입하였다. 과전류 보호장치는 varistor(RV1)과 fuse(F1)으로 구성하였으며 내부 회로에 이상이 생겨 과전류가 발생되면 F1이 단절되도록 설계하였다. 또한 EMI noise를 감소시키기 위하여 line filter(LF)와 커패시터 C2로 noise filter 회로를 구성하여 노이즈에 대한 대비를 제고하였다.
과전류 보호장치는 varistor(RV1)과 fuse(F1)으로 구성하였으며 내부 회로에 이상이 생겨 과전류가 발생되면 F1이 단절되도록 설계하였다. 또한 EMI noise를 감소시키기 위하여 line filter(LF)와 커패시터 C2로 noise filter 회로를 구성하여 노이즈에 대한 대비를 제고하였다. 이는 LF 용량과 C2의 값을 조정함으로써 EMI의 잡음단자전압(conducted emission)을 설정된 기준에 적정한 값으로 조절할 수 있도록 설계하였다.
이는 LF 용량과 C2의 값을 조정함으로써 EMI의 잡음단자전압(conducted emission)을 설정된 기준에 적정한 값으로 조절할 수 있도록 설계하였다. 또한 브리지다이오드 정류기와 출력단 사이에 역률 개선을 위한 회로를 삽입하였다.
본 연구에서는 구동방식은 타려방식을 적용하고 있으며 제어방식은 PWM 제어, 그리고 출력(DC-DC Converter)은 Buck-boost 방식을 채택하였다. 또한 조도 조절을 위해 별도로 직류전원을 공급하게 되고, 이 신호를 통해 LED의 밝기를 0～100% 사이에서 손쉽게 제어할 수 있도록 설계하였다.
본 연구에서는 구동방식은 타려 발진방식, 제어방식은 PWM 제어, 그리고 DC-DC converter(출력회로)는 현재 많이 사용되는 Fly-back 방식과 동작원리가 동일한 Buck-booster 방식을 적용하여 LED 조명용 정전류 SMPS를 설계하고 확장성을 위하여 입력부와 출력부를 각각 모듈의 형태로 제작하고 그 특성을 조사하였다.
SMPS 회로는 용량성 부하로 스위칭 동작회로를 구성하고 있어 단순한 전자회로에 비하여 noise 성분을 많이 포함하고 있는 것으로 알려져 있다. 외부 surge차단 및 내부에서 발생하는 EMI 제거를 위한 line filter 등을 삽입하였다. 과전류 보호장치는 varistor(RV1)과 fuse(F1)으로 구성하였으며 내부 회로에 이상이 생겨 과전류가 발생되면 F1이 단절되도록 설계하였다.
그림 3의 입력부 회로도에서 D1, D2, D3의 전류 전환 다이오드와 C5, C6의 커패시터로 구성된 역률개선을 위한 valley-fill 회로를 볼 수 있다. 이 회로는 기존의 회로에 대한 영향을 최소화 하면서 전류의 고조파 왜곡을 개선하여 일정 이상의 역률을 구현할 수 있도록 한다. 정류 회로로부터 들어오는 전압이 첨두치의 50% 이상일 경우 D2 다이오드가 단락되어 커패시터 C5, C6이 직렬 연결되고 충전이 이루어진다.
또한 EMI noise를 감소시키기 위하여 line filter(LF)와 커패시터 C2로 noise filter 회로를 구성하여 노이즈에 대한 대비를 제고하였다. 이는 LF 용량과 C2의 값을 조정함으로써 EMI의 잡음단자전압(conducted emission)을 설정된 기준에 적정한 값으로 조절할 수 있도록 설계하였다. 또한 브리지다이오드 정류기와 출력단 사이에 역률 개선을 위한 회로를 삽입하였다.
PCB 기판에 제작한 개발된 LED 조명용 정전류 전원공급장치를 그림 5에 나타내었다. 입력부, 출력부(조광제어 회로부 포함)를 각각 분리된 모듈로 제작하여 추후 필요에 따라 요구되는 부분만을 변경이 용이하도록 하였다. 그리고 현재는 간이적 형태로 제작되었으나 향후 기업에서 상용화 제품으로 출시하고자 할 때에는 필요에 따라 그 형상을 바꾸어 제작하게 될 것이다.
HV9910B control IC를 사용한 정전류 driver 회로의 기본적인 구조를 그림 2에 제시하였으며 이는 PWM 신호를 이용한 컨버터 회로이다. 출력 전력이 대용량이 아니라면 controller에 FET가 내장된 power switch를 사용하는 것이 일반적이지만 본 연구에서는 대용량의 출력 전력을 요하기 때문에 전력용 FET와 함께 HV9910B controller IC를 사용하여 회로를 구성하였다. 이 회로는 power LED(1W～3W급 사용) 9개를 보호저항과 직렬로 연결하여 300㎃를 흘려 최대 약 27W의 소비전력을 낼 수 있도록 설계되어 있다.

대상 데이터

고 휘도 LED를 사용하여 제작된 LED조명용 SMPS의 전기 특성 및 광 특성을 조사하였다. 시험에 사용된 LED는 3 chip형 고 휘도 LED로 정격전류가 20mA이며, 직병렬 조합을 통해 100～450mA의 출력전류를 갖도록 조정하여 측정하였다. 컨버터의 효율을 시험한 결과는 그림 6과 같다.

이론/모형

LED에 전력을 공급하기 위한 출력회로는 forward 방식 혹은 fly-back 방식 등 다양한 구동방식을 사용할 수 있으며, 최종적으로는 향후 사용할 LED 부하 및 가격경쟁력, 공정의 단순화 등을 고려하여 결정하게 된다. 본 연구에서는 구동방식은 타려방식을 적용하고 있으며 제어방식은 PWM 제어, 그리고 출력(DC-DC Converter)은 Buck-boost 방식을 채택하였다. 또한 조도 조절을 위해 별도로 직류전원을 공급하게 되고, 이 신호를 통해 LED의 밝기를 0～100% 사이에서 손쉽게 제어할 수 있도록 설계하였다.
LED 조명용 SMPS의 출력부를 그림 4에 나타내었으며 출력부는 부하인 LED에 직류의 정전류를 공급하는 회로로서 그림 2의 H9910B IC를 사용한 정전류 driver 회로를 기본으로 설계되었다. 상용 교류 전원을 사용한 일반 LED 조명용 SMPS에 적합한 LED driver를 제공하기 위해 전압강하가 필요한 Buckboost형 컨버터[9]를 선택하였다.

성능/효과

개발된 LED 조명용 정전류 전원공급장치에 PWM 방식을 이용한 디밍회로를 연결하여 조광제어 실험을 한 결과를 그림 7에 나타내었다. 결과와 같이 0～250mV의 제어신호를 이용하여 디밍레벨 0～100%의 범위를 모두 제어할 수 있었다.
결과적으로 듀티비를 조절함으로서 출력전압의 크기를 선형적으로 조절할 수 있다. 이는 Fly-back converter의 관계식과 비교할 때 단지 트랜스의 권선비만 제거된 형태임을 알 수 있다.
다양한 형태의 직병렬 조합으로 연결한 3-chip 고 휘도 LED를 사용한 실험을 통하여 출력전류가 300 mA일 때 85%의 최대효율을 얻었으며 출력전류 100～400mA 범위에서는 70% 이상의 효율을 얻었다. 또한 에너지 절약을 위하여 PWM 방식의 0～250mV의 제어신호를 사용하여 0～100 %의 조광제어가 가능함을 확인하였다.
다양한 형태의 직병렬 조합으로 연결한 3-chip 고 휘도 LED를 사용한 실험을 통하여 출력전류가 300 mA일 때 85%의 최대효율을 얻었으며 출력전류 100～400mA 범위에서는 70% 이상의 효율을 얻었다. 또한 에너지 절약을 위하여 PWM 방식의 0～250mV의 제어신호를 사용하여 0～100 %의 조광제어가 가능함을 확인하였다.
컨버터의 효율을 시험한 결과는 그림 6과 같다. 효율은 출력전류가 300mA 일 때 최대 85%의 효율을 나타내었으며 통상적으로 많이 사용하는 범위인 100～400mA 범위에서는 70% 이상의 효율을 얻을 수 있었다.

후속연구

입력부, 출력부(조광제어 회로부 포함)를 각각 분리된 모듈로 제작하여 추후 필요에 따라 요구되는 부분만을 변경이 용이하도록 하였다. 그리고 현재는 간이적 형태로 제작되었으나 향후 기업에서 상용화 제품으로 출시하고자 할 때에는 필요에 따라 그 형상을 바꾸어 제작하게 될 것이다.
향후 양산 제품생산에 본 연구 결과를 응용하기 위해서는 EMI(전자파 장애)와 EMS(Electro Magnetic Susceptibility, 전자파 내성)으로 분류되는 전자파의 양립성(EMC, Electro Magnetic Compatibility) 실험을 통하여 국내외 전자파장애에 대한 시험규정에 주어진 주파수 대역에서 전기용품 안전인증 기준에 적합 여부를 확인할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED에서 정전류원을 갖는 전원공급 장치의 사용이 필수적인 이유는 무엇인가?	LED용 등기구는 과다한 열 발생으로 인한 수명 단축의 취약점을 보완하기 위한 연구가 진행되고 있다[6]. 특히 LED는 흐르는 전류의 크기에 대한 의존성이 커서 정전류원을 갖는 전원공급 장치의 사용이 필수적이다. 따라서 다양한 LED 배열에 따라 공통의 전원공급 장치를 사용하기 어렵고 모든 상이한 LED 배열에 따라 다른 전원의 사용해야하기 때문에 일반 조명기구와 같은 전력별 안정기 혹은 컨버터를 사용하기 어려운 단점을 가지고 있다.
	LED 조명기구의 구성은?	LED 조명기구는 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 광원인 LED가 배열된 LED 모듈, 이를 지지하기 위해 디자인 요소가 가미되고 LED용 등기구와 LED 구동을 위한 컨버터로 구성된다. LED용 등기구는 과다한 열 발생으로 인한 수명 단축의 취약점을 보완하기 위한 연구가 진행되고 있다[6].
	LED 조명용 컨버터는 어떻게 이루어져 있는가?	LED 조명 전용 컨버터 회로의 기본적인 구성도를 그림 1에 나타내었다. LED 조명용 컨버터는 입력 교류전원에 의한 외부기기를 보호하고 가청대역 이상의 고주파 노이즈를 제거하며 전력선에 있는 노이즈를 제거해주기 위한 EMI(Electro Magnetic Interference) 필터로 구성된 입력단과 교류신호를 직류신호로 변환하기 위한 정류회로, 직류전압을 적절히 제어하고 고 역률을 유지하기 위한 역률보상회로 및 LED와 연결되는 출력단으로 이루어진다. LED에 전력을 공급하기 위한 출력회로는 forward 방식 혹은 fly-back 방식 등 다양한 구동방식을 사용할 수 있으며, 최종적으로는 향후 사용할 LED 부하 및 가격경쟁력, 공정의 단순화 등을 고려하여 결정하게 된다.

참고문헌 (9)

M. G. Craford, "LED's challenge the incandescents," IEEE Circuits Device Mag., vol. 8, no. 1, Aug. 1992, pp. 24-29.

상세보기
S. Muthu, F. J. P. Schuurnans, and M. D. Pashley, "Red, green, and blue LEDs for white light illunination," IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 8, no. 2, Mar. 2002, pp. 333-338.

상세보기
B. Jeong and H. Jeong, "LED Lighting Technology Status and Prospects," The Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 20, no. 1, 2006, pp. 31-37.
L. Gu, X. Ruan, M. Xu, and K. Yao, "Means of eliminating electrolytic Capacitor in AC.DC power supplies for LED lightings," IEEE Trans. Power Electronics, vol. 24, no. 5, May 2009, pp. 1399-1408.

상세보기
D. A. Steigerwald, J. C. Bhat, D. Collins, R. M. Fletcher, M. O. Holcomb, M. J. Ludowese, P. S. Martin, and S. L. Rudas, "Illunination with soldi state lignting technology," IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 8, no. 2, Mar. 2002, pp. 310-320.

상세보기
J. Kwon, H. Kim, K. Park, Y. Kim, and G. Hoang, "Thermal Characteristics of Designed Heat Sink for 13.5W COB LED Down Light," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 5, 2014, pp. 561-566.

원문보기 상세보기
S. Han, S. Park, H. Jeong, S. Chae, E. Song, and B. Jung, "A Study on the Modeling and Simulation of LED Driver Using HV9910 IC," J. of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 26, no. 4, 2012, pp. 14-21.

원문보기 상세보기
J. Song, J. Park, and B. Yoon, "Design and Implementation of Transformerless 40W LED Light Driver Circuit for Ships," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 3, 2012, pp. 485-490.
R. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics. New York: Springer, 2001.

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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