大型LCD背光照明系统的设计

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 ArchitectureAdvantagesDisadvantages

RoyerLeast 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 BridgeDoes 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 BridgeRequires 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-PullRequires 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