LCD背光照明CCFL羅耶(Royer)諧振變換器設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　眾所周知，在電話手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和PDA等便攜式電子產(chǎn)品的小尺寸彩幕的背光照明中，早已是LED(尤其是白光LED)的一統(tǒng)天下。但是，在筆記本電腦、LCD監(jiān)視器與LCD彩電、臺(tái)式儀器、銷售點(diǎn)終端和汽車信息娛樂終端等大屏幕LCD的背光照明中，冷陰極熒光燈(CCFL)的霸主地位迄今仍不可震憾。目前，LED價(jià)位居高不下，并且在大尺寸LCD中作為背光源使用的數(shù)十顆乃至數(shù)百顆LED的亮度仍不均勻，即使是同一廠家甚至是同一基片上生產(chǎn)的LED在恒流或恒壓下工作，其亮度也不一致。這在銀行和交通等普通大屏幕LED顯示屏背光照明應(yīng)用中是允許的，但用于LCD彩電和LCD臺(tái)式電腦等高端產(chǎn)品的背光照明，則是不可接受的。因此，在最近兩三年之內(nèi)，LED不可能擠占CCFL在大尺寸LCD應(yīng)用中的市場(chǎng)地位。LED最終是否能完全取代CCFL，目前尚不能下結(jié)論。但極具可能性，這是因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)展常常出乎人們的預(yù)期軌跡。

       1 CCFL的特點(diǎn)及工作條件

　　CCFL燈管長(zhǎng)度一般為十幾厘米到幾十個(gè)厘米，并具有直管形、圓弧形、U形和直角(L)形等多種形狀，而CCFL燈的管徑僅幾個(gè)毫米，類似于霓虹燈。CCFL的陰極是一個(gè)涂有發(fā)射材料的金屬筒，并且每個(gè)陰極通常只有一個(gè)引出端，這與熒光燈雙引腳配置是不同的。CCFL玻璃管內(nèi)充有汞和氖氬混合氣體，內(nèi)管壁涂有一層三基色熒光粉，發(fā)光原理與熒光燈是一樣的。

　　由于CCFL與熒光燈的物理結(jié)構(gòu)不同，電氣特性必就不一樣。CCFL工作電流僅為2～8 mA，比熒光燈工作電流小10倍乃至100倍。CCFL燈電壓一般為250～700 V(有效值)，而熒光燈工作電壓僅約60～110 V。CCFL的觸發(fā)啟動(dòng)電壓為800～1700 V(有效值)，與熒光燈基本相當(dāng)。

　　由于CCFL燈管細(xì)而較短，因而其抗震動(dòng)和抗沖擊能力較強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)達(dá)20 kh，耐點(diǎn)滅性能達(dá)10萬次以上。近幾年出現(xiàn)的外部電極熒光燈(EEFL)的性能更佳，并有望取代CCFL。

　　2 CCFL電子鎮(zhèn)流器

　　在電光源行業(yè)，一般將CCFL電子鎮(zhèn)流器稱為CCFL電子變壓器。在LCD背光照明應(yīng)用中，通常采用3～28 V的直流供電，因此，CCFL不可能使用工頻(50／60 Hz)變壓器來配套工作。當(dāng)CCFL作為L(zhǎng)CD背光照明光源(即背光燈)時(shí)，其電子鎮(zhèn)流器的主電路為DC／AC逆變器。但DC／AC逆變器輸出端必須連接一個(gè)高頻升壓變壓器，來為CCFL提供足夠高的觸發(fā)和工作電壓。同時(shí)，CCFL電子鎮(zhèn)流器還應(yīng)提供調(diào)光功能。

　　CCFL的驅(qū)動(dòng)電路均采用專用IC控制。CCFL逆變器電路主要有半橋、全橋和推挽三種類型，采用率比例約為1：3：6，以推挽拓?fù)錇橹?。推挽電路結(jié)構(gòu)一般需用兩個(gè)開關(guān)，成本較低，工作效率較高，但功率晶體管所承受的電壓也較高。

　　3 基于FAN7548的CCFL諧振變換器

　　適用于推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的CCFL控制器有單通道、雙通道、四通道和八通道等，每個(gè)通道可驅(qū)動(dòng)一根到4根CCFL。飛兆半導(dǎo)體推出的FAN7548背光控制器采用20引腳SSOP封裝，含有兩個(gè)通道，適用于Buck+Royer拓?fù)?，可支持模擬與數(shù)控調(diào)光，同時(shí)可提供燈開路調(diào)節(jié)與保護(hù)。

　　3.1 電路組成及工作原理

　　采用FAN7548的CCFL雙通道電子鎮(zhèn)流器電路如圖1所示。圖中，10.8～13.2 V電源從FAN7548的VCC腳施加，并通過腳CSS上的電容C10實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。主振蕩器頻率由OSC1上的R9／C9和OSC2上的R17／R18決定，其值為Royer諧振腔頻率的2倍。而各通道上的主電路是一個(gè)由P溝道MOSFET(M1)、VD1和L1等組成的降壓(Buck)級(jí)和其后的一個(gè)由VT1、VT3和變壓器T1初級(jí)與輔助繞組等組成的諧振Royer功率變換器組成。Buck變換器輸出端上的電阻分壓器R27／R29用作感測(cè)燈開路電壓，并從IC腳OLR1輸入以執(zhí)行燈開路調(diào)節(jié)。CCFL低壓端和地之間的R10／C16、R11／C15及VD6、VT5等組成了燈開路檢測(cè)電路。R26／VD9、R12／VD5及R20、R22和C28等組成燈檢測(cè)反饋電路。IC引腳BDIM可以施加數(shù)控調(diào)光信號(hào)，該腳的1.75 V控制電壓對(duì)應(yīng)CCFL的最大亮度(100％)。引腳ADIM上的控制電壓可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光，該腳上的2.5 V電壓對(duì)應(yīng)于CCFL的最大亮度。

　　功率變換級(jí)電路的工作頻率由T1初級(jí)繞組電感Lp、諧振電容C4和T1次級(jí)繞組的反射阻抗共同決定。T1次級(jí)電抗由電容C1／C3和CCFL燈負(fù)載以及分布電容決定。C4和T1初級(jí)繞組(帶中心抽頭)組成的諧振功率級(jí)電路的諧振腔，可產(chǎn)生正弦電壓。VT1和VT3的脈沖占空比為50％，反饋驅(qū)動(dòng)電壓來自T1的輔助繞組(即引腳1與6之間的繞組)。為防止各級(jí)電路頻率相互影響，F(xiàn)AN7548的頻率應(yīng)與Buck級(jí)和Royer功率級(jí)的頻率保持同步。

　　3.2 功率變換級(jí)電路設(shè)計(jì)

　　該電路的技術(shù)條件如下：

　　輸入DC電壓VIN：10.8～13.2 V；

　　諧擾拜率fres：50 kHz；

　　CCFL點(diǎn)火電壓VIGN：800 V(有效值)；

　　CCFL工作電壓VL：585 V(有效值)；

　　CCFL工作電流IL：8 mA。

　　(1)Buck功率變換級(jí)設(shè)計(jì)

　　當(dāng)Buck變換器開關(guān)的占空比D最小時(shí)，工作頻率為最小值fmin(設(shè)定在100 kHz)，而變換器輸出電壓為最大值Vo(buck)(設(shè)置在7.36 V)，此時(shí)的開關(guān)截止時(shí)間最長(zhǎng)。而其最長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間為：

　　若通過電感L1的紋波電流低于最大平均電流IL(max)的50％，且Buck級(jí)電路的效率y=90％，則Buck級(jí)的最大DC輸出電流IL(max)為：

　　電路中的功率開關(guān)可選用FDC658P型P溝道MOSFET，VD1選用SS23二極管，L1選擇47μH。

　　(2)鎮(zhèn)流電C1(C3)的選擇

　　C1和C3可利用下式計(jì)算：

　　式中：VC1(VC3)為C1(C3)上的電壓，通常情況下，VC1(VC3)=2VL=585 V×2=1170 V；frer為諧振腔諧振頻率(fres=50 kHz)。

　　這樣，通過VC1(VC3)=1170 V、fres=50 kHz和IL=8 mA可計(jì)算出：C1(C3)≈22 pF。