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LCD電視背光驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方案

發(fā)布時(shí)間:2011-08-10

中心議題:

  • 常用LCD電視背光驅(qū)動架構(gòu)對比分析
  • 多燈驅(qū)動設(shè)計(jì)
  • 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(yán)格控制
  • 基於DS3984/DS3988的驅(qū)動電路方案


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LCD電視應(yīng)用中可以采用多種架構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動CCFL所需的交流波形,驅(qū)動多個(gè)CCFL時(shí)所要面對的三個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是選擇最佳的驅(qū)動架構(gòu)、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(gòu)進(jìn)行了對比分析,并提出多燈設(shè)計(jì)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(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,但由於成本過高限制了它的應(yīng)用。

由於LCD電視是消費(fèi)品,壓倒一切的設(shè)計(jì)考慮是成本─當(dāng)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(gè)必須考慮的因素。LCD電視應(yīng)用中,驅(qū)動多個(gè)CCFL時(shí)所要面對的三個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是:挑選最佳的驅(qū)動架構(gòu);多燈驅(qū)動;燈頻和脈沖調(diào)光頻率的嚴(yán)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(gòu)

可以用多種架構(gòu)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(xì)歸納了這四種架構(gòu)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

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1.1 Royer架構(gòu)
Royer架構(gòu)(圖1)的最佳應(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)格控制燈頻和燈電流,而這兩者都會直接影響燈的亮度。因此,Royer架構(gòu)很少用於LCD電視,盡管它是本文所述四種架構(gòu)中最廉價(jià)的。

1.2 全橋架構(gòu)
全橋架構(gòu)最適合於直流電源電壓非常寬的應(yīng)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(dǎo)通電阻,p通道MOSFET的效率更低。
 

1.3 半橋架構(gòu)

圖3:半橋驅(qū)動器比全橋驅(qū)動器少用兩個(gè)MOSFET

相較全橋,半橋架構(gòu)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,這會增加變壓器的成本。還有,如同全橋架構(gòu)一樣,半橋架構(gòu)也可能會用到p通道MOSFET。

1.4 推挽架構(gòu)
推挽驅(qū)動器有很多好處:這種架構(gòu)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(yīng)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(shí),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(gòu)就無法做到這一點(diǎn)。

推挽架構(gòu)最大的缺點(diǎn)是要求轉(zhuǎn)換器直流電源電壓的范圍小於2:1。否則,當(dāng)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(tǒng)的效率會降低。這使推挽架構(gòu)不適用於筆記型電腦,但對於LCD電視非常理想,因?yàn)檗D(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(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他具有較小LCD螢?zāi)坏脑O(shè)備中使用多年。這些類型的設(shè)備通常只用一個(gè)CCFL,因此,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)只用一個(gè)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(yīng)對這種新的需求。可能的方式之一是采用一個(gè)單通道CCFL控制器來驅(qū)動多個(gè)燈(圖5)。這種方式中,CCFL控制器只透過其中的一個(gè)燈來監(jiān)測燈電流,而以幾乎相同的交流波形同時(shí)驅(qū)動所有并聯(lián)的燈。然而,這種方式存在著幾個(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(gè)單通道CCFL控制器驅(qū)動多個(gè)燈的第二個(gè)缺點(diǎn)是,單燈的失效(例如破損)會造成所有燈關(guān)閉。第三個(gè)缺點(diǎn),由於是并聯(lián)驅(qū)動所有燈,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(gè)燈用一個(gè)單獨(dú)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(gè)通道獨(dú)立驅(qū)動和監(jiān)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(dú)驅(qū)動和監(jiān)視每個(gè)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(yán)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(yīng)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?zāi)簧巷@示的畫面。如果燈頻接近視訊刷新頻率的某個(gè)倍頻,就會在螢?zāi)簧铣霈F(xiàn)緩慢行動的線或帶。通過嚴(yán)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(yán)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(shí)間內(nèi)將燈關(guān)閉,達(dá)到調(diào)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(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(yán)格控制在±5%以內(nèi)就可以消除這個(gè)問題。另外,在有些LCD電視中,為了改善LCD螢?zāi)坏挠跋耥憫?yīng),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(gè)通道也可驅(qū)動多個(gè)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)??蓪⑦@些元件配置為每個(gè)通道驅(qū)動一個(gè)燈(圖6),或者每通道多個(gè)燈(圖7),用戶可靈活裁減設(shè)計(jì),以滿足自己的性價(jià)比目標(biāo)。多個(gè)DS3984/DS3988可輕松串聯(lián),以支援任意數(shù)量的燈來為LCD電視螢?zāi)惶峁┍彻狻?br />
DS3984/DS3988采用推挽驅(qū)動架構(gòu),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(dú)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(dú)的燈控制時(shí),如果某一個(gè)燈失效,僅會使這個(gè)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(yán)格限定在±5%水準(zhǔn),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。

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