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t f t - l o d 背光驱动电路的设计方法研究 专 业：无线电物理 硕士生：朱文政 指导教师：黄以华副教授 摘要 近年来，各种平板显示技术飞速发展，人们已经进入平板显示的时代。目前 t f t - l c d 技术已经发展成熟，是平板显示设备的主流。为了能够在大尺寸的需求 下保持液晶显示器原有的轻、薄等特性，背光模组的设计是至关重要的。但随着 液晶面板的尺寸逐渐增大，传统背光电路成为制约l c d 面板亮度和发光效率的主 要因素。 t f t - l c d 模组中广泛使用冷阴极管荧光灯( o c f l ) 作为背光源，冷阴极管荧光 灯作为背光源具有一些无法替代的优势：高亮度、长寿命、低功耗、瞬时启动性 能优良以及稳定性好等。在传统的半桥式驱动电路中，变压器匝数比过高和开关 损耗过大使驱动电路的整体效率变得很低，同时会产生散热问题和电磁干扰 ( 蹦i ) 。另一方面，作为背光控制电路的重要功能，现有的几种冷阴极管荧光灯 的调光方法分别存在调光精度不高、效率低下和性能不佳等问题，降低了冷阴极 管荧光灯的发光亮度，减少了其使用寿命。 针对以上等问题，本文分析了冷阴极管荧光灯的背光源的研究背景和现状， 研究了冷阴极管荧光灯背光的发光原理、逆变器的拓扑结构、谐振电路以及调光 控制电路，提出了一种基于全桥逆变器的数控驱动电路，以设计优化的冷阴极管 荧光灯的驱动电路。本文设计的驱动控制电路有以下创新之处：采用了高压直流 输入的方案，在高压直流输入的情况下，相对于传统的方案，在功率相同的情况 下，所需要的电流减小，产生的损耗也相应减小，从而提高了逆变器的效率；可 以采用数字电路对逆变器进行控制，在保证了控制速度的同时提高了精准度；另 外，本文借鉴了电源技术领域中的无差拍控制技术，对其进行改进，将其应用在 冷阴极管荧光灯的驱动电压波形的控制电路中。并结合改进的无差拍控制算法提 出了冷阴极荧光灯调光控制方式：数字幅度调光和d p 删调光。系统仿真表明， 这两种控制方式极大地提高了冷阴极荧光灯的调光范围，改善了灯管的发光效 率。 关键词：背光驱动电路，冷阴极荧光灯，无差拍控制，调光 d e s i g nm e t h o d o l o g yo ft f t - l c db a c k l i g h td r i v i n gc i r c u i t m a j o r ： r a d i op h y s i c s s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r y i h u ah u a n g a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ef p d ( f l a tp a n e ld i s p l a y ) h a sd o m i n a t e dt h ed i s p l a yi n d u s t r y a s t f t - l c dt e c h n o l o g yh a sm a t u r e d , i th a sb o o o m ot h ef o r e m o s td i s p l a yd e v i c e i n o r d e rt ok e e pt h ei n t r i n s i ct i g h ta n dt h i nc h a r a c t e r i s t i co fl c d ，t h ed e s i g no fb a c k l i g h t m o d u l e si sak e yp o 洫h o w e v e r , 鹪t h es i z eo fl c dp a n e lg r o w sl a r g e rt h a nb e f o r e ， t r a d i t i o n a lb a c l d i g h ts t r u c t u r eh a sb e c o m eam a i nl i m i t a t i o no fp a n e ll i g h m e s sa n d e f f i c i e n c y c c f li sw i d e l yu s e di nt 阡l c d 懿t h eb a c l d i g h t , i tp r e s e n t sg o o dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s s u c h 的h i 【g hl i g h t n e s s ，l o n gl i f e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , i n s t a n t a n e o u ss t a r t u pa n dh i g h l ys t a b i l i t y i nt h et r a d i t i o n a lh a l fb r i d g ed r i v i n gc i r c u i t s ， t h et u r n sr a t i oo ft h et r a n s f o r m e ra n ds w i t c hl o s sa r et o oh i g h , w h i c hm a k et h ew h o l e c i r c u i ti n e 伍c i e n c y , a n da l s og e n e r a t eh e a td i s s i p a t i o np r o b l e ma n de l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( e m di s s u e o nt h eo t h e rh a n d , 鹪av e r yi m p o r t a n tf u n c t i o no ft h e h a c k | i g h tc o n t r o lm o d u l e 。t r a d i t i o n a ld i m m i n 。口m e t h o d sh a v ep r o b l e m si nd i m m i n g r a n g e ，a c c u r a c ya n de f l i c i e n c y t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h eb a c k g r o u n da n dt h es t a t u sq u oo ft h eb a c k l i g h t , a n dr e s e a r c h e d t h es t r u c t u r ea n dt h er a d i a t i o np r i n c i p l eo fc c ：f lb a c k l i g h t , t h e t o p o l o g i e ss t r u c u l o ft h ed r i v e ri n v e r t e r , r e s o n a n tc i r c u i ta n dd i m m i n gm e t h o d s 。t 1 1 e n p r o p o s e dad i g i t a lc o n t r o l l e df i mb r i d g ei n v e r t e rb a s e dc c f ld r i v i n gc i r c u i t , i no r d e r t oo p t i m i z et h ed r i v i n gc i r c u i t 1 1 坞p r o p o s e dd r i v i n gc i r o u i tm a d et h ef o l l o w i n g c o n t r i b u t e s ：w ep r o p o s e dah i g h - v o l t a g ed ci n p u ts c h e m a , c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ll o w - v o l t a g ed ci n p u ts c h e m a , t h ec u r r e n tn e e df o rt h ep r i m a r ys i d eo ft h e t r a n s f o r m e ri sr e d u c e du n d e rt h e 翻蚰ep o w e rs u p p l y , t h e r e f o r et h ec o r r e s p o n d i n g e 伍c i e n c yo ft h ei n v e r t e ri se n h a n c e d ；w ec a n u s ef p g a o rd s pt oo o n t r o lt h ec i r c u i t , w h i c he n s u r e dt h ec o n t r o l l i n gs p e e da n di m p r o v e dt h ep r e c i s i o n ；i na d d i t i o n , t h i s t h e s i sp r o p o s e dan o v e ld e a d b e a ta l g o r i t h mt oc o n t r o lt h ed r i v e rv o l t a g ef o r t h ec c f l u s i n gt h i sa l g o r i t h m , t h eb a c k l i g h tc a nb ed i m m e di nt w ow a y s ：d i g i t a la m p l i t u d e d i m m i n ga n dd e a d b e a tp w md i m m i n g 。w h i c hc a ni m p r o v et h ed i m m i n ge 伍c i e n c y a n de x t e n dt h ed i m m i n g r a n g e k e yw o r d s ：c c f lh a c k l i g h td r i v e r , c c f l ，d e a d b e a tc o n t r o l , d i m m i n g 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 珠己l 日期 ：。鲫1 年，月2 ，日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：善支止叉 l 导师签名 嗜屿罕 醐 ：伽f 朗谚日 日期：聊年，月n 扫 第l 章引言 1 1研究背景 第1 章引言 近年来平板显示技术飞速发展，相比于传统的c r t 显示器具有省电、低辐射 的优点，2 0 0 8 - 2 0 1 0 年期间平板电视占全球电视整体市场的份额将增长至7 0 ， 我国4 亿多台正在使用的电视机也面临着从模拟转换到数字的需要，预计这将形 成数千亿元的数字电视市场，电视的“平板时代已经开始加速到来。当前p d p 和 t f t - l c d 的技术最能满足大尺寸的需求。但是p d p 是自发光的显示装置，会产生 亮度衰减的现象，并且加上耗电量很高，导致其寿命不长，长时间观看后可能出 现屏幕烧灼的现象，于经济性不及l c d 。相比较之下砥- l c d 是属于非自体发光 的显示装置，亮度来源于背光模组，一旦发生亮度衰减，只要更换背光中的灯管， 就可以维持原先的显示亮度【l - 2 ，在成本上优于p d p 显示技术。 由于液晶自身无法发光，需要供应亮度充足与分布均匀的背光光源，通过液 晶体偏转控制光源输出量，以达到显示的功能。背光源是提供l c d 面板的光源， 主要由光源、导光板、光学用膜片、塑胶框等组成。目前l c d 的背光源主要有平 板无汞荧光灯t a tf l u o r e s c e n tl a m p ，简称f f l ) 、发光二极管( l e d ) 、冷阴极 管荧光灯( c o l dc a t h o d ef l o r e s c e n ti a h i l p | 简称c c l 亿) 三种背光源。就应用范围而 言，平板无汞荧光灯虽然组装成本低，但是其生产工艺复杂，合格率很难得到保 证。l e d 背光的高成本、功耗和发热问题的存在，使得其目前仅局限应用于小尺 寸、单色光( 绿色、红色) 的显示应用中。近几年陆续有白色l e d 背光出现，但 是由于其亮度较暗，基本上用于4 英寸以下小尺寸液晶显示，如：手机、p d a 、 或可携式仪表等。全色( 白光) 、大尺寸亮度背光源，现在主流仍然是用冷阴极管 荧光灯为光源，而且经过多年的开发，技术较成熟，性能稳定。作为驱动l c d c c f l 所必需的关键零组件，l c d 背光驱动电路的好坏，往往成为液晶显示器的 关键技术之一。 普通的中小型l c d 显示设备需求的冷阴极管荧光灯作为背光灯的数量少，所 需要的变压器数目相应的也少；而在大型的t f t - l c d 显示设备方面，随着l c d 中m 大学嘲掌论文 t v 产品出货规模继续扩大，l c dt v 所用的驱动电路市场成长需求猛增。是未来 产业的增长来源图i - i 为中小型l c d 显示设备与l c dt v 采用c c f l 作为驱动背 光的需求预测圈，其产值逐年增长并且l c dt v 用c c f l 驱动电路的市场产值 远远大于中小型l c d 显示设备，大尺寸用的背光驱动电源成为最快速成长的市 场之一。 2 5 m 日 3 岫 m r 哲 e u 口h _ 螺h 日 _ wl c u 。0 嚣等i 二p 。婴”e 帅自 1 4 r h 日，o删” j oo c a “t r o w 圈i - i 中小型呦显示设备与l c i ) t v 采c c f l 作为驱动背光的需求预涮。 目前国内的大尺可 t f y - l c d 显示市场基本由韩国、日本等地区企业垄断，特 别是港、台厂商凭借同属优势快速进军内地市场，目前，台湾的很多厂商在上海 均设立丁办事机构和营销部门。虽i ! l 国内对大尺寸 壹晶产品的需求不断增长，但 是内地的驱动i c 设计厂商却一直无法与之竞争。 1 2 研究现状 全球的l c d 以及背光源的产业以亚洲为中心，目前主要的研究开发商可生产 企业主要有z 日本的斯坦雷电器、富士通化成、韩国的三星、w a o y o 血g l 我国 台湾省的奇美电子、中华映管、广辉电子t 德国的欧司朗、s y l v a m a 等等嗍。在 冷阴极管荧光灯的集成控制电路方面世界上很多公司推出了一系列的专用或通 用集成控制电路，如b i t 、英飞浚，凹凸科技、m 等。这些芯片的出现，大大简 化了c c f l 驱动电路的设计，可以方便地实现灯故障检测、控制、保护等功能。 其中美国m ( i n n a t i o n a lr e c o i l 哪公司为了方便它的电子镇流嚣用集成电路使 用和高频交流电子镇流器电路设计推出了相关设计软件b d a ( b a i a 暑td e s i g n a s s i s t a n t ) ”】，使用该软件可以对给定的电路类型、集成电路型号、灯号和输入电 第1 章引言 压范围等技术要求可生成相应的电路图、元件表、相应技术参数，良好的使用 界面具有使用简单、方便、直观和物理概念清晰的优点，可以加快设计进程。 目前对于冷阴极管荧光灯的驱动电路的设计主要向两个方向发展。一是采用 压电变压器的小型化l c d 的冷荧光灯管的驱动醐，由于压电变压器具有的电机 电的能量转换机理，使得电能和机械能可以在同一平面上进行转换，从而实现 变压器的片型化，由于小型l c d 背光所需要的功率较小，因而压电变压器广泛地 应用在小型l c d 背光驱动电路中；另一个方式是采用传统的绕线式变压器来设计 大尺寸t f t - l c d 的背光驱动来驱动多个灯管，但是在设计这种驱动电路的方式的 时候，一般还是沿用传统的单灯管的驱动方式，即通过相应的适配器将2 2 0 v 交 流电转变为1 2 v 的直流电压，低压直流电源通过逆变器和谐振网络转化成所需要 的高压高频交流电p - 埘。 在逆变器的研究设计方面也大多采用r o y e r 型或者推挽拓扑，其中，r o y e r 逆变器由于成本低廉，被广泛地应用于背光驱动电路中【i l 】，但是其转换效率不高， 因此这种架构很少用在大尺寸的显示设备中。目前在大尺寸的l c dt v 中驱动多 灯管的方法为采用多个逆变器分别驱动灯管，因此在同时考虑驱动电路的体积和 转化效率的情况下，一般采用半桥驱动的拓扑结构【1 0 1 。 内地对于t f t - l c d 的背光驱动电路的研究起步较晚，虽然最近几年发展很 快，形成了一定的发展规模，但是大多数生产厂家的产品只要求点亮灯管，调光 电路的设计也很不完善，对于具体的技术性能和安全性能也没有严格的要求，导 致国产l c d 显示器的使用寿命短，性能存在着缺陷，无法满足国内外高端市场的 需要。因此，对于t f t - l c d 背光驱动电路的设计和开发都有极大的经济意义以及 广阔的市场前景。 1 3 课题介绍及个人贡献 1 3 1课题介绍 ( t f r l c d 背光驱动电路的设计方法研究是本人导师黄以华副教授主持的 广东省自然科学基金资助项目，目的是对液晶驱动电路领域进行研究，分析现有 的驱动技术，以及提出自己的电路设计方法。本项目改变了传统驱动电路中的低 中山大学硕士学位论文 压直流供电的架构，采用高压直流电源直接给逆变器供电，同时可以驱动多个灯 管，提高了电源的利用率，降低了损耗。其中本文提出的基于无差拍控制算法的 背光源控制与调光技术可以给冷阴极管荧光灯提供稳定良好的正弦工作电压，提 高了背光调光的对比度，代表着大尺寸l c d 的背光控制电路的发展方向。 本人在该项目中负责背光电路系统的整体架构设计以及硬件和算法部分的 分析与研究工作。 1 3 2主要贡献与创新点 本文基于现有的一些冷阴极管荧光灯的驱动电路架构，设计了一个基于数字 控制的冷阴极管荧光灯可调光驱动电路的设计，主要贡献如下： 提出了基于高压直流供电的逆变器设计：本文采用了高压直流输入的方 案。在高压直流输入的情况下，相对于传统的方案，功率相同，则所需要的电流 减小，所产生的损耗也相应减小，从而提高了逆变器的效率。 设计基于p i 控制器的功率因数校正电路：为冷阴极管荧光灯逆变器的输 入提供可靠的高压直流源，提高了电源的利用率。 提出了一种多灯管驱动的电路架构：针对目前大尺寸l c d 显示器中驱动 多灯管时需要用到多个逆变系统或者多个变压器来驱动，驱动电路的体积无法减 小的问题，提出了一种多灯管的驱动结构，也即将多个灯管并联放置于变压器的 次级侧，由于采用了高压直流电源作为输入，因此即使在多灯管的情况下，变压 器的初级侧所需要的电流也不是很大。 改进无差拍控制算法：一直以来无差拍控制算法都只能应用于低频的波 形控制领域中，本文对其进行了改进，使之应用与冷阴极管荧光灯驱动电路中。 同时提出了基于系统参数辨识的无差拍控制算法的参数确定方式。通过实际电路 的测量参数而得到的无差拍算法所需要的参数，消除了计算时的假设误差，可以 做到控制器参数与对象参数的准确配合，达到最佳效果。 提出了基于无差拍算法的两种调光方式：其模拟调光存在非线性和调光 范围窄的缺陷，低频脉冲调光会产生电流毛刺的现象。针对这些问题，本文依据 冷阴极管驱动器的电路特性，提出了基于改进的无差拍算法的两种调光方式：幅 4 第l 章引言 度调光和d p w m 调光。 论文结构 论文一共分为七章 第一章为引言。主要介绍本项目的研究背景、研究现状、研究目的以及本人 在项目中所做的工作，指出本课题研究的意义。第二章说明背光模组内部的结构、 功能以及构成背光模组的背光源的种类。其中对于目前应用最广泛的冷阴极管荧 光灯背光做了详细的介绍，分析了冷阴极灯管的发光原理、物理特性以及电气特 性，从而分析得到冷阴极管荧光灯驱动设计的要素。第三章对现有的冷阴极管荧 光灯驱动器的驱动电路的基本拓扑结构进行分析，并且分析对比了几种谐振电 路。从而能够综合考虑各种电路的优缺点、电路成本以及应用场合，选择最适合 大尺寸l c d 背光驱动电路的架构。第四章：针对现有的冷阴极管荧光灯驱动电路 中电源利用效率所存在的不足，提出了高压直流源直接驱动逆变器的架构。设计 了一种基于p i 控制的数控功率因数校正电路，为逆变器提供稳定的直流电压。第 五章是本文所提出的电路主结构设计，其中提出了一种多灯管的驱动方法，同时 改进无差拍算法，使该算法可以应用在冷阴极管逆变器这种高频信号输出的电路 中，并且在此基础上对于无差拍算法方程的参数进行了优化，使控制器参数与对 象参数的准确配合，达到最佳效果。第六章研究冷阴极管荧光灯调光方式，分析 了各种调光方式的特点。在我们提出的无差拍算法的基础上实现两种调光方式： 数字幅度调光和d p w m 调光，能够有效弥补传统的调光方式中存在的不足。第七 章：总结与展望。总结全文并且进一步提出t f t - l c d 背光设计的发展方向。 5 中山大学硕士学位论文 第2 章背光源模组 液晶显示器不同于其他自发光性显示器件，在整个显示器件中，液晶背光模 组扮演着光阀的作用，通过不同的驱动电压来改变液晶的排列状态，控制通过光 阀的照明光亮度，达到灰阶的显示效果。依据照明光的来源可将液晶显示器的显 示效果模式分为穿透式、反射式及半穿透反射式的显示器。 穿透式显示器是由液晶面板与背光源所组成，整个显示器的光量由面板下方 的背光源所提供。反射式液晶显示器则是以外界环境光为光源，并利用液晶面板 下方的反射板将照明光进行反射，这种模式省去了提供光源的背光模组，所以降 低了整个液晶显示器的制作成本，并且大幅减少电源的消耗功率，当户外光线越 强时，所呈现的图像愈清晰。因此，反射式显示器主要应用于便携式电子产品上。 本章主要介绍穿透式液晶显示器的背光模组的内部架构，以及冷阴极管的发光原 理，并且说明冷阴极管的物理特性以及电气特性。 2 1背光模组【1 2 1 由于液晶显示器属于非自发光性的显示装置，因此需要有其他装置来提供光 源，现在大部分的液晶显示器多采用穿透式的背光技术，而背光模组主要提供液 晶面板均匀、高亮度的光线来源，基本原理系将常用的点或线型光源，透过简洁 有效光转化成高亮度且均一辉度的平面光源。 一般而言，背光模组可分为前光式与背光式两种 1 3 4 1 ，而背光式可依其规模 的要求，以灯管的位置做分类，分别为侧光式结构与直下型结构。 2 1 1侧光式结构 在侧光式结构中，发光源只采用一支冷阴极管，放置在模组的侧边，利用楔 形构造使得光源能够均匀地反射到整片模组，导光板采用射出成型无印刷式设 计。这样的结构可以减少模组的厚度，拥有轻量、薄型、窄框化、低耗电的特色。 6 第2 章背光源模组 一般常用于1 8 时以下中小尺寸的背光模组，为手机、p d a 、笔记型电脑的最佳光 源。其结构如图2 1 所示。 2 1 2直下型结构 图2 - 1 侧光式背光结构 侧光式模组的导光板因为可以放置的灯管数量有限，因而在大尺寸的背光模 组中，侧光式结构已经无法在重量、消费电力及亮度上占有优势，因此不含导光 板且光源放置于正下方的直下型结构便被开发出柬。 这种结构是通过自发光性光源( 例如冷阴极管、发光二极管l e d ) 射出光线， 经过反射板反射后，向上经过扩散板均匀分散后从正面射出光亮。因为安置空间 变大，灯管可以按照面板的需要使用2 到多支灯管，但是同时也增加了模组的厚 度、重量、耗电量；其优点是可以提供高辉度、良好的出光视角、光利用效率高、 结构简单等，因而适用于对可携性及空间要求较不挑剔的液晶显示器与液晶电视 等应用中，其结构如图2 - 2 所示。 2 2背光源的种类 图2 - 2 直下式背光结构 由于液晶本身无法发光，需供应亮度充足与分布均匀的背光光源，通过液晶 7 中山大学硕士学位论文 晶体偏转控制光源输出量，从而达到显像的功能。背光源是提供液晶面板的光源， 主要由光源、导光板、光学用膜片、塑胶框等组成，背光源具有亮度高、寿命长、 发光均匀等特点。目前液晶显示器背光源主要有无汞平面光源( f l a tf l u o r e s c e n t l a m p 。f f l ) 、冷阴极管( c o l dc a t h o d ef l o r e s c e n tl a m p ，c c f l ) 以及发光二极管 ( l i g h te m i t t i n gd i o d e s 。l e d ) 。下面说明背光源的种类。 2 2 1无汞平面光源n 7 3 平板无汞荧光灯由两块玻板夹一缝隙构成的，在其缝隙中多充有氙及其它惰 性气体。在灯的一块玻板上制有阳极与阴极。工作时在阳极与阴极之间加上高电 压。使得真空内的氙气粒子，到激发成为或等激发态粒子。及等激发态粒子会立即 释放出1 4 7 衄1 及1 7 2 紫外光线，紫外光线经萤光粉转换成白光。若以背光模组的生 产加工的角度柬看，无汞平面光源做好后，等于背光模组已做好一大半，可显著 减少整个背光模组组装工时及步骤，故有利于背光模组自动化方式生产，使其组 装成本上较有优势。但其缺点是氙a b ) 放射出的紫外线波长比使用汞( h g ) 短( x e ， 1 7 2 r i m ) h g ，2 5 4 n m ) ，因此需要特殊的荧光粉调配；并且在玻璃内抽真空、封装 技术、气体量的拿捏，都成为制作无汞平面光源的技术门槛。其中最主要的问题 在于一般平面光源的电极位于玻璃内部，制作不易。因此相比之下，冷阴极管的 成本相对要低很多。 2 2 2 发光二极管( l e d ) 在各类背光产品中，现阶段技术进展最为突出的是l e d 背光源。在亮度、均 匀性、颜色、使用寿命等方面较其他背光源更有优势，是目前中小尺寸l c d 应用 的主流产品【埔】。与冷阴极管荧光灯相比，在相同的亮度之下，l e d 的消耗功率要 比冷阴极管荧光灯要低，但是在大尺寸的l c d 显示屏幕下需要l e d 的个数非常 多，在这种情况下l e d 灯很容易产生热量堆积的效应在没有良好的散热系统的 情况下，l c d 显示面板很容易发生物理性质的变化，从而损坏l c d 的现实效果。 另外，目前单个l e d 灯的价格仍然很高，在大尺寸的显示需求下，l e d 的成本是 冷阴极管荧光灯的十几倍。这些问题都是现阶段l e d 背光源应用于大尺寸l c d 显 第2 章背光源模组 示中所要克服的障碍。 2 2 3冷阴极管荧光灯( c c f l ) 冷阴极管荧光灯等属于低压水银放电灯，它是在玻璃管内壁涂上一层荧光 粉，并且在荧光灯内部充入少量的惰性气体以及微量的水银。由于冷阴极管荧光 灯具有管径细、寿命长、光效高等优点，是大尺寸背光模组中最适合的光源。 2 3冷阴极管荧光灯的物理结构【2 0 l 冷阴极管荧光灯属于低压水银蒸气放电灯，内部构造如图2 - 3 所示 1 9 1 ，其结 构一般是在玻壳内部充入氩【a r 】、氖 n e 】和汞【h g 】，用镍 n i 】、钼【1 a 】、锆 z r 】或 氧化物涂复的金属作电极，灯内壁涂有三基色荧光粉。惰性气体为缓冲气体充 入气体的压强对灯的亮度、启动性能和寿命都有很大影响。 发光的方法是在灯管电极两端施加电场，开始对游离电子加速，加速后的游 离电子在与水银原子产生碰撞，进一步让原本稳定的水银原子外围的电子发生游 离，而游离中之电子处于高能阶不稳定的状态，很容易回到受激前的低能阶稳定 的状态。电子从高能阶到低能阶的过程，会激发辐射出波长为2 5 3 7 r i m 的肉眼不 可兄的紫外光，在通过荧光粉将紫外光转换成可见光。 图2 _ 3 冷阴极管荧光灯结构 冷阴极管荧光灯的最佳工作环境为4 0 - - , 4 5 1 2 。在环境温度比较低的情况下， 水银无法形成蒸汽状态，从而减少了紫外光的生成，最终导致亮度的减小；但是 中山大学硕士学位论文 另一方面温度过高也会导致亮度的减弱，因为在高温状态灯管内的大气压过高使 得生成可视光线的效率降低。 在标准灯管电流的1 2 0 的范围内，灯管的亮度按照与灯管电流成几乎1 ：1 的 比率关系变化，当灯管的电流超过标准电流的1 2 0 时灯管的亮度曲线趋于平 坦，这是因为过大的电流只能产生热量而不能生成可见光。同时电流的波形对于 冷阴极管荧光灯的发光效率也有很大的影响，正弦波可以提供最好的效率。其它 成分的谐波同样不能使灯管发光而只能产生热量。 2 4冷阴极管荧光灯电气特性 c c f l 的启动电压多在8 5 0 v 以上，而稳定工作时的电压相对要低一些，多 为启动电压的1 2 到1 3 不等，视不同的产品而定。某个具体的c c f l 的启动电 压的大小是由c c f l 的灯管长度、直径、管内气体成分、压强以及外界温度和照 度等决定。在设计冷阴极管荧光灯驱动器时，c c f l 的伏安特性是及其重要的， 对典型的c c f l 进行测试的结果表明，c c f l 在被点亮的一瞬间，加在其上的电 压非常高( 此电压就是启动电压，否则难以点亮) ，流过其上的电流非常小，所 以此时c c f l 的等效阻抗非常大，近似于开路；当c c f l 被点亮之后，一直到达 到稳定工作状态前的过程中，流过的电流逐渐增大，而压降逐渐减小，所以在这 个过程中，其等效阻抗逐渐变小；当c c f l 上的电压和电流都达到稳定值时，其 等效阻抗也达到稳定值。 1 0 l ll li l 图2 - 4 冷阴极管的特性乜1 1 图2 5 是冷阴极管荧光灯的等效电路示意图，其中。代表在正常发光的情况 第2 章背光源模组 下的工作电压，母是冷阴极管荧光灯的等效阻抗，在工作点下可以将其看作一 个固定的孕电阻c ，- 是分布在冷阴极管荧光灯内部的杂散电容和寄生电容 图2 - 5 冷阴极管荧光灯的等效电路 中山大学硕士学位论文 第3 章冷阴极荧光灯管驱动电路 3 1冷阴极管荧光灯逆变器的结构 在冷阴极管荧光灯电路的的开发过程中，逆变器的构造非常重要，因为它需 要为灯管提供稳定高效率的工作电流。本文介绍了冷阴极管荧光灯电路中常用的 几种逆变器结构。目前常用的冷阴极管荧光灯驱动电路拓扑主要有r d y e t 、半桥、 全桥和推挽四种结构。 3 1 1传统的r o y e r 拓扑结构陇啦! 基于r o y e r 拓扑的驱动电路又可称为自激式驱动电路。其开关切换频率由谐 振频率决定，在灯管启动前灯管电阻可视为无穷大，理想的电压增益为无穷大， 可轻易达到灯管的启动电压，因此电路的参数在设计时只需考虑稳态时是否谐振 以及供给灯管是否足够等问题。除此之外，r o y e r 驱动电路利用变压器的漏感来 产生谐振，所以设计变压器时除要考虑漏感值之外，为了避免铁芯饱合，必须考 虑谐振电流大小。 r o y e r 驱动电路为自激式的驱动电路，切换频率由谐振频率决定。常见的调 光型r o y e r 型式驱动电路以降压转换器作为前级，利用调整电感来影响灯管平均 电流达到调光的功能洲。r o y e r 型驱动电路如图3 1 所示。 c c f l 图3 - 1r o y e r 型驱动电路结构 由于r o y e r 架构是自振荡设计，受元件参数偏差的影响，很难严格控制灯频 第3 章冷阴极荧光灯驱动电路 和灯电流，而这两者都会直接影响灯的亮度。所以，r o y e r 架构的最佳应用在不 需要严格控制灯频和亮度的设计中，很少被用于l c dt v 中，尽管它是所述四种 架构中最廉价的。 3 1 2推挽拓扑结构啪1 推挽电路如图3 2 所示，推挽逆变器通过s 、岛交替导通，可以在线圈n 3 一 侧感应出方波电压以提供给谐振电路使用。当墨、是不断地交互导通、截止， 谐振网络的输入两端可以得到振幅为+ 瓮和一瓮此外，当开关岛打开、 墨关闭是。电流流经线圈2 向岛流动，此时线圈m 、m 有电压感应产生，开 关蜀两端所承受的电压为线圈l 的感应电压加上输入电压，当若匝数比为 m = 2 ，则开关管耐压相当于2 。同样地，开关墨打开，岛关闭时，开关是 的耐压也为2 。在选择功率开关元件时，成本较高。另外，由于推挽电路对 于变压器的设计要求比较高，在高压输入的情况下很难得到正负对称的电压输 出，因此这种结构不适合应用在高电压输入的场合。 一卜- 谐振网络 m 图3 - 2 推挽型驱动电路结构 3 1 3半桥拓扑架构啪1 半桥拓扑如图3 3 所示。电路中有两个功率开关管墨、岛：和两个电容q 、c 2 ， 两个功率开关管在开关驱动脉冲的作用下交替导通与断开田舶1 。 当开关管墨导通时，输入电压经电容g 、变压器初级绕组和开关管墨为 变压器初级线圈激磁，同时经变压器次级的灯电路网络给灯负载供电。当开关管 1 3 中山大学硕士学位论文 墨关断、岛导通时，输入电源经开关管是、变压器初级绕组m 和电容q 给变压 器初级线圈激磁，同时经变压器t 次级的灯电路网络给灯负载供电。逆变器的直 流电源通过开关管s 、最交替给变压器激磁并为灯负载供电。变压器初级绕组m 11 的脉冲电压幅度为寺，同样电容c l 、c 2 上的电压均为寺。 二 在半桥开关逆变器中要注意避免功率开关管s 、最的共态导通问题，以免 使两个开关管瞬间损坏，导致电路烧毁。这可以通过让s 、最功率开关管的导 通时间相互错开来解决，相互错开的最小时间叫做死区时间。 在功率开关管由饱和导通转为截止关断的过程中，由变压器t 的漏感引起的 尖峰电压被二极管墨、岛钳位，因此，功率开关管上承受的最高电压不超过输 入电压，并且功率开关管的数量只有全桥开关逆变器的一半，成本相对较低。 这是半桥开关逆变器的优点之一。半桥电路结构简单、高效，一般在3 0 0 w 左右 的开关逆变器中应用较多。但是由于它的每个功率开关管上的电压只有电源电压 的一半，所以要输出相同的功率，每个功率开关管中流过的电流要比全桥逆变器 大一倍。 s 1 c 1 = + ： 1 一 c 2 二 s 2 一卜 谐振网络 m 图3 - 3 半桥驱动电路结构 3 1 4全桥拓扑架构 半桥拓扑如图3 4 所示。电路中有四个功率开关管墨、足、岛、瓯，在开关 驱动脉冲的作用下交替导通与断开 2 7 - 2 s 。 1 4 第3 章冷阴极荧光灯驱动电路 一卜 谐振网络 m 图3 4 全桥驱动电路结构 其功率开关由驱动控制电路控制，使得功率开关墨、最、墨、文交互导通 及截止产生方波。经升压变压器t 将方波升压至n 倍，再经由谐振电路来产生高 压交流来驱动冷阴极管。其中由谐振电感是可以由升压变压器等效漏感所产生， 故谐振电感的大小可以由绕制升压变压器时做调整。谐振网路由谐振电感、谐振 电容及灯管所组成。全桥拓朴结构有相位移( 调相) 的功能。在相位移控制下， 全桥电路可以视为是两组半桥电路的合成，则利用两半桥间的相角差，可在谐振 电路上产生类似脉波宽度调变( p w m ) 的效果。通过控制匕。脉宽来控制施于谐 振电路上电压基本波的振幅，从而可以达成调光控制的目的。 3 2谐振电路 谐振电路的电路结构有很多种类印4 0 】，典型的谐振电路有串联谐振电路、并 联谐振电路及串并联谐振电路三类。 本节针对三种典型的谐振网络逐一介绍，但是在分析之前必须做出一些假 设： 所有的开关器件都为理想元件，从而可以简化逆变器的电路输出模型； 电容、电感均不消耗功率； 逆变器的输入电源为理想的直流电压源； 电路的品质因数足够高，可以使得流经谐振元件的电流以及灯管电流近似 与正弦波，因此可以用基波近似法来分析电路 3 1 】。 中山大学硕士学位论文 其中，基波近似法的基本观念是将方波电压按照傅立叶级数展开表示，展开 之后的结果是无限多个不同频率的正弦波电压的线性组合。在这个条件下，加入 谐振网络的品质因数足够高，那么谐振电路对于频率的选择性越好，只允许基波 成分的正弦波可以通过，其它成分的频率成分都被过滤掉。如果谐振网络的品质 因数不够高，那么电路的输出与理论值会有极大的误差。 3 2 1串联谐振电路 串联谐振电路( s e r i e s - l o a d e dr e s o n a n t ；s l r ) 由电感、电容c ，以及三 者串联，如图3 5 所示。 1 6 图3 - 5 串联谐振电路模型 谐振电路的输入电压对输出电压的转移函数大小为： 其中电路在谐振状态下的角频率2 丽1，品质因数q 2 苦 其增益如图3 6 所示 ( 3 1 ) 第3 章冷阴极荧光灯驱动电路 图3 - 6 串联谐振电路增益曲线 从转移函数大小可以看出，电压增益的大小由切换频率来决定，当切换频率 等于谐振频率时电压增益约等于1 。但不管q 值为何，虼都不会大于圪，也就是 电压增益永远不会大于l ，这种特性对于需有较高电压启动的冷阴极管荧光灯将 会无法点亮，凶此，串联谐振串连负载应用于冷阴极管荧光灯逆变器时，需要额 外的升压电压器以帮助灯管点亮。 3 2 2并联谐振电路0 3 2 l 并联谐振电路( p a r a l l e l - l o a d e dr e s o n a n t ；p l r ) 由电容c r 以及并联之后 的电路与电感i r 串联组成，如图3 7 所示。 三， 图3 7 并联谐振电路模型 谐振电路的输入电压对输出电压的转移函数大小为： r 帅 1 7 1 9 8 7 6 5 4 3 2 ， 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 中m 大学| 学位论文 i 渊l = ( 3 2 ) 其中电路在谐振状态下的角频率嘞2 了雨i品质因数q 2 等2 c k 其增益如图3 8 所示 罔3 - 8 并联谐振电路增益曲线 从特性曲线图可以看出当输出负载越大时即可以得到越大的品质因数，谐 振电路的电压增益越大。冷阴极管荧光灯未点亮前灯管阻抗很大，一次可以产生 高电压用来来动灯管，又不用增加变压器的线圈匝数比，便能提供灯管所需的高 电压。 3 2 3串并联谐振电路 串并联谐振电路( s e r i e s - p a r a l l e b l o a d e dr e s o n a n t ；s p l r ) 由电容c 以及r 脚 并联之后的电路与电感上，以及电感e 串联组成，如图3 9 所不。 第3 章降阴撤黄 灯驱自】b 路 h3 - 9 串并联谐振电路模型 谐振电路的输八电压对输出电压的转移函数大小为 黼瞩1 ( 3 - 3 ) 其中电路在谐振状态下诵角频率峨2 赤，品质因数 。= 鲁稚一去一导 其增益如图3 - 1 0 所示 l 纠3 - 0 半，f 联谐振电蹄增益曲线 中山大学硕士学位论文 3 2 4三种谐振电路的比较 冷阴极灯管启动前等效为高电阻，并且启动电压需要较稳态灯管电压的数 倍，三种谐振电路在电阻值减小时，电压增益均会减小，但串联谐振电路最大电 压增益值为仅仅为1 ，而谐振电路输入电压最少要大于灯管的启动电压，因此较 不适合应用于冷阴极管荧光灯驱动电路；而并联谐振电路及串并联谐振电路在灯 管启动前电压增益可以大于l ，也就是说输入电压可以低于启动电压，利用谐振 电路提供足够大的电压使冷阴极灯管启动，等到灯管启动完后又能提供灯管较低 的电压。所以较适合应用于冷阴极灯管驱动电路。另外，通常在并联谐振电路中 也会在电路变压器的初级侧采用隔离电容q 可以将电源的直流成分隔离，但是 其电容值远大于谐振电容【3 3 1 ，因此在进行电路分析的时候可以将其忽略。 3 3变压器的等效电路模型嗽1 在冷阴极灯管的驱动电路中，需要一个变压器把直流电转换成高压交流电输 出，同时还起着隔离的作用。变压器的构造会影响漏感的大小，漏感的大小关系 着电路的谐振频率，因此在设计冷阴极灯管驱动电路之前我们必须得出变压器的 等效电路模型。 3 3 1理想的变压器等效模型 图3 1 l 为一个理想的变压器模型，如图所示，变压器的初级与次级的电压比 与变压器初级与次级线圈的匝数比是相同的，也就是巧= 2 n , 。 n 1n 2 耦合系数为1 图3 - 11 理想变压器等效模型 第3 章冷阴极荧光灯驱动电路 3 3 2实际变压器的等效模型与漏感 图3 1 2 为实际的变压器模型，如图所示，初级线圈一侧所产生的磁通量可能 没有完全被感应到次级线圈上，通常来说可以将泄漏出去的磁通量等效于初级线 圈上串联一个小的电感值，如图所示，变压器的初级与次级的电压比要小于变压 器初级与次级线圈的匝数，也就是圪巧 2 n , n 2 耦合系数 1 图3 - 1 2 实际变压器等效模型 3 3 3气隙变压器的等效电路 在一些高频电路的应用中，要应用到高频变压器，一般在这种电压其的内部 结构中要留一部分气隙，功能是为了防止铁芯磁饱合，这种气隙的结构也会产生 漏感的效果。图3 1 3 为实际的变压器模型。在冷阴极荧光灯管的驱动电路中，需 要利用这个漏感达成谐振频率，也就是说漏感的大小将会决定整个驱动电路的工 作频率，因此在设计变压器的时候漏感值的大小的精确测量也是非常重要的。一 般来说想要的到较大的漏感