大型LCD背光照明系統設計

摘要：LCD (液晶顯示器)是電控發光管，LCD TV (液晶顯示電視)采用白光作為“背光”，通常使用冷陰極熒光燈(CCFL)為彩色熒光屏照明。其它技術，如：發光二極管(LED), 也作為一種考慮方案, 但昂貴的價格限制了它們的使用。

本文聚焦于驅動和控制多個CCFL，來為大型LCD面板(如LCD電視)提供背光照明時所要面臨的設計挑戰。

設計挑戰

由于LCD電視是消費品，壓倒一切的設計考慮是成本—當然必須滿足最低限度的性能要求。驅動燈的CCFL逆變器不能明顯縮短燈的壽命。還有，由于要用高壓來驅動燈，安全性也是一個必須考慮的因素。本文聚焦于LCD電視應用中，驅動多個CCFL時所要面對的三個關鍵的設計挑戰：挑選最佳的驅動架構、多燈驅動、以及燈頻和突發調光頻率的精密度控制。

挑選最佳的驅動架構

可以用多種架構產生驅動CCFL所需的交流波形，包括Royer (自激)、半橋、全橋和推挽。表1詳細歸納了這四種架構各自的優缺點。

表1. CCFL驅動架構比較

Drive Architecture	Advantages	Disadvantages
Royer	Least expensive	Cannot tightly control the lamp current or frequency Requires tight DC-supply regulation Requires a special transformer winding Requires a ballst capacitor Low efficiency
Full Bridge	Does not require a center-tapped transformer Works over a wide DC-supply range (greater than 3:1)	Requires four MOSFETs May require p-channel MOSFETs, which are higher cost and less efficient
Half Bridge	Requires only two MOSFETs	May require p-channel MOSFETs, which are higher cost and less efficient Requires a higher turns ratio transformer, which increases cost
Push-Pull	Requires only two n-channel MOSFETs, which are lower in cost and more highly efficient than p-channel MOSFETs Easily scales to higher DC supply voltages (up to 120V) Low transformer turns ratio	Lower efficiency when the DC supply goes beyond a 2:1 range

Royer架構

Royer架構(圖1)的最佳應用是在不需要嚴格控制燈頻和亮度的設計中。由于Royer架構是自激式設計，受元件參數偏差的影響，很難嚴格控制燈頻和燈電流，而這兩者都會直接影響燈的亮度。正因為此，Royer架構很少被用于LCD電視，盡管它是本文所述四種架構中最廉價的。


圖1. Royer驅動器簡單，但不太精確。

全橋架構

全橋架構最適合于直流電源電壓非常寬的應用(圖2)。這就是幾乎所有筆記本PC都采用全橋方式的原因。在筆記本中，逆變器的直流電源直接來自系統的主直流電源，其變化范圍通常在7V (電池低)至21V (交流適配器)。有些全橋方案要求采用p溝道MOSFET，比n溝道MOSFET更貴。另外，由于固有的高導通電阻，p溝道MOSFET的效率更低。


圖2. 全橋驅動器很適合于大范圍的直流電源。

半橋架構

相比全橋，半橋架構最大的好處是每個通道少用了兩只MOSFET (圖3)。但是，它需要更高匝比的變壓器，這會增加變壓器的成本。還有，如同全橋架構一樣，半橋架構也可能會用到p溝道MOSFET。


圖3. 半橋驅動器比全橋驅動器少用兩個MOSFET。

推挽架構

最后我們來考慮推挽驅動器，它有很多好處。這種架構只用到n溝道MOSFET (圖4)，這有利于降低成本和增加逆變器效率。它很容易適應較高的逆變器直流電源電壓。采用更高的逆變器直流電源電壓時，只需選擇具有合適的漏-源擊穿電壓的MOSFET即可。不管逆變器的直流電源電壓如何，都可采用同樣的CCFL控制器。但采用n溝道MOSFET的全橋和半橋架構就無法做到這一點。

推挽架構最大的缺點是，要求逆變器直流電源電壓的范圍小于2:1。否則，當直流電源電壓處于高端時，由于交流波形的高振幅因數，系統的效率會降低。這使推挽架構不適用于筆記本PC，但對于LCD電視非常理想，因為逆變器直流電源電壓通常會被穩定在±20%。


圖4. 推挽驅動器非常簡單，還可精確控制。

多燈驅動

CCFL已在筆記本PC、數碼相機、導航系統以及其他具有較小LCD屏的設備中使用多年。這些類型的設備通常只用一個CCFL，因此，傳統設計只用一個CCFL控制器。隨著大尺寸LCD面板的出現，帶來了對于多CCFL的需求，有必要采用新的方式來應對這種新的需求。可能的方式之一是采用一個單通道CCFL控制器來驅動多個燈(圖5)。這種方式中，CCFL控制器只通過其中的一個燈監視燈電流，而以幾乎相同的交流波形同時驅動所有并聯的燈。然而，這種方式存在著幾個缺陷。


圖5. 由于亮度不均勻以及其他的一些考慮，用一個單通道CCFL控制器控制多個燈不太理想。

第一個問題是如何保持所有燈的亮度統一，以便使顯示器不會出現明顯的亮區和暗區。用相同的波形驅動所有燈會使每個燈的電流不同，因而造成亮度差異。由于燈阻抗的差異，采用同樣的波形，會造成亮度不均勻。而且，CCFL的亮度隨溫度而變(圖6)。由于熱氣上升，面板頂部的燈(參見補充材料，圖12)會比面板底部的燈熱，這也會造成亮度不均勻。


圖6. CCFL的亮度隨環境溫度而變。

用一個單通道CCFL控制器驅動多個燈的第二個缺點是，單個燈的失效(例如破損)會造成所有燈關閉。第三個缺點，由于是并聯驅動所有的燈，同時打開和關閉這些燈，這就要求逆變器直流電源必須加以更重的去耦，采用更大的平波電容。這會增加逆變器的成本和尺寸。

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(圖7)。然而，這種方式的主要缺點就是，增加的CCFL控制器帶來了額外的成本。為LCD面板提供照明的理想方案是多通道CCFL控制器，它的每個通道獨立驅動和監視每個燈(圖8)。這種多通道CCFL控制器既解決了亮度不均勻和單燈失效問題，降低了去耦要求，而且還具有高成本效益。


圖7. 采用單通道控制器驅動每個CCFL不具有成本效益。


圖8. 用一個多通道控制器控制多個燈是理想方案。

燈頻和調光頻率的精密度控制

由于LCD電視需要顯示動態且連續移動的畫面，它有一些在靜態顯示應用(例如計算機監視器和筆記本PC等)中所沒有的特殊要求。CCFL的驅動頻率可能會干擾LCD屏上顯示的畫面。如果燈頻接近視頻刷新頻率的某個倍頻，就會在屏幕上出現緩慢移動的線或帶。通過精密控制燈頻在±5%以內，可以消除這種瑕疵。

用于調節燈亮度的突發調光頻率也要求同樣的精密度控制。這種調光方式通常是采用30Hz至200Hz頻率范圍的脈沖寬度調制(PWM)信號，在短時間內將燈關閉，達到調光目的，由于關閉時間很短，不足以使電離態消失。如果突發調光頻率接近垂直同步頻率的倍頻，也會產生滾動線。同樣，將突發調光頻率嚴格控制在±5%以內就可以消除這個問題。另外，在有些LCD電視中，為了改善LCD屏的圖像響應，還要求緩慢的CCFL突發調光頻率與視頻垂直同步頻率同步起來。

解決LCD電視背光挑戰的方案(DS3984/DS3988)

DS3984 (四通道)和DS3988 (八通道) CCFL控制器解決了本文所提到的所有這些設計挑戰?？蓪⑦@些器件配置為每個通道驅動一個燈(圖9)，或者每通道多個燈(圖10)，用戶可靈活裁減設計，以滿足自己的性價比目標。多個DS3984/DS3988可輕松級聯，以支持任意數量的燈，來為LCD電視屏提供背光照明。

DS3984/DS3988采用推挽驅動架構，可使用更低成本、更高效率的n溝道MOSFET。逆變器直流電源也可采用更高的電壓。單獨的燈控制和監視可提供均勻的亮度，并減少了逆變器的元件總量。采用單獨的燈控制時，如果某一個燈失效，那僅會使這個失效的燈停止工作，其他燈繼續工作，不受影響。片上振蕩器產生的燈頻和突發調光頻率被嚴格規范于±5%的精密度水平，消除了對于顯示圖像的影響，并且也可被同步至外部時鐘源。


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圖9. DS3984/DS3988單獨驅動和監視每個燈，為LCD電視和PC監視器提供均勻亮度。


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圖10. DS3984/DS3988的每個通道也可驅動多個燈。

CCFL

冷陰極熒光燈(CCFL)是一種長而細的密封玻璃管，內充惰性氣體(圖11)。當給燈管施加高壓時，氣體被電離，產生紫外線(UV)。紫外線打到內壁涂敷的熒光材料上使其激發，發出可見光。CCFL有許多優點，包括：

• 優良的白光源
• 低成本
• 高效率(光輸出與輸入電功率之比)
• 長壽命(>25千時)
• 穩定、確定的工作狀態
• 容易調節亮度
• 重量輕

圖11. CCFL是充有惰性氣體的玻璃管。

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計挑戰。例如，為了最大化燈管的壽命，需要采用交流波形驅動CCFL。任何直流成分會使一部分氣體聚集在燈管的一端，造成不可逆轉的光梯度，使燈管的一端比另一端更亮。還有，為了最大化其效率(光輸出與輸入電功率之比)，需要用接近正弦的波形驅動燈管。為此，CCFL通常需要一個直流-交流逆變器來將直流電源電壓變成40kHz至80kHz的交流波形，工作電壓通常在500VRMS至1000VRMS。

LCD電視中典型的CCFL布置

圖12表示在LCD電視中，CCFL通常是如何安排的。這個電視中的12個燈等間隔地分布在整個LCD背板上，以提供最佳的光分布。重要的是，所有燈要工作在相同的亮度下。盡管在CCFL燈管和LCD面板之間安排有散光器，可協助均勻分布背光，不均勻的燈管亮度仍然很容易被察覺，并影響電視的圖像質量。因LCD面板尺寸而異，用到的CCFL燈數量可能會多達30甚至40個。


圖12. LCD電視內有4到40個CCFL。