液晶电视CCFL控制电路的设计

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。