大型LCD背光照明系統的設計

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 ArchitectureAdvantagesDisadvantages

RoyerLeast 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 BridgeDoes 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 BridgeRequires 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-PullRequires 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。