液晶电视CCFL控制电路的设计技巧

摘要：液晶显示器(LCD)正成为电视的主流显示技术。LCD电视通常需要背光源产生可视的影像，因此背光源的设计就成为关键。由于LCD电视是消费品，CCFL工作在高压的状态下，在选用电路的时候不但要考虑成本，还要考虑其可靠性。驱动多个CCFL灯管时所要面对的关键的挑战是：挑选最佳的驱动架构、多灯驱动、脉冲调光、保护电路的设计。
关键词：LCD TV；CCFL灯管；驱动架构；多灯驱动；脉冲调光；保护电路

    液晶电视的显示屏是属于被动发光型的显示器件，它需要借助背光源发出的光线通过液晶屏透射出来，利用液晶的分子在电场作用下控制通过的光线以形成图像。要显示色彩丰富的优质图像，要求背光源发出光线的光谱范围要宽，接近日光色以便最大限度地展现自然界的各种色彩。同时液晶电视要保证有足够的亮度、保持整个屏幕亮度的均匀性和亮度可以调节。
    CCFL：Cold Cathode Fluorescent Lam，也叫冷阴极灯。其原理是通过高能量电子轰击汞原子，使汞原子被激发。但激发态并不稳定，汞原子由激发态回到基态时会释放能量，此能量是以辐射253．7 nm和185．0 nm紫外光子的形式产生的，荧光粉吸收紫外光子而发出白色的可见光。CCFL灯管电极构造简单，管径易细化，可靠性高，寿命一般在3万小时以上，在触发点火时不需灯丝预热，加上圆柱状外形很容易与光反射组件组合成薄板状照明器，因此在TFT-LCD背光源上广泛采用。

1 CCFL冷阴极灯的特性
    CCFL灯管的驱动电路集成也叫CCFL INVERTER，CCFL灯管是一个高非线性负载。冷阴极灯在开始启动时，当电压还没有达到触发值(一般1 000 V以上)时，灯管呈正电阻(数兆欧)。一旦达到触发值，灯管内部产生电离放电产生电流，此时电流增加，灯管两端电压下降呈负阻特性，很快降为几百千欧级。当流过灯丝的电流达到一定值时，CCFL灯管两端电压停止下降进入一个稳态值，通常称为CCFL灯管的工作电压，激活CCFL灯管的电压一般是工作电压的两到三倍。启动电压与电流的曲线如图1(a)所示。

    CCFL背光电源是将DC转换为AC，其存在转换频率，CCFL背光电源的工作频率就是转换频率，背光电源的工作频率必须和所配TFT-LCD屏相对应。CCFL背光电源工作波形要尽可能的是正弦波，如波形太差，会造成光效差，灯管发热严重，灯管寿命下降等问题。对于CCFL灯管来说，其工作时候的亮度和工作时候的温度有很大的关系，在低温如-20℃的时候，其特性表现为即使用很高的电压启动也只能发出微弱的光。典型的亮度与温度的曲线如图1(b)所示。

2 驱动冷阴极灯电路形式的介绍
    CCFL驱动电路：又叫CCFL INVERTER，即CCFL逆变器，是为了符合CCFL灯管的工作特性而将直流低电压变成高频高压交流电的电子装置。通常有四种控制电路(见图2)。

    图2(a)：为全桥架构，优点是简单、效率高，变压器设计简单，缺点是需要专门的IC驱动，并且需要四个MOSFET，特别是P沟道的MOSFET，成本较高，适合在低电源电压的场合应用。
    图2(b)：虽然比全桥省了两个MOSFET，但是在相同输出功率和负载的情况下，供电电压要比全桥架构提高一倍，因此需要更高匝数比的变压器，变压器成本高，适合用在供电电压较高的场合。
    图2(c)：Royer架构，最佳应用是在不需要严格控制灯频和亮度的设计中。由於Royer架构是自振荡设计，受元件参数偏差的影响，很难严格控制灯电流和灯频，而这两者都会直接影响灯的亮度，但价格最廉价。
    图2(d)：推挽架构，这种架构只用到n通道MOSFET，这有利於降低成本和增加转换器效率。最大的缺点是要求转换器直流电源电压的范围小於50％，否则，当直流电源电压处于高阶时，由于交流波形的高振幅因子，系统的效率会降低。但对于LCD电视，由于电源稳定，采用此电路非常理想。

3 冷阴极灯多灯驱动电路分析
    CCFL灯管管中心点的亮度必须在3分钟内达到规定亮度的100％。考虑到整机的可靠性和寿命要求，驱动电源对冷阴极灯的供电、激励部分必须符合灯管的特性，供电电源必须是交流正弦波，频率为40 k～60 k左右，触发电压和维持电压符合灯管的规格(由灯管的长度和直径决定)。
    由于液晶电视屏幕尺寸比较大，一般在18．5英寸以上，现在逐渐向大尺寸方面发展，如42寸、55寸等，因此需要在一台机器里面用多根灯管一起发光，来达到整机需要的亮度要求。用一个单通道CCFL控制器驱动多个灯，灯管直接串、并联使用，第一个缺点是由於灯阻抗的差异，会造成亮度不均匀；第二个缺点是，单个灯管的失效(例如破损)会造成屏幕没有任何显示；第三个缺点是，由于是并联(或者串联)驱动所有灯，同时打开和关闭这些灯，这就要求转换器直流电源必须采用更大的电容器增强去耦效果，这会增加转换器的成本和尺寸。
    解决上述诸问题的一条途径就是每个灯用一个单独的CCFL控制器，在多灯管液晶屏中，每一只灯管均配单独一只高压变压器。

4 冷阴极灯调光原理
    在实际运用的过程中驱动电源常常同时要求有调光功能。CCFL的亮度与CCFL的电流大致成正比，因此在电路中一般有电流环来控制CCFL的亮度。在实际的应用中一般采用PWM波来调光。
    PWM调光的优点：(1)调节过程中亮度变化非常均匀，不会发生突变的现象；(2)调节的时候输出电压峰-峰值不会随调亮而变化。具体方法是软件编程MCU输出30-200Hz的低频PWM脉冲波对施加于冷阴极荧光灯管上的连续振荡高压波进行调制，使连续振荡波变成断续振荡波，断续的在极短时间内停止对冷阴极荧光灯供电。由于停止时间极短，不足以使灯管的电离状态消失，但是其辐射的紫外线强度下降，管壁上的荧光粉的激发量减小，亮度也下降。通过控制PWM脉冲的占空比，就可以改变灯管在一个导通／关闭周期的时间比，从而达到控制灯管平均亮度的目的。
4．1 冷阴极灯调光时候的柔性启动技术
    在冷阴极灯调光的时候控制方式是反复的启动、截止灯管，然而每一个启动、关闭周期都会造成灯管遭受到高启动电压及电流突变的冲击，这对于气体放电灯的电极而言是极为不利的，将会大大地缩短灯管的使用寿命。为了解决这一问题，目前业内普遍采用一种“柔性”启动技术，即对调光脉冲包络的前沿和后沿，采用连续线性增幅和降幅的处理，使得包络的前沿是一个逐步增大的过程，包络的后沿是一个逐
步减小的过程，具体图形见图3。经过线性幅度变换处理后的高压脉冲波，再作用于灯管上，就不会对灯管造成启、停的损伤，也不会影响灯管的寿命。

4．2 多管冷阴极灯调光时候的移相技术
    由于液晶TV采用多只冷阴极灯管，如32寸的LCD TV采用12只冷阴极灯管，42寸LCD TV采用16只冷阴极灯管等等。因此在亮度调节的过程中，如果多只灯管在同一时间断电和启动，间断频率将会和液晶屏的刷新频率产生差拍，将会导致画面出现滚动、闪烁、亮度不均匀等画异的现象。针对这种现象采取的解决方法是采用移相技术，即把采用的多只灯管平均分组，一般分为4组，这样对其供电控制的PWM脉冲有4个通道，每个通道向一组灯管供电，通道之间输出的PWM调制脉冲，依次移相90度，共输出4路经过PWM调制的高频脉冲波，具体见图4。整体来说，多根灯管不会在同一时间断电和供电，是轮流进行的，这样可以使得在避免上述问题的同时亮度均匀并且做到干扰最小。

5 冷阴极灯保护电路的设计技巧
    对于LCD TV以显示为主的消费类电子产品，关键部件发光源的稳定性非常的重要。要使背光源稳定的工作，其反馈和保护电路就显得很关键。例如灯管开路时，输出电压就会升高，电压升高就容易出现打火等现象，从而出现烧板现象。灯管电流如不平衡，出现一些电流很大，而一些电流很小，就会影响灯管寿命，并且屏幕亮度不均匀。通常设计的原理示意图见图5，每路灯管的电路是一样的，因此图5(a)取了其中一路电路来分析，而电流取样只要取其中某一路即可，见图5(b)。下面结合实际的应用分析保护电路的设计技巧。

5．1 电压取样和过压保护
    图5(a)中所有灯管的VS端连在一起，并连到驱动IC的相关功能引脚。一般灯管在刚启动的时候，驱动IC输出的PWM波占空比由小到大张开，使变压器高压端输出电压由小到大变化。通过C2、C1分压出来的电压和C4、C3分压出来的电压经过D3形成一个逐渐增加的电压，当此电压达到驱动IC内部规定的电压值时，驱动IC保持住此时的PWM占空比并判断是否点火成功。如成功后，当驱动IC收到此反馈电压的值超过3 V，就判断过压，关闭输出，进入保护。
5．2 灯管断路取样
    在设计的时候灯管断路的检测采取了分开检测的方法，即第一路通过C4、C3分压经过R4的电压和第3路同样方法输出的电压连在一起经过D4形成一个参考电压，利用此电压来判断灯管的断路情况，所有通路的OLP电压连在一起，连到驱动IC相关功能引脚。当某路灯管断路的时候对应路的OLP电压会变低，由于与门的作用，会导致连到驱动IC的反馈电压变低，驱动IC关闭输出，进入保护。
5．3 电流取样
    见图5(b)，经过T2降压，D5、D6整流，通过R6和R5变比，输出一个参考值IL。根据此IL值驱动IC就可以很方便地知道负载情况，通过改变占空比调节屏的亮度。

6 总结
    CCFL有一些特殊性能，必须仔细考虑以最大化其效率、寿命和实用性。然而，这些特性带来了一些特殊的设计挑战，只有不断地总结和实验、改进才能使冷阴极灯发挥最大的功效，优化LCD TV的性能和安全性。