TFT-LCD中高效率背光模块驱动电路

摘要：冷阴极荧光灯(CCFL)的伏安特性与齐纳二极管十分相似，可用基于Royer推挽式振荡器的逆变电路驱动CCFL。分析了CCFL的电气特性，在此基础上，进一步描述了CCFL驱动电路的工作原理，并给出了获得高效率驱动电路的器件定量计算公式以及确定各元件参数的步骤和方法。

关键词：CCFL；逆变器；谐振；液晶显示器

1 　引言
目前，有源薄膜晶体管阵列液晶显示器(AM-TFT-LCD)几乎全都采用冷阴极荧光灯(CCFL)作为背光照明的发光部件，CCFL需要在高压(500V以上) 、交流(40kHz 左右)电源的驱动下工作，因此通常需要将直流、低压电源逆变为高压、交流电源。为了降低CCFL的功耗，有必要提高逆变电路的转换效率，尽可能地使逆变电路的电气参数与采用的CCFL电气特性相匹配。

2 　CCFL驱动电路的分析
2. 1 　冷阴极荧光灯的电特性
在某些情况下，冷阴极荧光灯(CCFL)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，CCFL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CCFL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CCFL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。

CCFL的电流- 电压关系可用图1描述，曲线分启动阶段和工作阶段，图1中用垂直虚线分开。虚线左边为启动阶段，灯管启动初期，电流及其微弱，随着灯管两端电极之间的电压的增大，灯管内的汞离子加速增加并定向运动(由于是交流激励而往复运动) ，灯管的电流逐步增大，当电压升至一定量时，灯管启动。启动阶段，灯管的电流受电压制约，电压越大，电流越小。并且，图1曲线部分表示的是一个动态过程。

图1 　CCFL电压与电流关系

灯管启动之后，灯管呈现电阻特性，并且具有负的稳压特性，即管子电流越大，管子两端的电压越小。灯管工作之后，灯管两端的电压受制于电流值。在此阶段灯管的电流值实际上决定了灯管的发光亮度，如图2所示。可见，CCFL 的发光亮度的增大可以通过增大灯管的电流来实现，但增大电流的作用是有限的，且过大的电流会使灯管的电极受到损害，进而导致灯管的寿命缩短。

图2 　发光亮度与电流的关系

2.2 　冷阴极荧光灯的温度特性
在低温情况下，CCFL灯管内的汞挥发较慢，汞蒸气压不高，管内的汞离子数量十分有限，影响灯的启动和发光。因此，CCFL的启动电压和发光亮度与灯管的温度有关。
　
改善CCFL低温特性的可行性办法有两种:外部加热的预热方法和低温启动时采用过功率方法(在刚启动的几秒内给灯管加上比额定值高的功率，使灯管的温度迅速上升，促使汞快速蒸发) 。后一种方法是否影响灯管的寿命有待研究。有资料表明，加拿大多伦多大学的电气与计算机工程系就是采用预热的办法来改善灯的低温特性的。图3为CCFL的温度特性图。

图3 　CCFL的温度特性

3 　CCFL驱动电路工作原理

CCFL的伏安特性与齐纳二极管的伏安特性十分相似，为便于分析，规定冷阴极荧光灯的几个重要参数的定义及标记。

启动电压(V_start) ：在灯管寿命范围内(一般规定灯光最大发光亮度降低至最初值的80%时的实际工作时间为灯管寿命) ，最低工作环境温度下，使灯管点亮所需要施加在灯管两端的电压值。逆变电路输出端与冷阴极荧光灯之间连线(包括PC板走线、导线、接插件等) 对启动电压有一定的影响。

工作电流( I_on) :灯管点亮之后，在一定的灯管寿命时间内，维持灯管最大发光亮度所流过灯管的电流最大值。

工作电压( V_on) :灯管点亮之后，在一定的灯管寿命时间内，在给定的灯管工作电流下，灯管两端的电压值。

工作频率(f_opt) ：灯管在交流激励下的交流激励频率，在同等的工作电流、工作电压驱动下，CCFL的发光亮度与交流激励频率有关，在工作频率(f_opt) 激励下，发光亮度最大激励频率偏离工作频率，发光亮度下降。

等效电阻( R_ccfl) ：CCFL类似于Zener 二极管，在未点亮前呈现无穷大的阻抗R_off，点亮之后则基本为一个电阻性阻抗R_on。

图4为CCFL的驱动电路，它实际上是一个自激推挽式DC-AC升压变换电路，又称Royer振荡器。变压器由3个绕组构成。其中，两推挽管Q1 、Q2 集电极之间的绕组为初级绕组(又称集电极绕组) ，CCFL两端的绕组叫次级饶组，Q₁、Q₂ 基极之间的绕组为反馈绕组(又称基极绕组) 。


图4 　CCFL驱动电路原理图

　　次级电路中，L₁为变压器T₁的中心抽头提供一个高交流输入阻抗， R₁为Q₁、Q₂提供基极直流偏值，同时也决定了两只管子集电极电流大小，而变压器次级的电流值与Q₁、Q₂的集电极电流有关，决定流经CCFL的次级电流大小。

由于开关管Q₁、Q₂的性能不可能绝对一致，所以在接通电源的瞬间，Vcc向开关管Q₁、Q₂基极注入的电流也不可能绝对平衡，流经两开关管集电极的电流也不可能完全一致。设i₁>i₂，则变压器的磁通大小与方向由i₁决定，而磁通的变化在反馈绕组也产生响应的感应电势。感应电势极性在图1中反馈绕组的“ ”端为负。

由于反馈绕组的感应电势使Q₂基极的电位下降，Q₁的基极电位(d点)上升，从而对Q₂形成负反馈，使Q₂的集电极电流i₂ 越小，对Q₁形成正反馈，使Q₁的集电极电流i₁越大，合成磁通也越大，磁通的变化及感应电势的相互作用使Q₁饱和导通、Q₂截止。此时，磁通达到最大值，而与磁通变化率呈正比的感应电势也为零。

反馈绕组上感应电势的消失使Q₁的基极(d点)电位下降，Q₁的集电极电流也下降，电流的变化率反向，引起磁通的变化率反向，从而导致绕组的感应电势反向，即反馈绕组的“ ”端为正，这样引起Q2 的基极电位上升，Q₁的电位下降，从而对Q₁形成负反馈，使Q₁的集电极电流i₁越小，对Q₂形成正反馈，使Q₂的集电极电流i₂越大，合成磁通也越大，磁通的变化及感应电势的相互作用使Q₂饱和导通、Q₁截止，此时，磁通达到最大值，而与磁通变化率呈正比的感应电势也为零。

上述两种过程不断循环，从而在变压器的次级形成振荡，而谐振电容器C的存在使振荡电路按照特定的频率进行简谐振荡。

4 　CCFL驱动电路的设计
首先将冷阴极荧光灯的几个基本参数的符号统一为启动电压V_start、工作电流I_on、工作电压V_on、工作频率f_opt、等效电阻R_ccfl。 电路设计的任务是根据所选定的CCFL的电特性，计算图4所示电路各元件的参数，设计过程可归纳为以下各步骤：

(1) 计算镇流电容:根据CCFL启电压与工作电压确定镇流电容C_bal

(2) 计算次级电感:根据CCFL最佳工作频率确定次级电感L_sec


(3) 计算初级绕组与次级绕组匝数比N


式中N_p为跨接谐振电容C两端的绕组，中心抽头则将初级绕组一分为二。

(4) 选择开关管
开关管所承受的最大集- 发射电压和最大集电极电流是选择开关管的指标。

式中V_ceo约为直流电源电压的3倍。开关管所承受的最大集电极电流


(5) 确定谐振电容C和初级电感l。为了得到正弦振荡波形，初级电路必须满足下列条件:


同时，电路所输出的呈现良好特性的正弦波形的振荡频率f₀为


根据式(6)、式(7)，可以分别解得谐振电容C和初级电感l:



式中C越大，相应的l越小，振荡波形越趋于正弦波，变压器的初级绕组的铜损也越大。

(6) 阻尼电感L的确定
阻尼电感L决定了流经L的电流i_L波纹大小。L的电感越大，纹波越小， i_L也越小。一般取L>10l.
(7) 确定基极电阻R₁

Q₁、Q₂的基极电流i_B≈( V_IN-0.7)/R₅，为了开关管Q₁、Q₂工作在高效率的情况下，必须保证Q₁、Q₂工作在饱和状态，有：


(8) 反馈绕组Na

为了保证Q₁、Q₂总是只有一导通，另一只截止，必须保证Q₁、Q₂两者的基极电压差至少为0.5V。 并且，在整个振荡周期的90%时间里要满足这个条件，有：