[논문]140W 급-저면적 LED 전원 제어 회로 설계

안호명; 이주성; 김병철

doi:10.17661/jkiiect.2018.11.5.586

초록
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본 논문은 140W 급 저면적 LED 전원 제어 회로 설계를 위해 다양한 기능이 집적된 HIC를 제안한다. 제안된 HIC는 정전압/정전류 구동회로, 단락 보호회로, 내부 정전압회로, dimmer 회로를 하나로 집적해, 제작 시 기존 시스템 대비 PCB 가로 길이를 16% 절감하는 효과를 보였다. 다양한 실험을 통해 HIC 내부에 설계된 각 블록의 성능을 검증했고, (정전압 구동회로 변동률 2.9%, dimmer 회로 오차 5%이내, 720 mA에서 안정적인 short protection) 제안된 HIC를 적용해 시스템에서 필요로 하는 전력 대비 PCB 면적을 상당히 줄일 수 있기 때문에, 제작 시간의 대부분을 차지하는 PCB 제조시간을 단출할 수 있는 효과와 전원 제어 회로에서 발생하는 불량에 대해 기존과 같이 PCB 전체를 교체하지 않고 HIC만 교체할 수 있도록 하여 유지/보수를 쉽게 할 수 있는 효과를 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, HIC with various functions is proposed for the design 140W LED power control circuit. The proposed HIC integrates constant voltage/constant current circuit, short circuit protection circuit, internal constant voltage circuit, and dimmer circuit, thereby reducing the horizontal length ...

In this paper, HIC with various functions is proposed for the design 140W LED power control circuit. The proposed HIC integrates constant voltage/constant current circuit, short circuit protection circuit, internal constant voltage circuit, and dimmer circuit, thereby reducing the horizontal length of the PCB by 16% comparing with the conventional system. Through various experiments, we verified the performance of each block implemented inside of HIC with numerical results. (Constant voltage variation ratio: 2.9%, dimmer circuit duty variation within 5%, stable short protection at 720 mA) Since the PCB area can be significantly reduced by applying the proposed HIC. It is possible to reduce the PCB manufacturing time which takes up most of the manufacturing time, however, It is expected that the faulted power module can be replaced without replacing the whole PCB, so that maintenance / repair can be made easier.

Keyword

표/그림 (10)

그림 그림 1. 기존 SMPS LED 전원회로. Fig. 1. Conventional SMPS LED power source circuit.
그림 그림 5. 제안된 HIC 기반 SMPS LED 전원회로. Fig. 5. Proposed HIC based SMPS LED power source circuit.
그림 그림 2. Constant voltage 회로. (a) 입력 전압이 35[V] 이상인 경우. (b) 입력 전압이 35[V] 이하인 경우. Fig. 2. Constant voltage circuit diagram. (a) Higher input voltage than 35[V]. (b) Lower voltage than 35[V].
그림 그림 3. Constant current 회로. Fig. 3. Constant current circuit diagram.
그림 그림 4. Dimmer 회로. (a) OSC 회로. (b) Level shifter 회로. Fig. 4. Dimmer circuit diagram. (a) OSC circuit. (b) Level shifter circuit.
그림 그림 6. 제작된 HIC PCB. (a) 상판. (b) 하판. Fig. 6. Fabricated PCB of proposed HIC. (a) Top of PCB. (b) Bottom of PCB.
그림 그림 7. Short protection 검출 전압 측정결과. Fig. 7. Measurements of short protection voltage.
표 표 1. 입력전원에 따른 내부 정전압 및 소비전류 측정. Table 1. Constant voltage and current consumption measurements.
표 표 2. Dimmer 입력 전압에 따른 duty 비 측정. Table 2. Duty ratio measurements with various dimmer voltages.
그림 그림 8. 140W 급 LED 전원 제어 시스템. (a) 기존 시스템. (b) HIC가 적용된 시스템. Fig. 8. 140W LED power control system. (a) Conventional system. (b) Proposed HIC based system.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는, 보드에 실장된 부품의 개수를 최소화하고, 전원회로에서 부품 간 절연거리를 확보하기 위해, 140[W]급 LED 전원 제어 회로에서 필수적인 정전류 구동회로, 정전압 구동회로, short circuit protection 회로, 내부 정전압 회로, dimmer 회로를 하나의 부품으로 적한 hybrid integrated circuit(HIC)형태로 제작될 수 있는 구조를 제안한다. 또한, 제안된HIC 기반 LED 전원회로를 실제 LED 전원에 적용해 그 효과를 보인다.
스위칭 방식은 회로 구현이 복잡하지만 용량의 제한 없이 다양하게 활용 가능한 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 다양한 조명기구에 적용 가능한 회로를 구현하기 위해 DC/DC Converter 기반 정전류 제어회로를 설계했다. 그림 3은 설계된 constant current 회로다.

제안 방법

본 section에선 그림 1에 보인 기존 회로의 일부를 HIC로 계하기 위해 필요한 constant voltage/current, dimmer 회로용 OSC, 전압 level shift 회로의 설계 최적화를 보인다. 각 회로의 검증은 cadence pspice를 이용해 각각의 기능을 검증했다.
Constant voltage 생성 회로는 제너다이오드 기반구조 등 다양한 구조가 있으나, 온도변화나 입력전압변화에 강건하도록 431 IC를 기반으로 하는 정전압회로를 설계했다. 그림 2는 constant voltage 회로를 나타낸다.
인덕터는 일정한 전류를 공급하기 위해 적용되었다. 크기와 직렬저항을 최소화하고 포화전류를 향상시키기 위해 LED 전류의 30~40%가 인덕터의 피크 리플 전류가 되도록 결정했다. 최적화에 적용된 인덕터 값은 다음 수식에 의해 44[μH]로 최적화됐다.
표 1은 입력전원 변화에 따른 내부 정전압 및 소비전류 측정결과를 보인다. 직류 전원 공급기를 이용하여 입력전압을 인가했고, 가변된 전압에 따라 출력되는 정전압 및 소비전류를 측정했다. 측정 결과, 정전압은 25[V]에서 14.
표 1. 입력전원에 따른 내부 정전압 및 소비전류 측정.
Dimmer 회로의 성능 평가를 위해 입력전압에 따른 duty 및 frequency 변화를 측정했다. 표 2는 dimmer 입력 전압에 따른 duty 비 측정 결과를 보인 것이다.
Short protection 검출 전압을 측정하기 위해 출력에 부하기를 연결하여 출력전압을 측정했다. 그림 7의 결과와 같이, Load 전류가 늘어날수록 출력전압이 낮아지는 것을 확인했고, 이는 Short 시 과전류에 의한 LED 파괴를 막을 수 있다.
본 논문에서는 정전압 구동회로, 정전류 구동회로, 단락보호회로, 내부 정전압회로, dimmer 회로를 하나로 집적시킨 HIC를 제안하였다. 제안된 HIC 기반 시스템은 기존 시스템과 동일한 성능을 내면서 dimmer 기능을 내장했다.
본 논문에서는 정전압 구동회로, 정전류 구동회로, 단락보호회로, 내부 정전압회로, dimmer 회로를 하나로 집적시킨 HIC를 제안하였다. 제안된 HIC 기반 시스템은 기존 시스템과 동일한 성능을 내면서 dimmer 기능을 내장했다. 또한, 제안된 HIC 시스템은 기존 시스템 대비 PCB 가로 면적을 16% 절감 (24.

대상 데이터

그림 2(a)는 입력전압이 비교적 고압인 35[V] 이상인 환경에서, (b)는 입력전압이 35[V] 이하인 환경에서 사용할 수 있는 회로다. 출력되는 전류소스를 위해 NPN 트랜지스터를 사용하였으며, 최대 구동 전류 능력은 NPN 트랜지스터의 최대 구동 전류와 일치한다. 사용된 TR은 2N2222을 사용하여500[mA]까지 동작이 가능하다.
출력되는 전류소스를 위해 NPN 트랜지스터를 사용하였으며, 최대 구동 전류 능력은 NPN 트랜지스터의 최대 구동 전류와 일치한다. 사용된 TR은 2N2222을 사용하여500[mA]까지 동작이 가능하다.
그림 5. 제안된 HIC 기반 SMPS LED 전원회로.
그림 5의 전원회로는 그림 1의 전원회로와 다르게 constant voltage/current, dimmer 회로용 OSC, 전압 level shift 회로의 최적화를 통해 간략화 된 것을 확인할 수 있다. 제안된 HIC는 그림 6와 같이 1[T]두께, 양면 FR4 PCB로 제작되었다.
8[cm]) 할 수 있었다. 그리고 제안된 HIC를 이용해 제품을 표준화 하여 사용 개수에 따라 용량을 조절할 수 있다 (i. e. 30[W]: 1개 사용, 280[W]: 3개 사용). 본 논문에서 제안한 표준화 된 HIC를 시스템에 적용하면, 시스템에서 필요로 하는 전력 대비 PCB 면적을 상당히 줄일 수 있기 때문에, 제작 시간의 대부분을 차지하는 PCB 제조시간을 단축할 수 있는 효과를 기대할 수 있고, 전원 제어 회로에서 발생하는 불량에 대해 기존과 같이 PCB 전체를 교체하지 않고 HIC만 교체할 수 있도록 하여 유지/보수를 쉽게 할 수 있는 효과를 기대한다.

성능/효과

직류 전원 공급기를 이용하여 입력전압을 인가했고, 가변된 전압에 따라 출력되는 정전압 및 소비전류를 측정했다. 측정 결과, 정전압은 25[V]에서 14.65[V]를 출력했고, 30[V]에서 안정되어 48[V]까지 15.09[V]를 유지했다. 다양한 조명기기에 적용할 수 있는 가능성을 확인하기 위해48[V] 까지 동작 특성을 확인 한 결과, 정전압은15.
LED 전원회로 동작 전원 범위 내에서 정전압 변동률은 (15.09 – 14.65) / 15.09 로, 2.9%의 매우 안정적인 성능을 보이는 것을 확인하였다.
그 결과, 140 ± 5[Hz]로 오차범위 약 5% 이내로 정교하게 동작하는 것을 확인했다.
0[V]에서 1[V]씩 증가할 때마다 약 10%씩 Duty가 증가함을 알 수 있으며, 10[V]가 입력되면 Duty가 100%가 되어 출력 LED에는 전류가 최대 출력으로 흐른다. 표 2의 결과에서, 입력전압에 따른 Duty비의 오차율은 Max 1.6%로서 잘 제어되고 있음을 알 수 있다. Dimmer의 frequency 변화는 입력 전압을 25 ~ 48[V]로 가변하면서 측정했다.
전체 시스템과 함께 동작 시킬 때, LED 출력과 같은 720[mA]로 동작함을 확인하였다. 결과에서, 최종 출력전류가 718[mA] 이상이 되었을 경우 출력전압은 0.418[V]로 Short시 Protection 검출 전압을 나타내고 있다. 그림 8은 기존시스템 (a)과 HIC가 적용된 시스템 (b)의 140[W] 급 LED 전원 제어 시스템의 사진을 보인다.
또한, 제안된 HIC 시스템은 기존 시스템 대비 PCB 가로 면적을 16% 절감 (24.7[cm] →20.8[cm]) 할 수 있었다.

후속연구

30[W]: 1개 사용, 280[W]: 3개 사용). 본 논문에서 제안한 표준화 된 HIC를 시스템에 적용하면, 시스템에서 필요로 하는 전력 대비 PCB 면적을 상당히 줄일 수 있기 때문에, 제작 시간의 대부분을 차지하는 PCB 제조시간을 단축할 수 있는 효과를 기대할 수 있고, 전원 제어 회로에서 발생하는 불량에 대해 기존과 같이 PCB 전체를 교체하지 않고 HIC만 교체할 수 있도록 하여 유지/보수를 쉽게 할 수 있는 효과를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 광원에 AC/DC 컨버터가 필요한 이유는?	그림 1은 기존 SMPS 기반 LED 전원회로를 나타낸다. 기본적으로 LED 광원은 직류전원으로 구동되기 때문에 alternating current(AC) 전원 기반으로 구동되는 조명들과 다르게 AC 전원을 direct current(DC) 전원으로 변경 해 주는 AC/DC 컨버터가 요구된다[5].
	논문에서 제안한 HIC 기반 LED 전원회로는 기존의 어떤 회로들을 합친 것인가?	본 논문에서는, 보드에 실장된 부품의 개수를 최소화하고, 전원회로에서 부품 간 절연거리를 확보하기위해, 140[W]급 LED 전원 제어 회로에서 필수적인정전류 구동회로, 정전압 구동회로, short circuit protection 회로, 내부 정전압 회로, dimmer 회로를 하나의 부품으로 적한 hybrid integrated circuit(HIC)형태로 제작될 수 있는 구조를 제안한다. 또한, 제안된HIC 기반 LED 전원회로를 실제 LED 전원에 적용해 그효과를 보인다.
	표준화된 HIC를 적용하게 됐을 때 기대되는 효과는?	30[W]: 1개 사용, 280[W]: 3개 사용). 본 논문에서 제안한 표준화 된 HIC를 시스템에 적용하면, 시스템에서 필요로 하는 전력 대비 PCB 면적을 상당히 줄일 수 있기 때문에, 제작 시간의 대부분을 차지하는 PCB 제조시간을 단축할 수 있는 효과를 기대할 수 있고, 전원 제어 회로에서 발생하는 불량에 대해 기존과 같이 PCB 전체를 교체하지 않고 HIC만 교체할 수 있도록 하여 유지/보수를 쉽게 할 수 있는 효과를 기대한다.

참고문헌 (9)

D.-Y. Lee, "Development of 80W LED Lighting Equipment for Broadcasting System," JKIIECT, vol. 10, no. 6, pp. 506-510. Nov. 2017.
J.-H. Kwon, J.-M. Lee, H.-J. Kim, E.-Y. Kang, and K.-J. Park, "Thermal Characteristics of the design on Residential 13.5W COB LED Down Light Heat Sink," JKIIECT, vol. 7, no. 1, pp. 20-25. Mar. 2014.
Chiu H-J, Lo Y-K, Chen J-T, Cheng S-J, Lin C-Y, Mou S-C. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 57, 735 (2010).

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Chiu H-J, Cheng S-J. Int. J. Circ. Theor. Appl. 37, 928 (2009).

상세보기
Qu X, Wong S-C, Tse CK, IEEE Transaction on Power Electronics 25, 331 (2010).
Chiu H-J, Huang H-M, Yang H-T, Cheng SJ, International Int. J. Circ. Theor. Appl. 36, 205 (2008).

상세보기
Byungcheul Kim, Eui-Seok Jeon, Chan Kim, Engineering and Technology (S-CET), Spring Congress on, 2012, p. 1.
W. Aloisi and G. Palumbo, Int. J. Circ. Theor. Appl. 33, 419 (2005).

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Y-H Chang, Y-C Chen, Int. J. Circ. Theor. Appl. 40, 835 (2012).

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