摘要：液晶顯示器(LCD)正成為電視的主流顯示技術(shù)。LCD電視通常需要背光源產(chǎn)生可視的影像，因此背光源的設(shè)計(jì)就成為關(guān)鍵。由于LCD電視是消費(fèi)品，CCFL工作在高壓的狀態(tài)下，在選用電路的時(shí)候不但要考慮成本，還要考慮其可靠性。驅(qū)動(dòng)多個(gè)CCFL燈管時(shí)所要面對(duì)的關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是：挑選最佳的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、多燈驅(qū)動(dòng)、脈沖調(diào)光、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：LCD TV；CCFL燈管；驅(qū)動(dòng)架構(gòu)；多燈驅(qū)動(dòng)；脈沖調(diào)光；保護(hù)電路

    液晶電視的顯示屏是屬于被動(dòng)發(fā)光型的顯示器件，它需要借助背光源發(fā)出的光線通過液晶屏透射出來(lái)，利用液晶的分子在電場(chǎng)作用下控制通過的光線以形成圖像。要顯示色彩豐富的優(yōu)質(zhì)圖像，要求背光源發(fā)出光線的光譜范圍要寬，接近日光色以便最大限度地展現(xiàn)自然界的各種色彩。同時(shí)液晶電視要保證有足夠的亮度、保持整個(gè)屏幕亮度的均勻性和亮度可以調(diào)節(jié)。
    CCFL：Cold Cathode Fluorescent Lam，也叫冷陰極燈。其原理是通過高能量電子轟擊汞原子，使汞原子被激發(fā)。但激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，汞原子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)會(huì)釋放能量，此能量是以輻射253．7 nm和185．0 nm紫外光子的形式產(chǎn)生的，熒光粉吸收紫外光子而發(fā)出白色的可見光。CCFL燈管電極構(gòu)造簡(jiǎn)單，管徑易細(xì)化，可靠性高，壽命一般在3萬(wàn)小時(shí)以上，在觸發(fā)點(diǎn)火時(shí)不需燈絲預(yù)熱，加上圓柱狀外形很容易與光反射組件組合成薄板狀照明器，因此在TFT-LCD背光源上廣泛采用。

1 CCFL冷陰極燈的特性
    CCFL燈管的驅(qū)動(dòng)電路集成也叫CCFL INVERTER，CCFL燈管是一個(gè)高非線性負(fù)載。冷陰極燈在開始啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)電壓還沒有達(dá)到觸發(fā)值(一般1 000 V以上)時(shí)，燈管呈正電阻(數(shù)兆歐)。一旦達(dá)到觸發(fā)值，燈管內(nèi)部產(chǎn)生電離放電產(chǎn)生電流，此時(shí)電流增加，燈管兩端電壓下降呈負(fù)阻特性，很快降為幾百千歐級(jí)。當(dāng)流過燈絲的電流達(dá)到一定值時(shí)，CCFL燈管兩端電壓停止下降進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)態(tài)值，通常稱為CCFL燈管的工作電壓，激活CCFL燈管的電壓一般是工作電壓的兩到三倍。啟動(dòng)電壓與電流的曲線如圖1(a)所示。

    CCFL背光電源是將DC轉(zhuǎn)換為AC，其存在轉(zhuǎn)換頻率，CCFL背光電源的工作頻率就是轉(zhuǎn)換頻率，背光電源的工作頻率必須和所配TFT-LCD屏相對(duì)應(yīng)。CCFL背光電源工作波形要盡可能的是正弦波，如波形太差，會(huì)造成光效差，燈管發(fā)熱嚴(yán)重，燈管壽命下降等問題。對(duì)于CCFL燈管來(lái)說，其工作時(shí)候的亮度和工作時(shí)候的溫度有很大的關(guān)系，在低溫如-20℃的時(shí)候，其特性表現(xiàn)為即使用很高的電壓?jiǎn)?dòng)也只能發(fā)出微弱的光。典型的亮度與溫度的曲線如圖1(b)所示。
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2 驅(qū)動(dòng)冷陰極燈電路形式的介紹
    CCFL驅(qū)動(dòng)電路：又叫CCFL INVERTER，即CCFL逆變器，是為了符合CCFL燈管的工作特性而將直流低電壓變成高頻高壓交流電的電子裝置。通常有四種控制電路(見圖2)。

    圖2(a)：為全橋架構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、效率高，變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需要專門的IC驅(qū)動(dòng)，并且需要四個(gè)MOSFET，特別是P溝道的MOSFET，成本較高，適合在低電源電壓的場(chǎng)合應(yīng)用。
    圖2(b)：雖然比全橋省了兩個(gè)MOSFET，但是在相同輸出功率和負(fù)載的情況下，供電電壓要比全橋架構(gòu)提高一倍，因此需要更高匝數(shù)比的變壓器，變壓器成本高，適合用在供電電壓較高的場(chǎng)合。
    圖2(c)：Royer架構(gòu)，最佳應(yīng)用是在不需要嚴(yán)格控制燈頻和亮度的設(shè)計(jì)中。由於Royer架構(gòu)是自振蕩設(shè)計(jì)，受元件參數(shù)偏差的影響，很難嚴(yán)格控制燈電流和燈頻，而這兩者都會(huì)直接影響燈的亮度，但價(jià)格最廉價(jià)。
    圖2(d)：推挽架構(gòu)，這種架構(gòu)只用到n通道MOSFET，這有利於降低成本和增加轉(zhuǎn)換器效率。最大的缺點(diǎn)是要求轉(zhuǎn)換器直流電源電壓的范圍小於50％，否則，當(dāng)直流電源電壓處于高階時(shí)，由于交流波形的高振幅因子，系統(tǒng)的效率會(huì)降低。但對(duì)于LCD電視，由于電源穩(wěn)定，采用此電路非常理想。

3 冷陰極燈多燈驅(qū)動(dòng)電路分析
    CCFL燈管管中心點(diǎn)的亮度必須在3分鐘內(nèi)達(dá)到規(guī)定亮度的100％。考慮到整機(jī)的可靠性和壽命要求，驅(qū)動(dòng)電源對(duì)冷陰極燈的供電、激勵(lì)部分必須符合燈管的特性，供電電源必須是交流正弦波，頻率為40 k～60 k左右，觸發(fā)電壓和維持電壓符合燈管的規(guī)格(由燈管的長(zhǎng)度和直徑?jīng)Q定)。
    由于液晶電視屏幕尺寸比較大，一般在18．5英寸以上，現(xiàn)在逐漸向大尺寸方面發(fā)展，如42寸、55寸等，因此需要在一臺(tái)機(jī)器里面用多根燈管一起發(fā)光，來(lái)達(dá)到整機(jī)需要的亮度要求。用一個(gè)單通道CCFL控制器驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈，燈管直接串、并聯(lián)使用，第一個(gè)缺點(diǎn)是由於燈阻抗的差異，會(huì)造成亮度不均勻；第二個(gè)缺點(diǎn)是，單個(gè)燈管的失效(例如破損)會(huì)造成屏幕沒有任何顯示；第三個(gè)缺點(diǎn)是，由于是并聯(lián)(或者串聯(lián))驅(qū)動(dòng)所有燈，同時(shí)打開和關(guān)閉這些燈，這就要求轉(zhuǎn)換器直流電源必須采用更大的電容器增強(qiáng)去耦效果，這會(huì)增加轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸。
    解決上述諸問題的一條途徑就是每個(gè)燈用一個(gè)單獨(dú)的CCFL控制器，在多燈管液晶屏中，每一只燈管均配單獨(dú)一只高壓變壓器。

4 冷陰極燈調(diào)光原理
    在實(shí)際運(yùn)用的過程中驅(qū)動(dòng)電源常常同時(shí)要求有調(diào)光功能。CCFL的亮度與CCFL的電流大致成正比，因此在電路中一般有電流環(huán)來(lái)控制CCFL的亮度。在實(shí)際的應(yīng)用中一般采用PWM波來(lái)調(diào)光。
    PWM調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)：(1)調(diào)節(jié)過程中亮度變化非常均勻，不會(huì)發(fā)生突變的現(xiàn)象；(2)調(diào)節(jié)的時(shí)候輸出電壓峰-峰值不會(huì)隨調(diào)亮而變化。具體方法是軟件編程MCU輸出30-200Hz的低頻PWM脈沖波對(duì)施加于冷陰極熒光燈管上的連續(xù)振蕩高壓波進(jìn)行調(diào)制，使連續(xù)振蕩波變成斷續(xù)振蕩波，斷續(xù)的在極短時(shí)間內(nèi)停止對(duì)冷陰極熒光燈供電。由于停止時(shí)間極短，不足以使燈管的電離狀態(tài)消失，但是其輻射的紫外線強(qiáng)度下降，管壁上的熒光粉的激發(fā)量減小，亮度也下降。通過控制PWM脈沖的占空比，就可以改變燈管在一個(gè)導(dǎo)通／關(guān)閉周期的時(shí)間比，從而達(dá)到控制燈管平均亮度的目的。[!--empirenews.page--]
4．1 冷陰極燈調(diào)光時(shí)候的柔性啟動(dòng)技術(shù)
    在冷陰極燈調(diào)光的時(shí)候控制方式是反復(fù)的啟動(dòng)、截止燈管，然而每一個(gè)啟動(dòng)、關(guān)閉周期都會(huì)造成燈管遭受到高啟動(dòng)電壓及電流突變的沖擊，這對(duì)于氣體放電燈的電極而言是極為不利的，將會(huì)大大地縮短燈管的使用壽命。為了解決這一問題，目前業(yè)內(nèi)普遍采用一種“柔性”啟動(dòng)技術(shù)，即對(duì)調(diào)光脈沖包絡(luò)的前沿和后沿，采用連續(xù)線性增幅和降幅的處理，使得包絡(luò)的前沿是一個(gè)逐步增大的過程，包絡(luò)的后沿是一個(gè)逐
步減小的過程，具體圖形見圖3。經(jīng)過線性幅度變換處理后的高壓脈沖波，再作用于燈管上，就不會(huì)對(duì)燈管造成啟、停的損傷，也不會(huì)影響燈管的壽命。

4．2 多管冷陰極燈調(diào)光時(shí)候的移相技術(shù)
    由于液晶TV采用多只冷陰極燈管，如32寸的LCD TV采用12只冷陰極燈管，42寸LCD TV采用16只冷陰極燈管等等。因此在亮度調(diào)節(jié)的過程中，如果多只燈管在同一時(shí)間斷電和啟動(dòng)，間斷頻率將會(huì)和液晶屏的刷新頻率產(chǎn)生差拍，將會(huì)導(dǎo)致畫面出現(xiàn)滾動(dòng)、閃爍、亮度不均勻等畫異的現(xiàn)象。針對(duì)這種現(xiàn)象采取的解決方法是采用移相技術(shù)，即把采用的多只燈管平均分組，一般分為4組，這樣對(duì)其供電控制的PWM脈沖有4個(gè)通道，每個(gè)通道向一組燈管供電，通道之間輸出的PWM調(diào)制脈沖，依次移相90度，共輸出4路經(jīng)過PWM調(diào)制的高頻脈沖波，具體見圖4。整體來(lái)說，多根燈管不會(huì)在同一時(shí)間斷電和供電，是輪流進(jìn)行的，這樣可以使得在避免上述問題的同時(shí)亮度均勻并且做到干擾最小。

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5 冷陰極燈保護(hù)電路的設(shè)計(jì)技巧
    對(duì)于LCD TV以顯示為主的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，關(guān)鍵部件發(fā)光源的穩(wěn)定性非常的重要。要使背光源穩(wěn)定的工作，其反饋和保護(hù)電路就顯得很關(guān)鍵。例如燈管開路時(shí)，輸出電壓就會(huì)升高，電壓升高就容易出現(xiàn)打火等現(xiàn)象，從而出現(xiàn)燒板現(xiàn)象。燈管電流如不平衡，出現(xiàn)一些電流很大，而一些電流很小，就會(huì)影響燈管壽命，并且屏幕亮度不均勻。通常設(shè)計(jì)的原理示意圖見圖5，每路燈管的電路是一樣的，因此圖5(a)取了其中一路電路來(lái)分析，而電流取樣只要取其中某一路即可，見圖5(b)。下面結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用分析保護(hù)電路的設(shè)計(jì)技巧。

5．1 電壓取樣和過壓保護(hù)
    圖5(a)中所有燈管的VS端連在一起，并連到驅(qū)動(dòng)IC的相關(guān)功能引腳。一般燈管在剛啟動(dòng)的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)IC輸出的PWM波占空比由小到大張開，使變壓器高壓端輸出電壓由小到大變化。通過C2、C1分壓出來(lái)的電壓和C4、C3分壓出來(lái)的電壓經(jīng)過D3形成一個(gè)逐漸增加的電壓，當(dāng)此電壓達(dá)到驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部規(guī)定的電壓值時(shí)，驅(qū)動(dòng)IC保持住此時(shí)的PWM占空比并判斷是否點(diǎn)火成功。如成功后，當(dāng)驅(qū)動(dòng)IC收到此反饋電壓的值超過3 V，就判斷過壓，關(guān)閉輸出，進(jìn)入保護(hù)。
5．2 燈管斷路取樣
    在設(shè)計(jì)的時(shí)候燈管斷路的檢測(cè)采取了分開檢測(cè)的方法，即第一路通過C4、C3分壓經(jīng)過R4的電壓和第3路同樣方法輸出的電壓連在一起經(jīng)過D4形成一個(gè)參考電壓，利用此電壓來(lái)判斷燈管的斷路情況，所有通路的OLP電壓連在一起，連到驅(qū)動(dòng)IC相關(guān)功能引腳。當(dāng)某路燈管斷路的時(shí)候?qū)?yīng)路的OLP電壓會(huì)變低，由于與門的作用，會(huì)導(dǎo)致連到驅(qū)動(dòng)IC的反饋電壓變低，驅(qū)動(dòng)IC關(guān)閉輸出，進(jìn)入保護(hù)。
5．3 電流取樣
    見圖5(b)，經(jīng)過T2降壓，D5、D6整流，通過R6和R5變比，輸出一個(gè)參考值IL。根據(jù)此IL值驅(qū)動(dòng)IC就可以很方便地知道負(fù)載情況，通過改變占空比調(diào)節(jié)屏的亮度。

6 總結(jié)
    CCFL有一些特殊性能，必須仔細(xì)考慮以最大化其效率、壽命和實(shí)用性。然而，這些特性帶來(lái)了一些特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，只有不斷地總結(jié)和實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)才能使冷陰極燈發(fā)揮最大的功效，優(yōu)化LCD TV的性能和安全性。