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LCD電視背光驅(qū)動電路設計方案

發(fā)布時間:2011-08-10

中心議題:

  • 常用LCD電視背光驅(qū)動架構對比分析
  • 多燈驅(qū)動設計
  • 解決LCD電視背光挑戰(zhàn)的方案

解決方案:

  • 對燈和脈沖調(diào)光的嚴格控制
  • 基於DS3984/DS3988的驅(qū)動電路方案


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LCD電視應用中可以采用多種架構產(chǎn)生驅(qū)動CCFL所需的交流波形,驅(qū)動多個CCFL時所要面對的三個關鍵的設計挑戰(zhàn)是選擇最佳的驅(qū)動架構、多燈驅(qū)動、燈頻和脈沖調(diào)光頻率控制。本文對四種常用驅(qū)動架構進行了對比分析,并提出多燈設計中解決亮度不均以及驅(qū)動頻率可能干擾畫面等問題的方法,并提出基於DS3984/DS3988的電路方案。


圖1:Royer驅(qū)動器簡單,但不太精確

液晶顯示器(LCD)正成為電視的主流顯示技術。LCD面板實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,例如發(fā)光二極體也受到一定的重視,但由於成本過高限制了它的應用。

由於LCD電視是消費品,壓倒一切的設計考慮是成本─當然必須滿足最低限度的性能要求。驅(qū)動背光燈的CCFL轉(zhuǎn)換器不能明顯縮短燈的壽命。此外,由於要用高壓驅(qū)動,安全性也是一個必須考慮的因素。LCD電視應用中,驅(qū)動多個CCFL時所要面對的三個關鍵的設計挑戰(zhàn)是:挑選最佳的驅(qū)動架構;多燈驅(qū)動;燈頻和脈沖調(diào)光頻率的嚴格控制。


圖2:全橋驅(qū)動器很適合於大范圍的直流電源。

1 挑選最佳的驅(qū)動架構

可以用多種架構產(chǎn)生驅(qū)動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。

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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(shù)偏差的影響,很難嚴格控制燈頻和燈電流,而這兩者都會直接影響燈的亮度。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(zhuǎn)換器的直流電源直接來自系統(tǒng)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

圖3:半橋驅(qū)動器比全橋驅(qū)動器少用兩個MOSFET

相較全橋,半橋架構最大的好處是每個通道少用了兩只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,半橋架構也可能會用到p通道MOSFET。

1.4 推挽架構
推挽驅(qū)動器有很多好處: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(zhuǎn)換器效率;它很容易適應較高的轉(zhuǎn)換器直流電源電壓;采用更高的轉(zhuǎn)換器直流電源電壓時,只需選擇具有合適的漏-源擊穿電壓的MOSFET即可。不管轉(zhuǎn)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法做到這一點。

推挽架構最大的缺點是要求轉(zhuǎn)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,由於交流波形的高振幅因子,系統(tǒng)的效率會降低。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(zhuǎn)換器直流電源電壓通常會穩(wěn)定在±20%以內(nèi)。


圖4:推挽驅(qū)動器非常簡單,還可精確控制

2 多燈驅(qū)動

CCFL已在筆記型電腦、數(shù)位相機、導航系統(tǒng)以及其他具有較小LCD螢幕的設備中使用多年。這些類型的設備通常只用一個CCFL,因此,傳統(tǒng)設計只用一個CCFL控制器。隨著大尺寸LCD面板的出現(xiàn),帶來對多CCFL的需求,有必要采用新的方式來應對這種新的需求??赡艿姆绞街皇遣捎靡粋€單通道CCFL控制器來驅(qū)動多個燈(圖5)。這種方式中,CCFL控制器只透過其中的一個燈來監(jiān)測燈電流,而以幾乎相同的交流波形同時驅(qū)動所有并聯(lián)的燈。然而,這種方式存在著幾個缺陷。


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

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

用一個單通道CCFL控制器驅(qū)動多個燈的第二個缺點是,單燈的失效(例如破損)會造成所有燈關閉。第三個缺點,由於是并聯(lián)驅(qū)動所有燈,同時打開和關閉這些燈,這就要求轉(zhuǎn)換器直流電源必須采用更大的電容器增強去耦效果,這會增加轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸。
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解決上述諸問題的一條途徑就是每個燈用一個單獨的CCFL控制器。然而,這種方式的主要缺點就是增加的CCFL控制器帶來了額外的成本。

為LCD面板提供背光的理想方案是多通道CCFL控制器,它的每個通道獨立驅(qū)動和監(jiān)測每個燈。這種多通道CCFL控制器既解決了亮度不均勻和單燈失效問題,并降低了去耦要求,而且還具有高成本效益。


圖6:DS3984/DS3988單獨驅(qū)動和監(jiān)視每個燈,為LCD電視和PC監(jiān)視器提供均勻亮度

3 對燈和脈沖調(diào)光的嚴格控制

由於LCD電視需要顯示動態(tài)且連續(xù)行動的畫面,它有一些在靜態(tài)顯示應用(例如電腦監(jiān)視器和筆記型電腦)中所沒有的特殊要求。CCFL的驅(qū)動頻率可能會干擾LCD螢幕上顯示的畫面。如果燈頻接近視訊刷新頻率的某個倍頻,就會在螢幕上出現(xiàn)緩慢行動的線或帶。通過嚴格控制燈頻在±5%以內(nèi),可以消除這種問題。

用於調(diào)節(jié)燈亮度的脈沖調(diào)光頻率也要求同樣的嚴格控制。這種調(diào)光方式通常是采用30Hz至200Hz頻率范圍的脈寬調(diào)變(PWM)訊號,在短時間內(nèi)將燈關閉,達到調(diào)光目的。由於關閉時間很短,不足以使電離態(tài)消失。如果脈沖調(diào)光頻率接近垂直同步頻率的倍頻,也會產(chǎn)生滾動線。同樣,將脈沖調(diào)光頻率嚴格控制在±5%以內(nèi)就可以消除這個問題。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(diào)光頻率與視訊垂直同步頻率同步起來。


圖7:DS3984/DS3988的每個通道也可驅(qū)動多個燈

4 解決LCD電視背光挑戰(zhàn)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(zhàn)??蓪⑦@些元件配置為每個通道驅(qū)動一個燈(圖6),或者每通道多個燈(圖7),用戶可靈活裁減設計,以滿足自己的性價比目標。多個DS3984/DS3988可輕松串聯(lián),以支援任意數(shù)量的燈來為LCD電視螢幕提供背光。

DS3984/DS3988采用推挽驅(qū)動架構,可以使用更低成本、更高效率的n通道MOSFET。轉(zhuǎn)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(jiān)測可提供均勻的亮度,并減少轉(zhuǎn)換器的元件總數(shù)。采用單獨的燈控制時,如果某一個燈失效,僅會使這個失效的燈停止工作,其他燈繼續(xù)工作,并不會受影響。片上振蕩器產(chǎn)生的燈頻和脈沖調(diào)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脈源。

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