单片机CCFL控制器改善大屏幕LCD TV的图像质量

虽然LCD背光有多种方式，例如LED、EL、CCFL等，但对于大尺寸LCD屏来说，由于CCFL发光效率高而成为主流背光光源。传统的LCD屏主要用于笔记本电脑或台式电脑，背光组件在有一定亮度的前提下，还要尺寸小和重量轻等，大多采用侧面背光方式（CCFL灯管安装在屏的二边或四周，通过导光板将光漫射到整个屏幕后面）；而LCD TV特别是大尺寸LCD TV，由于对显示亮度（450cd/m2）、视角广角（170°）、图像对比度（500：1）等有更高的要求，因而需要采用光源利用率更高的垂直背光技术。

1 垂直背光

垂直背光，顾名思义，是将CCFL灯管直接安装在LCD屏后面，并利用全反射膜将发散到其他方向的光线反射到屏幕发光面，以提高光源到利用率。虽然垂直背光解决了大屏幕LCD TV的亮度、视角广度等问题，但由于主要是靠增加灯管数目实现的，灯管数目从几只到几十只不等，因而存在以下问题：

（1）均匀度较低，这主要是因为灯管数目较多所致，结果使屏幕出现明暗条纹，如果各灯管亮度不一致，现象更明显。

（2）屏幕色差，灯管数目多虽然提升了亮度和辉度，但也使背光组件的发热量增大，而液晶分子由于对温度敏感度高，易造成高温下屏幕色彩异常；除此之外，CCFL灯管本身在高温下的寿命也会缩短。

有鉴于此，设计CCFL逆变电源时需要仔细控制每只灯管的电流，以保证亮度一致，在灯管确定的情况下尽量提高逆变电源的转换效率以减小发热量。

图2

2 多路CCFL控制器

为了降低成本，一些CCFL逆变电源采用图1所示的方案。它对于灯管数目较少且采用侧面背光方式的小屏幕LCD不失为一种低成本、小尺寸优选方案，通过导光极的漫射作用可消除灯管亮度不一致的缺陷，由于灯管少（2～4只），全桥电路中流过MOSFET的电流也不太大，对变换器效率影响也小。

对于大尺寸LCD TV，为了增加亮度，提高对比度，灯管数量大大增加，有时可能达到30多只，如果采用上述电路，每只灯管的亮度难以通过外部参数控制，会出现严重的条纹干扰现象。不仅如此，由于此时桥路电流很大，将使导通损耗（I2×RON）随着灯管数量而急剧增大，比如16只灯管的导通损耗将是2只灯管的64倍；灯管为32只时，其损耗将为2只灯管的256倍，为单只灯管的1024倍，导致严重的发现现象，使背光组件的温度急剧上升，会引起LCD色彩异常，还会导致CCFL灯管寿命缩短。当然可以采用多个1拖2或1拖4的方案来大大减轻发热量，但条纹干扰仍然存在，而且由于每个电源模块的差异，还将引入块状干扰。

3 单片多路CCFL控制器

针对上述问题，DALLAS/MAXIM公司推出了DS3998型高密度单片CCFL控制器，它集成了8个CCFL控制器，分别对8只CCFL灯管的电流进行监控，使8只灯管的电流基本一致，从而实现亮度均匀控制，消除屏幕条纹现象。如图2所示，由于每只灯管有独立的驱动和控制回路，从而避免了图1所示电路因其中一只发生故障而导致多只灯管不亮，便于快速维修；另外，由于每个推挽电路仅驱动一只灯管，流过的电流小，MOSFET的导通损耗很小，也避免了发热问题，而成本仅稍微增加（一对小功率MOSFET）。DS3998不仅很好地解决了背光源亮度的均匀性和发热问题，还带来以下额外好处：

（1）通道相位控制技术降低AC/DC的电流冲击

与图1所示方案或多个独立控制的逆变电源不同，集成了通道相位控制功能，如图3所示，每个通道的MOSFET栅极导通时间在8个通道间平均分配，降低了冲击电流并简化了AC/DC的设计要求，减小发热元件的散热面积，缩小体积，降低电源成本。

    （2）E2PROM寄存器与2线串行接口

DS3988采用标准的2线串行接口与片内的E2PROM配置寄存器及用户存储区进行通信。配置寄存器包括4个软启动特片寄存器与2个控制寄存器（CR1/2），使用户可以自定义DS3988的参数，如软启动斜率、灯管与调光频率源、故障监测选项及通道使能/禁用。8字节非易失的用户存储区用来存储产品数据，如日期编码、序列号或产品标识号，这为产品生产调试或维护带来极大方便。

（3）通过简单的级联支持更多的灯管控制

DS3998的灯管频率有二种配置选项。DS3988作为灯管主机时，设定CR1中的LFSS=0，选择板上振荡器，并通过LOSC输入端的外部电阻器来设定频率（40kHz～80kHz）。在这种情况下，灯管频率信号从LSYNC I/O引脚输出，为其他灯管从机DS3988提供同步信号。作为灯管从机时，通过设定CR1中的LFSS=1，禁用LOSC输入，这时必须向LSYNC I/O提供外部的40kHz～80kHz时钟信号。该信号可以从灯管主机DS3988的LSYNC I/O获得，也可以从其他信号源获得。因此，多个DS3988很容易实现超过8只灯管的大屏幕LCD背光控制。

（4）精确的灯管亮度控制

DS3988使用数字脉宽调制（（DPWM）信号（22.5Hz～440Hz）提供高效率和精确的灯管调用。如图4所示，在DPWM周期的高电平阶段，以选定的灯管频率驱动灯管（40kHz～80kHz）。由于在这段时间里灯管频率突现，因此将这一时间段被称为“突发”阶段。在DPWM周期的低电平阶段，控制器禁止MOSFET栅极驱动，所以灯管不被驱动，这时电流不再流经灯管，但时间很短，不会使灯管出现完全的离子退激。调光通过调节（也就是调制）突发阶段的占空比来实现递增与递减。由于其DPWM信号产生了多种方式，因此为应用提供了很大的灵活性。软启动特性进一步降低了输入电源的电流冲击。

4 结束语

与小屏幕液晶显示器比较，大屏幕液晶电视对显示器亮度、视角广度和显示对比度提出了更高的要求，因此需要采用垂直背光技术，同时大量增加CCFL灯管以满足要求。DS3998是针对该应用专门开发的高密度单片集成CCFL控制器，很好地解决了多灯管LCD屏幕条纹干扰及高发热导致的色度异常问题，改善了视频图像的质量，其多相位导通控制功能还降低了AC/DC电源的设计要求，减小了电源体积。