大型LCD背光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：LCD (液晶顯示器)是電控發(fā)光管，LCD TV (液晶顯示電視)采用白光作為“背光”，通常使用冷陰極熒光燈(CCFL)為彩色熒光屏照明。其它技術(shù)，如：發(fā)光二極管(LED), 也作為一種考慮方案, 但昂貴的價(jià)格限制了它們的使用。

本文聚焦于驅(qū)動(dòng)和控制多個(gè)CCFL，來(lái)為大型LCD面板(如LCD電視)提供背光照明時(shí)所要面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

由于LCD電視是消費(fèi)品，壓倒一切的設(shè)計(jì)考慮是成本—當(dāng)然必須滿足最低限度的性能要求。驅(qū)動(dòng)燈的CCFL逆變器不能明顯縮短燈的壽命。還有，由于要用高壓來(lái)驅(qū)動(dòng)燈，安全性也是一個(gè)必須考慮的因素。本文聚焦于LCD電視應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)多個(gè)CCFL時(shí)所要面對(duì)的三個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：挑選最佳的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、多燈驅(qū)動(dòng)、以及燈頻和突發(fā)調(diào)光頻率的精密度控制。

挑選最佳的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

可以用多種架構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CCFL所需的交流波形，包括Royer (自激)、半橋、全橋和推挽。表1詳細(xì)歸納了這四種架構(gòu)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1. CCFL驅(qū)動(dòng)架構(gòu)比較

Drive Architecture	Advantages	Disadvantages
Royer	Least expensive	Cannot tightly control the lamp current or frequency Requires tight DC-supply regulation Requires a special transformer winding Requires a ballst capacitor Low efficiency
Full Bridge	Does not require a center-tapped transformer Works over a wide DC-supply range (greater than 3:1)	Requires four MOSFETs May require p-channel MOSFETs, which are higher cost and less efficient
Half Bridge	Requires only two MOSFETs	May require p-channel MOSFETs, which are higher cost and less efficient Requires a higher turns ratio transformer, which increases cost
Push-Pull	Requires only two n-channel MOSFETs, which are lower in cost and more highly efficient than p-channel MOSFETs Easily scales to higher DC supply voltages (up to 120V) Low transformer turns ratio	Lower efficiency when the DC supply goes beyond a 2:1 range

Royer架構(gòu)

Royer架構(gòu)(圖1)的最佳應(yīng)用是在不需要嚴(yán)格控制燈頻和亮度的設(shè)計(jì)中。由于Royer架構(gòu)是自激式設(shè)計(jì)，受元件參數(shù)偏差的影響，很難嚴(yán)格控制燈頻和燈電流，而這兩者都會(huì)直接影響燈的亮度。正因?yàn)榇耍琑oyer架構(gòu)很少被用于LCD電視，盡管它是本文所述四種架構(gòu)中最廉價(jià)的。


圖1. Royer驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單，但不太精確。

全橋架構(gòu)

全橋架構(gòu)最適合于直流電源電壓非常寬的應(yīng)用(圖2)。這就是幾乎所有筆記本PC都采用全橋方式的原因。在筆記本中，逆變器的直流電源直接來(lái)自系統(tǒng)的主直流電源，其變化范圍通常在7V (電池低)至21V (交流適配器)。有些全橋方案要求采用p溝道MOSFET，比n溝道MOSFET更貴。另外，由于固有的高導(dǎo)通電阻，p溝道MOSFET的效率更低。


圖2. 全橋驅(qū)動(dòng)器很適合于大范圍的直流電源。

半橋架構(gòu)

相比全橋，半橋架構(gòu)最大的好處是每個(gè)通道少用了兩只MOSFET (圖3)。但是，它需要更高匝比的變壓器，這會(huì)增加變壓器的成本。還有，如同全橋架構(gòu)一樣，半橋架構(gòu)也可能會(huì)用到p溝道MOSFET。


圖3. 半橋驅(qū)動(dòng)器比全橋驅(qū)動(dòng)器少用兩個(gè)MOSFET。

推挽架構(gòu)

最后我們來(lái)考慮推挽驅(qū)動(dòng)器，它有很多好處。這種架構(gòu)只用到n溝道MOSFET (圖4)，這有利于降低成本和增加逆變器效率。它很容易適應(yīng)較高的逆變器直流電源電壓。采用更高的逆變器直流電源電壓時(shí)，只需選擇具有合適的漏-源擊穿電壓的MOSFET即可。不管逆變器的直流電源電壓如何，都可采用同樣的CCFL控制器。但采用n溝道MOSFET的全橋和半橋架構(gòu)就無(wú)法做到這一點(diǎn)。

推挽架構(gòu)最大的缺點(diǎn)是，要求逆變器直流電源電壓的范圍小于2:1。否則，當(dāng)直流電源電壓處于高端時(shí)，由于交流波形的高振幅因數(shù)，系統(tǒng)的效率會(huì)降低。這使推挽架構(gòu)不適用于筆記本PC，但對(duì)于LCD電視非常理想，因?yàn)槟孀兤髦绷麟娫措妷和ǔ?huì)被穩(wěn)定在±20%。


圖4. 推挽驅(qū)動(dòng)器非常簡(jiǎn)單，還可精確控制。

多燈驅(qū)動(dòng)

CCFL已在筆記本PC、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他具有較小LCD屏的設(shè)備中使用多年。這些類(lèi)型的設(shè)備通常只用一個(gè)CCFL，因此，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)只用一個(gè)CCFL控制器。隨著大尺寸LCD面板的出現(xiàn)，帶來(lái)了對(duì)于多CCFL的需求，有必要采用新的方式來(lái)應(yīng)對(duì)這種新的需求?？赡艿姆绞街皇遣捎靡粋€(gè)單通道CCFL控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈(圖5)。這種方式中，CCFL控制器只通過(guò)其中的一個(gè)燈監(jiān)視燈電流，而以幾乎相同的交流波形同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有并聯(lián)的燈。然而，這種方式存在著幾個(gè)缺陷。


圖5. 由于亮度不均勻以及其他的一些考慮，用一個(gè)單通道CCFL控制器控制多個(gè)燈不太理想。

第一個(gè)問(wèn)題是如何保持所有燈的亮度統(tǒng)一，以便使顯示器不會(huì)出現(xiàn)明顯的亮區(qū)和暗區(qū)。用相同的波形驅(qū)動(dòng)所有燈會(huì)使每個(gè)燈的電流不同，因而造成亮度差異。由于燈阻抗的差異，采用同樣的波形，會(huì)造成亮度不均勻。而且，CCFL的亮度隨溫度而變(圖6)。由于熱氣上升，面板頂部的燈(參見(jiàn)補(bǔ)充材料，圖12)會(huì)比面板底部的燈熱，這也會(huì)造成亮度不均勻。


圖6. CCFL的亮度隨環(huán)境溫度而變。

用一個(gè)單通道CCFL控制器驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈的第二個(gè)缺點(diǎn)是，單個(gè)燈的失效(例如破損)會(huì)造成所有燈關(guān)閉。第三個(gè)缺點(diǎn)，由于是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)所有的燈，同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉這些燈，這就要求逆變器直流電源必須加以更重的去耦，采用更大的平波電容。這會(huì)增加逆變器的成本和尺寸。

解決上述諸問(wèn)題的一條途徑就是每個(gè)燈用一個(gè)單獨(dú)的CCFL控制器(圖7)。然而，這種方式的主要缺點(diǎn)就是，增加的CCFL控制器帶來(lái)了額外的成本。為L(zhǎng)CD面板提供照明的理想方案是多通道CCFL控制器，它的每個(gè)通道獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和監(jiān)視每個(gè)燈(圖8)。這種多通道CCFL控制器既解決了亮度不均勻和單燈失效問(wèn)題，降低了去耦要求，而且還具有高成本效益。


圖7. 采用單通道控制器驅(qū)動(dòng)每個(gè)CCFL不具有成本效益。


圖8. 用一個(gè)多通道控制器控制多個(gè)燈是理想方案。

燈頻和調(diào)光頻率的精密度控制

由于LCD電視需要顯示動(dòng)態(tài)且連續(xù)移動(dòng)的畫(huà)面，它有一些在靜態(tài)顯示應(yīng)用(例如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和筆記本PC等)中所沒(méi)有的特殊要求。CCFL的驅(qū)動(dòng)頻率可能會(huì)干擾LCD屏上顯示的畫(huà)面。如果燈頻接近視頻刷新頻率的某個(gè)倍頻，就會(huì)在屏幕上出現(xiàn)緩慢移動(dòng)的線或帶。通過(guò)精密控制燈頻在±5%以內(nèi)，可以消除這種瑕疵。

用于調(diào)節(jié)燈亮度的突發(fā)調(diào)光頻率也要求同樣的精密度控制。這種調(diào)光方式通常是采用30Hz至200Hz頻率范圍的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，在短時(shí)間內(nèi)將燈關(guān)閉，達(dá)到調(diào)光目的，由于關(guān)閉時(shí)間很短，不足以使電離態(tài)消失。如果突發(fā)調(diào)光頻率接近垂直同步頻率的倍頻，也會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)線。同樣，將突發(fā)調(diào)光頻率嚴(yán)格控制在±5%以內(nèi)就可以消除這個(gè)問(wèn)題。另外，在有些LCD電視中，為了改善LCD屏的圖像響應(yīng)，還要求緩慢的CCFL突發(fā)調(diào)光頻率與視頻垂直同步頻率同步起來(lái)。

解決LCD電視背光挑戰(zhàn)的方案(DS3984/DS3988)

DS3984 (四通道)和DS3988 (八通道) CCFL控制器解決了本文所提到的所有這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)?？蓪⑦@些器件配置為每個(gè)通道驅(qū)動(dòng)一個(gè)燈(圖9)，或者每通道多個(gè)燈(圖10)，用戶可靈活裁減設(shè)計(jì)，以滿足自己的性價(jià)比目標(biāo)。多個(gè)DS3984/DS3988可輕松級(jí)聯(lián)，以支持任意數(shù)量的燈，來(lái)為L(zhǎng)CD電視屏提供背光照明。

DS3984/DS3988采用推挽驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，可使用更低成本、更高效率的n溝道MOSFET。逆變器直流電源也可采用更高的電壓。單獨(dú)的燈控制和監(jiān)視可提供均勻的亮度，并減少了逆變器的元件總量。采用單獨(dú)的燈控制時(shí)，如果某一個(gè)燈失效，那僅會(huì)使這個(gè)失效的燈停止工作，其他燈繼續(xù)工作，不受影響。片上振蕩器產(chǎn)生的燈頻和突發(fā)調(diào)光頻率被嚴(yán)格規(guī)范于±5%的精密度水平，消除了對(duì)于顯示圖像的影響，并且也可被同步至外部時(shí)鐘源。


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圖9. DS3984/DS3988單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和監(jiān)視每個(gè)燈，為L(zhǎng)CD電視和PC監(jiān)視器提供均勻亮度。


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圖10. DS3984/DS3988的每個(gè)通道也可驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈。

CCFL

冷陰極熒光燈(CCFL)是一種長(zhǎng)而細(xì)的密封玻璃管，內(nèi)充惰性氣體(圖11)。當(dāng)給燈管施加高壓時(shí)，氣體被電離，產(chǎn)生紫外線(UV)。紫外線打到內(nèi)壁涂敷的熒光材料上使其激發(fā)，發(fā)出可見(jiàn)光。CCFL有許多優(yōu)點(diǎn)，包括：

• 優(yōu)良的白光源
• 低成本
• 高效率(光輸出與輸入電功率之比)
• 長(zhǎng)壽命(>25千時(shí))
• 穩(wěn)定、確定的工作狀態(tài)
• 容易調(diào)節(jié)亮度
• 重量輕

圖11. CCFL是充有惰性氣體的玻璃管。

CCFL有一些特殊性能，必須仔細(xì)考慮，以最大化其效率、壽命和實(shí)用性。然而，這些特性帶來(lái)了一些特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如，為了最大化燈管的壽命，需要采用交流波形驅(qū)動(dòng)CCFL。任何直流成分會(huì)使一部分氣體聚集在燈管的一端，造成不可逆轉(zhuǎn)的光梯度，使燈管的一端比另一端更亮。還有，為了最大化其效率(光輸出與輸入電功率之比)，需要用接近正弦的波形驅(qū)動(dòng)燈管。為此，CCFL通常需要一個(gè)直流-交流逆變器來(lái)將直流電源電壓變成40kHz至80kHz的交流波形，工作電壓通常在500VRMS至1000VRMS。

LCD電視中典型的CCFL布置

圖12表示在LCD電視中，CCFL通常是如何安排的。這個(gè)電視中的12個(gè)燈等間隔地分布在整個(gè)LCD背板上，以提供最佳的光分布。重要的是，所有燈要工作在相同的亮度下。盡管在CCFL燈管和LCD面板之間安排有散光器，可協(xié)助均勻分布背光，不均勻的燈管亮度仍然很容易被察覺(jué)，并影響電視的圖像質(zhì)量。因LCD面板尺寸而異，用到的CCFL燈數(shù)量可能會(huì)多達(dá)30甚至40個(gè)。


圖12. LCD電視內(nèi)有4到40個(gè)CCFL。