大型LCD背光照明系统设计

大型LCD背光照明系统设计

摘要：LCD (液晶显示器)是电控发光管，LCD TV (液晶显示电视)采用白光作为“背光”，通常使用冷阴极荧光灯(CCFL)为彩色荧光屏照明。其它技术，如：发光二极管(LED), 也作为一种考虑方案, 但昂贵的价格限制了它们的使用。

本文聚焦于驱动和控制多个CCFL，来为大型LCD面板(如LCD电视)提供背光照明时所要面临的设计挑战。

设计挑战

由于LCD电视是消费品，压倒一切的设计考虑是成本—当然必须满足最低限度的性能要求。驱动灯的CCFL逆变器不能明显缩短灯的寿命。还有，由于要用高压来驱动灯，安全性也是一个必须考虑的因素。本文聚焦于LCD电视应用中，驱动多个CCFL时所要面对的三个关键的设计挑战：挑选最佳的驱动架构、多灯驱动、以及灯频和突发调光频率的精密度控制。

挑选最佳的驱动架构

可以用多种架构产生驱动CCFL所需的交流波形，包括Royer (自激)、半桥、全桥和推挽。表1详细归纳了这四种架构各自的优缺点。

表1. CCFL驱动架构比较

Drive Architecture	Advantages	Disadvantages
Royer	Least 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 Bridge	Does 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 Bridge	Requires 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-Pull	Requires 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架构

Royer架构(图1)的最佳应用是在不需要严格控制灯频和亮度的设计中。由于Royer架构是自激式设计，受元件参数偏差的影响，很难严格控制灯频和灯电流，而这两者都会直接影响灯的亮度。正因为此，Royer架构很少被用于LCD电视，尽管它是本文所述四种架构中最廉价的。


图1. Royer驱动器简单，但不太精确。

全桥架构

全桥架构最适合于直流电源电压非常宽的应用(图2)。这就是几乎所有笔记本PC都采用全桥方式的原因。在笔记本中，逆变器的直流电源直接来自系统的主直流电源，其变化范围通常在7V (电池低)至21V (交流适配器)。有些全桥方案要求采用p沟道MOSFET，比n沟道MOSFET更贵。另外，由于固有的高导通电阻，p沟道MOSFET的效率更低。


图2. 全桥驱动器很适合于大范围的直流电源。

半桥架构

相比全桥，半桥架构最大的好处是每个通道少用了两只MOSFET (图3)。但是，它需要更高匝比的变压器，这会增加变压器的成本。还有，如同全桥架构一样，半桥架构也可能会用到p沟道MOSFET。


图3. 半桥驱动器比全桥驱动器少用两个MOSFET。

推挽架构

最后我们来考虑推挽驱动器，它有很多好处。这种架构只用到n沟道MOSFET (图4)，这有利于降低成本和增加逆变器效率。它很容易适应较高的逆变器直流电源电压。采用更高的逆变器直流电源电压时，只需选择具有合适的漏-源击穿电压的MOSFET即可。不管逆变器的直流电源电压如何，都可采用同样的CCFL控制器。但采用n沟道MOSFET的全桥和半桥架构就无法做到这一点。

推挽架构最大的缺点是，要求逆变器直流电源电压的范围小于2:1。否则，当直流电源电压处于高端时，由于交流波形的高振幅因数，系统的效率会降低。这使推挽架构不适用于笔记本PC，但对于LCD电视非常理想，因为逆变器直流电源电压通常会被稳定在±20%。


图4. 推挽驱动器非常简单，还可精确控制。

多灯驱动

CCFL已在笔记本PC、数码相机、导航系统以及其他具有较小LCD屏的设备中使用多年。这些类型的设备通常只用一个CCFL，因此，传统设计只用一个CCFL控制器。随着大尺寸LCD面板的出现，带来了对于多CCFL的需求，有必要采用新的方式来应对这种新的需求。可能的方式之一是采用一个单通道CCFL控制器来驱动多个灯(图5)。这种方式中，CCFL控制器只通过其中的一个灯监视灯电流，而以几乎相同的交流波形同时驱动所有并联的灯。然而，这种方式存在着几个缺陷。


图5. 由于亮度不均匀以及其他的一些考虑，用一个单通道CCFL控制器控制多个灯不太理想。

第一个问题是如何保持所有灯的亮度统一，以便使显示器不会出现明显的亮区和暗区。用相同的波形驱动所有灯会使每个灯的电流不同，因而造成亮度差异。由于灯阻抗的差异，采用同样的波形，会造成亮度不均匀。而且，CCFL的亮度随温度而变(图6)。由于热气上升，面板顶部的灯(参见补充材料，图12)会比面板底部的灯热，这也会造成亮度不均匀。


图6. CCFL的亮度随环境温度而变。

用一个单通道CCFL控制器驱动多个灯的第二个缺点是，单个灯的失效(例如破损)会造成所有灯关闭。第三个缺点，由于是并联驱动所有的灯，同时打开和关闭这些灯，这就要求逆变器直流电源必须加以更重的去耦，采用更大的平波电容。这会增加逆变器的成本和尺寸。

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(图7)。然而，这种方式的主要缺点就是，增加的CCFL控制器带来了额外的成本。为LCD面板提供照明的理想方案是多通道CCFL控制器，它的每个通道独立驱动和监视每个灯(图8)。这种多通道CCFL控制器既解决了亮度不均匀和单灯失效问题，降低了去耦要求，而且还具有高成本效益。


图7. 采用单通道控制器驱动每个CCFL不具有成本效益。


图8. 用一个多通道控制器控制多个灯是理想方案。

灯频和调光频率的精密度控制

由于LCD电视需要显示动态且连续移动的画面，它有一些在静态显示应用(例如计算机监视器和笔记本PC等)中所没有的特殊要求。CCFL的驱动频率可能会干扰LCD屏上显示的画面。如果灯频接近视频刷新频率的某个倍频，就会在屏幕上出现缓慢移动的线或带。通过精密控制灯频在±5%以内，可以消除这种瑕疵。

用于调节灯亮度的突发调光频率也要求同样的精密度控制。这种调光方式通常是采用30Hz至200Hz频率范围的脉冲宽度调制(PWM)信号，在短时间内将灯关闭，达到调光目的，由于关闭时间很短，不足以使电离态消失。如果突发调光频率接近垂直同步频率的倍频，也会产生滚动线。同样，将突发调光频率严格控制在±5%以内就可以消除这个问题。另外，在有些LCD电视中，为了改善LCD屏的图像响应，还要求缓慢的CCFL突发调光频率与视频垂直同步频率同步起来。

解决LCD电视背光挑战的方案(DS3984/DS3988)

DS3984 (四通道)和DS3988 (八通道) CCFL控制器解决了本文所提到的所有这些设计挑战。可将这些器件配置为每个通道驱动一个灯(图9)，或者每通道多个灯(图10)，用户可灵活裁减设计，以满足自己的性价比目标。多个DS3984/DS3988可轻松级联，以支持任意数量的灯，来为LCD电视屏提供背光照明。

DS3984/DS3988采用推挽驱动架构，可使用更低成本、更高效率的n沟道MOSFET。逆变器直流电源也可采用更高的电压。单独的灯控制和监视可提供均匀的亮度，并减少了逆变器的元件总量。采用单独的灯控制时，如果某一个灯失效，那仅会使这个失效的灯停止工作，其他灯继续工作，不受影响。片上振荡器产生的灯频和突发调光频率被严格规范于±5%的精密度水平，消除了对于显示图像的影响，并且也可被同步至外部时钟源。


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图9. DS3984/DS3988单独驱动和监视每个灯，为LCD电视和PC监视器提供均匀亮度。


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图10. DS3984/DS3988的每个通道也可驱动多个灯。

CCFL

冷阴极荧光灯(CCFL)是一种长而细的密封玻璃管，内充惰性气体(图11)。当给灯管施加高压时，气体被电离，产生紫外线(UV)。紫外线打到内壁涂敷的荧光材料上使其激发，发出可见光。CCFL有许多优点，包括：

• 优良的白光源
• 低成本
• 高效率(光输出与输入电功率之比)
• 长寿命(>25千时)
• 稳定、确定的工作状态
• 容易调节亮度
• 重量轻

图11. CCFL是充有惰性气体的玻璃管。

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。例如，为了最大化灯管的寿命，需要采用交流波形驱动CCFL。任何直流成分会使一部分气体聚集在灯管的一端，造成不可逆转的光梯度，使灯管的一端比另一端更亮。还有，为了最大化其效率(光输出与输入电功率之比)，需要用接近正弦的波形驱动灯管。为此，CCFL通常需要一个直流-交流逆变器来将直流电源电压变成40kHz至80kHz的交流波形，工作电压通常在500VRMS至1000VRMS。

LCD电视中典型的CCFL布置

图12表示在LCD电视中，CCFL通常是如何安排的。这个电视中的12个灯等间隔地分布在整个LCD背板上，以提供最佳的光分布。重要的是，所有灯要工作在相同的亮度下。尽管在CCFL灯管和LCD面板之间安排有散光器，可协助均匀分布背光，不均匀的灯管亮度仍然很容易被察觉，并影响电视的图像质量。因LCD面板尺寸而异，用到的CCFL灯数量可能会多达30甚至40个。


图12. LCD电视内有4到40个CCFL。