基于DS3984/DS3988的LCD電視背光驅動(dòng)電路設計方案

LCD電視應用中可以采用多種架構產(chǎn)生驅動(dòng)CCFL所需的交流波形，驅動(dòng)多個(gè)CCFL時(shí)所要面對的三個(gè)關(guān)鍵的設計挑戰是選擇最佳的驅動(dòng)架構、多燈驅動(dòng)、燈頻和脈沖調光頻率控制。本文對四種常用驅動(dòng)架構進(jìn)行了對比分析，并提出多燈設計中解決亮度不均以及驅動(dòng)頻率可能干擾畫(huà)面等問(wèn)題的方法，并提出基于DS3984/DS3988的電路方案。

液晶顯示器（LCD）正成為電視的主流顯示技術(shù)。LCD面板實(shí)際上是電子控制的光閥，需要靠背光源產(chǎn)生可視的影像，LCD電視通常用冷陰極螢光燈提供光源。其他背光技術(shù)，例如發(fā)光二極體也受到一定的重視，但由於成本過(guò)高限制了它的應用。

由於LCD電視是消費品，壓倒一切的設計考慮是成本─當然必須滿(mǎn)足最低限度的性能要求。驅動(dòng)背光燈的CCFL轉換器不能明顯縮短燈的壽命。此外，由於要用高壓驅動(dòng)，安全性也是一個(gè)必須考慮的因素。LCD電視應用中，驅動(dòng)多個(gè)CCFL時(shí)所要面對的三個(gè)關(guān)鍵的設計挑戰是：挑選最佳的驅動(dòng)架構；多燈驅動(dòng)；燈頻和脈沖調光頻率的嚴格控制。

1 挑選最佳的驅動(dòng)架構

可以用多種架構產(chǎn)生驅動(dòng)CCFL所需的交流波形，包括Royer（自振蕩，self-oscillating）、半橋、全橋和推挽。表1詳細歸納了這四種架構各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 Royer架構

Royer架構（圖1）的最佳應用是在不需要嚴格控制燈頻和亮度的設計中。由於Royer架構是自振蕩設計，受元件參數偏差的影響，很難嚴格控制燈頻和燈電流，而這兩者都會(huì )直接影響燈的亮度。因此，Royer架構很少用於LCD電視，盡管它是本文所述四種架構中最廉價(jià)的。

1.2 全橋架構

全橋架構最適合於直流電源電壓非常寬的應用（圖2），這就是幾乎所有筆記本PC都采用全橋方式的原因。在筆記本中，轉換器的直流電源直接來(lái)自系統的主直流電源，其變化范圍通常在7V（低電池電壓）至21V（交流配接器）。有些全橋方案要求采用p通道MOSFET，比n通道MOSFET更貴。另外，由於固有的高導通電阻，p通道MOSFET的效率更低。

1.3 半橋架構

相較全橋，半橋架構最大的好處是每個(gè)通道少用了兩只MOSFET（圖3）。但是，它需要更高匝比的變壓器，這會(huì )增加變壓器的成本。還有，如同全橋架構一樣，半橋架構也可能會(huì )用到p通道MOSFET。

1.4 推挽架構

推挽驅動(dòng)器有很多好處：這種架構只用到n通道MOSFET（圖4），這有利於降低成本和增加轉換器效率；它很容易適應較高的轉換器直流電源電壓；采用更高的轉換器直流電源電壓時(shí)，只需選擇具有合適的漏-源擊穿電壓的MOSFET即可。不管轉換器的直流電源電壓如何，都可采用同樣的CCFL控制器。但采用n通道MOSFET的全橋和半橋架構就無(wú)法做到這一點(diǎn)。

推挽架構最大的缺點(diǎn)是要求轉換器直流電源電壓的范圍小於2:1。否則，當直流電源電壓處於高階時(shí)，由於交流波形的高振幅因子，系統的效率會(huì )降低。這使推挽架構不適用於筆記型電腦，但對於LCD電視非常理想，因為轉換器直流電源電壓通常會(huì )穩定在±20%以?xún)取?/p>

2 多燈驅動(dòng)

CCFL已在筆記型電腦、數位相機、導航系統以及其他具有較小LCD螢幕的設備中使用多年。這些類(lèi)型的設備通常只用一個(gè)CCFL，因此，傳統設計只用一個(gè)CCFL控制器。隨著(zhù)大尺寸LCD面板的出現，帶來(lái)對多CCFL的需求，有必要采用新的方式來(lái)應對這種新的需求?？赡艿姆绞街皇遣捎靡粋€(gè)單通道CCFL控制器來(lái)驅動(dòng)多個(gè)燈（圖5）。這種方式中，CCFL控制器只透過(guò)其中的一個(gè)燈來(lái)監測燈電流，而以幾乎相同的交流波形同時(shí)驅動(dòng)所有并聯(lián)的燈。然而，這種方式存在著(zhù)幾個(gè)缺陷。

圖5：由於亮度不均勻以及其他的一些考慮，用一個(gè)單通道CCFL控制器控制多個(gè)燈不太理想

使顯示器不會(huì )出現明顯的亮區和暗區。用相同的波形驅動(dòng)所有燈，由於燈阻抗的差異，會(huì )造成亮度不均勻。而且，CCFL的亮度隨溫度而變。由於熱氣上升，面板頂部的燈會(huì )比面板底部的燈熱，這也會(huì )造成亮度不均勻。

用一個(gè)單通道CCFL控制器驅動(dòng)多個(gè)燈的第二個(gè)缺點(diǎn)是，單燈的失效（例如破損）會(huì )造成所有燈關(guān)閉。第三個(gè)缺點(diǎn)，由於是并聯(lián)驅動(dòng)所有燈，同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉這些燈，這就要求轉換器直流電源必須采用更大的電容器增強去耦效果，這會(huì )增加轉換器的成本和尺寸。

解決上述諸問(wèn)題的一條途徑就是每個(gè)燈用一個(gè)單獨的CCFL控制器。然而，這種方式的主要缺點(diǎn)就是增加的CCFL控制器帶來(lái)了額外的成本。

為L(cháng)CD面板提供背光的理想方案是多通道CCFL控制器，它的每個(gè)通道獨立驅動(dòng)和監測每個(gè)燈。這種多通道CCFL控制器既解決了亮度不均勻和單燈失效問(wèn)題，并降低了去耦要求，而且還具有高成本效益。

3 對燈和脈沖調光的嚴格控制

由於LCD電視需要顯示動(dòng)態(tài)且連續行動(dòng)的畫(huà)面，它有一些在靜態(tài)顯示應用（例如電腦監視器和筆記型電腦）中所沒(méi)有的特殊要求。CCFL的驅動(dòng)頻率可能會(huì )干擾LCD螢幕上顯示的畫(huà)面。如果燈頻接近視訊刷新頻率的某個(gè)倍頻，就會(huì )在螢幕上出現緩慢行動(dòng)的線(xiàn)或帶。通過(guò)嚴格控制燈頻在±5%以?xún)?，可以消除這種問(wèn)題。

用於調節燈亮度的脈沖調光頻率也要求同樣的嚴格控制。這種調光方式通常是采用30Hz至200Hz頻率范圍的脈寬調變（PWM）訊號，在短時(shí)間內將燈關(guān)閉，達到調光目的。由於關(guān)閉時(shí)間很短，不足以使電離態(tài)消失。如果脈沖調光頻率接近垂直同步頻率的倍頻，也會(huì )產(chǎn)生滾動(dòng)線(xiàn)。同樣，將脈沖調光頻率嚴格控制在±5%以?xún)染涂梢韵@個(gè)問(wèn)題。另外，在有些LCD電視中，為了改善LCD螢幕的影像響應，還要求緩慢的CCFL脈沖調光頻率與視訊垂直同步頻率同步起來(lái)。

4 解決LCD電視背光挑戰的方案

DS3984（四通道）和DS3988（八通道）CCFL控制器解決了本文所提到的所有這些設計挑戰?？蓪⑦@些元件配置為每個(gè)通道驅動(dòng)一個(gè)燈（圖6），或者每通道多個(gè)燈（圖7），用戶(hù)可靈活裁減設計，以滿(mǎn)足自己的性?xún)r(jià)比目標。多個(gè)DS3984/DS3988可輕松串聯(lián)，以支援任意數量的燈來(lái)為L(cháng)CD電視螢幕提供背光。

DS3984/DS3988采用推挽驅動(dòng)架構，可以使用更低成本、更高效率的n通道MOSFET。轉換器直流電源電壓也可采用更高的電壓。單獨的燈控制和監測可提供均勻的亮度，并減少轉換器的元件總數。采用單獨的燈控制時(shí)，如果某一個(gè)燈失效，僅會(huì )使這個(gè)失效的燈停止工作，其他燈繼續工作，并不會(huì )受影響。片上振蕩器產(chǎn)生的燈頻和脈沖調光頻率被嚴格限定在±5%水準，消除了對於顯示影像的影響，并且也可被同步至外部時(shí)脈源。

5 冷陰極螢光燈

冷陰極螢光燈（CCFL）是一種長(cháng)而細的密封玻璃管，內充惰性氣體。當給燈管施加高電壓時(shí)，氣體被電離，產(chǎn)生紫外線(xiàn)（UV）。紫外線(xiàn)打到內壁涂敷的螢光材料上使其激發(fā)，發(fā)出可見(jiàn)光。

CCFL有許多優(yōu)點(diǎn)，包括：它是優(yōu)良的白光源；低成本；高效率（光輸出與輸入電功率之比）；長(cháng)壽命（>25千時(shí)）；穩定、確定的工作狀態(tài)；容易調節亮度；重量輕。

CCFL有一些特殊性能，必須仔細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)了一些特殊的設計挑戰。例如，為了最大化燈管的壽命，需要采用交流波形驅動(dòng)CCFL。任何直流成分會(huì )使一部份氣體聚集在燈管的一端，造成不可逆轉的光梯度，使燈管的一端比另一端更亮。此外，為了最大化其效率（光輸出與輸入電功率之比），需要用接近正弦的波形驅動(dòng)燈管。因此，CCFL通常需要一個(gè)直流-交流轉換器來(lái)將直流電源電壓變成40kHz至80kHz的交流波形，工作電壓通常在500VRMS至1000VRMS。

在LCD個(gè)電視中的燈等間隔地分布在整個(gè)LCD背板上，以提供最佳的光分布。重要的是，所有燈要工作在相同的亮度下。盡管在CCFL燈管和LCD面板之間安排有散光器，可協(xié)助均勻分布背光，不均勻的燈管亮度仍然很容易被察覺(jué)，并影響電視的影像品質(zhì)。因LCD面板尺寸而異，用到的CCFL燈數量可能會(huì )多達30甚至40個(gè)。