液晶电视的显示屏是属于被动发光型的显示器件,它需要借助背光源发出的光线通过液晶屏透射出来,利用液晶的分子在电场作用下控制通过的光线以形成图像。要显示色彩丰富的优质图像,要求背光源发出光线的光谱范围要宽,接近日光色以便最大限度地展现自然界的各种色彩。同时液晶电视要保证有足够的亮度、保持整个屏幕亮度的均匀性和亮度可以调节。
CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lam,也叫冷阴极灯。其原理是通过高能量电子轰击汞原子,使汞原子被激发。但激发态并不稳定,汞原子由激发态回到基态时会释放能量,此能量是以辐射253.7 nm和185.0 nm紫外光子的形式产生的,荧光粉吸收紫外光子而发出白色的可见光。CCFL灯管电极构造简单,管径易细化,可靠性高,寿命一般在3万小时以上,在触发点火时不需灯丝预热,加上圆柱状外形很容易与光反射组件组合成薄板状照明器,因此在TFT-LCD背光源上广泛采用。
1 CCFL冷阴极灯的特性
CCFL灯管的驱动电路集成也叫CCFL INVERTER,CCFL灯管是一个高非线性负载。冷阴极灯在开始启动时,当电压还没有达到触发值(一般1 000 V以上)时,灯管呈正电阻(数兆欧)。一旦达到触发值,灯管内部产生电离放电产生电流,此时电流增加,灯管两端电压下降呈负阻特性,很快降为几百千欧级。当流过灯丝的电流达到一定值时,CCFL灯管两端电压停止下降进入一个稳态值,通常称为CCFL灯管的工作电压,激活CCFL灯管的电压一般是工作电压的两到三倍。启动电压与电流的曲线如图1(a)所示。
CCFL背光电源是将DC转换为AC,其存在转换频率,CCFL背光电源的工作频率就是转换频率,背光电源的工作频率必须和所配TFT-LCD屏相对应。CCFL背光电源工作波形要尽可能的是正弦波,如波形太差,会造成光效差,灯管发热严重,灯管寿命下降等问题。对于CCFL灯管来说,其工作时候的亮度和工作时候的温度有很大的关系,在低温如-20℃的时候,其特性表现为即使用很高的电压启动也只能发出微弱的光。典型的亮度与温度的曲线如图1(b)所示。
2 驱动冷阴极灯电路形式的介绍
CCFL驱动电路:又叫CCFL INVERTER,即CCFL逆变器,是为了符合CCFL灯管的工作特性而将直流低电压变成高频高压交流电的电子装置。通常有四种控制电路(见图2)。
图2(a):为全桥架构,优点是简单、效率高,变压器设计简单,缺点是需要专门的IC驱动,并且需要四个MOSFET,特别是P沟道的MOSFET,成本较高,适合在低电源电压的场合应用。
图2(b):虽然比全桥省了两个MOSFET,但是在相同输出功率和负载的情况下,供电电压要比全桥架构提高一倍,因此需要更高匝数比的变压器,变压器成本高,适合用在供电电压较高的场合。
图2(c):Royer架构,最佳应用是在不需要严格控制灯频和亮度的设计中。由於Royer架构是自振荡设计,受元件参数偏差的影响,很难严格控制灯电流和灯频,而这两者都会直接影响灯的亮度,但价格最廉价。
图2(d):推挽架构,这种架构只用到n通道MOSFET,这有利於降低成本和增加转换器效率。最大的缺点是要求转换器直流电源电压的范围小於50%,否则,当直流电源电压处于高阶时,由于交流波形的高振幅因子,系统的效率会降低。但对于LCD电视,由于电源稳定,采用此电路非常理想。
3 冷阴极灯多灯驱动电路分析
CCFL灯管管中心点的亮度必须在3分钟内达到规定亮度的100%。考虑到整机的可靠性和寿命要求,驱动电源对冷阴极灯的供电、激励部分必须符合灯管的特性,供电电源必须是交流正弦波,频率为40 k~60 k左右,触发电压和维持电压符合灯管的规格(由灯管的长度和直径决定)。
由于液晶电视屏幕尺寸比较大,一般在18.5英寸以上,现在逐渐向大尺寸方面发展,如42寸、55寸等,因此需要在一台机器里面用多根灯管一起发光,来达到整机需要的亮度要求。用一个单通道CCFL控制器驱动多个灯,灯管直接串、并联使用,第一个缺点是由於灯阻抗的差异,会造成亮度不均匀;第二个缺点是,单个灯管的失效(例如破损)会造成屏幕没有任何显示;第三个缺点是,由于是并联(或者串联)驱动所有灯,同时打开和关闭这些灯,这就要求转换器直流电源必须采用更大的电容器增强去耦效果,这会增加转换器的成本和尺寸。
解决上述诸问题的一条途径就是每个灯用一个单独的CCFL控制器,在多灯管液晶屏中,每一只灯管均配单独一只高压变压器。
4 冷阴极灯调光原理
在实际运用的过程中驱动电源常常同时要求有调光功能。CCFL的亮度与CCFL的电流大致成正比,因此在电路中一般有电流环来控制CCFL的亮度。在实际的应用中一般采用PWM波来调光。
PWM调光的优点:(1)调节过程中亮度变化非常均匀,不会发生突变的现象;(2)调节的时候输出电压峰-峰值不会随调亮而变化。具体方法是软件编程MCU输出30-200Hz的低频PWM脉冲波对施加于冷阴极荧光灯管上的连续振荡高压波进行调制,使连续振荡波变成断续振荡波,断续的在极短时间内停止对冷阴极荧光灯供电。由于停止时间极短,不足以使灯管的电离状态消失,但是其辐射的紫外线强度下降,管壁上的荧光粉的激发量减小,亮度也下降。通过控制PWM脉冲的占空比,就可以改变灯管在一个导通/关闭周期的时间比,从而达到控制灯管平均亮度的目的。
4.1 冷阴极灯调光时候的柔性启动技术
在冷阴极灯调光的时候控制方式是反复的启动、截止灯管,然而每一个启动、关闭周期都会造成灯管遭受到高启动电压及电流突变的冲击,这对于气体放电灯的电极而言是极为不利的,将会大大地缩短灯管的使用寿命。为了解决这一问题,目前业内普遍采用一种“柔性”启动技术,即对调光脉冲包络的前沿和后沿,采用连续线性增幅和降幅的处理,使得包络的前沿是一个逐步增大的过程,包络的后沿是一个逐
步减小的过程,具体图形见图3。经过线性幅度变换处理后的高压脉冲波,再作用于灯管上,就不会对灯管造成启、停的损伤,也不会影响灯管的寿命。
4.2 多管冷阴极灯调光时候的移相技术
由于液晶TV采用多只冷阴极灯管,如32寸的LCD TV采用12只冷阴极灯管,42寸LCD TV采用16只冷阴极灯管等等。因此在亮度调节的过程中,如果多只灯管在同一时间断电和启动,间断频率将会和液晶屏的刷新频率产生差拍,将会导致画面出现滚动、闪烁、亮度不均匀等画异的现象。针对这种现象采取的解决方法是采用移相技术,即把采用的多只灯管平均分组,一般分为4组,这样对其供电控制的PWM脉冲有4个通道,每个通道向一组灯管供电,通道之间输出的PWM调制脉冲,依次移相90度,共输出4路经过PWM调制的高频脉冲波,具体见图4。整体来说,多根灯管不会在同一时间断电和供电,是轮流进行的,这样可以使得在避免上述问题的同时亮度均匀并且做到干扰最小。
5 冷阴极灯保护电路的设计技巧
对于LCD TV以显示为主的消费类电子产品,关键部件发光源的稳定性非常的重要。要使背光源稳定的工作,其反馈和保护电路就显得很关键。例如灯管开路时,输出电压就会升高,电压升高就容易出现打火等现象,从而出现烧板现象。灯管电流如不平衡,出现一些电流很大,而一些电流很小,就会影响灯管寿命,并且屏幕亮度不均匀。通常设计的原理示意图见图5,每路灯管的电路是一样的,因此图5(a)取了其中一路电路来分析,而电流取样只要取其中某一路即可,见图5(b)。下面结合实际的应用分析保护电路的设计技巧。
5.1 电压取样和过压保护
图5(a)中所有灯管的VS端连在一起,并连到驱动IC的相关功能引脚。一般灯管在刚启动的时候,驱动IC输出的PWM波占空比由小到大张开,使变压器高压端输出电压由小到大变化。通过C2、C1分压出来的电压和C4、C3分压出来的电压经过D3形成一个逐渐增加的电压,当此电压达到驱动IC内部规定的电压值时,驱动IC保持住此时的PWM占空比并判断是否点火成功。如成功后,当驱动IC收到此反馈电压的值超过3 V,就判断过压,关闭输出,进入保护。
5.2 灯管断路取样
在设计的时候灯管断路的检测采取了分开检测的方法,即第一路通过C4、C3分压经过R4的电压和第3路同样方法输出的电压连在一起经过D4形成一个参考电压,利用此电压来判断灯管的断路情况,所有通路的OLP电压连在一起,连到驱动IC相关功能引脚。当某路灯管断路的时候对应路的OLP电压会变低,由于与门的作用,会导致连到驱动IC的反馈电压变低,驱动IC关闭输出,进入保护。
5.3 电流取样
见图5(b),经过T2降压,D5、D6整流,通过R6和R5变比,输出一个参考值IL。根据此IL值驱动IC就可以很方便地知道负载情况,通过改变占空比调节屏的亮度。
6 总结
CCFL有一些特殊性能,必须仔细考虑以最大化其效率、寿命和实用性。然而,这些特性带来了一些特殊的设计挑战,只有不断地总结和实验、改进才能使冷阴极灯发挥最大的功效,优化LCD TV的性能和安全性。
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