（电工理论与新技术专业论文）tftlcd背光源冷阴极荧光灯电源控制芯片的设计.pdf

上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p sa r ew i d e l yu s e da s 锄o p t i m u ml i g h t 翻o u l c ef o rt f t l c d ，b e c a u s eo ft e c h n o l o g ym a t u r e s ，p r i c e s ，e t c t h i sp a p e rd e s i g n e dat f t l c d b a c k l i g h tc c f lc o n t r o lc h i p sf o rt h e h i g h - v o l t a g es t a r tc u r r e n ts t a b i l i t y , r e s o n a n tc i r c u i t s ，d i g i t a ld i m m i n g , a b n o r m a lp r o - t e c t i o ni s s u e so fc c f la n dt h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i td e s i g nm e t h o d s b a s e do nt h e d i g i t a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h ec h i pc a na c h i e v et h ec o l dc a t h o d ef l u - o r e s c e n tl a m pb r i g h m e s sf r o m0t o10 0 o ft h er e g u l a t i o na c c o r d i n gt ot h en u m b e ro f l a m p ，o w nc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s t h em a i ni n n o v a t i o n si n c l u d e ： 1 t h ec h i pi n t e g r a t e st w oi n d e p e n d e n tp w m s u b s y s t e m s ，e a c hs u b s y s t e mi si n - d e p e n d e n to fa n o t h e rs u b s y s t e m n o to n l yt h ec h i pc a nd r i v et w oc o l dc a t h o d e f l u o r e s c e n tl a m p sa tt h es a m et i m e ，b u ta l s ot h et w oc o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p s c a nb er e s p e c t i v er e g u l a t e d 2 u s eo fs o f t - s t a r tt e c h n o l o g y , c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p si nt h ep r o c e s so f o p e ng r a d u a l l yc h a n g ef r o md a r kt ob r i g h t , t h i sc a l lo p e nt h ep o w e rt op r e v e n tt h ei n - f l u xo fc u r r e n t 3 w i t hl o w - f r e q u e n c yd i 百t a ld i m m i n gf u n c t i o n r e g u l a t i o no fl o w - f r e q u e n c y p u l s ed u t yc y c l e ，t h ec h i pc a ne n s u r et h ep o w e rm a t c h i n gl a m p ，b u ta l s or e a l i z e 0 , - 10 0 t h ed i m m i n gr a n g e 4 t h ec h i pc a nb ea c h i e v e d 、加mt h ep h a s et w or e v e r s ew a y sd i m m i n g t h i sc a n i n c r e a s et h eb a c k l i g h tb r i g h t n e s sa d j u s t m e n tr a n g e b a s e do nt o p d o w nt h i n k i n go ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g n , t h i sp a p e ri sc o m - p l e t e da c c o r d i n gt ot h ec i r c u i ta n a l y s i sa n dd e s i g n ，s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n , l a y o u td e s i g na n dv e r i f i c a t i o n t h ef i r s tt h i sp a p e rd e s c r i b e st f t l c db a c k l i g h ta n d c c f lk n o w l e d g e f r o mt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ec h i p ，m o d u l ed i v i s i o nt os t k r to n t h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e t h e nt h ek e yf e a t u r e so ft h ec h i p a r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e d ，a n dt h ew h o l ec i r c u i tc h i pf u n c t i o ni ss i m u l a t e d t h e nt h e k e yf u n c t i o nm o d u l e so ft h ec i r c u i tl a y o u td e s i g na n dt e s tc h i pa r ec o m p l e t e d f i n a l l y ， t h ep a p e rs u m m a r i z e d l a s ts u m m a r i z a t i o na n d e x p e c t a t i o na l ec o m p l e t e d k e y w o r d s ：t i 叮- l c db a c k l i g h t , c c f l ，p w m ，d i s t a ld i m m i n g v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特另, j d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：燃乞日期：2 竺王三：岁 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 醐：钾 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市科委基地建设攻关基金项目，项目编号：0 6 d z 2 2 0 13 。 1 2 t f t - l c d 背光源国内外现状 近年来，我国信息产业迅速发展，已成为仅次于美国的世界第二大信息产业 国，国家信息产业部确定了我国信息技术创新的发展目标：到2 0 1 0 年，我国主 要信息技术领域的知识产权拥有量将居世界前列，技术水平与发达国家同步，使 我国成为世界信息技术强国，并成为信息技术的主要出口副1 1 。由于液晶电视、 移动可视电话、p d a 、数码相机以及各种新概念消费产品等需求的增长，使得平 板显示器产业出现了大幅度攀升。平板显示器所具有的功耗、体积优势以及相应 制造工艺的不断成熟，使她取代了传统c r t 显示器而占据市场主流。液晶显示 器产业是信息社会的龙头产业，在未来5 - 1 0 年内，l c d 将进入家庭，并全面深 入到社会生活的各个领域。背光源作为l c d 最重要的配件之一，其开发与发展 将是l c d 产业发展十分重要的一个环节。我国近几年来对背光源的需求量急剧 上升，据统计，2 0 0 3 年对各种规格背光源的需求量达到1 0 0 0 万块，产值达5 亿 美元。若按1 0 的利润计算，年利润可达5 0 0 0 万美元。此外，全球的背光源 市场也很大，仅笔记电脑和台式显示器对背光源的年需求量就达5 2 0 0 万块，并 且每年还以2 5 的速度在递增。我国背光源的研制进展十分缓慢。为了满足国 内外市场的需求，必须加速研究和生产高效率、长寿命的背光源，改变我国目前 背光源产品档次低、效率低、寿命短和生产技术落后的状况。由于l c d 面板本 身不具发光特性，因此背光源市场主要根据l c d 产品市场的变化而变化， d i s p l a y b a n k 最新报告显示今年全世界t f t - l c d 用c c f l 的需求预计超过2 7 亿 个。并预测2 0 1 0 年其需求将超过3 0 亿个。 现在几乎所有的较大面积的l c d 显示器都使用c c f l ( 冷阴极荧光灯) 背 光，这些c c f l 的驱动需要非常高的交流电压波形。一般笔记本和显示器的面板 只需要一个c c f l 控制器，然而大面板、t v 类型的显示器要求更亮的背光，也 上海大学硕士学位论文 即需要更多的c c f l ，因而需要更多的驱动器。从t f t - l c d 的切面结构图1 1 可以看到l c d 是由二层玻璃基板夹住液晶组成的，形成一个平行板电容器，通 过嵌入在下玻璃基板上的耵可对这个电容器和内置的存储电容充电，维持每幅 图像所需要的电压直到下一幅画面更新。液晶的彩色都是透明的必须给l c d 衬 以白色的背光板上才能将五颜六色表达出来，而要使白色的背光板有反射就需要 在四周加上白色灯光【2 1 。 图1 1t 兀- l c d 的切面结构图 由于l c d 面板本身并不发光，因此需要背光，液晶显示器就必须加上一个 背光板，来提供一个高亮度，而且亮度分布均匀的光源。l c d 实际上是打开来 自其后面光源的光来表现其色彩的。目前的常用背光源是c c f l 或l e d 。 1 3 c c f l 驱动模组的市场分析 由于l c d 面板本身不具发光特性，必须依赖背光模组来达到显示的功能。 冷阴极荧光灯具有体积小、表面温升小、亮度高、功耗低、寿命长等特点成为背 光源的主流。用来驱动c c f l 的控制电源，一般称之为i n v e r t e r 。背光模组主要 是由i n v e r t e r 、导光板、棱镜片等组成，其成本约占l c d 模组的3 5 ，所消 2 上海太学颈士学位论文 耗的电力占模组的7 5 ，是l c d 模组中最耗电的零组件，且愈大寸数的l c d ， 其背光模块所占的成本比重就愈高。作为驱动冷阴极荧光灯所必需的关键零组 件，l c di n v e r t e r 的好坏，往往成为液晶显示器的关键技术之一。背光源市场主 要根据l c d 产品市场的变化而变化，根据台湾资策会统计：全球l c d 市场在 整体数量上每年将以1 5 以上的速度成长，使得l c d i n v e r t e r 用量也大幅成长。 2 0 0 5 年的全球市场产值规模在达到3 9 亿美元，估计到2 0 1 0 年，将达到6 3 亿 美元，如图12 所示。 7 0 6 口0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 。0 0 0 2 口0 5 加嘶2 0 0 r 那呻2 d 0 92 0 1 0 ( m i l l i o a s o f i ) 图12 全球c c f l i n v e r t e r 成长估计 就应用范围而言，l c dm o n i t o r 背光需求c c f l 数量少，所需变压器数耳 亦少，带动l c di n v e r t e r 产业增量有限；而在l c dt v 方面，随着l c dt v 产品出货规模继续扩大，l c dt v 用i n v e r t e r 市场成长需求猛增，才是未来产 业真正的增长来源。图1 3 、图14 分别为l c dm o n i t o r s 与l c dt v 用c c f l i n v e r t e r 区域市场预测图，其产值逐年增长，并且l c d t v 用c c f l i n v e r t e r 的 市场产值远远大于l c dm o n i t o r s ，大尺寸用的背光驱动电源成为最快速成长的 市场之一。 i l 武篙瞌蒇 目。- e ur a 口 0 q- r o w 口c a l a 图1 , 3 全球l c d m o n i t o r s 片j c c f l i n v e r t e r 区域市场预测囝 2 0 0 52 0 鹏2 0 0 7 2 0 0 52 0 0 9 如1 0 口h o 帅a m e u r o p e ( m f l h c f s 口地a口c a l a r 。w 目1 a 全球l c d 用 c c f l i n v e r t e r 区域市场预测图 上海大学硕士学位论文 中国是液晶显示器背光源巨大的潜在市场。据日本i d c 和夏普提供的资 料，2 0 0 5 年全世界液晶显示器市场约为3 6 0 亿美元。目前l c d 背景照明已引 起各方面广泛的关注，同时由于仪器仪表的便携趋势，尤其是迅速发展的电脑市 场的影响，笔记本电脑、摄像取景器、数码像机及仪器仪表通常都采用l c d 显 示屏，从而也就需要背景照明。因此，受液晶显示器的市场拉动，背光源产业将 呈现一派繁荣的景象。我国的背光源生产仍处在起步阶段，目前尚未形成规模经 济，t f t - l c d 背光源几乎全部依赖进口。因而，研究开发t f t - l c d 背光源并 逐步推进产业化进程，具有重要的经济和社会意义。 目前国内市场c c f l 控制芯片需求量巨大，如日本r o h m 公司的c c f l 控 制b d 9 8 8 3 f v 和b d 9 8 8 4 f v 两款芯片的月供应量就达到了1 8 5 0 千片，而国内市 场c c f l 驱动电源的主要由r o h m 、v i c o r 、a s t e c 、i 。a m b d a 、e c c s o n 以及t i 和d a 等国外公司控制，国内在c c f l 控制芯片设计几乎是一片空白， 该课题可以弥补我国在c c f l 控制芯片设计的空白，配合上海市政府打造上海液 晶显示基地的战略布局，同时集成电路设计是软技术，对环境基本无影响，实现 可持续发展。继成功推出一系列g r e e nm o d e la c d cp w m 电源控制i c 后，昂 宝电子又推出一系列c c f lc o n t r o l l e ri c ，可广泛用于l c d m o n i t o r 、l c d t v 、 n o t e b o o k 以及工业设备、汽车、手持设备中的液晶显示器【3 】。相比较业内其它通 用的c c f lc o n t r o l l e ri c ，昂宝电子的系列芯片具有其鲜明的特点：整个系列芯 片具有高精度的电压参考和频率控制，均支持系统宽电压输入，灵活的系统参数 设定可以满足客户的对系统设计的不同要求。同时芯片组也提供了各种形式的失 效和安全保护。芯片外围电路设计非常简单，可以很大程度上降低系统成本，对 用户非常具有吸引力。在调光控制方面，昂宝电子的c c f lc o n t r o l l e ri c 系列芯 片能提供了灵活的调光模式，包括内部模拟，b u r s t 和外部l p w m 调光控制3 v 直流电压直接调光控制，内部b u r s t 和外部模拟组合调光控制，供客户根据需要 随意选择。m a x i m 专业提供c c f l 控制芯片，具有低成本，外围器件少等优点。 d s 3 9 9 1 单通道c c f l 控制器。显示器的背光应用，提供推挽驱动和半桥驱动两 种驱动架构，所需外部元器件数量最少，降低元件及装配成本，简化p c b 设计。 d s 3 9 9 1 可对灯管故障监测，监测灯管的开路，过流，启辉失败及过压故障。 d s 3 8 8 2 双通道c c f l 控制器，理想用于导航，娱乐终端及仪表盘的l c d 背光， 也适合航海及航空系统。d s 3 8 8 2 具有e m i 抑制特性，并且提供灯管电流过流驱 4 上海大学硕士学位论文 动模式。外围元件为单管或双灯管结构提供独立控制，多片d s 3 8 8 2 可级联工作， 以支持多于两个灯管的应用。初始化编程设置后，可以通过i i c 软件通信实现对 d s 3 8 8 2 的控制。如果不希望用软件控制，也可以通过引脚设置实现d s 3 8 8 2 的 众多功能d s 3 8 8 2 对逐通道灯管故障监视，用于监视灯管开路，灯管过流，启动 失败及过威等故障，状态寄存器报告故障状态。c c f l 逆变器控制芯片方面，大 尺寸l c dt v 电源功率大部分为背光源所消耗，昂宝电子的c c f l 逆变器控制芯 片中采用了具有完全自主知识产权的技术，使整个逆变器系统的性能获得极大改 善。能提高转换效率，延长灯管寿命，提高系统的安全性，降低成本，提高灯管 高亮度控制的动态范围。自主创新的自适应z v s 技术有效提高系统的效率；自 主知识产权的“间歇工作模式”技术使系统的调光动态范围极大提高；自主创新的 前馈补偿技术使系统在全电压范围内的输出电流恒定性极大改善，完全满足高端 的c c f l 背光源的应用。 1 4 主要工作和论文组织结构 本文按照系统项目设计流程，结合当前t f t o l c d 背光源冷阴极荧光灯电源 控制芯片系统的状况，从冷阴极荧光灯电源控制芯片的系统分析和研究到具体模 块电路的设计，阐述了整个系统的设计思想、过程和实现。本文共分六章，其具 体结构如下： 第一章绪论部分。详细地介绍了t f t - l c d 背光源的现状以及对c c f l 驱动 模组进行市场的分析。 第二章c c f l 的工作原理及驱动架构的选择。本章首先介绍了c c f l 的工 作原理及其电特性；而后从c c f l 驱动电源芯片的设计出发来选择合适的驱动电 源调制方式( 脉宽调制) 以及驱动电源的合理架构( 半桥式) ，最后介绍了实现 c c f l 最佳调光策略( 低频数字调光) 。 第三章c c f l 电源控制芯片总体框图及模块设计。本章首先介绍了c c f l 电源控制芯片的总体框图及其设计要求，然后对c c f l 电源控制芯片进行模块的 划分并且对各个功能模块进行了说明。 第四章c c f l 电源控制芯片关键功能电路的设计与仿真。本章是本论文的 主要部分，详尽的介绍了带隙基准电压源、高低频率振荡器、误差放大器、数字 5 上海大学硕士学位论文 调光电路、p w m 比较器的设计及其仿真图。 第五章整体电路功能仿真及关键电路的版图设计。本章首先对c c f l 电源 控制芯片整体电路功能仿真，然后对芯片关键电路模块进行版图设计，最后完成 芯片电路测试。 第六章结论与展望，对系统研究进行了整体总结，反思工作中的不足并对 系统发展方向作了展望。 6 上海大学硕士学位论文 第二章c c f l 的工作原理及驱动架构的研究 2 1c c f l 结构与工作原理 冷阴极荧光灯( 英文全称是c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p ，简称c c f l ) 是 一种新型的低气压辉光气体放电灯。冷阴极荧光灯和标准热阴极荧光灯的发光形 式相同。冷阴极荧光灯的工作状态是辉光放电，阴极是不涂发射材料的，用铁和 镍制成的，中空圆柱形的，依靠灯里气体原子的能量转换成辐射发光，最常用的 放电介质是h g 蒸汽，灯里会填充惰性气体如心、心等辅助启动，灯管内的游 离电子被电场加速而激发心原子，受激发的心原子再让汞原子电离放出辐射能， 主要产生2 5 3 7 n m 和1 8 5 r i m 两种紫外光，其中2 5 3 7 r i m 的辐射效率最大，紫外 光辐射在激发管壁上的荧光粉涂层而发光。因荧光物质的组成材料不同，故能发 出不同颜色的光【3 6 1 。冷阴极荧光灯管内部构造示意图如图2 1 所示。 图2 1 冷阴极荧光灯管内部构造示意图 2 2c c f l 的电特性 在某些情况下，c c f l 的伏安特性与齐纳二极管的伏安特性十分相似，在未 点亮前，c c f l 呈现无穷大的阻抗，一旦点亮，基本上是一个电阻型阻抗。因此， 对于c c f l 的启动可以首先用一个启动电压将灯管点亮，然后限制并维持通过 c c f l 的电流。在一定的电流作用下产生相应的压降，如同一个电阻型元件。 冷阴极荧光灯有些特殊性能，必须仔细考虑以提高其效率、寿命和实用性。 然而，这些特性带来了些特殊的设计挑战。例如，为了最大化灯管的寿命，需 7 上海大学硕士学位论文 要采用交流波形驱动c c f l 。任何直流成分会使一部分气体聚集在灯管的一端， 造成不可逆转的光梯度，使灯管的一端比另一端更亮。此外，为了最大化其效率， 需要用接近正弦的波形驱动灯管。当灯管两端加入非正弦波驱动信号时，例如驱 动信号波形如图2 2 所示，实际测量得知，波形中相对正弦波而言突出的峰值部 分将被灯管转化为热量而非光能。因此，相对荧光灯电路而言，生成正弦波驱动 信号能更好的提高发光效能 3 4 10 8 1 。 图2 2 灯管两端的非理想驱动波形图 因此，c c f l 通常需要一个直流交流逆变器来将直流电源电压变成4 0 k h z 至8 0 k h z 的交流波形，工作电压通常在7 0 0 v r m s 至1 0 0 0 v r m s 。另外，当灯管 两端加入非正弦波驱动信号时，波形中相对正弦波而言突出的峰值部分将被灯管 转化为热量而非光能。因此，相对荧光灯电路而言，生成正弦波驱动信号能更好 的提高发光效能【3 9 1 。 2 3c c f l 驱动电源调制方式 c c f l 由交流高压驱动，需要设计专门的驱动电源。通常使用脉冲宽度调制 方式，脉冲频率调制方式，电压调制方式这三种熟知的调制方式完成气体放电灯 的调光。脉冲宽度调制方式( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 常用于调 节灯管电流，这种调光控制法利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比 实现输出功率调节。这种方法容易实现，但会产生不均匀的电流和较差的振幅因 数而导致灯管变色；脉冲频率调制方式( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，缩写为 p f m ) 也是常用的调光方法之一，虽然其电压调光调节性能良好，但其调光范围 上海大学硕士学位论文 取决于调频范围，如果调光范围不大，则功率调节范围也不大，在整个调频范围 内不易实现软开关，而且电路十分复杂因而不能应用于低功耗产品中。数字调光 方法是用于调整冷阴极荧光灯亮度的最新技术，能够拓广调光范围，但其最大的 缺点就是由于启动过程中电流的多次涌入会导致灯管寿命的大幅降低【1 3 】【1 4 】。 为了延长灯管的使用寿命，本文提出了一种新颖的数字脉冲宽度调制方式， 可有效抑制背光源模块中的涌入电流并降低灯管的起辉电压。另外灯管工作在不 同的工作频率下会有不同的发光效率，图2 3 给出了对同一支c c f l 在4 种不同 大小的驱动电流下，亮度随驱动工作频率变化的曲线，其中驱动电流 1 1 1 2 1 3 1 4 ，可见，对于不同的工作电流，其在特定频率时，灯管的效率最高， 发光亮度最大。为了使c c f l 充分发光也即提高背光源的效率，减少功耗，故采 用数字脉冲宽度调制方式作为本论文设计的开关电源调制方式。 一 薯 图2 3c c f l 亮度与工作频率的关系图 2 4 c c f l 驱动电源架构的选择 f 我们已经知道，c c f l 广泛应用于便携设备当中，而便携设备中供电来源往 往是电池，因此需要把直流电变为c c f l 需要的交流电。因此，逆变器成为了便 携设备中不可或缺的组件。有了它才能够源源不断地把电池提供的直流电压转变 成c c f l 所需要的交流电压，实现电压的逆变功能。驱动背光灯的c c f l 逆变器 不能明显缩短灯的寿命【5 】【6 1 。此外，由于要用高压驱动，安全性也是一个必须考 虑的因素。l c d 电视应用中，驱动c c f l 时所要面对的关键是：挑选最佳的驱 动架构。可以用多种架构产生驱动c c f l 所需的交流波形，包括r o y e r 、半桥、 全桥和推挽。 9 上海大学硕士学位论文 2 4 i r o y e r 架构 r o y e r 架构的最佳应用是在不需要严格控制灯管频率和亮度的设计中。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，很难严格控制灯管频率和灯 电流，而这两者都会直接影响灯的亮度。因此，r o y e r 架构很少用于l c d 电视， 尽管它是本文所述四种架构中最廉价的阴【1 1 1 。 2 4 2 全桥架构 全桥架构最适合于直流电源电压非常宽的应用，这就是几乎所有笔记本p c 都采用全桥方式的原因。在笔记本中，逆变器的直流电源直接来自系统的主直流 电源，其变化范围通常在7 v ( 低电池电压) 至2 1 v ( 交流适配器) 。有些全桥方 案要求采用p 沟道m o s f e t ，比n 沟道m o s f e t 更贵。另外，由于固有的高导 通电阻，p 沟道m o s f e t 的效率更低。 2 4 3 半桥架构 相比全桥，半桥架构最大的好处是每个通道少用了两只m o s f e t 。但是， 它需要更高匝比的变压器，这会增加变压器的成本。还有，如同全桥架构一样， 半桥架构也可能会用到p 沟道m o s f e t 。 2 4 4 推挽架构 推挽驱动器有很多好处：这种架构只用到n 沟道m o s f e t ，这有利于降低 成本和增加逆变器效率；它很容易适应较高的逆变器直流电源电压；采用更高的 逆变器直流电源电压时，只需选择具有合适的漏源击穿电压的m o s f e t 即可。 不管逆变器的直流电源电压如何，都可采用同样的c c f l 控制器。但采用n 沟道 m o s f e t 的全桥和半桥架构就无法做到这一点。推挽架构最大的缺点是要求逆 变器直流电源电压的范围小于2 ：1 。否则，当直流电源电压处于高端时，由于交 流波形的高振幅因数，系统的效率会降低。这使推挽架构不适用于笔记本p c ， 但对于l c d 电视非常理想，因为逆变器直流电源电压通常会稳定在士2 0 以内。 在c c f l 背光源驱动模块中，常常使用半桥式结构，在半桥式结构中，变 压器一次侧承受电压为输入电压的一半，减少了对变压器的耐压要求，变压器为 l o 上海大学硕士学位论文 双向励磁，没有变压器偏磁问题，效率可以达到9 0 - - , 9 5 ，且开关较少，成本 低，但是要求两个电容值要样，精度高，才能避免灯管亮度不一样，噪声的产 生。下图2 4 所示的外部电源电路为本设计芯片的应用电路之一，此电路采用半 桥式结构，将外部电源输入的直流电压转变为c c f l 所需要的交流电压。本论文 设计的芯片就是结合外围电路将输入的直流电压转化为c c f l 需要的高压交流 电。 v z 1 图2 4 半桥式驱动架构图 图2 4 中s 1 、s 2 是控制芯片产生的控制信号( 为非交叠的脉冲信号) ，m 1 、 m 2 是外接的两个m o s f e t 功率开关管，c 1 、c 2 为数值相等的两个电容( 避免 产生磁通饱和) ，c 3 是谐振电容，z 1 、z 2 对灯管低端电压进行半波整流，r 1 是 取样电阻，n 1 、n 2 分别是变压器的原边和次边线圈匝数值。 半桥式逆变结构的工作原理如下：在控制i c 输出s 1 信号为低电平时，m 1 导通，m 2 截止，c 1 通过m 1 和变压器的原边n 1 放电，同时电源通过m 1 和变 压器的原边n 1 为c 2 充电，两个电容中点的电位将有所上升；在控制i c 输出 s 2 信号为高电平时，m 2 导通，m 1 截至，c 1 充电，c 2 放电，电容桥路中点的 电位将有所下降；上面所述的两个过程中流经变压器的原边电流方向相反，s 1 、 s 2 控制m 1 、m 2 交替导通，这样在变压器的次边感应出变化的交流信号，设计 变压器的原边和次边的匝数比值产生c c f l 正常工作需要的电压和电流。半桥开 关电源的优点是自平衡能力强，不容易因为p m o s 和i l i l l o s 的导通时间不一致而 使变压器产生磁饱和，只是功率开关管损坏。其工作原理如下：当p m o s 和i l m o s 导通时间不一致时，变压器初级绕组的激磁电流大小也不一样，只是电容c 1 和 c 2 的电压不相等，激磁电流越大，则对应的电容器上的电压越小，从而起到自 平衡作用。 上海大学硕士学位论文 2 5 c c f l 调光策略的实现 实际电路中可以应用的调光方式有很多种，不同的气体放电灯都会有与其相 适应的调光方式。在实际应用当中，人们往往希望能够灵活的调整l c d 背光源 的亮度，来适应不同光线环境下对背光源亮度的需要，实现更宽的调光范卧嘲。 2 5 1 传统的调光控制器 传统的模拟调光电路如图2 5 所示，电路由整流电路和误差放大器a 构成一 个反馈环。由于运放输入端的电位跟随作用，当v a d 电压发生变化时，运放正负 端的电位仍保持相等。因此流经r 1 、r 2 上的电流会发生变化，v x 点电位及流 经c c f l 的电流也会发生变化。如果v a d 的电压高，则c c f l 的电流低，从而达 到调光效果。这种模拟调光方式的缺点是调光范围比较窄并且具有非线性性和低 转换效率。 图2 5 传统的模拟调光电路图 2 5 2 低频数字调光控制器 x r 1 低频数字调光电路对模拟调光电路稍做改动，如图2 6 所示。将电阻r 3 改 为二极管，输入电压v a d 变为占空比可调的脉冲信号l f d 。当l f d 为高电平时， 由于输入电压对v x 点电位的过调制，灯管工作电流下降为接近零，这种状态称 1 2 上海大学硕士学位论文 为调制关断：而当l f d 为低电平时，由于二极管的隔离作用，电路1 0 0 点亮。 将输入l f d 为零时的亮度设为l ，可以看出灯管的亮度正比于调制脉冲的占空 比，适当的调节低频脉冲的占空比，电路就可以实现既能保证灯管的功率匹配， 又可以达到很宽的调光范围。但在调光过程中c c f l 会被涌入电流反复冲击因而 会降低c c f l 的使用寿命【1 3 】【1 5 】【18 1 。 x r l 图2 6 低频数字调光电路图 为了延长灯管的使用寿命，本文提出了一种新颖的控制策略以抑制电流涌 入，设计了一种基于变频技术的数字调光控制器，它具有频率可变振荡器结构， 采用软启动方法有效抑制背光源模块中的涌入电流并降低灯管的起辉电压【2 2 1 。 v 2 v l v h a “ p , l l k t i 。n 图2 7 软启动和硬启动的对比图 图2 7 对比了硬启动和软启动两种方法的起辉特性，其中v 表示灯管电压， f 表示灯管频率。从图中可以看出硬启动方法( 虚线表示) 是采用恒定频率驱动， 整个启动过程中灯管电压由零上升至v 2 ，再降回至v 1 ，这样就要求灯管启动电 1 3 上海大学硕士学位论文 压很大；而软启动方法( 实线表示) ，即本文提出的变频控制方法，启动过程中 灯管电压随频率的变化由零上升至v 1 ，可大幅降低起辉电压。 1 4 上海大学硕士学位论文 第三章c c f l 电源控制芯片总体框图及模块划分 3 1c c f l 电源控制芯片的总体功能及特点 本芯片是基于数字脉宽调制技术的开关电源控制芯片，用户可以根据芯片驱 动c c f l 灯管的数目、灯管自身特性及芯片的应用环境等因素，通过调整输入信 号电平的高低，使芯片输出占空比随之变化而频率不变的脉冲信号( 输出信号的 占空比不能超过5 0 ，目的是为了防止芯片外围半桥逆变结构磁通饱和) 。再 通过该脉冲信号控制与芯片相连接的电源电路，使电源功率随脉冲信号的占空比 的变化而变化，最终达到控制灯管明暗的目的。 此外根据用户的需求，并增强该芯片在市场上的竞争力，我们围绕着芯片的 主要功能还设计了其它的辅助功能，这也成为了本芯片的特色： 1 芯片上集成了两个独立的脉宽调制子系统，每个脉宽调制子系统都能够 独立于另外一个脉宽调制子系统工作。这样芯片能够同时驱动两路c c f l ，增加 l c d 背光源的亮度，还能分别对两路c c f l 各自调节。 2 软启动技术。所谓软启动技术就是在芯片刚刚上电时，使控制灯管的输 出脉冲信号的占空比随时间逐渐变化，从而使c c f l 在开启的过程中逐渐由暗变 亮，这样能够防止开启电源时的涌入电流。 3 频率可调。用户可以通过给芯片的r t 、c t 、b r t 、b c t 引脚连接不同 的外接电阻、电容，得到不同频率的脉宽调制波形，解决不同c c f l 的固有频率 问题以及实现频率可变的低频数字调制功能。 4 低频数字调光功能。适当的调节低频脉冲信号的占空比，既能保证灯管 的功率匹配，又可以实现0 - - 1 0 0 的调光范围，从而达到灵活调整l c d 背光源的 亮度，防止调光引起的关断的目的。 5 同相、逆相两种调光方式。用户可根据芯片外部输入的电压大小，在两 个独立的脉宽调制子系统之间可以实现同相调光( 各路c c f l 的状态转换同时发 生) 、逆相调光( 各路的c c f l 的状态转换相反发生) 的选择，这样可以增加背 光源亮度的调节范围。 6 变频技术。通过变频技术满足了c c f l 点亮前后由于灯管模型的变化导 1 5 上海大学硕士学位论文 致的谐振网络谐振频率的变化，使能模块提供休眠功能，减少l c d 背光源的功 耗。也可以保证在多通道电路中多组灯管的完全启动【2 6 1 。 7 芯片保护功能。支持短路保护；提供芯片的电源输入部分欠压保护，输 出部分灯管过压保护；检测反馈流经c c f l 的电流，芯片提供欠流、过流保护功 能；过热保护电路，防止温度过高损害芯片。 8 延迟关断。为防止误操作引起芯片不必要的关断，通过外接电容设定芯 片关断时间。 3 2 c c f l 电源控制芯片的设计要求 3 2 1 引脚图及引脚说明 在满足芯片正常工作的前提下，要尽可能的减少输出引脚，来减少芯片封装 成本。该芯片采用2 8 个引脚，芯片的引脚见图3 1 。 d u t yf a i l b r ts t b b c tc o m p 盯c o mp _ s r tu v l 0 c tc o n t r o lr e g g n i ) i c s s f b ls c p i s lp 2 v s ln 2 f b lp g n d i s ln 1 v s lp l v r e fv c c 图3 1 芯片引脚图 因为本芯片具有两套独立的脉宽调制子系统，芯片的误差放大器输出引脚 f b 、误差放大器输入引脚i s 和v s 、通道欠过压检测输入引脚c o m p 、通道n m o s 栅极驱动器引脚n 、通道p m o s 栅极驱动器引脚p 均有两套其他引脚为两套系 1 6 上海大学硕士学位论文 统公用。表3 1 对芯片各引脚进行了详尽的说明。 表3 1 芯片引脚说明 引脚名称引脚描述与功能说明 d u t y 调光引脚。用于低频数字调光设定，改变输出信号的占空比，实现0 l o o 调光。 b r t 外置调光振荡器电阻引脚。设定低频振荡器向b c t 引脚的外接电容的充放电 电流。 b c t 外置调光振荡器电容引脚。设定调光频率，产生低频数字调光需要的= 角波。 r t 外置( 灯管工作频率) 三角波振荡电阻引脚。设定c t 引脚外接电容的充放 电电流。 s r t ( 灯管开路时) 开路频率设定电阻引脚。在s r t - l 玎引脚之间插入电阻，芯片 刚上电时，此引脚为低电平，与r t 引脚的外接电阻并联，通过软启动，驱动 c c f l 发光：c c f l 正常工作时，此引脚为高电平，r t 引脚的外接电阻被屏 蔽。 c t 外置( 灯管工作频率) 三角波振荡电容引脚。设定p w m 调制信号频率和c c f l 频率。 g n d ( i c 内部) 地引脚 f b l ( 灯管电流检测，电压检测) 误差放大器输出l 引脚。f b l 端子电压和c t 端子电压进行比较，决定输出脉冲的占空比。 i s l 电流检测输入，误差放大器输入1 引脚。该引脚接c c f l 电流反馈信号。当 流经c c f l 电流达到设定值时，i s l 引脚电压为1 2 5 v ；当反馈信号小于0 5 v 时，强制s r t 引脚为低电平，芯片重新启动。 v s l 电压检测输入，误差放大器输入1 引脚。 f b 2 ( 灯管电流检测，电压检测) 误差放大器输出2 引脚。功能同f b l 。 i s 2 电流检测输入，误差放大器输入2 引脚。功能同i s l 。 v s 2 电压检测输入，误差放大器输入2 引脚。 v r e f 电流检测，电压检测或误差放大器的基准电压引脚。 f a i l 保护输出引脚。 s t b 待机控制输入引脚。该引脚设定同相、逆相调光的选择，当输入0 7 v 以下， 芯片进入休眠状态；当输入0 7 2 v 时，同相调光；当输入2 v c c 时，逆相 调光。 c o m 【p 1 通道1 欠过压检测输入引脚。 c o m p 2 通道2 欠过压检测输入引脚。 u o 电源输入欠压锁存引脚。 l 也g 内部基准电压输出引脚。外接电容，消除噪声。 s s 软启动控制电容引脚。外接电容，设定软启动时间。 s c p 定时锁存器设定电容引脚。该引脚通过恒定电流充电设定保护关断时间，在 软启动过程中，该引脚不对外接电容充电。 p 2 通道2 p m o s 栅极驱动器。 n 2 通道2 n m o s 栅极驱动器。 p g n d 功率地引脚。在i c 内部不与g n d 引脚连接。 n l 通道1n m o s 栅极驱动器。 p l 通道1p m o s 栅极驱动器。 v c c i c 电源输入引脚。 1 7 上海大学硕士学位论文 3 2 2 芯片的工作条件 电源电压范围：5 1 1 v p w m 调制频率：2 0 k - 1 5 0 k h z 工作温度：3 5 c - - , + 8 5 最大功耗：2 5 0 r o w 低频数字调光：5 0 - - 5 0 0 h z 3 3c c f l 电源控制芯片的模块划分及功能描述 根据芯片系统的功能，我们将芯片划分成如图3 2 的若干个模块，每一个模 块都实现特定的功能。其中中间部分实现芯片的双通道输出，利用集成电路设计 的可重复性，它们具有相同的结构和器件参数。 f b l i s l v s l f b 2 i s 2 v s 2 d u t yb c tb r tc t r tv c cp e gv r e f d u t y iib o s cii o s ci l p e g f b iis 叫p w mr _ _ 1l o g i cho u t p u t f b s s r _ 叫p w m c h l o g i c s c pi is s p 1 n 1 p g n d p 2 n 2 f a i l c o m p lc o m p 2u v l 0s r ts c ps ss t b 图3 2 系统模块划分示意图 根据电源控制芯片系统模块功能的不同，将芯片系统细划分成三大部分：开 关电源部分、灯管控制部分、辅助电路部分。下面按照功能模块简要叙述一下各 个模块的具体功能。 = 开 创一，_ 1 t 。 一 一s 上海大学硕士学位论文 3 3 1 开关电源部分 开关电源部分为电源控制芯片的核心部分，该部分由误差放大器模块、p w m 调制模块、逻辑控制模块、输出模块四部分模块构成。 3 3 1 1 误差放大器模块 误差放大器与p w m 电路为整个电路里面最为核心的模块。误差放大器的输 出端为f b 端，f b 端电压与三角波进行比较，决定了开关管控制信号的占空比。 f b 端输出电压到3 0 v 以上时，保护模块工作，过了计时器设定的时间后就关断 输出。 i s 端为电流反馈用误差放大器的输入端。f b 端与i s 端之间连接电容，该电 容兼作i s 端误差放大器的位相补正与调光时的上升时间设定。l a m p 电流为设 定值时，设定该端为1 2 5 v 。i