便携设备的高效CCFL背景光转换器应用

　　要预测PZT在系统中的性能，有必要建立它的电路模型。图1所示的电路模型通常用于描述长模式PZT在基本谐振频率附近的性能。许多PZT制造商都基于在各种频率和输出负载下的测量结果提供该模型的元件值，具体元件值取决于PZT的构造。初级电极的多层结构和材料电介质常数形成了一个大的主级输入电容(Cinput)。由于次级的单层结构和主级电极和次级电极之间的距离，输出电容要小很多。

　　图3显示了松下1.8W PZT(元件型号为EFTU11R8MX50)增益(Voutput/in)相对于输出负载和频率的特性关系曲线。这个PZT对图2等效电路的等效元件值分别为：Cinput=61.6nF，Coutput=11.4pF，n=35，串联RLC= (0.66Ω，0.934mH，2.79nF)。如图3所示，在无负载条件下陶瓷变压器提供高Q值和增益，并产生高激发电势。一旦荧光灯激发之后，变压器则带有了负载。负载引起变压器增益下降和谐振频率移动。为实现在一个单向控制电路下激发并运行荧光灯，压电变压器通常工作在谐振峰的右侧。

　　变频控制系统

　　图4给出了一个基于PZT的背景光转换器的简化功能图。PZT由一个幅度正比于输入电压的谐振功率级驱动，它提供驱动荧光灯所需要的电压增益。围绕着误差放大器形成了一个控制环，误差放大器把平均荧光灯电流同参考信号(REF)相比较，以便于对荧光灯的光强度进行调节。控制电压Vc驱动用来确定谐振功率级的运行频率的压控振荡器(VCO)。

　　VCO的频率范围必须包含PZT的激发和运行频率。降低这个可编程的频率范围可以改善反馈回路的控制响应。例如，图5中的PZT所使用的频率范围为100kHz。为保证控制回路一直在PZT谐振峰的右侧工作，PZT的增益必须保证在最小的输入电压下仍具有足够高的荧光灯电压。

　　电源拓扑

　　一个以谐振推挽拓扑控制压电变压器的电路如图5所示。这个拓扑使用了两个标准电感(L1和L2)，通过UCC3977控制器和MOSFET S1和S2，这两个电感在50%的占空比产生180 度的相移。这个推挽电路优点是可以提供从直流输入电压到压电变压器初级的电压增益，并通过这两个电感和PZT初级电容之间的LC关系实现谐振。

　　与磁性变压器电路不同，基于PZT的电路使用频率而不是占空比来控制荧光灯电流。UCC3977包含一个在COMP和OSC引脚之间形成的可编程的VCO，该VCO用来设定该系统的工作频率范围(它必须包含PZT的激发和工作频率)，荧光灯电流可以在FB引脚进行测量并由PZT的增益/频率的特性进行控制(参见图3)。为保证控制回路一直工作在谐振峰的右侧，PZT的增益必须在最小输入电压下提供足够高的荧光灯电压。

　　MOSFET S1和S2以50%的占空比被驱动产生相移。电感L1和L2同PZT初级电容谐振，在S1的漏极和S2的漏极形成了半正弦波形。在PZT的初级两端所得到的电压波形接近正弦。由于陶瓷变压器的高Q值，荧光灯电压是正弦的，在这个应用中大约为300V。

　　为实现零电压切换，漏极电压必须在下一个切换周期以前回零，这要求LC谐振频率要大于切换频率。满足这个条件的最大电感可以从下式得到：

　　公式1 　　

　　其中Cp是PZT的主级电容。

　　采用推挽拓扑结构、额定功率分别为1W 和1.8W的多层PZT驱动一个300伏荧光灯，在电流为3mA时，在较低的输入电压范围内效率超过87%。在高输入电压范围，由于PZT增益降低而导致效率下降。

　　以线性方式降低荧光灯的电流来调光将导致效率下降。由于系统在低于最优增益的条件下运行，压电变压器电路的光负载效率降低。使用脉冲调光技术可以改善效率，这种方法以高于肉眼能察觉的频率(>100Hz)通过调制占空比的通断来控制荧光灯的平均电流，从而使荧光灯一直在全电流下工作。

　　图6显示了基于压电变压器电路的脉冲调光波形。一个外部驱动信号(曲线4)用来给定工作周期和脉冲串的频率，在本例中，在50%的工作周期脉冲串的频率为100Hz。曲线1是反馈网络的COMP引脚的信号，用来设定工作频率。荧光灯电压如曲线3所示。这些图片是使用数字示波器得到，所以存在混迭现象。荧光灯的激发电压几乎检测不到，因为灯已经是热的并从前面的脉冲串周期运行过来。

　　本文小结：

　　本文给出了压电变压器用于背景光转换器时作为升压变压器使用的特性，讨论了可以满足CCFL荧光灯高压需求的压电变压器的工作原理，给出了一个使用UCC3977的基于PZT的高效背景光供电方案。由于基于PZT的背景光转换器的谐振功率电路可以提供正弦电压，从而提高了光电效率，荧光灯的亮度可以采用线性或脉冲调光技术进行控制。整体效率(可以达到86%以上)的提高延长了电池供电系统的运行时间。