陰極冷光燈(CCFL)轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)

1、陰極冷光燈（CCFL）轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù) 本文介紹啟動陰極冷光燈（cold cathode fluorescent lamp；CCFL）的零電壓交換（zero voltage switched；ZVS）諧振轉(zhuǎn)換器（resonant converter）技術(shù)。其主要功能是為了讓液晶顯示器(LCD)展現(xiàn)背光（back-lighting）的效果，而且此電路中的元件數(shù)量和所佔體積大小必須最小。一個特別設(shè)計的積體電路提供推挽式（push-pull）電流型ZVS轉(zhuǎn)換器所需的全部控制功能，同時也包含了一個輔助性的脈衝寬度調(diào)變（PWM）控制器，可用程式來設(shè)計LCD的電壓。轉(zhuǎn)換器的分析及模擬和一份完整的電路圖，最後

2、會被呈現(xiàn)出來，此分析和模擬的結(jié)果，將由實際電路的波形和重要的性能參數(shù)來驗證。 CCFL的設(shè)計挑戰(zhàn) 因行動電腦和筆記型電腦的激增，讓顯示器的需求不斷成長。高解析度和高對比是執(zhí)行新一代繪圖程式的基本要求，但也增加了顯示器在性能、大小和效能上的衝突。具有陰極冷光功能的LCD最能滿足這樣的設(shè)計需求，然而傳統(tǒng)的技術(shù)需要冷光燈和高電壓交流電供應(yīng)，這仍然造成電池電力不足的主因。陰極冷光燈(CCFL)需要1至2KV來啟動（fire），此動作國內(nèi)廠商俗稱為點燈。因為波形驅(qū)動（wave drive）最好能降低RF的干擾和提高冷光燈的效率，轉(zhuǎn)換器對於效率和體積大小的要求是非常嚴(yán)苛的。這些嚴(yán)苛的條件，需要一個高效率的

3、轉(zhuǎn)換電路和最佳化的電路整合技術(shù)才能滿足。零電壓交換諧振電路利用充電的寄生電容達(dá)到高電壓，可以降低功率損失，提高效率。這種電路架構(gòu)可以利用離散電路來控制。最常見的方式是修改Royer振盪器來提供ZVS運(yùn)作。當(dāng)這方法第一次被發(fā)現(xiàn)是很好的解決方案，並被廣泛地使用時，卻受到一些限制。高電壓DC轉(zhuǎn)換到AC只是LCD的部份需求，此外，平均輸出的電流必須能用來控制冷光燈的強(qiáng)度，而且LCD需要一個可編程的低電壓，用來調(diào)整對比的效果。這些額外的電路，不管是使用離散電路或多顆晶片來實現(xiàn)，都將造成元件數(shù)量的增加，嚴(yán)重影響LCD的體積大小和可靠度。同步（synchronization）的要求也同樣希望能去除成拍頻率（

4、beat frequency）的影響，例如：冷光燈強(qiáng)度的調(diào)變（modulation），這將使電路設(shè)計更加複雜。成拍頻率的意義是：當(dāng)兩不同頻率訊號混合時，會產(chǎn)生另兩種不同頻率，分別為原兩頻率的和與差。例如在一式中：cosAcosB=cos(A+B)+cos(A-B)2，原訊號為A與B，生成成拍訊號為A+B與A-B。整合是減少電路的複雜度和體積大小的最好方法。 陰極冷光燈的特性對轉(zhuǎn)換器而言，CCFL代表的是一個高非線性負(fù)載，如圖一所示。一開始當(dāng)冷光燈是冷卻的時候（在一段沒有運(yùn)轉(zhuǎn)的時間內(nèi)），啟動冷光燈的電壓是一般的三倍。冷光燈在圖一中的特徵是，啟動電壓為1600伏特，一般運(yùn)作的平均電壓是300伏特。

5、請注意，冷光燈在一開始時是正電阻，然後轉(zhuǎn)換為負(fù)電阻在1mA之上。這些特性表示它具有高輸出阻抗(電流源)，能抑制負(fù)的負(fù)載電阻效應(yīng)，且在啟動冷光燈時可以限制電流。因為ZVS轉(zhuǎn)換器有一個低輸出阻抗，所以必須加入一個額外的無損失（loseless）串聯(lián)阻抗，例如：一個耦合電容。圖一：陰極冷光燈的電流是電壓函數(shù)?？v座標(biāo): 2mA/div. 橫座標(biāo): 200V/div在圖二中，對CCFL的等效電路做分析。VFL是冷光燈在一般操作下的平均電壓。冷光燈的阻抗（RFL）是一個複函數(shù)，但在固定電壓時，可被視為一個固定的負(fù)電阻。雜散電容和互連電容結(jié)合在一起成為CFL。圖二：CCFL的等效電路 ZVS諧振轉(zhuǎn)換器電路在

6、圖三中，推挽式電流型轉(zhuǎn)換器在它的諧振頻率上被驅(qū)動，以提供ZVS作業(yè)。推挽輸出的MOSFETS（Q1和Q2）各在50的工作週期內(nèi)，被交替驅(qū)動。當(dāng)V1和V2通過零產(chǎn)生諧振時，電壓交替即發(fā)生，因此能確保零電壓切換。這幾乎消除了因充電的MOSFETS輸出和離散電容所引起的切換損失，並藉由減少閘電荷降低閘極驅(qū)動電壓的損失。圖三：推挽式電流型ZVS諧振轉(zhuǎn)換器在推挽單元（stage），電流是透過一個切換式降壓轉(zhuǎn)換器（buck regulator）Q3提供。控制電路強(qiáng)迫令橫跨於電流感測電阻(R8+R5)與整流器D2上的平均電壓等於一個參考電壓。R8可以改變電流和冷光燈的亮度。D2所引起的非線性效應(yīng)是很輕微的，

7、因為RS可針對某一特定的亮度做調(diào)整，和實際的電流準(zhǔn)位無關(guān)。纏繞的電感，LR和CR，結(jié)合產(chǎn)生的有效電容C7，和感應(yīng)產(chǎn)生的次要電容形成諧振並聯(lián)電路或諧振槽（resonant tank）。變壓器的次級代表一個對稱的正弦波，電壓變化從大約300V到最大1500V。C6電容提供穩(wěn)定電流和確保轉(zhuǎn)換器只須面對正阻抗的負(fù)載。 波形分析模擬的轉(zhuǎn)換器電壓和電流波形呈現(xiàn)在圖四中。在時間軸t0上，主要電流（I1&I2）已經(jīng)達(dá)到它的最高值，推挽洩極電壓（V1&V2）已經(jīng)諧振至零。主要電壓（V3）也同樣諧振至零，透過控制電路，切換Q1關(guān)閉，而Q2開啟。儲存在LR的功率也同樣是在它的最高點。這功率在t0到t

8、1這段時間內(nèi)，從LR轉(zhuǎn)換到有效諧振電容CR，導(dǎo)致CR的電壓增加。圖四：轉(zhuǎn)換器的電壓和電流波形在t1的時間點上，LR的功率已經(jīng)轉(zhuǎn)換到CR，結(jié)果零電流通過LR，最大電壓存在CR中。從t1到t2的這段時間裡，功率從CR轉(zhuǎn)回到LR， 當(dāng)LR的電流增加時，CR的電壓下降了。諧振電流在時間t2通過LR，其絕對值等於它在t0時的大小，但極性相反。當(dāng)MOSFET開啟時，由於感應(yīng)的負(fù)載電流的流動，可以察覺到電流振幅會稍微不對稱。在V1，V2和V3的電壓已經(jīng)諧振至零，導(dǎo)致控制電路將Q2切換成關(guān)閉，Q1為開啟。在t2到t4相隔的時間內(nèi)，波形週期仍然對稱地進(jìn)行著，最後產(chǎn)生完整的正弦曲線的電壓和電流波形。 簡化的轉(zhuǎn)換器

9、模型圖五是轉(zhuǎn)換器模型，也是一個1/2週期簡易分析的等效電路，反映變壓器主級的全部阻抗，省略變壓器。變壓器主級通過推挽單元發(fā)展出來的差動電壓（V1-V2）的振幅大小比中心點（center-tap）處的V3大兩倍。這表示出C7是透過變壓器主級和次級線圈的纏繞數(shù)目比率（turns ratio）的平方，將功率轉(zhuǎn)換為V3，結(jié)果V3可以得到4*(C7)的值。次級線圈的電容也是由纏繞數(shù)比率（n）的平方?jīng)Q定的，因為纏繞數(shù)比率一般都很大，所以感應(yīng)電容是不能忽視的。切換式降壓單元是在連續(xù)電流模式下運(yùn)作，而且和推挽單元同步。圖五：簡化的轉(zhuǎn)換器模型冷光燈的電流和冷光燈的強(qiáng)度成正比，而且被當(dāng)成回饋變數(shù)。切換式降壓電流（

10、I）是一個響應(yīng)變數(shù)，它會回頭調(diào)節(jié)變壓器主級的平均推挽電壓。耦合電容的高阻抗將變壓器次級的電壓轉(zhuǎn)換成冷光燈的電流?？刂品匠淌阶償?shù)摘要:CR =有效諧振並聯(lián)電容CW =次級的線圈互纏電容FL =平均冷光燈電壓 IB =平均降壓輸出電流LR =主級的線圈纏繞電感 n=變壓器的纏繞數(shù)比率 Zsec =次級的阻抗在圖六中，顯示了降壓輸出單元和輸出電壓波形。輸出電壓是一個整流過的正弦波，它回應(yīng)同步的，諧振推挽單元的輸入電壓。電感輸出的組態(tài)設(shè)定顯示，在諧振頻率時具有高阻抗；而且在一週期內(nèi)，取輸出電壓的平均值。若將降壓輸出電壓（buck output voltage）視為時間的函數(shù)：Vout（t）= VP *

11、sin（t）而角度頻率是： = 2f=2/2t1=/t1圖六：降壓轉(zhuǎn)換器單元當(dāng)在穩(wěn)定狀態(tài)，電感上的電壓和時間的乘積必須為零。設(shè)定開啟和關(guān)閉時的電壓與時間的乘積相等，並積分之，可得到降壓轉(zhuǎn)換函式：這個轉(zhuǎn)換函式等同於一般常見的DC輸出降壓轉(zhuǎn)換函式，/2為峯值對平均輸出電壓的關(guān)係式。和使用DC降壓一樣，變壓器的主級電壓和工作週期呈線性關(guān)係。變壓器的主級峯值電壓也和冷光燈的峯值電流相關(guān)，經(jīng)由：設(shè)定（1）等於（2），求IFL(avg)，表示冷光燈的電流是工作週期的函式：如同從圖五所看到的，冷光燈的維持電壓VFL會引起非線性效應(yīng)。降壓輸出電流是和冷光燈的電流相關(guān)，且輸入和輸出的功率相同。輸入的功率是：負(fù)載

12、上的功率是：為分析之便，假設(shè)功率是100轉(zhuǎn)換：以（2）取代（4）中的VP，可得出降壓輸出電流，它是冷光燈電流的函式：諧振頻率大約是：圖七：CCFL應(yīng)用電路VFL引起的非線性會造成諧振頻率隨負(fù)載而改變。當(dāng)冷光燈的強(qiáng)度非常弱時，變壓器的次級電壓幾乎到達(dá)VFL的峯值。有效諧振電容CR主要是C7和CW的加總，感應(yīng)回到主級。當(dāng)次級電壓增加超過VFL時，感應(yīng)的C6值加在諧振電容中降低頻率。頻率範(fàn)圍大約是經(jīng)由假設(shè)：當(dāng)冷光燈強(qiáng)度最小時，C6不具影響力；但當(dāng)強(qiáng)度最大時，則完全加到CR中。峯值諧振電感電流是從（5）得出的感應(yīng)負(fù)載電流和諧振電流的總和：並聯(lián)阻抗的求得是經(jīng)由設(shè)定諧振能量儲存式等於：雖然，相當(dāng)大的電流通

13、過諧振並聯(lián)電路，但是這些切換是在低電流準(zhǔn)位下動作。連續(xù)諧振電路的一個直接效果是：這些開關(guān)只需要處理由負(fù)載所移除的功率和在寄生電路中流失的功率。峯值切換電流是： 完整的解決方案圖七是使用一顆能驅(qū)動同步諧振冷光燈和LCD的驅(qū)動式積體電路，來完成一個完整的應(yīng)用電路。此電路提供了完整的驅(qū)動、控制和管理功能，來實現(xiàn)CCFL和LCD轉(zhuǎn)換器。降壓輸出電壓（變壓器中心點）提供了零交錯和同步訊號。LCD的電源調(diào)變器也是和諧振並聯(lián)電路同步。降壓調(diào)變器（buck modulator）直接驅(qū)動一個P頻道的MOSFET，並在0100工作週期內(nèi)運(yùn)作。調(diào)變範(fàn)圍包括了100的部份，允許最小的額外消耗。LCD電源調(diào)變器也直接驅(qū)

14、動一個P頻道的MOSFET，但是它的工作週期限定為95，以防止電源因突然劇降或極性逆轉(zhuǎn)（飛返；flyback）時，所產(chǎn)生的巨大輸出電流（foldback）。圖八：振盪器方塊圖振盪器和同步電路顯示在圖八中。振盪器是設(shè)計在3：1的頻率範(fàn)圍內(nèi)能同步。然而，在實際應(yīng)用上，頻率範(fàn)圍大約只有1.5：1。零偵測比較器（zero detect comparator）偵測變壓器主級的中心點電壓，當(dāng)諧振波形降到零時，會產(chǎn)生一個同步脈衝。實際的臨界點是0.5伏特，可提供一個小量的期待值用來補(bǔ)償傳播延遲（propagation delay）。同步脈衝的寬度是定義為：4mA電流吸收端（current sink）將定時的

15、電容器放電0.1伏特所需的時間。這個脈衝寬度決定LCD電源調(diào)節(jié)器的最短關(guān)閉（off）時間，而且可限制降壓調(diào)變器的最小線性控制範(fàn)圍。200A的電流來源端（current source）將電容器充電最多到3伏特。一個比較器平時忽略零偵測訊號，直到電容電壓超過1伏特，以避免多同步脈衝的產(chǎn)生，並可得出最大頻率。如果電容電壓達(dá)到3伏特（一個零偵測還沒有發(fā)生），一個內(nèi)部時脈脈衝（clock pulse）會被產(chǎn)生，用來限制最小頻率。一個獨特的保護(hù)功能可以整合在此積體電路中，這就是啟動冷光燈偵測電路。一個開啟的冷光燈會中斷電流回饋迴路，並導(dǎo)致非常高的變壓器次級電壓。在這種情況下運(yùn)作，通常會損壞變壓器的絕緣體，

16、對轉(zhuǎn)換器造成永久的損害。啟動冷光燈偵測電路，如圖九所示，在錯誤放大器輸入處偵測冷光燈的電流回饋訊號，如果訊號量不足，它會關(guān)閉輸出。暖開機(jī)（soft-start）電路限制開機(jī)時的電流量，並忽視啟動冷光燈的偵測訊號。圖九：啟動冷光燈偵測電路此積體電路所需的外部電路很少。一個邏輯位階的致能（enable）腳位就可以關(guān)閉整個積體電路，並且允許直接連接到電池。在關(guān)機(jī)時，此電路的工作電流一般會低於100nA。工作電壓從4.5V到20V，這幾乎和所有的行動電腦的電池電壓相容。經(jīng)由電壓鎖定電路，可暫停一切作業(yè)，直到充足的電源供應(yīng)恢復(fù)，並提供一個1的電壓參考值，以確保能正確地運(yùn)作。兩個輸入到LCD電源錯誤放大器

17、的訊號被忽略，不需要額外的線路，就能允許正電或負(fù)電的電源閉合迴路存在。 LCD電源調(diào)變器也結(jié)合了週期性的電流限制，來加強(qiáng)額外的保護(hù)。 應(yīng)用電路實例圖七的應(yīng)用電路，是大約在50KHz處諧振的。這個頻率是在體積大小與效率之間，做出合理取捨之後決定的。雖然以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看，這是相當(dāng)?shù)偷念l率，但是這是從高電壓絕緣和間隔要求、降低離散與互纏電容的實際限制與考量中得出來的。半波（half wave）電流感測訊號是經(jīng)由錯誤放大器1感測，並由積分補(bǔ)償（integral compensation）求取平均值。電流控制的範(fàn)圍是在500A到10mA。一個飛返轉(zhuǎn)換器能供應(yīng)LCD電源，它是輸出-12V到-24V的偏壓給

18、單色的LCD使用。彩色顯示通常需要一個正電偏壓。因為此電壓基本上也要上升，具有一個耦合電感的飛返轉(zhuǎn)換器因此常被使用。實際的電路波形和圖四中的SPICE模擬波形類似。因冷光燈的非線性所造成的失真，在最高或最低的工作電壓或電流下，是清晰可見的。在名義上，許多波形是理想的，只有少數(shù)是因為觀察而造成的失真。下列波形都是在最高或最低的冷光燈強(qiáng)度下取得的，用來表示最差的情況。名義上的測量效率是80，若利用電阻更小的線圈和MOSFET，可以得到更好的測量效率。圖十表示變壓器的次級輸出電壓，圖十一表示冷光燈的電壓，圖十二表示冷光燈的電流。請注意冷光燈的電壓是幾乎固定不變的，但它的電流卻變化很大。頻率大約從48KHz到57KHz，連同冷光燈的強(qiáng)度範(fàn)圍，一併被觀察。冷光燈的電流顯示出，因為被它的非線性感應(yīng)，所以有額外的諧波（harmonics）存在。推挽式MOSFET的洩極到源極電壓如圖十三所示，其洩極電流如圖十四所示。變壓器中心點電壓（降壓輸出）如圖十五所示。全部的波形都是正弦曲線，包含最少的諧波內(nèi)容。圖十：次級輸出電壓（縱座標(biāo): 500V /div. 橫座標(biāo): 5s/div.） 圖十一：冷光燈的電壓（縱座標(biāo): 200V /div. 橫座標(biāo): 5s/div.）圖十二：冷光燈的電流（縱座標(biāo): 10mA/d