采用全橋解決方案實現(xiàn)冷陰極熒光燈驅(qū)動

今天，冷陰極熒光燈CCFL被用于各種應(yīng)用，如筆記本電腦、顯示器、電視等各種應(yīng)用，它們的功能是給顯示器提供背光，以及調(diào)節(jié)顯示器的亮度。
　　CCFL 應(yīng)用電路可以驅(qū)動匹配的熒光燈，在基于全橋轉(zhuǎn)換器或ROYER拓撲的交流直流逆向轉(zhuǎn)換器內(nèi)能夠見到這種應(yīng)用。
　　燈管的數(shù)量可以是1、2、4或6支，輸出功率范圍是2W到24W。交直流逆向轉(zhuǎn)換器能夠把輸入的直流低電壓轉(zhuǎn)換成交流高壓輸出，以驅(qū)動熒光燈。CCFL的電源電壓通常是12V直流電壓，但是在全橋解決方案中，電壓范圍可以是8V~24V。
　　以電壓源配置的全橋解決方案基本上是由四個位于橋內(nèi)的功率MOSFET晶體管組成，上橋臂晶體管是P溝道型晶體管，而位于下橋臂的MOSFET是N溝道型晶體管。一般情況下，同一個封裝集成一對互補性功率MOSFET晶體管（位于同一列的N型和P型晶體管）。圖1所示是一個含有這些元件的典型的應(yīng)用電路示意圖。
　　從圖1中不難看出，CCFL應(yīng)用電路包括功率MOSFET晶體管橋（由U1和U2元件組成）、T1變壓器（提高從一次側(cè)到二次側(cè)的輸入交流電壓）、輸出電路（由一個6W燈管和一個串聯(lián)電容C4組成）和反饋電路（由R4電阻和C1

8電容組成）。此外，圖1還描述了CCFL驅(qū)動器和驅(qū)動器工作所需的電路。Vdd 和GND是驅(qū)動器的供給端，P1、P2、N1和N2是功率晶體管的柵極控制器。在突發(fā)模式部分，調(diào)光器（dimmer）是連接外部微調(diào)電容器的端子。通過產(chǎn)生恒定的基準電壓，微調(diào)電容器可以調(diào)節(jié)熒光燈的亮度，同時，連接Cosc引腳的電容器產(chǎn)生一個低頻固定的鋸齒信號。輸出突發(fā)模式端子連接FB引腳，連接軟啟動端子的電容器用于調(diào)整變壓器二次側(cè)繞組電壓，以便使燈管軟啟動，同時，連接在點火時間端子的電容器用于確定燈管的導通時間。在據(jù)齒信號形電路部分，C32和R32分別是用于確定燈的頻率和功率MOSFET晶體管開關(guān)頻率的電容器和電阻器。在燈啟動期間，R33電阻器開始動作，提高燈的頻率和晶體管的開關(guān)頻率，以升高燈管的端子之間的電壓，直到燈管開始點火為止。 輸入允許（input enable） 端子通過電阻R12和電容C21連接到小信號晶體管；Q4驅(qū)動 Q3的基極，這個系統(tǒng)作用于輸入允許（input enable） 端子，使得這個應(yīng)用可以啟用或禁用。最后，過壓保護端子通過C17、R11和D2連接到C5~C6電容隔離系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以監(jiān)視二次繞組電壓，如果電壓高于基準值，這個系統(tǒng)就會將過壓降低。簡單框圖見圖2。
 

 

 

 

 

　　全橋拓撲：相移控制器介紹
　　圖 3 首先幫助我們了解了一個典型的全橋拓撲的工作原理，然后是相移控制器模式的工作過程。
　　在圖3中，為了簡便我們的研究，全橋內(nèi)的功率MOSFET管都分別被視為開關(guān)S1、S2、S3和S4，開關(guān)S2和S3都位于上橋臂，S1和S4都位于下橋臂。位于同一列的開關(guān)(S1和S3，S2和S4) 不能同時接通，以防止短路情況發(fā)生；在相移控制操作模式下，位于同一列的開關(guān)可以同時開或關(guān)。針對熒光燈和變壓器的等效電路，圖3還描述了CCFL應(yīng)用中的全橋逆變器的典型負載。在圖3所示的情況中，S2和S1是通態(tài)，而S3和S4是斷態(tài)，因此，電流經(jīng)過相同的開關(guān)和負載；然后，S2和S1關(guān)斷， S3和 S4 導通，電流改變方向，見圖4

　　針對全橋逆變器的典型工作模式，我們在圖5中給出了相應(yīng)的等效電路，其中，輸入信號是一個方波信號（K是變壓器的匝比，Lm是變壓器一次側(cè)固有電感，Rlamp是燈管通態(tài)時的電阻。）
　　在一個全橋逆變器的典型工作模式下，電路中的電流只與輸出負載有關(guān)，不能進行亮度控制操作。而且，傳入燈管的功率達到最大值。
　　為了在一個采用全橋拓撲的CFFL應(yīng)用中進行燈的亮度控制，必須采用相移控制系統(tǒng)(見圖5)。
　　在一個全橋逆變器的典型工作模式下，只能進行第1階段和第3階段；然而在相移控制模式下，還能進行第2階段和第4階段。在第2階段和第4階段時，負載的端子短路，沒有功率從網(wǎng)絡(luò)流入燈管；在第4階段時，電流連續(xù)流經(jīng)負載和S1、S4開關(guān)，或者在第2階段時，電流連續(xù)流經(jīng)負載和S2、S3開關(guān)。第1階段和第3階段的時長相同，第2階段和第4階段的時長相同。這四個階段的時長總合等于輸入信號的時長，當?shù)?階段和第4階段的時長增加時，第1階段和第3階段的時長也會增加，結(jié)果，燈管的功率和亮度也會增強。如果第1階段和第3階段的時長等于零，沒有功率從網(wǎng)絡(luò)流入燈管，燈管關(guān)斷。針對相移控制系統(tǒng)，我們在圖6中給出了相應(yīng)的等效電路，其中，輸入信號是一個特殊的方波信號。

 

 

 

　　“ton-t step1” 是第1階段的時長， “ton-t step3” 是第3階段的時長， “toff-t step 2” 是第2階段的時長， “toff-t step 4” 是第4階段的時長; T 是信號的時長。在第1階段和第3階段時，網(wǎng)絡(luò)給負載供電，這兩個階段的時間叫做ton。在第2和第4階段，網(wǎng)絡(luò)沒有給負載供電，這兩個階段的時間叫做 toff.； d 是工作比，它用ton占T的百分比表示。提高第1階段和第3階段的時長，d的百分比也隨著提高，反之亦然。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　只有參考圖7和圖8，才能理解這個系統(tǒng)為什么叫做相移控制。
　　圖7標出了一個全橋逆變器的典型工作模式，在這種情況下，只進行第1和第3階段操作。當S1關(guān)斷時，S2也關(guān)斷，而S3和S4導通，因為它們的漏源極的電壓為零；S1和S2的漏源極的電壓為12V網(wǎng)絡(luò)電壓。針對通態(tài)S1和S2的時長，可以做出相同的考慮。
　　為了實現(xiàn)相移控制系統(tǒng)，S1和S3的相位都是固定的，S2和S4的相位發(fā)生變化，如圖8所示，在兩個串聯(lián)開關(guān)之間，相位轉(zhuǎn)換是固定的，具體變化跟燈亮度有關(guān)。

　　在間隔1時，進行第4階段，因為S1和S4關(guān)斷，S2和S3導通；在間隔2時，進行第3階段，因為S1和S2關(guān)斷，S3和S4導通；在間隔3時，進行第2階段，因為S1和S4導通，S2和S3關(guān)斷；最后，在間隔4時，進行第1階段，因為S1和S2導 通，S3和S4關(guān)斷；

 

 

　　 使用STS3C3F30L器件的CFFL應(yīng)用實例
　　本章將討論一個使用全橋拓撲和STS3C3F30L器件的CFFL應(yīng)用實例，實際應(yīng)用的電路示意圖與圖4完全相同，燈是一個6W熒光燈，如圖10所示。
　　下圖所示是STS3C3F30L器件內(nèi)部的P溝道和N溝道晶體管的波形圖。