液晶电视CCFL 控制电路的设计技巧

何胜斌

(深圳市兆驰股份有限公司，广东 深圳 518026)

液晶电视的显示屏是属于被动发光型的显示器件，它需要借助背光源发出的光线通过液晶屏透射出来，利用液晶的分子在电场作用下控制通过的光线以形成图像。要显示色彩丰富的优质图像，要求背光源发出光线的光谱范围要宽，接近日光色以便最大限度地展现自然界的各种色彩。同时液晶电视要保证有足够的亮度、保持整个屏幕亮度的均匀性和亮度可以调节。

CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lam，也叫冷阴极灯。其原理是通过高能量电子轰击汞原子，使汞原子被激发。但激发态并不稳定，汞原子由激发态回到基态时会释放能量，此能量是以辐射253.7 nm和185.0 nm 紫外光子的形式产生的，荧光粉吸收紫外光子而发出白色的可见光。CCFL 灯管电极构造简单，管径易细化，可靠性高，寿命一般在3 万小时以上，在触发点火时不需灯丝预热，加上圆柱状外形很容易与光反射组件组合成薄板状照明器，因此在TFT-LCD 背光源上广泛采用。

1 CCFL 冷阴极灯的特性

CCFL 灯管的驱动电路集成也叫CCFL INVERTER，CCFL 灯管是一个高非线性负载。冷阴极灯在开始启动时，当电压还没有达到触发值(一般1000 V 以上)时，灯管呈正电阻(数兆欧)。一旦达到触发值，灯管内部产生电离放电产生电流，此时电流增加，灯管两端电压下降呈负阻特性，很快降为几百千欧级。当流过灯丝的电流达到一定值时，CCFL 灯管两端电压停止下降进入一个稳态值，通常称为CCFL 灯管的工作电压，激活CCFL 灯管的电压一般是工作电压的两到三倍。启动电压与电流的曲线如图1(a)所示。

CCFL 背光电源是将DC 转换为AC，其存在转换频率，CCFL 背光电源的工作频率就是转换频率，背光电源的工作频率必须和所配TFT-LCD 屏相对应。CCFL 背光电源工作波形要尽可能的是正弦波，如波形太差，会造成光效差，灯管发热严重，灯管寿命下降等问题。对于CCFL 灯管来说，其工作时候的亮度和工作时候的温度有很大的关系，在低温如－20 ℃的时候，其特性表现为即使用很高的电压启动也只能发出微弱的光。典型的亮度与温度的曲线如图1(b)所示。

图1 冷阴极灯的特性曲线

2 驱动冷阴极灯电路形式的介绍

CCFL 驱动电路:又叫CCFL INVERTER ，即CCFL 逆变器，是为了符合CCFL 灯管的工作特性而将直流低电压变成高频高压交流电的电子装置。通常有四种控制电路［1］(见图2)。

图2(a):为全桥架构，优点是简单、效率高，变压器设计简单，缺点是需要专门的IC 驱动，并且需要四个MOSFET，特别是P 沟道的MOSFET，成本较高，适合在低电源电压的场合应用。

图2(b):虽然比全桥省了两个MOSFET，但是在相同输出功率和负载的情况下，供电电压要比全桥架构提高一倍，因此需要更高匝数比的变压器，变压器成本高，适合用在供电电压较高的场合。

图2(c):Royer 架构，最佳应用是在不需要严格控制灯频和亮度的设计中。由於Royer 架构是自振荡设计，受元件参数偏差的影响，很难严格控制灯电流和灯频，而这两者都会直接影响灯的亮度，但价格最廉价。

图2(d):推挽架构，这种架构只用到n 通道MOSFET，这有利於降低成本和增加转换器效率。最大的缺点是要求转换器直流电源电压的范围小於50%，否则，当直流电源电压处于高阶时，由于交流波形的高振幅因子，系统的效率会降低。但对于LCD 电视，由于电源稳定，采用此电路非常理想。

图2 冷阴极灯驱动电路的形式

3 冷阴极灯多灯驱动电路分析

CCFL 灯管管中心点的亮度必须在3 分钟内达到规定亮度的100%。考虑到整机的可靠性和寿命要求，驱动电源对冷阴极灯的供电、激励部分必须符合灯管的特性，供电电源必须是交流正弦波，频率为40 k ～60 k 左右，触发电压和维持电压符合灯管的规格(由灯管的长度和直径决定)。

由于液晶电视屏幕尺寸比较大，一般在18.5 英寸以上，现在逐渐向大尺寸方面发展，如42 寸、55 寸等，因此需要在一台机器里面用多根灯管一起发光，来达到整机需要的亮度要求。用一个单通道CCFL 控制器驱动多个灯，灯管直接串、并联使用，第一个缺点是由於灯阻抗的差异，会造成亮度不均匀;第二个缺点是，单个灯管的失效(例如破损)会造成屏幕没有任何显示;第三个缺点是，由于是并联(或者串联)驱动所有灯，同时打开和关闭这些灯，这就要求转换器直流电源必须采用更大的电容器增强去耦效果，这会增加转换器的成本和尺寸。

解决上述诸问题的一条途径就是每个灯用一个单独的CCFL 控制器，在多灯管液晶屏中，每一只灯管均配单独一只高压变压器。

4 冷阴极灯调光原理

在实际运用的过程中驱动电源常常同时要求有调光功能。CCFL的亮度与CCFL的电流大致成正比，因此在电路中一般有电流环来控制CCFL的亮度。在实际的应用中一般采用PWM 波来调光。

PWM 调光［2］的优点:(1)调节过程中亮度变化非常均匀，不会发生突变的现象;(2)调节的时候输出电压峰－峰值不会随调亮而变化。具体方法是软件编程MCU 输出30 ～200Hz的低频PWM 脉冲波对施加于冷阴极荧光灯管上的连续振荡高压波进行调制，使连续振荡波变成断续振荡波，断续的在极短时间内停止对冷阴极荧光灯供电。由于停止时间极短，不足以使灯管的电离状态消失，但是其辐射的紫外线强度下降，管壁上的荧光粉的激发量减小，亮度也下降。通过控制PWM 脉冲的占空比，就可以改变灯管在一个导通/关闭周期的时间比，从而达到控制灯管平均亮度的目的。

4.1 冷阴极灯调光时候的柔性启动技术

在冷阴极灯调光的时候控制方式是反复的启动、截止灯管，然而每一个启动、关闭周期都会造成灯管遭受到高启动电压及电流突变的冲击，这对于气体放电灯的电极而言是极为不利的，将会大大地缩短灯管的使用寿命。为了解决这一问题，目前业内普遍采用一种“柔性”启动技术，即对调光脉冲包络的前沿和后沿，采用连续线性增幅和降幅的处理，使得包络的前沿是一个逐步增大的过程，包络的后沿是一个逐步减小的过程，具体图形见图3。经过线性幅度变换处理后的高压脉冲波，再作用于灯管上，就不会对灯管造成启、停的损伤，也不会影响灯管的寿命。

图3 经过前沿和后沿处理的脉冲波的波形

4.2 多管冷阴极灯调光时候的移相技术

由于液晶TV 采用多只冷阴极灯管，如32 寸的LCD TV采用12 只冷阴极灯管，42 寸LCD TV 采用16 只冷阴极灯管等等。因此在亮度调节的过程中，如果多只灯管在同一时间断电和启动，间断频率将会和液晶屏的刷新频率产生差拍，将会导致画面出现滚动、闪烁、亮度不均匀等画异的现象。针对这种现象采取的解决方法是采用移相技术，即把采用的多只灯管平均分组，一般分为4 组，这样对其供电控制的PWM 脉冲有4个通道，每个通道向一组灯管供电，通道之间输出的PWM 调制脉冲，依次移相90 度，共输出4 路经过PWM 调制的高频脉冲波，具体见图4。整体来说，多根灯管不会在同一时间断电和供电，是轮流进行的，这样可以使得在避免上述问题的同时亮度均匀并且做到干扰最小。

图4 多管调光时候的移相波形

5 冷阴极灯保护电路的设计技巧

对于LCD TV 以显示为主的消费类电子产品，关键部件发光源的稳定性非常的重要。要使背光源稳定的工作，其反馈和保护电路［3］就显得很关键。例如灯管开路时，输出电压就会升高，电压升高就容易出现打火等现象，从而出现烧板现象。灯管电流如不平衡，出现一些电流很大，而一些电流很小，就会影响灯管寿命，并且屏幕亮度不均匀。通常设计的原理示意图见图5，每路灯管的电路是一样的，因此图5(a)取了其中一路电路来分析，而电流取样只要取其中某一路即可，见图5(b)。下面结合实际的应用分析保护电路的设计技巧。

5.1 电压取样和过压保护

图5(a)中所有灯管的VS 端连在一起，并连到驱动IC的相关功能引脚。一般灯管在刚启动的时候，驱动IC 输出的PWM 波占空比由小到大张开，使变压器高压端输出电压由小到大变化。通过C2、C1 分压出来的电压和C4、C3 分压出来的电压经过D3 形成一个逐渐增加的电压，当此电压达到驱动IC 内部规定的电压值时，驱动IC 保持住此时的PWM占空比并判断是否点火成功。如成功后，当驱动IC 收到此反馈电压的值超过3 V，就判断过压，关闭输出，进入保护。

图5 冷阴极灯保护电路的原理示意图

5.2 灯管断路取样

在设计的时候灯管断路的检测采取了分开检测的方法，即第一路通过C4、C3 分压经过R4的电压和第3 路同样方法输出的电压连在一起经过D4 形成一个参考电压，利用此电压来判断灯管的断路情况，所有通路的OLP 电压连在一起，连到驱动IC 相关功能引脚。当某路灯管断路的时候对应路的OLP 电压会变低，由于与门的作用，会导致连到驱动IC的反馈电压变低，驱动IC 关闭输出，进入保护。

5.3 电流取样

见图5(b)，经过T2 降压，D5、D6 整流，通过R6和R5 变比，输出一个参考值IL。根据此IL值驱动IC 就可以很方便地知道负载情况，通过改变占空比调节屏的亮度。

6 总结

CCFL 有一些特殊性能，必须仔细考虑以最大化其效率、寿命和实用性。然而，这些特性带来了一些特殊的设计挑战，只有不断地总结和实验、改进才能使冷阴极灯发挥最大的功效，优化LCD TV的性能和安全性。

［1］李瀚荪.电路分析基础［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］曾令琴.数字电子技术［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［3］徐小涛.数字电源技术及其应用［M］.北京:人民邮电出版社，2011.