便攜設(shè)備的高效CCFL背景光轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

在便攜設(shè)備的背光源中，通常采用降壓轉(zhuǎn)換器后接一個推挽逆變器(Royer逆變器)的方法，但其效率低，器件數(shù)量多。本文討論了一種基于壓電變壓器的高效背景光供電解決方案，采用UCC3977(推挽控制器)和壓電變壓器EFTU11RoMX50和EFTU18R0Mx50來實(shí)現(xiàn)。

最近，PDA、互聯(lián)網(wǎng)手持設(shè)備和筆記本電腦等便攜設(shè)備的發(fā)展速度非常快，這進(jìn)一步提高了市場對小尺寸冷陰極熒光燈(CCFL)背景光轉(zhuǎn)換器的需求。通常，在這些應(yīng)用中使用一個降壓轉(zhuǎn)換器后接一個推挽逆變器(Royer逆變器)的方法，但在便攜應(yīng)用中這種方法效率低，并且由于它本質(zhì)上是一個兩級方案，所使用的元件數(shù)量也比較多。

傳統(tǒng)上，CCFL所需要的高運(yùn)行電壓和高激發(fā)電壓是由高匝數(shù)比繞線式磁性變壓器來提供。壓電變壓器(PZT)的最新進(jìn)展為背景光應(yīng)用提供了許多潛在的優(yōu)勢，包括效率更高、體積更小、電磁噪聲更低、可得到的激發(fā)電壓更高、不可燃和正弦運(yùn)行等。

本文討論了一種基于壓電變壓器的高效背景光供電解決方案，它采用UCC3977(推挽控制器)和松下壓電變壓器EFTU11RoMX50和EFTU18R0Mx50。

背景光光源

CCFL通常作為筆記本電腦和便攜電子設(shè)備的彩色液晶顯示(LCD)的背景光源，CCFL是目前最高效的顯示器背景照明光源。由于運(yùn)行CCFL需要高交流電壓，所以需要高壓DC/AC逆變器?；赑ZT的逆變器可以提供正弦輸出電壓，這非常有助于減小RF輻射。RF輻射可能干擾其它電子設(shè)備，并可能降低整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率。另外，基于PZT的逆變器所產(chǎn)生的正弦激勵還可以在CCFL中產(chǎn)生最優(yōu)的電流到光的轉(zhuǎn)換效率。CCFL的工作電壓比其它光源的電壓要高很多，通常需要300到800伏交流電(取決于燈的長度)，但整體功耗非常低。

最近出現(xiàn)了一種非常明亮的白光輻射二極管(LED)。在LCD顯示器、蜂窩電話和PDA應(yīng)用中，它是CCFL的一個強(qiáng)勁的競爭對手。但是，當(dāng)使用白光LED作為顯示器的背景光時需要注意以下問題:

a. 幾乎所有的LED制造商都以新燭光(cd)為單位給出光強(qiáng)度。通常這個值都非常高，但它表示的是在最亮方向的數(shù)據(jù)。視角和LCD的亮度通常成反比，由于LCD總的光輸出覆蓋更大的范圍，在任何給定的方向，視角越寬則亮度越低。相同光通量輸出的一系列LED通常按不同的截面和光強(qiáng)度出售。在20度視角光強(qiáng)度可能達(dá)到6.4cd，在70度視角可能有0.48cd，而在160度視角光強(qiáng)度可能幾乎為零。由于照明一致性對舒適感和視覺性能非常重要，所以，為在顯示器上提供一致的照明，需要多個LCD以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接起來。

b. 這些白色LED的壽命比較短。在運(yùn)行大約1000小時之后，它們將變黃并在一定程度上變暗，這對彩色顯示器來說是不能接受的。當(dāng)然，在超過LED額定電流條件下運(yùn)行還將加速這個過程。

c.由于LED基本上屬于電流驅(qū)動器件，如果這些LED不能良好地分享電流，可能會引起顯示器局部的光線不均衡。在這種情況下，可以對每個LED都加上均衡電阻，但這將降低整個系統(tǒng)的效率。

d. 還有一個主要的缺點(diǎn)是成本高，其批量售價(jià)每支2.3美元起，比相同亮度的單只CCFL貴。

當(dāng)使用這些作為光源時，需要考慮的是你要用它做什么。如果你關(guān)心的只是燈的點(diǎn)亮度，那么應(yīng)考慮峰值光強(qiáng)度；如果你需要光的擴(kuò)散效果，選擇合適的輸出截面則非常重要；在需要對較大的顯示面積提供照明或液晶顯示器的背景照明，以及需要燈具有長使用壽命時，小型CCFL是優(yōu)選方案。

用于背景光轉(zhuǎn)換器的變壓器

磁性變壓器和壓電變壓器的發(fā)展使我們可以構(gòu)造出高效、小體積轉(zhuǎn)換器。變壓器的選擇取決于多種因素，其中包括成本、體積和效率。例如，同PZT變壓器相比，在一個給定的功率水平，磁性變壓器可能更厚、更重且效率更低，但它具有成本低，而且可以在更寬的負(fù)載條件下工作的優(yōu)點(diǎn)。PZT變壓器具有固有的正弦運(yùn)行特性、高激發(fā)電壓、不可燃和無電磁噪聲的優(yōu)點(diǎn)。磁性變壓器和壓電變壓器的比較見表1所示。

陶瓷壓電變壓器是在1956年由C.A. Rosen最先提出。與依賴于電磁能量轉(zhuǎn)換的磁性變壓器不同，壓電變壓器把電動勢轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換稱為逆壓電效應(yīng)，而機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換稱為正壓電效應(yīng)。

PZT變壓器的材料和工藝決定了它們的的工作特性，而每一個制造商都有它們獨(dú)特的材料和結(jié)構(gòu)層的“配方”，制造PZT的常用材料是鋯酸鉛和鈦酸鉛。單層PZT成本較低并易于制造但電壓增益比較小(典型值為5~10)，并可能需要一個升壓磁性變壓器才能使燈具運(yùn)行。多層PZT的設(shè)計(jì)制造難度更大，但具有更高的電壓增益(20~70)。

圖1為一個用于CCFL供電的典型長模式PZT。該壓電變壓器包含一些用于能量轉(zhuǎn)換的長方形壓電陶瓷層，還帶有一對初級電極(用于輸入)和一對次級電極(用于輸出)。輸入到初級電極的電信號以壓電方式轉(zhuǎn)換成機(jī)械震動，這些機(jī)械震動傳送到陶瓷層的次級，在那里機(jī)械震動以壓電方式轉(zhuǎn)換成一個高電平輸出。整個轉(zhuǎn)換過程只消耗很少的能量。

要預(yù)測PZT在系統(tǒng)中的性能，有必要建立它的電路模型。圖1所示的電路模型通常用于描述長模式PZT在基本諧振頻率附近的性能。許多PZT制造商都基于在各種頻率和輸出負(fù)載下的測量結(jié)果提供該模型的元件值，具體元件值取決于PZT的構(gòu)造。初級電極的多層結(jié)構(gòu)和材料電介質(zhì)常數(shù)形成了一個大的主級輸入電容(Cinput)。由于次級的單層結(jié)構(gòu)和主級電極和次級電極之間的距離，輸出電容要小很多。

圖3顯示了松下1.8W PZT(元件型號為EFTU11R8MX50)增益(Voutput/in)相對于輸出負(fù)載和頻率的特性關(guān)系曲線。這個PZT對圖2等效電路的等效元件值分別為：Cinput=61.6nF，Coutput=11.4pF，n=35，串聯(lián)RLC= (0.66Ω，0.934mH，2.79nF)。如圖3所示，在無負(fù)載條件下陶瓷變壓器提供高Q值和增益，并產(chǎn)生高激發(fā)電勢。一旦熒光燈激發(fā)之后，變壓器則帶有了負(fù)載。負(fù)載引起變壓器增益下降和諧振頻率移動。為實(shí)現(xiàn)在一個單向控制電路下激發(fā)并運(yùn)行熒光燈，壓電變壓器通常工作在諧振峰的右側(cè)。

變頻控制系統(tǒng)

圖4給出了一個基于PZT的背景光轉(zhuǎn)換器的簡化功能圖。PZT由一個幅度正比于輸入電壓的諧振功率級驅(qū)動，它提供驅(qū)動熒光燈所需要的電壓增益。圍繞著誤差放大器形成了一個控制環(huán)，誤差放大器把平均熒光燈電流同參考信號(REF)相比較，以便于對熒光燈的光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂齐妷篤c驅(qū)動用來確定諧振功率級的運(yùn)行頻率的壓控振蕩器(VCO)。

VCO的頻率范圍必須包含PZT的激發(fā)和運(yùn)行頻率。降低這個可編程的頻率范圍可以改善反饋回路的控制響應(yīng)。例如，圖5中的PZT所使用的頻率范圍為100kHz。為保證控制回路一直在PZT諧振峰的右側(cè)工作，PZT的增益必須保證在最小的輸入電壓下仍具有足夠高的熒光燈電壓。

電源拓?fù)?/p>

一個以諧振推挽拓?fù)淇刂茐弘娮儔浩鞯碾娐啡鐖D5所示。這個拓?fù)涫褂昧藘蓚€標(biāo)準(zhǔn)電感(L1和L2)，通過UCC3977控制器和MOSFET S1和S2，這兩個電感在50%的占空比產(chǎn)生180 度的相移。這個推挽電路優(yōu)點(diǎn)是可以提供從直流輸入電壓到壓電變壓器初級的電壓增益，并通過這兩個電感和PZT初級電容之間的LC關(guān)系實(shí)現(xiàn)諧振。

與磁性變壓器電路不同，基于PZT的電路使用頻率而不是占空比來控制熒光燈電流。UCC3977包含一個在COMP和OSC引腳之間形成的可編程的VCO，該VCO用來設(shè)定該系統(tǒng)的工作頻率范圍(它必須包含PZT的激發(fā)和工作頻率)，熒光燈電流可以在FB引腳進(jìn)行測量并由PZT的增益/頻率的特性進(jìn)行控制(參見圖3)。為保證控制回路一直工作在諧振峰的右側(cè)，PZT的增益必須在最小輸入電壓下提供足夠高的熒光燈電壓。

MOSFET S1和S2以50%的占空比被驅(qū)動產(chǎn)生相移。電感L1和L2同PZT初級電容諧振，在S1的漏極和S2的漏極形成了半正弦波形。在PZT的初級兩端所得到的電壓波形接近正弦。由于陶瓷變壓器的高Q值，熒光燈電壓是正弦的，在這個應(yīng)用中大約為300V。

為實(shí)現(xiàn)零電壓切換，漏極電壓必須在下一個切換周期以前回零，這要求LC諧振頻率要大于切換頻率。滿足這個條件的最大電感可以從下式得到：

公式1

其中Cp是PZT的主級電容。

采用推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、額定功率分別為1W 和1.8W的多層PZT驅(qū)動一個300伏熒光燈，在電流為3mA時，在較低的輸入電壓范圍內(nèi)效率超過87%。在高輸入電壓范圍，由于PZT增益降低而導(dǎo)致效率下降。

以線性方式降低熒光燈的電流來調(diào)光將導(dǎo)致效率下降。由于系統(tǒng)在低于最優(yōu)增益的條件下運(yùn)行，壓電變壓器電路的光負(fù)載效率降低。使用脈沖調(diào)光技術(shù)可以改善效率，這種方法以高于肉眼能察覺的頻率(>100Hz)通過調(diào)制占空比的通斷來控制熒光燈的平均電流，從而使熒光燈一直在全電流下工作。

圖6顯示了基于壓電變壓器電路的脈沖調(diào)光波形。一個外部驅(qū)動信號(曲線4)用來給定工作周期和脈沖串的頻率，在本例中，在50%的工作周期脈沖串的頻率為100Hz。曲線1是反饋網(wǎng)絡(luò)的COMP引腳的信號，用來設(shè)定工作頻率。熒光燈電壓如曲線3所示。這些圖片是使用數(shù)字示波器得到，所以存在混迭現(xiàn)象。熒光燈的激發(fā)電壓幾乎檢測不到，因?yàn)闊粢呀?jīng)是熱的并從前面的脈沖串周期運(yùn)行過來。

本文小結(jié)：

本文給出了壓電變壓器用于背景光轉(zhuǎn)換器時作為升壓變壓器使用的特性，討論了可以滿足CCFL熒光燈高壓需求的壓電變壓器的工作原理，給出了一個使用UCC3977的基于PZT的高效背景光供電方案。由于基于PZT的背景光轉(zhuǎn)換器的諧振功率電路可以提供正弦電壓，從而提高了光電效率，熒光燈的亮度可以采用線性或脈沖調(diào)光技術(shù)進(jìn)行控制。整體效率(可以達(dá)到86%以上)的提高延長了電池供電系統(tǒng)的運(yùn)行時間。