便攜設備的高效CCFL背景光轉(zhuǎn)換器應用

在便攜設備的背光源中，通常采用降壓轉(zhuǎn)換器后接一個推挽逆變器(Royer逆變器)的方法，但其效率低，器件數(shù)量多。本文討論了一種基于壓電變壓器的高效背景光供電解決方案，采用UCC3977(推挽控制器)和壓電變壓器EFTU11RoMX50和EFTU18R0Mx50來實現(xiàn)。

　　最近，PDA、互聯(lián)網(wǎng)手持設備和筆記本電腦等便攜設備的發(fā)展速度非?？?，這進一步提高了市場對小尺寸冷陰極熒光燈(CCFL)背景光轉(zhuǎn)換器的需求。通常，在這些應用中使用一個降壓轉(zhuǎn)換器后接一個推挽逆變器(Royer逆變器)的方法，但在便攜應用中這種方法效率低，并且由于它本質(zhì)上是一個兩級方案，所使用的元件數(shù)量也比較多。

　　傳統(tǒng)上，CCFL所需要的高運行電壓和高激發(fā)電壓是由高匝數(shù)比繞線式磁性變壓器來提供。壓電變壓器(PZT)的最新進展為背景光應用提供了許多潛在的優(yōu)勢，包括效率更高、體積更小、電磁噪聲更低、可得到的激發(fā)電壓更高、不可燃和正弦運行等。

　　本文討論了一種基于壓電變壓器的高效背景光供電解決方案，它采用UCC3977(推挽控制器)和松下壓電變壓器EFTU11RoMX50和EFTU18R0Mx50。

　　背景光光源

　　CCFL通常作為筆記本電腦和便攜電子設備的彩色液晶顯示(LCD)的背景光源，CCFL是目前最高效的顯示器背景照明光源。由于運行CCFL需要高交流電壓，所以需要高壓DC/AC逆變器?；赑ZT的逆變器可以提供正弦輸出電壓，這非常有助于減小RF輻射。RF輻射可能干擾其它電子設備，并可能降低整個系統(tǒng)的運行效率。另外，基于PZT的逆變器所產(chǎn)生的正弦激勵還可以在CCFL中產(chǎn)生最優(yōu)的電流到光的轉(zhuǎn)換效率。CCFL的工作電壓比其它光源的電壓要高很多，通常需要300到800伏交流電(取決于燈的長度)，但整體功耗非常低。

　　最近出現(xiàn)了一種非常明亮的白光輻射二極管(LED)。在LCD顯示器、蜂窩電話和PDA應用中，它是CCFL的一個強勁的競爭對手。但是，當使用白光LED作為顯示器的背景光時需要注意以下問題:

　　a. 幾乎所有的LED制造商都以新燭光(cd)為單位給出光強度。通常這個值都非常高，但它表示的是在最亮方向的數(shù)據(jù)。視角和LCD的亮度通常成反比，由于LCD總的光輸出覆蓋更大的范圍，在任何給定的方向，視角越寬則亮度越低。相同光通量輸出的一系列LED通常按不同的截面和光強度出售。在20度視角光強度可能達到6.4cd，在70度視角可能有0.48cd，而在160度視角光強度可能幾乎為零。由于照明一致性對舒適感和視覺性能非常重要，所以，為在顯示器上提供一致的照明，需要多個LCD以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接起來。

　　b. 這些白色LED的壽命比較短。在運行大約1000小時之后，它們將變黃并在一定程度上變暗，這對彩色顯示器來說是不能接受的。當然，在超過LED額定電流條件下運行還將加速這個過程。

　　c.由于LED基本上屬于電流驅(qū)動器件，如果這些LED不能良好地分享電流，可能會引起顯示器局部的光線不均衡。在這種情況下，可以對每個LED都加上均衡電阻，但這將降低整個系統(tǒng)的效率。

　　d. 還有一個主要的缺點是成本高，其批量售價每支2.3美元起，比相同亮度的單只CCFL貴。

　　當使用這些作為光源時，需要考慮的是你要用它做什么。如果你關(guān)心的只是燈的點亮度，那么應考慮峰值光強度；如果你需要光的擴散效果，選擇合適的輸出截面則非常重要；在需要對較大的顯示面積提供照明或液晶顯示器的背景照明，以及需要燈具有長使用壽命時，小型CCFL是優(yōu)選方案。

　　用于背景光轉(zhuǎn)換器的變壓器

　　磁性變壓器和壓電變壓器的發(fā)展使我們可以構(gòu)造出高效、小體積轉(zhuǎn)換器。變壓器的選擇取決于多種因素，其中包括成本、體積和效率。例如，同PZT變壓器相比，在一個給定的功率水平，磁性變壓器可能更厚、更重且效率更低，但它具有成本低，而且可以在更寬的負載條件下工作的優(yōu)點。PZT變壓器具有固有的正弦運行特性、高激發(fā)電壓、不可燃和無電磁噪聲的優(yōu)點。磁性變壓器和壓電變壓器的比較見表1所示。

陶瓷壓電變壓器是在1956年由C.A. Rosen最先提出。與依賴于電磁能量轉(zhuǎn)換的磁性變壓器不同，壓電變壓器把電動勢轉(zhuǎn)換成機械能。電能到機械能的轉(zhuǎn)換稱為逆壓電效應，而機械能到電能的轉(zhuǎn)換稱為正壓電效應。

　　PZT變壓器的材料和工藝決定了它們的的工作特性，而每一個制造商都有它們獨特的材料和結(jié)構(gòu)層的“配方”，制造PZT的常用材料是鋯酸鉛和鈦酸鉛。單層PZT成本較低并易于制造但電壓增益比較小(典型值為5~10)，并可能需要一個升壓磁性變壓器才能使燈具運行。多層PZT的設計制造難度更大，但具有更高的電壓增益(20~70)。

　　圖1為一個用于CCFL供電的典型長模式PZT。該壓電變壓器包含一些用于能量轉(zhuǎn)換的長方形壓電陶瓷層，還帶有一對初級電極(用于輸入)和一對次級電極(用于輸出)。輸入到初級電極的電信號以壓電方式轉(zhuǎn)換成機械震動，這些機械震動傳送到陶瓷層的次級，在那里機械震動以壓電方式轉(zhuǎn)換成一個高電平輸出。整個轉(zhuǎn)換過程只消耗很少的能量。

要預測PZT在系統(tǒng)中的性能，有必要建立它的電路模型。圖1所示的電路模型通常用于描述長模式PZT在基本諧振頻率附近的性能。許多PZT制造商都基于在各種頻率和輸出負載下的測量結(jié)果提供該模型的元件值，具體元件值取決于PZT的構(gòu)造。初級電極的多層結(jié)構(gòu)和材料電介質(zhì)常數(shù)形成了一個大的主級輸入電容(Cinput)。由于次級的單層結(jié)構(gòu)和主級電極和次級電極之間的距離，輸出電容要小很多。

　　圖3顯示了松下1.8W PZT(元件型號為EFTU11R8MX50)增益(Voutput/in)相對于輸出負載和頻率的特性關(guān)系曲線。這個PZT對圖2等效電路的等效元件值分別為：Cinput=61.6nF，Coutput=11.4pF，n=35，串聯(lián)RLC= (0.66Ω，0.934mH，2.79nF)。如圖3所示，在無負載條件下陶瓷變壓器提供高Q值和增益，并產(chǎn)生高激發(fā)電勢。一旦熒光燈激發(fā)之后，變壓器則帶有了負載。負載引起變壓器增益下降和諧振頻率移動。為實現(xiàn)在一個單向控制電路下激發(fā)并運行熒光燈，壓電變壓器通常工作在諧振峰的右側(cè)。

變頻控制系統(tǒng)

　　圖4給出了一個基于PZT的背景光轉(zhuǎn)換器的簡化功能圖。PZT由一個幅度正比于輸入電壓的諧振功率級驅(qū)動，它提供驅(qū)動熒光燈所需要的電壓增益。圍繞著誤差放大器形成了一個控制環(huán)，誤差放大器把平均熒光燈電流同參考信號(REF)相比較，以便于對熒光燈的光強度進行調(diào)節(jié)?？刂齐妷篤c驅(qū)動用來確定諧振功率級的運行頻率的壓控振蕩器(VCO)。

VCO的頻率范圍必須包含PZT的激發(fā)和運行頻率。降低這個可編程的頻率范圍可以改善反饋回路的控制響應。例如，圖5中的PZT所使用的頻率范圍為100kHz。為保證控制回路一直在PZT諧振峰的右側(cè)工作，PZT的增益必須保證在最小的輸入電壓下仍具有足夠高的熒光燈電壓。

　　電源拓撲

　　一個以諧振推挽拓撲控制壓電變壓器的電路如圖5所示。這個拓撲使用了兩個標準電感(L1和L2)，通過UCC3977控制器和MOSFET S1和S2，這兩個電感在50%的占空比產(chǎn)生180 度的相移。這個推挽電路優(yōu)點是可以提供從直流輸入電壓到壓電變壓器初級的電壓增益，并通過這兩個電感和PZT初級電容之間的LC關(guān)系實現(xiàn)諧振。

與磁性變壓器電路不同，基于PZT的電路使用頻率而不是占空比來控制熒光燈電流。UCC3977包含一個在COMP和OSC引腳之間形成的可編程的VCO，該VCO用來設定該系統(tǒng)的工作頻率范圍(它必須包含PZT的激發(fā)和工作頻率)，熒光燈電流可以在FB引腳進行測量并由PZT的增益/頻率的特性進行控制(參見圖3)。為保證控制回路一直工作在諧振峰的右側(cè)，PZT的增益必須在最小輸入電壓下提供足夠高的熒光燈電壓。