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LCD背光照明CCFL罗耶(Royer)谐振变换器设计

作者:王守志时间:2008-07-14来源:电子元器件应用收藏

  0 引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/85657.htm

  众所周知,在电话等便携式电子产品的小尺寸彩幕的背光照明中,早已是LED(尤其是白光LED)的一统天下。但是,在笔记本电脑、监视器与彩电、台式仪器、销售点终端和汽车信息娱乐终端等大屏幕的背光照明中,冷阴极荧光灯()的霸主地位迄今仍不可震憾。目前,LED价位居高不下,并且在大尺寸LCD中作为背光源使用的数十颗乃至数百颗LED的亮度仍不均匀,即使是同一厂家甚至是同一基片上生产的LED在恒流或恒压下工作,其亮度也不一致。这在银行和交通等普通大屏幕LED显示屏背光照明应用中是允许的,但用于LCD彩电和LCD台式电脑等高端产品的背光照明,则是不可接受的。因此,在最近两三年之内,LED不可能挤占在大尺寸LCD应用中的市场地位。LED最终是否能完全取代,目前尚不能下结论。但极具可能性,这是因为LED的发展常常出乎人们的预期轨迹。

       1 CCFL的特点及工作条件

  CCFL灯管长度一般为十几厘米到几十个厘米,并具有直管形、圆弧形、U形和直角(L)形等多种形状,而CCFL灯的管径仅几个毫米,类似于霓虹灯。CCFL的阴极是一个涂有发射材料的金属筒,并且每个阴极通常只有一个引出端,这与荧光灯双引脚配置是不同的。CCFL玻璃管内充有汞和氖氩混合气体,内管壁涂有一层三基色荧光粉,发光原理与荧光灯是一样的。

  由于CCFL与荧光灯的物理结构不同,电气特性必就不一样。CCFL工作电流仅为2~8 mA,比荧光灯工作电流小10倍乃至100倍。CCFL灯电压一般为250~700 V(有效值),而荧光灯工作电压仅约60~110 V。CCFL的触发启动电压为800~1700 V(有效值),与荧光灯基本相当。

  由于CCFL灯管细而较短,因而其抗震动和抗冲击能力较强,使用寿命长达20 kh,耐点灭性能达10万次以上。近几年出现的外部电极荧光灯(EEFL)的性能更佳,并有望取代CCFL。

  2 CCFL电子镇流器

  在电光源行业,一般将CCFL电子镇流器称为CCFL电子变压器。在LCD背光照明应用中,通常采用3~28 V的直流供电,因此,CCFL不可能使用工频(50/60 Hz)变压器来配套工作。当CCFL作为LCD背光照明光源(即背光灯)时,其电子镇流器的主电路为DC/AC逆变器。但DC/AC逆变器输出端必须连接一个高频升压变压器,来为CCFL提供足够高的触发和工作电压。同时,CCFL电子镇流器还应提供调光功能。

  CCFL的驱动电路均采用专用IC控制。CCFL逆变器电路主要有半桥、全桥和推挽三种类型,采用率比例约为1:3:6,以推挽拓扑为主。推挽电路结构一般需用两个开关,成本较低,工作效率较高,但功率晶体管所承受的电压也较高。

  3 基于FAN7548的CCFL

  适用于推挽拓扑结构的CCFL控制器有单通道、双通道、四通道和八通道等,每个通道可驱动一根到4根CCFL。飞兆半导体推出的FAN7548背光控制器采用20引脚SSOP封装,含有两个通道,适用于Buck+Royer拓扑,可支持模拟与数控调光,同时可提供灯开路调节与保护。

  3.1 电路组成及工作原理

  采用FAN7548的CCFL双通道电子镇流器电路如图1所示。图中,10.8~13.2 V电源从FAN7548的VCC脚施加,并通过脚CSS上的电容C10实现软启动。主振荡器频率由OSC1上的R9/C9和OSC2上的R17/R18决定,其值为Royer谐振腔频率的2倍。而各通道上的主电路是一个由P沟道MOSFET(M1)、VD1和L1等组成的降压(Buck)级和其后的一个由VT1、VT3和变压器T1初级与辅助绕组等组成的谐振Royer功率变换器组成。Buck变换器输出端上的电阻分压器R27/R29用作感测灯开路电压,并从IC脚OLR1输入以执行灯开路调节。CCFL低压端和地之间的R10/C16、R11/C15及VD6、VT5等组成了灯开路检测电路。R26/VD9、R12/VD5及R20、R22和C28等组成灯检测反馈电路。IC引脚BDIM可以施加数控调光信号,该脚的1.75 V控制电压对应CCFL的最大亮度(100%)。引脚ADIM上的控制电压可以实现模拟调光,该脚上的2.5 V电压对应于CCFL的最大亮度。

 

  功率变换级电路的工作频率由T1初级绕组电感Lp、谐振电容C4和T1次级绕组的反射阻抗共同决定。T1次级电抗由电容C1/C3和CCFL灯负载以及分布电容决定。C4和T1初级绕组(带中心抽头)组成的谐振功率级电路的谐振腔,可产生正弦电压。VT1和VT3的脉冲占空比为50%,反馈驱动电压来自T1的辅助绕组(即引脚1与6之间的绕组)。为防止各级电路频率相互影响,FAN7548的频率应与Buck级和Royer功率级的频率保持同步。

  3.2 功率变换级电路设计

  该电路的技术条件如下:

  输入DC电压VIN:10.8~13.2 V;

  谐扰拜率fres:50 kHz;

  CCFL点火电压VIGN:800 V(有效值);

  CCFL工作电压VL:585 V(有效值);

  CCFL工作电流IL:8 mA。

  (1)Buck功率变换级设计

  当Buck变换器开关的占空比D最小时,工作频率为最小值fmin(设定在100 kHz),而变换器输出电压为最大值Vo(buck)(设置在7.36 V),此时的开关截止时间最长。而其最长关断时间为:

 

  若通过电感L1的纹波电流低于最大平均电流IL(max)的50%,且Buck级电路的效率y=90%,则Buck级的最大DC输出电流IL(max)为:

 

  电路中的功率开关可选用FDC658P型P沟道MOSFET,VD1选用SS23二极管,L1选择47μH。

  (2)镇流电C1(C3)的选择

  C1和C3可利用下式计算:

 

  式中:VC1(VC3)为C1(C3)上的电压,通常情况下,VC1(VC3)=2VL=585 V×2=1170 V;frer为谐振腔谐振频率(fres=50 kHz)。

  这样,通过VC1(VC3)=1170 V、fres=50 kHz和IL=8 mA可计算出:C1(C3)≈22 pF。

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