大型LCD背光照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：LCD (液晶顯示器)是電控發(fā)光管，LCD TV (液晶顯示電視)采用白光作為“背光”，通常使用冷陰極熒光燈(CCFL)為彩色熒光屏照明。其它技術(shù)，如：發(fā)光二極管(LED), 也作為一種考慮方案, 但昂貴的價(jià)格限制了它們的使用。

本文聚焦于驅(qū)動(dòng)和控制多個(gè)CCFL，來(lái)為大型LCD面板(如LCD電視)提供背光照明時(shí)所要面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

由于LCD電視是消費(fèi)品，壓倒一切的設(shè)計(jì)考慮是成本—當(dāng)然必須滿足最低限度的性能要求。驅(qū)動(dòng)燈的CCFL逆變器不能明顯縮短燈的壽命。還有，由于要用高壓來(lái)驅(qū)動(dòng)燈，安全性也是一個(gè)必須考慮的因素。本文聚焦于LCD電視應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)多個(gè)CCFL時(shí)所要面對(duì)的三個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：挑選最佳的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、多燈驅(qū)動(dòng)、以及燈頻和突發(fā)調(diào)光頻率的精密度控制。

挑選最佳的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

可以用多種架構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CCFL所需的交流波形，包括Royer (自激)、半橋、全橋和推挽。表1詳細(xì)歸納了這四種架構(gòu)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1. CCFL驅(qū)動(dòng)架構(gòu)比較

Drive ArchitectureAdvantagesDisadvantages

RoyerLeast expensive

Cannot tightly control the lamp current or frequency

Requires tight DC-supply regulation

Requires a special transformer winding

Requires a ballst capacitor

Low efficiency

Full BridgeDoes not require a center-tapped transformer

Works over a wide DC-supply range (greater than 3:1)

Requires four MOSFETs

May require p-channel MOSFETs, which are higher cost and less efficient

Half BridgeRequires only two MOSFETs

May require p-channel MOSFETs, which are higher cost and less efficient

Requires a higher turns ratio transformer, which increases cost

Push-PullRequires only two n-channel MOSFETs, which are lower in cost and more highly efficient than p-channel MOSFETs

Easily scales to higher DC supply voltages (up to 120V)

Low transformer turns ratio

Lower efficiency when the DC supply goes beyond a 2:1 range

Royer架構(gòu)

Royer架構(gòu)(圖1)的最佳應(yīng)用是在不需要嚴(yán)格控制燈頻和亮度的設(shè)計(jì)中。由于Royer架構(gòu)是自激式設(shè)計(jì)，受元件參數(shù)偏差的影響，很難嚴(yán)格控制燈頻和燈電流，而這兩者都會(huì)直接影響燈的亮度。正因?yàn)榇?，Royer架構(gòu)很少被用于LCD電視，盡管它是本文所述四種架構(gòu)中最廉價(jià)的。

圖1. Royer驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單，但不太精確。

全橋架構(gòu)

全橋架構(gòu)最適合于直流電源電壓非常寬的應(yīng)用(圖2)。這就是幾乎所有筆記本PC都采用全橋方式的原因。在筆記本中，逆變器的直流電源直接來(lái)自系統(tǒng)的主直流電源，其變化范圍通常在7V (電池低)至21V (交流適配器)。有些全橋方案要求采用p溝道MOSFET，比n溝道MOSFET更貴。另外，由于固有的高導(dǎo)通電阻，p溝道MOSFET的效率更低。

圖2. 全橋驅(qū)動(dòng)器很適合于大范圍的直流電源。

半橋架構(gòu)

相比全橋，半橋架構(gòu)最大的好處是每個(gè)通道少用了兩只MOSFET (圖3)。但是，它需要更高匝比的變壓器，這會(huì)增加變壓器的成本。還有，如同全橋架構(gòu)一樣，半橋架構(gòu)也可能會(huì)用到p溝道MOSFET。

圖3. 半橋驅(qū)動(dòng)器比全橋驅(qū)動(dòng)器少用兩個(gè)MOSFET。

推挽架構(gòu)

最后我們來(lái)考慮推挽驅(qū)動(dòng)器，它有很多好處。這種架構(gòu)只用到n溝道MOSFET (圖4)，這有利于降低成本和增加逆變器效率。它很容易適應(yīng)較高的逆變器直流電源電壓。采用更高的逆變器直流電源電壓時(shí)，只需選擇具有合適的漏-源擊穿電壓的MOSFET即可。不管逆變器的直流電源電壓如何，都可采用同樣的CCFL控制器。但采用n溝道MOSFET的全橋和半橋架構(gòu)就無(wú)法做到這一點(diǎn)。

推挽架構(gòu)最大的缺點(diǎn)是，要求逆變器直流電源電壓的范圍小于2:1。否則，當(dāng)直流電源電壓處于高端時(shí)，由于交流波形的高振幅因數(shù)，系統(tǒng)的效率會(huì)降低。這使推挽架構(gòu)不適用于筆記本PC，但對(duì)于LCD電視非常理想，因?yàn)槟孀兤髦绷麟娫措妷和ǔ?huì)被穩(wěn)定在±20%。

圖4. 推挽驅(qū)動(dòng)器非常簡(jiǎn)單，還可精確控制。

多燈驅(qū)動(dòng)

CCFL已在筆記本PC、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他具有較小LCD屏的設(shè)備中使用多年。這些類型的設(shè)備通常只用一個(gè)CCFL，因此，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)只用一個(gè)CCFL控制器。隨著大尺寸LCD面板的出現(xiàn)，帶來(lái)了對(duì)于多CCFL的需求，有必要采用新的方式來(lái)應(yīng)對(duì)這種新的需求?？赡艿姆绞街皇遣捎靡粋€(gè)單通道CCFL控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈(圖5)。這種方式中，CCFL控制器只通過(guò)其中的一個(gè)燈監(jiān)視燈電流，而以幾乎相同的交流波形同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有并聯(lián)的燈。然而，這種方式存在著幾個(gè)缺陷。

圖5. 由于亮度不均勻以及其他的一些考慮，用一個(gè)單通道CCFL控制器控制多個(gè)燈不太理想。