LCD電視背光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案

　　LCD電視應(yīng)用中可以采用多種架構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CCFL所需的交流波形，驅(qū)動(dòng)多個(gè)CCFL時(shí)所要面對的三個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是選擇最佳的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、多燈驅(qū)動(dòng)、燈頻和脈沖調(diào)光頻率控制。本文對四種常用驅(qū)動(dòng)架構(gòu)進(jìn)行了對比分析，并提出多燈設(shè)計(jì)中解決亮度不均以及驅(qū)動(dòng)頻率可能干擾畫面等問題的方法，并提出基於DS3984/DS3988的電路方案。

圖1：Royer驅(qū)動(dòng)器簡單，但不太精確

　　液晶顯示器（LCD）正成為電視的主流顯示技術(shù)。LCD面板實(shí)際上是電子控制的光閥，需要靠背光源產(chǎn)生可視的影像，LCD電視通常用冷陰極螢光燈提供光源。其他背光技術(shù)，例如發(fā)光二極體也受到一定的重視，但由於成本過高限制了它的應(yīng)用。

　　由於LCD電視是消費(fèi)品，壓倒一切的設(shè)計(jì)考慮是成本─當(dāng)然必須滿足最低限度的性能要求。驅(qū)動(dòng)背光燈的CCFL轉(zhuǎn)換器不能明顯縮短燈的壽命。此外，由於要用高壓驅(qū)動(dòng)，安全性也是一個(gè)必須考慮的因素。LCD電視應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)多個(gè)CCFL時(shí)所要面對的三個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是：挑選最佳的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)；多燈驅(qū)動(dòng)；燈頻和脈沖調(diào)光頻率的嚴(yán)格控制。

圖2：全橋驅(qū)動(dòng)器很適合於大范圍的直流電源。

　　1 挑選最佳的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

　　可以用多種架構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CCFL所需的交流波形，包括Royer（自振蕩，self-oscillating）、半橋、全橋和推挽。表1詳細(xì)歸納了這四種架構(gòu)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　1.1 Royer架構(gòu)

　　Royer架構(gòu)（圖1）的最佳應(yīng)用是在不需要嚴(yán)格控制燈頻和亮度的設(shè)計(jì)中。由於Royer架構(gòu)是自振蕩設(shè)計(jì)，受元件參數(shù)偏差的影響，很難嚴(yán)格控制燈頻和燈電流，而這兩者都會(huì)直接影響燈的亮度。因此，Royer架構(gòu)很少用於LCD電視，盡管它是本文所述四種架構(gòu)中最廉價(jià)的。

　　1.2 全橋架構(gòu)

　　全橋架構(gòu)最適合於直流電源電壓非常寬的應(yīng)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，轉(zhuǎn)換器的直流電源直接來自系統(tǒng)的主直流電源，其變化范圍通常在7V（低電池電壓）至21V（交流配接器）。有些全橋方案要求采用p通道MOSFET，比n通道MOSFET更貴。另外，由於固有的高導(dǎo)通電阻，p通道MOSFET的效率更低。

　　1.3 半橋架構(gòu)

圖3：半橋驅(qū)動(dòng)器比全橋驅(qū)動(dòng)器少用兩個(gè)MOSFET

　　相較全橋，半橋架構(gòu)最大的好處是每個(gè)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(huì)增加變壓器的成本。還有，如同全橋架構(gòu)一樣，半橋架構(gòu)也可能會(huì)用到p通道MOSFET。

　　1.4 推挽架構(gòu)

　　推挽驅(qū)動(dòng)器有很多好處：這種架構(gòu)只用到n通道MOSFET（圖4），這有利於降低成本和增加轉(zhuǎn)換器效率；它很容易適應(yīng)較高的轉(zhuǎn)換器直流電源電壓；采用更高的轉(zhuǎn)換器直流電源電壓時(shí)，只需選擇具有合適的漏-源擊穿電壓的MOSFET即可。不管轉(zhuǎn)換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通道MOSFET的全橋和半橋架構(gòu)就無法做到這一點(diǎn)。

　推挽架構(gòu)最大的缺點(diǎn)是要求轉(zhuǎn)換器直流電源電壓的范圍小於2:1。否則，當(dāng)直流電源電壓處於高階時(shí)，由於交流波形的高振幅因子，系統(tǒng)的效率會(huì)降低。這使推挽架構(gòu)不適用於筆記型電腦，但對於LCD電視非常理想，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器直流電源電壓通常會(huì)穩(wěn)定在±20%以內(nèi)。

圖4：推挽驅(qū)動(dòng)器非常簡單，還可精確控制

　　2 多燈驅(qū)動(dòng)

　　CCFL已在筆記型電腦、數(shù)位相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他具有較小LCD螢?zāi)坏脑O(shè)備中使用多年。這些類型的設(shè)備通常只用一個(gè)CCFL，因此，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)只用一個(gè)CCFL控制器。隨著大尺寸LCD面板的出現(xiàn)，帶來對多CCFL的需求，有必要采用新的方式來應(yīng)對這種新的需求?？赡艿姆绞街皇遣捎靡粋€(gè)單通道CCFL控制器來驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈（圖5）。這種方式中，CCFL控制器只透過其中的一個(gè)燈來監(jiān)測燈電流，而以幾乎相同的交流波形同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有并聯(lián)的燈。然而，這種方式存在著幾個(gè)缺陷。

圖5：由於亮度不均勻以及其他的一些考慮，用一個(gè)單通道CCFL控制器控制多個(gè)燈不太理想

　　使顯示器不會(huì)出現(xiàn)明顯的亮區(qū)和暗區(qū)。用相同的波形驅(qū)動(dòng)所有燈，由於燈阻抗的差異，會(huì)造成亮度不均勻。而且，CCFL的亮度隨溫度而變。由於熱氣上升，面板頂部的燈會(huì)比面板底部的燈熱，這也會(huì)造成亮度不均勻。

　　用一個(gè)單通道CCFL控制器驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈的第二個(gè)缺點(diǎn)是，單燈的失效（例如破損）會(huì)造成所有燈關(guān)閉。第三個(gè)缺點(diǎn)，由於是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)所有燈，同時(shí)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(qiáng)去耦效果，這會(huì)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(gè)燈用一個(gè)單獨(dú)的CCFL控制器。然而，這種方式的主要缺點(diǎn)就是增加的CCFL控制器帶來了額外的成本。

　　為LCD面板提供背光的理想方案是多通道CCFL控制器，它的每個(gè)通道獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和監(jiān)測每個(gè)燈。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，并降低了去耦要求，而且還具有高成本效益。

圖6：DS3984/DS3988單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和監(jiān)視每個(gè)燈，為LCD電視和PC監(jiān)視器提供均勻亮度

　　3 對燈和脈沖調(diào)光的嚴(yán)格控制

　　由於LCD電視需要顯示動(dòng)態(tài)且連續(xù)行動(dòng)的畫面，它有一些在靜態(tài)顯示應(yīng)用（例如電腦監(jiān)視器和筆記型電腦）中所沒有的特殊要求。CCFL的驅(qū)動(dòng)頻率可能會(huì)干擾LCD螢?zāi)簧巷@示的畫面。如果燈頻接近視訊刷新頻率的某個(gè)倍頻，就會(huì)在螢?zāi)簧铣霈F(xiàn)緩慢行動(dòng)的線或帶。通過嚴(yán)格控制燈頻在±5%以內(nèi)，可以消除這種問題。

　　用於調(diào)節(jié)燈亮度的脈沖調(diào)光頻率也要求同樣的嚴(yán)格控制。這種調(diào)光方式通常是采用30Hz至200Hz頻率范圍的脈寬調(diào)變（PWM）訊號，在短時(shí)間內(nèi)將燈關(guān)閉，達(dá)到調(diào)光目的。由於關(guān)閉時(shí)間很短，不足以使電離態(tài)消失。如果脈沖調(diào)光頻率接近垂直同步頻率的倍頻，也會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)線。同樣，將脈沖調(diào)光頻率嚴(yán)格控制在±5%以內(nèi)就可以消除這個(gè)問題。另外，在有些LCD電視中，為了改善LCD螢?zāi)坏挠跋耥憫?yīng)，還要求緩慢的CCFL脈沖調(diào)光頻率與視訊垂直同步頻率同步起來。

圖7：DS3984/DS3988的每個(gè)通道也可驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈

　　4 解決LCD電視背光挑戰(zhàn)的方案

　　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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)?？蓪⑦@些元件配置為每個(gè)通道驅(qū)動(dòng)一個(gè)燈（圖6），或者每通道多個(gè)燈（圖7），用戶可靈活裁減設(shè)計(jì)，以滿足自己的性價(jià)比目標(biāo)。多個(gè)DS3984/DS3988可輕松串聯(lián)，以支援任意數(shù)量的燈來為LCD電視螢?zāi)惶峁┍彻狻?/p>

　　DS3984/DS3988采用推挽驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，可以使用更低成本、更高效率的n通道MOSFET。轉(zhuǎn)換器直流電源電壓也可采用更高的電壓。單獨(dú)的燈控制和監(jiān)測可提供均勻的亮度，并減少轉(zhuǎn)換器的元件總數(shù)。采用單獨(dú)的燈控制時(shí)，如果某一個(gè)燈失效，僅會(huì)使這個(gè)失效的燈停止工作，其他燈繼續(xù)工作，并不會(huì)受影響。片上振蕩器產(chǎn)生的燈頻和脈沖調(diào)光頻率被嚴(yán)格限定在±5%水準(zhǔn)，消除了對於顯示影像的影響，并且也可被同步至外部時(shí)脈源。

表1:CCFL驅(qū)動(dòng)架構(gòu)比較

　　5 冷陰極螢光燈

　　冷陰極螢光燈（CCFL）是一種長而細(xì)的密封玻璃管，內(nèi)充惰性氣體。當(dāng)給燈管施加高電壓時(shí)，氣體被電離，產(chǎn)生紫外線（UV）。紫外線打到內(nèi)壁涂敷的螢光材料上使其激發(fā)，發(fā)出可見光。

　　CCFL有許多優(yōu)點(diǎn)，包括：它是優(yōu)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(shí)）；穩(wěn)定、確定的工作狀態(tài)；容易調(diào)節(jié)亮度；重量輕。

　　CCFL有一些特殊性能，必須仔細(xì)考慮以最大化其效率、壽命和實(shí)用性。然而，這些特性帶來了一些特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如，為了最大化燈管的壽命，需要采用交流波形驅(qū)動(dòng)CCFL。任何直流成分會(huì)使一部份氣體聚集在燈管的一端，造成不可逆轉(zhuǎn)的光梯度，使燈管的一端比另一端更亮。此外，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(qū)動(dòng)燈管。因此，CCFL通常需要一個(gè)直流-交流轉(zhuǎn)換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。

　　在LCD個(gè)電視中的燈等間隔地分布在整個(gè)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(xié)助均勻分布背光，不均勻的燈管亮度仍然很容易被察覺，并影響電視的影像品質(zhì)。因LCD面板尺寸而異，用到的CCFL燈數(shù)量可能會(huì)多達(dá)30甚至40個(gè)。