便攜設(shè)備的高效CCFL背景光轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

在便攜設(shè)備的背光源中，通常采用降壓轉(zhuǎn)換器后接一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　最近，PDA、互聯(lián)網(wǎng)手持設(shè)備和筆記本電腦等便攜設(shè)備的發(fā)展速度非?？欤@進(jìn)一步提高了市場(chǎng)對(duì)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(yīng)用中使用一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器后接一個(gè)推挽逆變器(Royer逆變器)的方法，但在便攜應(yīng)用中這種方法效率低，并且由于它本質(zhì)上是一個(gè)兩級(jí)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(yùn)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(lái)提供。壓電變壓器(PZT)的最新進(jìn)展為背景光應(yīng)用提供了許多潛在的優(yōu)勢(shì)，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(yùn)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(shè)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(yùn)行CCFL需要高交流電壓，所以需要高壓DC/AC逆變器。基于PZT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(shè)備，并可能降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。另外，基于PZT的逆變器所產(chǎn)生的正弦激勵(lì)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(zhǎng)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(yīng)用中，它是CCFL的一個(gè)強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。但是，當(dāng)使用白光LED作為顯示器的背景光時(shí)需要注意以下問(wèn)題:

　　a. 幾乎所有的LED制造商都以新?tīng)T光(cd)為單位給出光強(qiáng)度。通常這個(gè)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(qiáng)度出售。在20度視角光強(qiáng)度可能達(dá)到6.4cd，在70度視角可能有0.48cd，而在160度視角光強(qiáng)度可能幾乎為零。由于照明一致性對(duì)舒適感和視覺(jué)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(gè)LCD以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接起來(lái)。

　　b. 這些白色LED的壽命比較短。在運(yùn)行大約1000小時(shí)之后，它們將變黃并在一定程度上變暗，這對(duì)彩色顯示器來(lái)說(shuō)是不能接受的。當(dāng)然，在超過(guò)LED額定電流條件下運(yùn)行還將加速這個(gè)過(guò)程。

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

　　d. 還有一個(gè)主要的缺點(diǎn)是成本高，其批量售價(jià)每支2.3美元起，比相同亮度的單只CCFL貴。

　　當(dāng)使用這些作為光源時(shí)，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(diǎn)亮度，那么應(yīng)考慮峰值光強(qiáng)度；如果你需要光的擴(kuò)散效果，選擇合適的輸出截面則非常重要；在需要對(duì)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(zhǎng)使用壽命時(shí)，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(gè)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(fù)載條件下工作的優(yōu)點(diǎn)。PZT變壓器具有固有的正弦運(yùn)行特性、高激發(fā)電壓、不可燃和無(wú)電磁噪聲的優(yōu)點(diǎn)。磁性變壓器和壓電變壓器的比較見(jiàn)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(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換稱為逆壓電效應(yīng)，而機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換稱為正壓電效應(yīng)。

　　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(gè)制造商都有它們獨(dú)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(gè)升壓磁性變壓器才能使燈具運(yùn)行。多層PZT的設(shè)計(jì)制造難度更大，但具有更高的電壓增益(20~70)。

　　圖1為一個(gè)用于CCFL供電的典型長(zhǎng)模式PZT。該壓電變壓器包含一些用于能量轉(zhuǎn)換的長(zhǎng)方形壓電陶瓷層，還帶有一對(duì)初級(jí)電極(用于輸入)和一對(duì)次級(jí)電極(用于輸出)。輸入到初級(jí)電極的電信號(hào)以壓電方式轉(zhuǎn)換成機(jī)械震動(dòng)，這些機(jī)械震動(dòng)傳送到陶瓷層的次級(jí)，在那里機(jī)械震動(dòng)以壓電方式轉(zhuǎn)換成一個(gè)高電平輸出。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程只消耗很少的能量。

要預(yù)測(cè)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(zhǎng)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(fù)載下的測(cè)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(jí)電極的多層結(jié)構(gòu)和材料電介質(zhì)常數(shù)形成了一個(gè)大的主級(jí)輸入電容(Cinput)。由于次級(jí)的單層結(jié)構(gòu)和主級(jí)電極和次級(jí)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(hào)為EFTU11R8MX50)增益(Voutput/in)相對(duì)于輸出負(fù)載和頻率的特性關(guān)系曲線。這個(gè)PZT對(duì)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(wú)負(fù)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(shì)。一旦熒光燈激發(fā)之后，變壓器則帶有了負(fù)載。負(fù)載引起變壓器增益下降和諧振頻率移動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)在一個(gè)單向控制電路下激發(fā)并運(yùn)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(gè)基于PZT的背景光轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化功能圖。PZT由一個(gè)幅度正比于輸入電壓的諧振功率級(jí)驅(qū)動(dòng)，它提供驅(qū)動(dòng)熒光燈所需要的電壓增益。圍繞著誤差放大器形成了一個(gè)控制環(huán)，誤差放大器把平均熒光燈電流同參考信號(hào)(REF)相比較，以便于對(duì)熒光燈的光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂齐妷篤c驅(qū)動(dòng)用來(lái)確定諧振功率級(jí)的運(yùn)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(yùn)行頻率。降低這個(gè)可編程的頻率范圍可以改善反饋回路的控制響應(yīng)。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?fù)?

　　一個(gè)以諧振推挽拓?fù)淇刂茐弘娮儔浩鞯碾娐啡鐖D5所示。這個(gè)拓?fù)涫褂昧藘蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)電感(L1和L2)，通過(guò)UCC3977控制器和MOSFET S1和S2，這兩個(gè)電感在50%的占空比產(chǎn)生180 度的相移。這個(gè)推挽電路優(yōu)點(diǎn)是可以提供從直流輸入電壓到壓電變壓器初級(jí)的電壓增益，并通過(guò)這兩個(gè)電感和PZT初級(jí)電容之間的LC關(guān)系實(shí)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(lái)控制熒光燈電流。UCC3977包含一個(gè)在COMP和OSC引腳之間形成的可編程的VCO，該VCO用來(lái)設(shè)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(jìn)行測(cè)量并由PZT的增益/頻率的特性進(jìn)行控制(參見(jiàn)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。