Light emitting diode (LED) smart bulbs require efficient drivers to maximize its benefits. Efficient LED drivers should provide compact module form factor, low flicker, high power factor (PF), and high conversion efficiency. Depending on the presence of the switched mode power supply (SMPS), LED drivers can be classified into AC-DC and AC-direct topologies. AC-DC LED drivers can achieve low flicker and high PF with PF correction (PFC). However, the transformer for SMPS and the bulky components for PFC degrade omnidirectional performance of indoor LED bulbs due to its bulky module size. On the other hand, AC-direct LED drivers are suitable for implementing omnidirectional LED bulbs because a high PF can be achieved without requiring bulky PFC components. However, the nature of the LED driving scheme introduces high flicker with low frequency which harms the human body.
This dissertation presents a flicker-free LED driver that adopts a new PF enhancement technique. The proposed LED driver divides the transmission path of the current to the LED string in two ways depending on the instantaneous input voltage in order to improve the PF relative to that of a conventional compact flicker-free LED driver that uses a fixed LED current regulation scheme with only one electrolytic capacitor. Since the proposed LED driver requires a minimum number of external components, a light bulb can be implemented with omnidirectional light emission due to its compact module. In order to prove the effectiveness and suggest design considerations of the proposed LED driver, mathematical analysis is conducted. Then, the design details of a multi-channel smart bulb system that adopts the proposed LED driver are described. The proposed LED driver IC is implemented in a 0.35-μm ultrahigh voltage CMOS process and occupies an area of 2.9 mm × 2.0 mm. A 10-W smart bulb prototype that adopts the proposed LED driver is flicker-free, and shows a PF of 0.715, and power conversion efficiency of 77.5% for an AC supply of 120-V.
스마트 전구는 LED 전구에 사물인터넷 (internet-of-things, IoT)의 개념을 접목시킨 대표적인 예로서, 색과 밝기가 일정한 기존의 LED 전구와 달리 스마트폰과 무선 통신으로 연결되어 상황과 사용자의 의도에 맞게 색과 밝기가 임의로 조절되는 것이 가장 기본적인 기능이다. 스마트 전구의 성능 역시 기존 LED 전구와 동일하게 LED 구동 회로의 특성에 의해 상당 부분 좌우된다. 효율적인 LED 구동 회로를 설계하기 위해서는 구동 회로의 모듈 크기, 플리커 (flicker), 역률, 전력 변환 효율 등을 고려하여야 한다. 본 논문에서는 이러한 특성을 모두 고려하여 스마트 전구에 최적화된 LED 구동 회로의 설계 방법을 소개한다. 또한 실제 스마트 전구 시제품의 제작을 통해 제안된 구조의 유효성을 검증한다.
LED 조명의 구동 방식은 전통적인 방식인 AC-DC LED 구동 방식 (SMPS type) 과 최근에 활발히 연구되고 있는 AC-direct LED 구동 방식의 2 가지로 분류될 수 있다. AC-DC LED 구동 방식은 일반적으로 플리커 현상이 적고 역률 보상 회로의 도움으로 높은 역률을 가지는 장점이 있지만, 필요한 외부 부품의 수가 많고 대부분 부피가 큰 소자들이 사용되어야 하므로 모듈의 크기를 소형화 하는데 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나로 AC-direct LED 구동 방식이 새롭게 주목 받고 있다. AC-direct LED 구동 방식은 부피가 큰 역률 보상 회로 없이 높은 역률을 달성할 수 있기 때문에 모듈 크기를 상당히 소형으로 설계할 수 있지만, LED를 일정한 크기의 전류로 구동 하지 않고 입력 전압의 파형과 유사한 형태의 전류로 구동하는 특성 때문에 플리커 현상이 크게 발생하는 단점이 있다. 이 두 가지의 방식 이외에도, 단 하나의 전해 커패시터 (electrolytic capacitor, e-Cap)만을 브리지 정류기의 뒤 단에 배치한 후 LED를 일정한 크기의 전류원으로 구동하여 플리커 현상을 완전히 제거할 수 있는 방식이 있다. 이 e-Cap LED 구동 방식은 플리커 프리 특성을 가지는 동시에 모듈의 크기를 소형화 할 수 있는 장점이 있지만, 역률이 낮은 단점 때문에 보편적으로 사용되지 않는다. 따라서, 모듈의 크기를 소형화 할 수 있고, 플리커 프리 특성을 가지는 동시에, 역률을 개선할 수 있는 새로운 구조의 연구가 필수적이다.
본 연구에서는 역률이 개선된 소형 플리커 프리 LED구동 회로를 제안한다. 제안된 구조에서는 종래의 e-Cap LED 구동 방식과 달리 입력 전압의 크기에 따라 두 가지의 경로로 구분하여 LED 전류를 공급한다. 이러한 방법을 통해 종래의 경우보다 입력 전류가 생성되는 구간을 증가시키는 동시에 입력 전류의 피크 값을 감소시킬 수 있으므로 에너지 스타 (ENERGY STAR)에서 권장하는 0.7 이상으로 역률을 개선할 수 있다. 제안된 구조의 동작은 종래의 e-Cap LED 구동 회로에서 두 개의 다이오드와 한 개의 스위치의 추가 구성만으로 구현 가능하므로 모듈의 크기를 소형화 할 수 있는 장점을 그대로 취할 수 있다. 또한 종래의 e-Cap LED 구동 방식과 동일하게 일정한 크기의 전류원으로 LED를 구동하므로 플리커 프리 특성 역시 쉽게 달성 가능하다. 다만, 제안된 구조의 수식적인 분석을 통해 LED의 순방향 전압 크기에 따른 역률과 전력 변환 효율간의 상충관계를 확인하였으므로 0.7 이상의 역률을 가지는 동시에 효율을 최대화 할 수 있는 값으로 LED의 순방향 전압 크기를 적절하게 설계할 필요가 있다.
제안된 LED 구동 회로는 0.35-μm ultrahigh voltage CMOS 공정으로 구현되었다. 구현된 회로는 스마트 조명 응용의 확장성을 고려하여 100 mA의 전류까지 출력 가능한 constant on time 강압 변환기를 내장하였다. 또한 색 온도 제어 또는 RGB 제어를 위해 각각의 PWM 신호로 채널 전류 제어가 가능한 3개의 채널을 제공한다. 구현된 회로의 측정 결과를 통해 플리커 프리 특성, 0.715의 역률, 77.5%의 전력 변환 효율을 확인하였다. 구현된 회로를 적용하여 10 W급의 스마트 전구 시제품을 제작하였으며 소형화된 모듈 크기로 인하여 전 방향 배광 특성과 다중 채널 지원이 동시에 가능함을 검증하였다.
Keywords: LED 구동 회로, 역률, 플리커, 스마트 전구, 사물인터넷
