冷阴极荧光灯设计.doc

陰極冷光燈（CCFL）轉換器設計技術  　 ??????????本文介紹啟動 陰極冷光燈（cold cathode fluorescent lamp；CCFL）的「零電壓交換（zero voltage switched；ZVS）」諧振轉換器（resonant converter）技術。其主要功能是為了讓液晶顯示器(LCD)展現背光（back-lighting）的效果，而且此電路中的元件數量和所佔體積大小必須最小。一個特別設計的積體電路提供推挽式（push-pull）電流型ZVS轉換器所需的全部控制功能，同時也包含了一個輔助性的「脈衝寬度調變（PWM）」控制器，可用程式來設計LCD的電壓。轉換器的分析及模擬和一份完整的電路圖，最後會被呈現出來，此分析和模擬的結果，將由實際電路的波形和重要的性能參數來驗證。CCFL的設計挑戰 因行動電腦和筆記型電腦的激增，讓顯示器的需求不斷成長。高解析度和高對比是執行新一代繪圖程式的基本要求，但也增加了顯示器在性能、大小和效能上的衝突。具有陰極冷光功能的LCD最能滿足這樣的設計需求，然而傳統的技術需要冷光燈和高電壓交流電供應，這仍然造成電池電力不足的主因。陰極冷光燈(CCFL)需要1至2KV來啟動（fire），此動作國內廠商俗稱為「點燈」。因為波形驅動（wave drive）最好能降低RF的干擾和提高冷光燈的效率，轉換器對於效率和體積大小的要求是非常嚴苛的。這些嚴苛的條件，需要一個高效率的轉換電路和最佳化的電路整合技術才能滿足。零電壓交換諧振電路利用充電的寄生電容達到高電壓，可以降低功率損失，提高效率。這種電路架構可以利用離散電路來控制。最常見的方式是修改Royer振盪器來提供ZVS運作。當這方法第一次被發現是很好的解決方案，並被廣泛地使用時，卻受到一些限制。高電壓DC轉換到AC只是LCD的部份需求，此外，平均輸出的電流必須能用來控制冷光燈的強度，而且LCD需要一個可編程的低電壓，用來調整對比的效果。這些額外的電路，不管是使用離散電路或多顆晶片來實現，都將造成元件數量的增加，嚴重影響LCD的體積大小和可靠度。同步（synchronization）的要求也同樣希望能去除「成拍頻率（beat frequency）」的影響，例如：冷光燈強度的調變（modulation），這將使電路設計更加複雜。成拍頻率的意義是：當兩不同頻率訊號混合時，會產生另兩種不同頻率，分別為原兩頻率的和與差。例如在一式中：cosAcosB=cos(A+B)+cos(A-B)／2，原訊號為A與B，生成成拍訊號為A+B與A-B。整合是減少電路的複雜度和體積大小的最好方法。 　 陰極冷光燈的特性對轉換器而言，CCFL代表的是一個高非線性負載，如圖一所示。一開始當冷光燈是冷卻的時候（在一段沒有運轉的時間內），啟動冷光燈的電壓是一般的三倍。冷光燈在圖一中的特徵是，啟動電壓為1600伏特，一般運作的平均電壓是300伏特。請注意，冷光燈在一開始時是正電阻，然後轉換為負電阻在1mA之上。這些特性表示它具有高輸出阻抗(電流源)，能抑制負的負載電阻效應，且在啟動冷光燈時可以限制電流。因為ZVS轉換器有一個低輸出阻抗，所以必須加入一個額外的「無損失（loseless）」串聯阻抗，例如：一個耦合電容。 　 此主题相关图片如下： 圖一：陰極冷光燈的電流是電壓函數。縱座標: 2mA/div. 橫座標: 200V/div 　 　 在圖二中，對CCFL的等效電路做分析。VFL是冷光燈在一般操作下的平均電壓。冷光燈的阻抗（RFL）是一個複函數，但在固定電壓時，可被視為一個固定的負電阻。雜散電容和互連電容結合在一起成為CFL。　 　 此主题相关图片如下： 圖二：CCFL的等效電路 　 ZVS諧振轉換器電路在圖三中，推挽式電流型轉換器在它的諧振頻率上被驅動，以提供ZVS作業。推挽輸出的MOSFETS（Q1和Q2）各在50﹪的工作週期內，被交替驅動。當V1和V2通過零產生諧振時，電壓交替即發生，因此能確保零電壓切換。這幾乎消除了因充電的MOSFETS輸出和離散電容所引起的切換損失，並藉由減少閘電荷降低閘極驅動電壓的損失。　 　 此主题相关图片如下： 圖三：推挽式電流型ZVS諧振轉換器 　 在推挽單元（stage），電流是透過一個切換式降壓轉換器（buck regulator）Q3提供。控制電路強迫令橫跨於電流感測電阻(R8+R5)與整流器D2上的平均電壓等於一個參考電壓。R8可以改變電流和冷光燈的亮度。D2所引起的非線性效應是很輕微的，因為RS可針對某一特定的亮度做調整，和實際的電流準位無關。纏繞的電感，LR和CR，結合產生的有效電容C7，和感應產生的次要電容形成「諧振並聯電路」或「諧振槽（