液晶電視CCFL 控制電路的設(shè)計技巧

何勝斌

(深圳市兆馳股份有限公司，廣東 深圳 518026)

液晶電視的顯示屏是屬于被動發(fā)光型的顯示器件，它需要借助背光源發(fā)出的光線通過液晶屏透射出來，利用液晶的分子在電場作用下控制通過的光線以形成圖像。要顯示色彩豐富的優(yōu)質(zhì)圖像，要求背光源發(fā)出光線的光譜范圍要寬，接近日光色以便最大限度地展現(xiàn)自然界的各種色彩。同時液晶電視要保證有足夠的亮度、保持整個屏幕亮度的均勻性和亮度可以調(diào)節(jié)。

CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lam，也叫冷陰極燈。其原理是通過高能量電子轟擊汞原子，使汞原子被激發(fā)。但激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，汞原子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時會釋放能量，此能量是以輻射253.7 nm和185.0 nm 紫外光子的形式產(chǎn)生的，熒光粉吸收紫外光子而發(fā)出白色的可見光。CCFL 燈管電極構(gòu)造簡單，管徑易細化，可靠性高，壽命一般在3 萬小時以上，在觸發(fā)點火時不需燈絲預(yù)熱，加上圓柱狀外形很容易與光反射組件組合成薄板狀照明器，因此在TFT-LCD 背光源上廣泛采用。

1 CCFL 冷陰極燈的特性

CCFL 燈管的驅(qū)動電路集成也叫CCFL INVERTER，CCFL 燈管是一個高非線性負載。冷陰極燈在開始啟動時，當(dāng)電壓還沒有達到觸發(fā)值(一般1000 V 以上)時，燈管呈正電阻(數(shù)兆歐)。一旦達到觸發(fā)值，燈管內(nèi)部產(chǎn)生電離放電產(chǎn)生電流，此時電流增加，燈管兩端電壓下降呈負阻特性，很快降為幾百千歐級。當(dāng)流過燈絲的電流達到一定值時，CCFL 燈管兩端電壓停止下降進入一個穩(wěn)態(tài)值，通常稱為CCFL 燈管的工作電壓，激活CCFL 燈管的電壓一般是工作電壓的兩到三倍。啟動電壓與電流的曲線如圖1(a)所示。

CCFL 背光電源是將DC 轉(zhuǎn)換為AC，其存在轉(zhuǎn)換頻率，CCFL 背光電源的工作頻率就是轉(zhuǎn)換頻率，背光電源的工作頻率必須和所配TFT-LCD 屏相對應(yīng)。CCFL 背光電源工作波形要盡可能的是正弦波，如波形太差，會造成光效差，燈管發(fā)熱嚴重，燈管壽命下降等問題。對于CCFL 燈管來說，其工作時候的亮度和工作時候的溫度有很大的關(guān)系，在低溫如－20 ℃的時候，其特性表現(xiàn)為即使用很高的電壓啟動也只能發(fā)出微弱的光。典型的亮度與溫度的曲線如圖1(b)所示。

圖1 冷陰極燈的特性曲線

2 驅(qū)動冷陰極燈電路形式的介紹

CCFL 驅(qū)動電路:又叫CCFL INVERTER ，即CCFL 逆變器，是為了符合CCFL 燈管的工作特性而將直流低電壓變成高頻高壓交流電的電子裝置。通常有四種控制電路［1］(見圖2)。

圖2(a):為全橋架構(gòu)，優(yōu)點是簡單、效率高，變壓器設(shè)計簡單，缺點是需要專門的IC 驅(qū)動，并且需要四個MOSFET，特別是P 溝道的MOSFET，成本較高，適合在低電源電壓的場合應(yīng)用。

圖2(b):雖然比全橋省了兩個MOSFET，但是在相同輸出功率和負載的情況下，供電電壓要比全橋架構(gòu)提高一倍，因此需要更高匝數(shù)比的變壓器，變壓器成本高，適合用在供電電壓較高的場合。

圖2(c):Royer 架構(gòu)，最佳應(yīng)用是在不需要嚴格控制燈頻和亮度的設(shè)計中。由於Royer 架構(gòu)是自振蕩設(shè)計，受元件參數(shù)偏差的影響，很難嚴格控制燈電流和燈頻，而這兩者都會直接影響燈的亮度，但價格最廉價。

圖2(d):推挽架構(gòu)，這種架構(gòu)只用到n 通道MOSFET，這有利於降低成本和增加轉(zhuǎn)換器效率。最大的缺點是要求轉(zhuǎn)換器直流電源電壓的范圍小於50%，否則，當(dāng)直流電源電壓處于高階時，由于交流波形的高振幅因子，系統(tǒng)的效率會降低。但對于LCD 電視，由于電源穩(wěn)定，采用此電路非常理想。

圖2 冷陰極燈驅(qū)動電路的形式

3 冷陰極燈多燈驅(qū)動電路分析

CCFL 燈管管中心點的亮度必須在3 分鐘內(nèi)達到規(guī)定亮度的100%。考慮到整機的可靠性和壽命要求，驅(qū)動電源對冷陰極燈的供電、激勵部分必須符合燈管的特性，供電電源必須是交流正弦波，頻率為40 k ～60 k 左右，觸發(fā)電壓和維持電壓符合燈管的規(guī)格(由燈管的長度和直徑?jīng)Q定)。

由于液晶電視屏幕尺寸比較大，一般在18.5 英寸以上，現(xiàn)在逐漸向大尺寸方面發(fā)展，如42 寸、55 寸等，因此需要在一臺機器里面用多根燈管一起發(fā)光，來達到整機需要的亮度要求。用一個單通道CCFL 控制器驅(qū)動多個燈，燈管直接串、并聯(lián)使用，第一個缺點是由於燈阻抗的差異，會造成亮度不均勻;第二個缺點是，單個燈管的失效(例如破損)會造成屏幕沒有任何顯示;第三個缺點是，由于是并聯(lián)(或者串聯(lián))驅(qū)動所有燈，同時打開和關(guān)閉這些燈，這就要求轉(zhuǎn)換器直流電源必須采用更大的電容器增強去耦效果，這會增加轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸。

解決上述諸問題的一條途徑就是每個燈用一個單獨的CCFL 控制器，在多燈管液晶屏中，每一只燈管均配單獨一只高壓變壓器。

4 冷陰極燈調(diào)光原理

在實際運用的過程中驅(qū)動電源常常同時要求有調(diào)光功能。CCFL的亮度與CCFL的電流大致成正比，因此在電路中一般有電流環(huán)來控制CCFL的亮度。在實際的應(yīng)用中一般采用PWM 波來調(diào)光。

PWM 調(diào)光［2］的優(yōu)點:(1)調(diào)節(jié)過程中亮度變化非常均勻，不會發(fā)生突變的現(xiàn)象;(2)調(diào)節(jié)的時候輸出電壓峰－峰值不會隨調(diào)亮而變化。具體方法是軟件編程MCU 輸出30 ～200Hz的低頻PWM 脈沖波對施加于冷陰極熒光燈管上的連續(xù)振蕩高壓波進行調(diào)制，使連續(xù)振蕩波變成斷續(xù)振蕩波，斷續(xù)的在極短時間內(nèi)停止對冷陰極熒光燈供電。由于停止時間極短，不足以使燈管的電離狀態(tài)消失，但是其輻射的紫外線強度下降，管壁上的熒光粉的激發(fā)量減小，亮度也下降。通過控制PWM 脈沖的占空比，就可以改變燈管在一個導(dǎo)通/關(guān)閉周期的時間比，從而達到控制燈管平均亮度的目的。

4.1 冷陰極燈調(diào)光時候的柔性啟動技術(shù)

在冷陰極燈調(diào)光的時候控制方式是反復(fù)的啟動、截止燈管，然而每一個啟動、關(guān)閉周期都會造成燈管遭受到高啟動電壓及電流突變的沖擊，這對于氣體放電燈的電極而言是極為不利的，將會大大地縮短燈管的使用壽命。為了解決這一問題，目前業(yè)內(nèi)普遍采用一種“柔性”啟動技術(shù)，即對調(diào)光脈沖包絡(luò)的前沿和后沿，采用連續(xù)線性增幅和降幅的處理，使得包絡(luò)的前沿是一個逐步增大的過程，包絡(luò)的后沿是一個逐步減小的過程，具體圖形見圖3。經(jīng)過線性幅度變換處理后的高壓脈沖波，再作用于燈管上，就不會對燈管造成啟、停的損傷，也不會影響燈管的壽命。

圖3 經(jīng)過前沿和后沿處理的脈沖波的波形

4.2 多管冷陰極燈調(diào)光時候的移相技術(shù)

由于液晶TV 采用多只冷陰極燈管，如32 寸的LCD TV采用12 只冷陰極燈管，42 寸LCD TV 采用16 只冷陰極燈管等等。因此在亮度調(diào)節(jié)的過程中，如果多只燈管在同一時間斷電和啟動，間斷頻率將會和液晶屏的刷新頻率產(chǎn)生差拍，將會導(dǎo)致畫面出現(xiàn)滾動、閃爍、亮度不均勻等畫異的現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象采取的解決方法是采用移相技術(shù)，即把采用的多只燈管平均分組，一般分為4 組，這樣對其供電控制的PWM 脈沖有4個通道，每個通道向一組燈管供電，通道之間輸出的PWM 調(diào)制脈沖，依次移相90 度，共輸出4 路經(jīng)過PWM 調(diào)制的高頻脈沖波，具體見圖4。整體來說，多根燈管不會在同一時間斷電和供電，是輪流進行的，這樣可以使得在避免上述問題的同時亮度均勻并且做到干擾最小。

圖4 多管調(diào)光時候的移相波形

5 冷陰極燈保護電路的設(shè)計技巧

對于LCD TV 以顯示為主的消費類電子產(chǎn)品，關(guān)鍵部件發(fā)光源的穩(wěn)定性非常的重要。要使背光源穩(wěn)定的工作，其反饋和保護電路［3］就顯得很關(guān)鍵。例如燈管開路時，輸出電壓就會升高，電壓升高就容易出現(xiàn)打火等現(xiàn)象，從而出現(xiàn)燒板現(xiàn)象。燈管電流如不平衡，出現(xiàn)一些電流很大，而一些電流很小，就會影響燈管壽命，并且屏幕亮度不均勻。通常設(shè)計的原理示意圖見圖5，每路燈管的電路是一樣的，因此圖5(a)取了其中一路電路來分析，而電流取樣只要取其中某一路即可，見圖5(b)。下面結(jié)合實際的應(yīng)用分析保護電路的設(shè)計技巧。

5.1 電壓取樣和過壓保護

圖5(a)中所有燈管的VS 端連在一起，并連到驅(qū)動IC的相關(guān)功能引腳。一般燈管在剛啟動的時候，驅(qū)動IC 輸出的PWM 波占空比由小到大張開，使變壓器高壓端輸出電壓由小到大變化。通過C2、C1 分壓出來的電壓和C4、C3 分壓出來的電壓經(jīng)過D3 形成一個逐漸增加的電壓，當(dāng)此電壓達到驅(qū)動IC 內(nèi)部規(guī)定的電壓值時，驅(qū)動IC 保持住此時的PWM占空比并判斷是否點火成功。如成功后，當(dāng)驅(qū)動IC 收到此反饋電壓的值超過3 V，就判斷過壓，關(guān)閉輸出，進入保護。

圖5 冷陰極燈保護電路的原理示意圖

5.2 燈管斷路取樣

在設(shè)計的時候燈管斷路的檢測采取了分開檢測的方法，即第一路通過C4、C3 分壓經(jīng)過R4的電壓和第3 路同樣方法輸出的電壓連在一起經(jīng)過D4 形成一個參考電壓，利用此電壓來判斷燈管的斷路情況，所有通路的OLP 電壓連在一起，連到驅(qū)動IC 相關(guān)功能引腳。當(dāng)某路燈管斷路的時候?qū)?yīng)路的OLP 電壓會變低，由于與門的作用，會導(dǎo)致連到驅(qū)動IC的反饋電壓變低，驅(qū)動IC 關(guān)閉輸出，進入保護。

5.3 電流取樣

見圖5(b)，經(jīng)過T2 降壓，D5、D6 整流，通過R6和R5 變比，輸出一個參考值IL。根據(jù)此IL值驅(qū)動IC 就可以很方便地知道負載情況，通過改變占空比調(diào)節(jié)屏的亮度。

6 總結(jié)

CCFL 有一些特殊性能，必須仔細考慮以最大化其效率、壽命和實用性。然而，這些特性帶來了一些特殊的設(shè)計挑戰(zhàn)，只有不斷地總結(jié)和實驗、改進才能使冷陰極燈發(fā)揮最大的功效，優(yōu)化LCD TV的性能和安全性。

［1］李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］曾令琴.數(shù)字電子技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［3］徐小濤.數(shù)字電源技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2011.