陰極冷光燈(CCFL)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù)

1、陰極冷光燈（CCFL）轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù) 本文介紹啟動(dòng)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(zhàn)體積大小必須最小。一個(gè)特別設(shè)計(jì)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(shí)也包含了一個(gè)輔助性的脈衝寬度調(diào)變（PWM）控制器，可用程式來(lái)設(shè)計(jì)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(huì)被呈現(xiàn)出來(lái)，此分析和模擬的結(jié)果，將由實(shí)際電路的波形和重要的性能參數(shù)來(lái)驗(yàn)證。 CCFL的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) 因行動(dòng)電腦和筆記型電腦的激增，讓顯示器的需求不斷成長(zhǎng)。高解析度和高對(duì)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(jì)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(lái)啟動(dòng)（fire），此動(dòng)作國(guó)內(nèi)廠商俗稱為點(diǎn)燈。因?yàn)椴ㄐ悟?qū)動(dòng)（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(duì)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(gè)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(lái)控制。最常見(jiàn)的方式是修改Royer振盪器來(lái)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(shí)，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(lái)控制冷光燈的強(qiáng)度，而且LCD需要一個(gè)可編程的低電壓，用來(lái)調(diào)整對(duì)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(lái)實(shí)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(jì)更加複雜。成拍頻率的意義是：當(dāng)兩不同頻率訊號(hào)混合時(shí)，會(huì)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(hào)為A與B，生成成拍訊號(hào)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(duì)轉(zhuǎn)換器而言，CCFL代表的是一個(gè)高非線性負(fù)載，如圖一所示。一開(kāi)始當(dāng)冷光燈是冷卻的時(shí)候（在一段沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)），啟動(dòng)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(dòng)電壓為1600伏特，一般運(yùn)作的平均電壓是300伏特。

5、請(qǐng)注意，冷光燈在一開(kāi)始時(shí)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(dòng)冷光燈時(shí)可以限制電流。因?yàn)閆VS轉(zhuǎn)換器有一個(gè)低輸出阻抗，所以必須加入一個(gè)額外的無(wú)損失（loseless）串聯(lián)阻抗，例如：一個(gè)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(duì)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(gè)複函數(shù)，但在固定電壓時(shí)，可被視為一個(gè)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(dòng)，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(dòng)。當(dāng)V1和V2通過(guò)零產(chǎn)生諧振時(shí)，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(dòng)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(guò)一個(gè)切換式降壓轉(zhuǎn)換器（buck regulator）Q3提供?？刂齐娐窂?qiáng)迫令橫跨於電流感測(cè)電阻(R8+R5)與整流器D2上的平均電壓等於一個(gè)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?yàn)镽S可針對(duì)某一特定的亮度做調(diào)整，和實(shí)際的電流準(zhǔn)位無(wú)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(jí)代表一個(gè)對(duì)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(duì)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(shí)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(guò)控制電路，切換Q1關(guān)閉，而Q2開(kāi)啟。儲(chǔ)存在LR的功率也同樣是在它的最高點(diǎn)。這功率在t0到t

8、1這段時(shí)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(shí)間點(diǎn)上，LR的功率已經(jīng)轉(zhuǎn)換到CR，結(jié)果零電流通過(guò)LR，最大電壓存在CR中。從t1到t2的這段時(shí)間裡，功率從CR轉(zhuǎn)回到LR， 當(dāng)LR的電流增加時(shí)，CR的電壓下降了。諧振電流在時(shí)間t2通過(guò)LR，其絕對(duì)值等於它在t0時(shí)的大小，但極性相反。當(dāng)MOSFET開(kāi)啟時(shí)，由於感應(yīng)的負(fù)載電流的流動(dòng)，可以察覺(jué)到電流振幅會(huì)稍微不對(duì)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(kāi)啟。在t2到t4相隔的時(shí)間內(nèi)，波形週期仍然對(duì)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(jiǎn)化的轉(zhuǎn)換器

9、模型圖五是轉(zhuǎn)換器模型，也是一個(gè)1/2週期簡(jiǎn)易分析的等效電路，反映變壓器主級(jí)的全部阻抗，省略變壓器。變壓器主級(jí)通過(guò)推挽單元發(fā)展出來(lái)的差動(dòng)電壓（V1-V2）的振幅大小比中心點(diǎn)（center-tap）處的V3大兩倍。這表示出C7是透過(guò)變壓器主級(jí)和次級(jí)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(jí)線圈的電容也是由纏繞數(shù)比率（n）的平方?jīng)Q定的，因?yàn)槔p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?jiǎn)卧窃谶B續(xù)電流模式下運(yùn)作，而且和推挽單元同步。圖五：簡(jiǎn)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?zhàn)償?shù)。切換式降壓電流（

10、I）是一個(gè)響應(yīng)變數(shù)，它會(huì)回頭調(diào)節(jié)變壓器主級(jí)的平均推挽電壓。耦合電容的高阻抗將變壓器次級(jí)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(jí)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(jí)的線圈纏繞電感 n=變壓器的纏繞數(shù)比率 Zsec =次級(jí)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(gè)整流過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)間的乘積必須為零。設(shè)定開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的電壓與時(shí)間的乘積相等，並積分之，可得到降壓轉(zhuǎn)換函式：這個(gè)轉(zhuǎn)換函式等同於一般常見(jiàn)的DC輸出降壓轉(zhuǎn)換函式，/2為峯值對(duì)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(jí)電壓和工作週期呈線性關(guān)係。變壓器的主級(jí)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(huì)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(huì)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(shí)，變壓器的次級(jí)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(jí)。當(dāng)次級(jí)電壓增加超過(guò)VFL時(shí)，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(shí)，C6不具影響力；但當(dāng)強(qiáng)度最大時(shí)，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?jī)?chǔ)存式等於：雖然，相當(dāng)大的電流通

13、過(guò)諧振並聯(lián)電路，但是這些切換是在低電流準(zhǔn)位下動(dòng)作。連續(xù)諧振電路的一個(gè)直接效果是：這些開(kāi)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(dòng)同步諧振冷光燈和LCD的驅(qū)動(dòng)式積體電路，來(lái)完成一個(gè)完整的應(yīng)用電路。此電路提供了完整的驅(qū)動(dòng)、控制和管理功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)CCFL和LCD轉(zhuǎn)換器。降壓輸出電壓（變壓器中心點(diǎn)）提供了零交錯(cuò)和同步訊號(hào)。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(dòng)一個(gè)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(dòng)一個(gè)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(shí)，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(jì)在3：1的頻率範(fàn)圍內(nèi)能同步。然而，在實(shí)際應(yīng)用上，頻率範(fàn)圍大約只有1.5：1。零偵測(cè)比較器（zero detect comparator）偵測(cè)變壓器主級(jí)的中心點(diǎn)電壓，當(dāng)諧振波形降到零時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同步脈衝。實(shí)際的臨界點(diǎn)是0.5伏特，可提供一個(gè)小量的期待值用來(lái)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(shí)的

15、電容器放電0.1伏特所需的時(shí)間。這個(gè)脈衝寬度決定LCD電源調(diào)節(jié)器的最短關(guān)閉（off）時(shí)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(lái)源端（current source）將電容器充電最多到3伏特。一個(gè)比較器平時(shí)忽略零偵測(cè)訊號(hào)，直到電容電壓超過(guò)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(gè)零偵測(cè)還沒(méi)有發(fā)生），一個(gè)內(nèi)部時(shí)脈脈衝（clock pulse）會(huì)被產(chǎn)生，用來(lái)限制最小頻率。一個(gè)獨(dú)特的保護(hù)功能可以整合在此積體電路中，這就是啟動(dòng)冷光燈偵測(cè)電路。一個(gè)開(kāi)啟的冷光燈會(huì)中斷電流回饋迴路，並導(dǎo)致非常高的變壓器次級(jí)電壓。在這種情況下運(yùn)作，通常會(huì)損壞變壓器的絕緣體，

16、對(duì)轉(zhuǎn)換器造成永久的損害。啟動(dòng)冷光燈偵測(cè)電路，如圖九所示，在錯(cuò)誤放大器輸入處偵測(cè)冷光燈的電流回饋訊號(hào)，如果訊號(hào)量不足，它會(huì)關(guān)閉輸出。暖開(kāi)機(jī)（soft-start）電路限制開(kāi)機(jī)時(shí)的電流量，並忽視啟動(dòng)冷光燈的偵測(cè)訊號(hào)。圖九：?jiǎn)?dòng)冷光燈偵測(cè)電路此積體電路所需的外部電路很少。一個(gè)邏輯位階的致能（enable）腳位就可以關(guān)閉整個(gè)積體電路，並且允許直接連接到電池。在關(guān)機(jī)時(shí)，此電路的工作電流一般會(huì)低於100nA。工作電壓從4.5V到20V，這幾乎和所有的行動(dòng)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(gè)1的電壓參考值，以確保能正確地運(yùn)作。兩個(gè)輸入到LCD電源錯(cuò)誤放大器

17、的訊號(hào)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(lái)加強(qiáng)額外的保護(hù)。 應(yīng)用電路實(shí)例圖七的應(yīng)用電路，是大約在50KHz處諧振的。這個(gè)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(lái)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(shí)際限制與考量中得出來(lái)的。半波（half wave）電流感測(cè)訊號(hào)是經(jīng)由錯(cuò)誤放大器1感測(cè)，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(gè)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(gè)正電偏壓。因?yàn)榇穗妷夯旧弦惨仙?，具有一個(gè)耦合電感的飛返轉(zhuǎn)換器因此常被使用。實(shí)際的電路波形和圖四中的SPICE模擬波形類(lèi)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(jiàn)的。在名義上，許多波形是理想的，只有少數(shù)是因?yàn)橛^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(lái)表示最差的情況。名義上的測(cè)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(cè)量效率。圖十表示變壓器的次級(jí)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(qǐng)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?yàn)楸凰姆蔷€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(diǎn)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(jí)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