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。
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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。
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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。
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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。
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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12. lcd电视内有4到40个ccfl。
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