This work presents a LED driver compatible with electronic ballast to replace the fluorescent lamp to the LED lamp without removing the electronic ballast. Different from the conventional LED drivers of which input is well-defined voltage-source, the input to the LED driver compatible with electronic ballast has non-ideal current source characteristic. Various electronic ballasts with different topologies are installed in fluorescent lamp fixtures and ceilings of buildings and the most important specification for the LED driver is to regulate the LED current with different electronic ballasts. In addition, the LED driver should operate normally with protection functions in programmed-start electronic ballast.
To introduce an interface circuit that does not interrupt the existing lamp driver, a brief review of the fluorescent lamp and the electronic ballast is presented. The electronic ballast converts the AC main voltage to the AC current output with carrier frequency of tens of kilohertz and includes several power converters such as power factor correction (PFC) circuit and resonant DC-AC inverter. These sub-converters have a wide variety of choices and electronic ballasts with different combinations are being manufactured. The key requirements for the LED driver can be summarized as follow: First, the LED driver should be able operate with different electronic ballast. Second, a power control scheme with a non-ideal current source input is needed to regulate different output powers from different electronic ballasts. Finally, the LED driver should avoid triggering the protection functions in the electronic ballasts.
To regulate the output power of the electronic ballast, a current switching scheme with a parallel switch to return the redundant input current is proposed. The output current of the electronic ballast is transferred to the LED load when the switch is opened and is returned to the electronic ballast when the switch is closed. By changing the conduction time (tcond), the output power of the electronic ballast with arbitrary waveform, fre-quency and amplitude is regulated to achieve the desired LED power. In addition, a switch in series with the LED load is inserted to generate voltage discharge during turn-on and resistors are placed at each terminal to mimic filaments of the fluorescent lamp. By reproducing features of the fluorescent lamp, turn-on failures with protection functions in the electronic ballast are resolved. The response of the electronic ballast with the LED driver is analyzed in the time domain and measurement, calculated, and simulated results are well matched.
A switch controller for the LED driver is designed in digital domain to operate adaptively with various electronic ballasts. During initial turn on procedure, the series switch is turned on when the lamp voltage crosses the pre-defined ignition voltage. When the discharged lamp voltage grows again with normal operation of the electronic ballast, the power control with the parallel switch is enabled. The transferred current through the di-ode is sensed and the average LED current is calculated by one-period summation in the digital controller. To extract the periodicity of the input envelope, a PFC type detector detects the periodicity by tracking local minimum and maximum values and determines the appropriate mode according to the PFC circuit in the elec-tronic ballast. The expected average value of the LED current is compared with the desired value, and tcond for the next period is updated.
The digital controller for the proposed LED driver is implemented using field programmable gate array (FPGA) and self-powered analog circuits provide interface for the digital controller and the power converter. Measurements with various ballasts of different topologies show a tight regulation of the LED current within 5 %. Major losses are analyzed and improved with pulse skipping to minimize loss due to discharging the parallel capacitor in rapid and programmed start electronic ballasts. Other requirements such as AC regulation, turn-on transients and current ripple are also satisfied.
This work also presents RF circuits for the multi-band and multi-standard receivers. For a simple calibration of tuned RF filters, a self-tuned balun-LNA concept is proposed. By turning on and off the positive feedback buffer, the LNA can be modified to an oscillator, of which the frequency of oscillation is very close to the resonance frequency. Therefore, an accurate calibration with a simplified circuit can be implemented. In addition, differential imbalances of the balun-LNA are corrected by adopting a differential hybrid voltage buffer (DHVB) at the output. The prototype of the proposed LNA is fabricated in a 0.18-um CMOS technology and measured results are well matched to the calculated results.
To prevent SNR degradation by aliasing, a non-decimation discrete-time (DT) filter is required but hardware complexity of the conventional filter is proportional to square of tap number. By adopting the finite impulse response (FIR) filter implementation with charge accumulation in a capacitor, the complexity is decreased to number of tap, and a RF sampling receiver is designed with the proposed DT filter. The receiver front-end is fabricated in a 0.18-um SOI CMOS technology and aliasing-free frequency response is demonstrated. The coefficient of DT filter can be reconfigured by changing clock signal and adaptive blocker filtering is possible with the proposed receiver front-end.
본 논문은 형광등을 LED로 교체하기 위해 필요한 전자식 안정기에 호환성을 갖는 LED 드라이버 및 다중 밴드 수신기의 RF 프런트-엔드에 관한 연구에 대해 중점을 두고 있다.
LED는 기존 광원에 비해 광 효율이 우수하고, 수명이 길며, 환경적으로도 안전하다는 장점을 가져, 백열등과 형광등을 대체할 수 있는 차세대 조명으로 각광받고 있다. 주 교류 전원과 직접 연결되는 백열등과는 달리, 형광등은 대표적인 가스 방전등으로서, 점등을 위한 방전을 일으키고 램프의 전류를 제어하기 위해 안정기 (ballast)로 구동된다. 이러한 상황에서 LED와 호환이 되지 않는 안정기를 램프와 함께 교체하는 방법은 소비자의 불편을 초래하며, 서비스 비용이 증가하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 안정기의 출력을 LED에 맞게 변환시킬 수 있는 안정기 호환 LED 드라이버가 필요하며, 본 논문의 첫 번째 주제는 최근 안정기의 대부분을 차지하는 전자식 안정기 호환 LED 드라이버로서, 어떠한 전자식 안정기에서도 같은 LED 전력을 내도록 제어하는 것이 가장 중요한 목표이다.
전자식 안정기는 주 교류 전원으로부터 수십 kHz의 출력을 생성하기 위해 정류기, 역률 보상 회로 (Power factor correction circuit), 그리고 공진 DC-AC 인버터로 구성되며, 각각의 단계를 다양한 방식의 회로로 구현할 수 있다. 따라서 전자식 안정기 호환 LED 드라이버는 수 많은 제조사들이 제작한 다양한 구조의 안정기와 모두 동작해야 한다. 또한 서로 다른 안정기들의 출력을 정류하여 LED를 구동해 보면 전력의 편차가 매우 크기 때문에 구조에 관계 없이 적용 가능한 전력 제어 방식이 필요하다. 마지막으로 방전이나 필라멘트 예열과 같은 형광등의 특이한 성질에 맞추어 설계된 전자식 안정기들과도 문제 없이 동작할 수 있어야 한다.
서로 다른 안정기의 전력을 제어하기 위해, 전자식 안정기가 전류원의 특성을 갖는다는 성질에 주목하여, 안정기의 출력 전류를 병렬로 연결된 스위치로 제한하여 LED로 전달하고, 필요 이상의 전류는 안정기 출력의 공진기로 되돌아가게 함으로써 재사용하게 되는 전력 제어 방식을 제안하였다. 안정기의 출력에 동기화하여 전달 시간 (conduction time)을 조절함으로써, 다양한 안정기의 파형 및 주파수에 관계없이 LED 전력을 원하는 값으로 제어할 수 있다. 이와 함께, LED 부하 시 안정기의 응답을 시간 영역에서 분석, 모델링을 통해, 제안된 스위칭 방식에 따른 파형 변화 및 그에 따른 제어 이슈들을 해결하였다.
형광등 부하일 때만 동작하도록 설계된 안정기들과 정상 동작을 하기 위하여, 형광등의 성질을 재현하는 회로 및 제어 방식을 제안하였다. LED와 직렬로 스위치를 추가하여, 미리 정해둔 형광등 방전 전압에 도달하였을 때 닫음으로써 형광등의 초기 방전 현상을 그대로 재현하였으며, 형광등 규격에 해당하는 필라멘트 저항을 삽입하여 예열 과정에 따른 점등 지연 현상을 제거하여 다양한 보호 기능을 갖는 전자식 안정기에서 정상적으로 점등되게 하였다.
전자식 안정기의 역률 보상 회로에 따라 안정기 출력 전류 진폭의 주기성이 다를 수 있으므로, 주기성을 감지하여 LED 전류의 평균값을 구하여 전달 시간을 조절하는 적응력 있는 부귀환 제어 시스템을 디지털로 구현하였다. FPGA (Field Programmable Gate Array)를 이용한 실험 결과, 다양한 전자식 안정기에서 모두 같은 LED 전력으로 제어할 수 있는 결과를 얻었으며, 5%의 정확한 제어 성능을 달성하였다. 제안된 전력 변환 방식에 따른 전력 손실을 분석하고 주요 손실인 스위칭에 의한 방전 손실을 펄스-스키핑 (pulse skipping)을 이용해 개선하였다.
인접 방해 신호에 강인한 다중 밴드 수신기에 대한 연구로, RF 필터 보정을 용이하게 하는 자기 동조 증폭기를 제안하였다. 공진기를 가진 증폭기가 양의 부귀환을 추가하면 발진기가 된다는 원리를 활용하여, 증폭기로서의 공진 주파수와 발진기로서의 발진 주파수가 거의 일치함을 수식으로 분석하였다. 또한 차동 신호를 합하여 불균형을 제거하는 버퍼로, 주파수 변환기 전에 차동 불균형을 보정함으로써 수신기의 동적 영역을 극대화하였다. 0.18
