液晶顯示器用逆變器驅(qū)動課

1、液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元1引言液晶顯示器最初作為筆記本電腦、文字處理器的顯示裝置發(fā)展起來，現(xiàn)已擴展到計算機、游戲 機、彈子機、攝像機、車載電視、產(chǎn)業(yè)用機器的顯示等，從小型的到大型的機器，在各個領(lǐng)域都 得到廣泛應(yīng)用。因液晶屏本身沒有發(fā)光功能，這就需要在液晶屏后加一個照明系統(tǒng)，該背光照明系統(tǒng)由發(fā)光 部件、能使光線均勻照射在液晶表示面的導(dǎo)光板和驅(qū)動發(fā)光部件的電源構(gòu)成?，F(xiàn)在發(fā)光部件的主流為被稱作冷陰極管的螢光管。其發(fā)光原理與室內(nèi)照明用的熱陰管類似， 但不需象熱陰管那樣先預(yù)熱燈絲，它在較低溫狀態(tài)就能點亮，因此叫冷陰極管。但要驅(qū)動這種冷 陰極管需要能輸出10001500V交流電壓的特殊電源。逆變器單元件

2、就是驅(qū)動這種冷陰極管用的小型電源，是液晶顯示裝置中重要的功能部件之一。隨著液晶顯示器應(yīng)用于不同的市場和用途，對背光照明系統(tǒng)的要求也愈來愈多，如表1所示。 特別是歐洲許多國家對電磁輻射有嚴格的規(guī)限， 給CRT顯示器到液晶顯示器（LCD Liquid Crystal Display）的轉(zhuǎn)換展示了廣闊的市場前景。以下我們會以液晶顯示器的用戶為對象，就現(xiàn)在主流逆變器的基本動作原理，特長，設(shè)計時 的注意點，以及如何選定方案來滿足各種各樣的要求等加以說明。各類顯示裝置所要求的逆變器特性（表 1）分類AvBACKLIGHTER 的要求小型（薄型）效果壽命調(diào)光AV觀測器X錄像顯示屏X液晶電視X液晶顯示器汽車導(dǎo)

3、航系統(tǒng)顯示器OA筆記本電腦情報終端通信傳呼機顯示器X：其他游藝機顯示器X各種控制器X表示為要求項目中優(yōu)先順序，“”表示不要項目液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元2.逆變器（INVERTER ）回路單元的基本動作原理使用液晶逆變器驅(qū)動單元時應(yīng)對作為負荷的冷陰極管的特性作深入地了解和把握。下面就最初使用背光照明的筆記本電腦用的 LCD顯示器為對象，對冷陰極管的特點，以及作為現(xiàn)在 逆變器回路主流模式的推挽回路的基本動作原理，簡單地加以說明。2-1.冷陰極管的特性冷陰極管具有管長、管徑、管內(nèi)氣體的種類、氣壓等管的特有特性，以及會因周圍溫度變化， 輝度和電氣特性隨之變化的特點，使用前有必要對管特性進行仔細確認。

4、*冷陰極管的放電冷陰極管中，在高壓電場的加速下，電子和陽離子撞擊陰極表面，使陰極再次放出電子，輝 光放電開始后放電處于維持狀態(tài)。冷陰極管能發(fā)出明亮的光是因為二次放電時電子引發(fā)的紫外 線撞擊管內(nèi)壁涂布的螢光物質(zhì)。管徑為23mm是主流，管長則根據(jù)液晶屏尺寸的不同，由50280mm不等，目前 AOC 所用的 LCD 有 15”、17”、18”、19”、22”。*放電開始時間和管電壓在冷陰極管兩端加5001000Vrms的高壓，管就開始放電。這時的電壓稱為放電開始電壓（也叫起動電壓或始動電壓）。冷陰極管中流過電流時，管阻抗會減小，管兩端的電壓也急劇減小，但是，只要有一定的電 流流過，電壓的減小會變得緩

5、慢，如圖1電壓特性變得大致穩(wěn)定。此時的電壓稱為電壓，大致 為300700Vrms的幅度。管電壓與管子的種類也有關(guān)系。管特性與硅二極管中的齊納管類似， 但不同的是當(dāng)流過齊納管的電流增加時其兩端的電壓是增加的，為正電壓特性，而冷陰極管的電流增加電壓反而減小，為負電壓特性。螢光管的電壓一電流特性（圖1）電壓（V）圖1電流（mA）一般來說放電開始電壓和管電壓在以下條件下有要求增高的趨勢a. 周圍的溫度愈低b. 冷陰極的管愈細c. 冷陰極的長度愈長因此，對逆變器來說，開放電壓（逆變器輸出的，使燈管放電的激光電壓）需10001500Vrms, 比管子的放電開始電壓略高。液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元管電流輝度

6、放電開始后，需要有持續(xù)的電流過才能維持燈管持續(xù)放電。管電流越大管的輝度也越高，但管電流太大會對管電極造成損傷，使冷陰極管的壽命縮短或直接燒毀燈管?，F(xiàn)在主流燈管的管電流 平均一根為27mA，將管電流控制在適當(dāng)?shù)闹瞪鲜呛苤匾摹Ｍǔ?，在冷陰極管的規(guī)格表中額定管電流的輝度會有所表示，從所需的輝度可確認需多大管電流。如圖2所示，周圍溫度愈低，輝度愈低，放電起始電壓愈高。%<壓電始開電放-度輝管管輸出H （輝度）放電開始電壓燈管輝度和放電開始電壓溫度特性（圖2）周圍溫度（度）燈管輝度和放電開始電壓的溫度特性（圖 2）*頻率（周波數(shù)）冷陰極管一般需交流電驅(qū)動。直流驅(qū)動時冷陰極管的水銀離子偏集中到一邊

7、，使燈管的灰 度產(chǎn)生不平衡，壽命也相應(yīng)縮短。頻率越高灰度越亮。但是，因從逆變器到燈管的引線存在分 布容量，使漏電流增大，因此，從逆變器輸出的電流并不全都流過冷陰極管，漏電流是造成燈管的發(fā)光效率低的因素之一。所以，為確保不受 LCD顯示器工作頻率的干擾而產(chǎn)生閃爍、干 涉等現(xiàn)象，必須對使用條件，安裝狀態(tài)作認真的檢討。以上這些特性和色溫、演色性（彩色再現(xiàn)性）等特性，都要向燈管制造商確認清楚2-2.基本動作下面就逆變器回路的原理簡單地加以說明。如圖3所示，方框內(nèi)為逆變器回路。從外側(cè)看有以 下7個參數(shù)。輸入電壓Vin輸入逆變器的電壓液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元*輸入電流輸入逆變器的電流I in輸出電壓Vo

8、ut在管兩測量的放電后的管電壓（正常工作時的管電壓）開放電壓Vopen燈管放電開始必須的啟動電壓管等效負荷RI管電壓除以管電流所得的等效電阻值輸出電流I out即管電流振蕩頻率f 驅(qū)動燈管的交流電頻率Iii參數(shù)說明（圖3）液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元圖4為基本的逆變器回路（推挽式電壓共振回路）。它回路結(jié)構(gòu)簡單，輸出正負對稱的正弦波 驅(qū)動冷陰管。啟動冷陰管的開放電壓 Vopen理想變壓器的1次2次間的卷數(shù)比N、開關(guān)管Q1 和Q2的ON電壓Vcesat間的關(guān)系如下：開放電壓：Vopen=1.11 N (Vin Vce sat)。圖 4 如下:這回路因輸出端沒有反饋，輸出電壓會隨輸入等比例變化。下面對

9、輸出電壓、管電壓、電流的關(guān)系，用圖 5的變壓器2次側(cè)的等效回路加以說明?；芈分? / 11Co和燈管串聯(lián)接入。放電開始前(管的阻抗無限大，可視為無負荷狀態(tài))，變壓器的輸出電壓基本上都直接加到燈管兩端。輸出側(cè)的等價回路(圖5)液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元放電開始后電容Co起到一個限流元件的作用，輸出電流I out由電容Co和冷陰管的等效電阻 R1合成的阻抗決定。輸出電流 I out=V out/Z=V out/( V (RL2+XCf ) (容抗 XC=1/ C)逆變器回路中Co的容抗Xc成分要比負荷的等阻抗R1大。因此，兩者所決定的阻抗中Co部分 的作用較大，輸出電流lout大致由Co值決定。因

10、而可以根據(jù)冷陰管驅(qū)動電流的要求生產(chǎn)出相應(yīng) 的電容。這個Co般叫限流電容。頻率由線圈的一次電感Lp與共振電容Cp及限流電容CO置換到一次惻的Co'的綜合容量組成 的并聯(lián)回路決定。如果忽略冷陰管的電抗，頻率可由下式表示：f=1/(2 n V Lp(Cp+Co)為維持變壓器和電容的共振，必須從卷線的初級線反饋一個驅(qū)動信號到開關(guān)管。 初級驅(qū)動電流 從輸入端線基極電阻R供給，由于與基極繞線Nb連接，共振頻率如圖6所示，Q1、Q2交替導(dǎo)通， 使振蕩持續(xù)。扼流線圈使輸入電流穩(wěn)定的作用，其電感值一般需比一次圈線Lp大很多（23倍以上）各部分發(fā)振波形（圖6）集電 極電壓電原電壓集電極電壓 電原電壓共振電

11、容電壓液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元23.安裝時的注意點分布容量的影響高頻點燈時，用燈管單體評價和整個系統(tǒng)進行評價時所測得的值會有所不同，特別是在逆變器高壓輸出端和燈管連線的周圍，受分布容量的影響，接地元件所受影響會更大。圖7為原理圖，因分布容量的存在，使得點燈開始后變壓器的輸出端電壓由Co和Cg分壓，造成點燈不良。點燈中I1=lout-lg-lm，流過燈管的實際電流小了，輝度自然比用單體燈管 評價時低。因此高壓部分的引線盡量短，使分布容量Cg盡量小是很有必要的。但是，燈管壁附設(shè)導(dǎo)體可降低點燈開始電壓，實際中可靈活運用。分布容量的原理（圖7）Ig1、燈II管以上情況要在圖紙上明確化有一定困難，只能

12、根據(jù)加以確認，以避免問題的發(fā)生為最終目的 使用環(huán)境狀況使用環(huán)境的關(guān)系也會引發(fā)一些意想不到的故障。如液晶顯示器發(fā)在食品商場中使用，有可 能因外部昆蟲，濕氣的侵入而造成背光源逆變器輸出端的短路而令電源損壞。 隨著液晶顯示器 應(yīng)用的日益廣泛，這類事故發(fā)生的可能性也大大增加。因此，包括對 PL法（制造品責(zé)任法）、 使用條件、高壓部的安裝狀況等進行仔細確認是很重要的。安全規(guī)范 逆變器輸出的是高電壓，因此如何防止觸電、著火、冒煙等也要特別考慮。另一方面，逆變器通常作為一個事先設(shè)計好的單元件部件被裝進制品內(nèi)部， 不像通常的電源一 樣有外殼保護。因此，考慮在高壓部加危險表示記號、 加絕緣保護片等，盡量采用一些

13、避免能 直接觸摸的結(jié)構(gòu)，使機器維修時即使不小心觸摸到也不會造成觸電。 另外，如電流限制在萬一 觸電也不足以對人體造成傷害的程度，在安全性方面就更有保障了。為防止萬一某個元件發(fā)生故障造成其他元件的發(fā)熱、著火，通常會使用保險絲之類的保護 元件使電路停止工作；為確保即使著火也能防止其蔓延，基板、樹脂等應(yīng)選用難燃性高的材料。 這也是逆變器組件的要求之一。液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元1995年7月PL法（制造品責(zé)任法）實施以后，人們對制品設(shè)計的安全性更加關(guān)注，安全規(guī)格 的種類從公共的國際規(guī)格IEC950到各國自行制定的規(guī)格都有。對于逆變器特別重要的是：確保對人體的安全性；確保對制品周邊元件的安全性；對于

14、是要防止、預(yù)防燒傷和觸電的發(fā)生。對于逆變器，與觸電有關(guān)的項目有空間距離、沿 面距離（爬電距離）、絕緣厚度、絕緣阻抗、絕緣物劣化、絕緣種類的規(guī)定等。絕緣種類有機能絕緣、基礎(chǔ)絕緣、附加絕緣、強化絕緣四種，必須滿足那種絕緣綠模式取決于： 逆變器使用怎樣的元件； 是一次側(cè)回路還是二次側(cè)回路； 有沒有限流回路中符合其中的那個因素。通常逆變器多用于LCD Monitor、筆記本電腦、傳真機等辦公設(shè)備，劃分到組群等級里。因逆變器回路并不直接與外界與外部的主電源直接連接，為二次回路，如果有限流回路，必須考 慮能滿足機能絕緣中的空間距離、 沿面距離的構(gòu)造。但是，在制品很小，不能保證必要的距離時， 至少必須滿足I

15、EC950規(guī)格5.44 b）、c）項的要求（詳細內(nèi)容請參照IEC或UL等相關(guān)規(guī)格）。關(guān)于第 項，對于變壓器骨架和基板等有機材料，一般都要求使用UL規(guī)格品（如94V-0）或其相關(guān)產(chǎn)品。這里必須提醒大家注意的是，即使?jié)M足了安全規(guī)格中的下限規(guī)格， 也不能保證不會發(fā)生安全問 題。不僅只是逆變器單體，使用狀況的確認也是至關(guān)重要的。3.茲講述一下AOC目前設(shè)計INVERTER主流回路方式3-1 寬輸入范圍和調(diào)光回路在前述的推挽回路基礎(chǔ)上加上 DC-DC轉(zhuǎn)換回路，能用寬范圍的輸入電壓達到調(diào)光的目的。DC-DC轉(zhuǎn)換回路中使用控制IC達到調(diào)光效果，回路例如圖8所示。調(diào)光回路例（圖8 ）液晶顯示器用逆變器驅(qū)動單元

16、這種方式是用降壓型 DC-DC的設(shè)計。與通常的檢測輸出電壓不同，該電路是通過一個電 阻對輸出電流（管電流）進行取樣和反饋。因管電流為交流，取樣后的交流電壓經(jīng)積分回路轉(zhuǎn) 換為直流值，送到控制IC的差分放大器輸入端。放電不穩(wěn)定與燈管的特性也有很大關(guān)系，因而必須選用即使在小電流下也能正常工作的冷 陰極管。同時，在亮度調(diào)小時，逆變器的輸出電壓也減小，為了不讓管電壓也隨之減小，逆變 器必須輸出能維持燈管兩端電壓穩(wěn)定的電壓。換言之，是逆變器的輸出阻抗和輸出電壓與冷陰極管的阻抗與管電壓是否匹配的問題其他的調(diào)光方式有，逆變器的輸入間歇開/關(guān)，以開啟時間DUTY （占空比）來調(diào)光的DUTY 調(diào)光方式。 這種調(diào)光

17、方式在輸入一定時， 即使亮度調(diào)小， 開放電壓或加在燈管兩端的電壓都不 會改變，雖然可調(diào)光的范圍較寬（ 10100%），但是像在使用電池那樣電壓不太穩(wěn)定的情況下， 輸出會隨輸入的變化而變化， 這就需要一個能穩(wěn)壓的電路。 同時因 DUTY 的頻率多在可聽范圍 （諧振頻率在 20Khz 以上時，必須使 DUTY 在該頻率以下），會造成線圈、變壓器發(fā)出可聽噪 聲。32 消耗功率的降低為了降低消耗功率， 要求使用特性好的部品、 線圈和變壓器。 這不僅只是影響電源的效率， 還 會對振蕩頻率、管電流的波形造成一定影響，間接影響整體功率，從而影響發(fā)光效率。例如，逆變器的一次側(cè)振蕩波形為正弦波， 實際接入冷陰極

18、管時受變壓器漏感和分布容量的影 響，波形會有些歪。波形與輝度的關(guān)系是：越接近矩形波，相同的管電流輝度越高。因此，邊確 認 LCD 顯示屏的輝度，邊對電流、頻率進行檢討是很必要的。逆變器變壓器是很重要的部品之一，一直以來，EE型分割BOBBIN都作為主流，一次性封止成形的和不用限流電容的開磁型變壓器也有應(yīng)用。再者，陶瓷材質(zhì)的壓電變壓器等的應(yīng)用，不僅 可省掉限流電容，而且可使灰度效率提高，兼有小型、薄型的優(yōu)點，很適合與筆記本電腦。 但大 顯示屏?xí)r隨著升壓比要求的提高和維持功率的需要，驅(qū)動回路變得復(fù)雜，壓電變壓器的材料及構(gòu) 造的價格有升高的趨勢。3 3 小型化 電子部的不斷小型化、薄型化是個共通的命題。要將逆變器電源小型化，線圈、變壓器和連 接器是關(guān)鍵。用于能量傳輸?shù)木€圈和變壓器，其磁性材料主要是用鐵氧體，要求的傳輸功率一旦決定，其 物理形狀就大致定下來了。通常要求 1000Vrms 以上高壓時就要使用有絕緣距離的構(gòu)造，包括連 接器，要做到小型 .