如何为CCFL和LED背光供电

天狼晓月

典型的LCD背光可以是1个或多个冷阴极荧光灯(CCFL)，或是一组发光二极管(LED)阵列。图1分别给出了采用这两种技术的一个例子。背光图像的质量在很大程度上取决于背光驱动器。在本文中，我们将讨论有助于CCFL和LED发展的一些注意事项，以及如何为这两种背光供电。
CCFL的总体考虑
CCFL背光是最常见的背光技术，被用于5.7至23英寸或更大尺寸的显示器中。在整个显示器背板上，可以沿LCD边缘或均匀间隔地安装1到24个或更多个电灯。
通常，通过调节CCFL电流或电灯的占空比来控制亮度。最基本的驱动器是由5至48V直流电供电的DC-AC逆变器。
LED总体考虑
LED已被广泛用于小型显示器中。对于尺寸较大的显示器，由于CCFL背光的功耗较高，并且在某些情况下含汞量过高，这种技术正开始被LED背光所取代。 LED可以沿着LCD边缘或在LCD的背面呈点阵排列。LED器件可串联或并联排列，这两种结构将可以提供均匀的LCD照明。LED串可利用每个串中的串联电阻并联排列，以提供串-串电流均衡及照明冗余。

CCFL背光通常提供的是白光，而LED背光既可以提供白光，也可以提供红光、绿光及蓝光的混合。LED在正向偏置时发光。为保证显示质量，需要采用恒流驱动器来补偿LED电压降及温度变化的影响，从而确保稳定的光输出。
与CCFL不同，LED背光不需要很高的交流电压，因此也就不需要逆变器。最基本的LED驱动器由5至48V的直流电供电，并采用DC-DC升压电路来为驱动LED串的恒流驱动器提供电压。
CCFL驱动电路
逆变器电路可以分为两组：输出功率较低的一组采用功率晶体管作为初级电路开关器件，而输出功率较高的一组则采用FET。
变压器对输入电压进行升压。在设计电路时需要考虑功率、铜损耗及磁芯材料。
图2详细展示了一类CCFL驱动器。镇流(或次级)电容C2由次级到初级反向工作，可降低CCFL启动和输出电流开始增大时CCFL上的电压。启动电压(VS)、CCFL上的电压降(VR)以及次级电容上的电压降(VC)这三者之间的关系为VS2=VR2 + VC2。次级电容值取决于输出电流和输出频率。增大电容值可增加输出电流并降低频率。

在初级电路中，一旦次级负载、次级电容和变压器初级/次级绕组匝数确定下来，电容C1便可对逆变器输出电流值及输出工作频率进行微调。C1可提供输出电流及频率，这些值由次级电路上的元件来决定。
基极限流电阻R1可支持足够大的晶体管基极电流，以保证晶体管的饱和。同时，当晶体管变换初级绕组时，扼流电路可减小输入电流中的纹波。扼流电路也可延长逆变器导通时的电流上升时间。其目的是减小峰值浪涌电流，并扼制来自扼流电路的可听噪声。
要对电感、物理尺寸、饱和电流、IR损耗及功耗作出折衷，这使得在选择电感器时面临着挑战。请注意：在低占空周期下，输入电流上升时间较长会降低脉宽调制 (PWM)调光的效果。此外，不仔细选择扼流电路会导致处于上升的输入电流波形出现鞍形或更糟糕的情况，而这将影响低占空比PWM调光及CCFL的启动。
所有大功率输出逆变器或具备板上调光功能的逆变器都应该采用输入旁路电容，以减少输入电压纹波。如果未采用这些电容，那么当每次逆变器功率器件开关时，产生的电流增加值将导致输入电压降低。
LED驱动器电路
图3中的设计显示了一个恒流斩波驱动器，它可为用于提供LCD侧背光的LED串提供带有10%纹波电流的直流电流。直通开关器件P沟道FET可为LED串提供电流，并与电感器、感测电阻及升压器件一起产生斩波电流及频率。
DC-DC升压变换器是一个闭环升压电源，它提供了足够的电压(至少2V的余量)来驱动流向LED串的电流。图中A部分显示了一个比较器及构成正向滞后电路的相关电阻。图中将感测电阻上的电压与一个已知参考值作比较。图中B部分给出了另一个比较器和用于缓冲A部分输出相关电阻，以确保正确的滞后处理并驱动直通器件。

图中C部分提供LED开/关及调光控制。+ENABLE输入控制背光的开/关，+PW脉宽调节斩波驱动器的导通与截止，以实现调光。该设计可以实现得相当紧凑(见图4)。

散热考虑
LCD工作时的环境温度是背光驱动器设计人员需要考虑的一个关键因素。CCFL启动或起始电压与温度成反比。图5a显示了CCFL起始电压与温度之间的典型关系，图5b则展示了与电灯电流增大相关的CCFL亮度变化曲线。
CCFL达到规定亮度所需的时间也与温度成反比。对于要求亮度快速增加的任务关键型应用，可能需要逆变器在短时间内提供较高的升压电流，以增强CCFL的预热性能，并加快达到所要求亮度的时间。不过，虽然较高的CCFL电流有利于灯的预热，但持续的高电流会使灯处于饱和状态，这还会导致亮度下降以及灯的温度上升，同时缩短灯的寿命。对于大多数CCFL而言，灯的额定电流应在3mA～8mA(均方根)的范围内。
LED背光对低温不敏感。低温下LED电气特性及导通时间的微小变化无需对驱动器设计作任何特殊考虑。
高温也会影响驱动器的设计。实际上，高温对CCFL驱动器功能和可靠性的影响比其它所有变化因素都要显著。
对CCFL驱动器来说，变压器中铜和磁芯的损耗可能会构成一个很大的热源。变压器通常工作在超过现场环境温度约30?C的温度下。通过调整CCFL的驱动器设计，可以将铜和磁芯的损耗降至最低，从而维持电路中的电压和电流值。
高温对LED背光而言也很重要。不过，此时考虑的重点是LED自身的温度，而不是驱动元件的温度。近年来LED技术、封装及材料的进步极大地提高了LED 亮度。LED背光的难点将是如何将LED器件自身的热量散发出去，然后散发显示装置上的热量。设计的关键是保持LED结温低于100?C以确保可靠性。

调光控制
要求宽亮度范围的LCD应用正日益增长。驱动器必须能够分别为明视及夜视提供高亮度和低亮度。亮度控制必须在这一宽范围内平滑变化，并且不产生闪烁。
CCFL背光的模拟调光是通过调节驱动器输出电流来改变灯的亮度，可实现约为30%满亮度的粗调，但这无法为大多数应用提供足够的动态范围。此外，模拟调光会增加振荡器晶体管负担并降低逆变器的可靠性。
PWM调光极大地改善了调光控制。在这种类型的调光控制中，CCFL或LED以固定频率脉冲导通和截止，并通过调节占空比改变亮度。通常，在100至 500Hz频率之间调节CCFL背光。CCFL背光(带有4个或更多灯)的低亮度控制可通过选择性控制技术来提高，利用这一技术，灯会随着亮度的降低而依次熄灭。
此外，调节LED背光的最佳方法是利用PWM调光。采用LED背光可获得更宽的调光率，因为LED的基本开关时间可以以纳秒度量，而CCFL则需以毫秒度量。
输入电压
虽然应用可以支持5至48V的直流电，但流经大多数LCD背光驱动器的为12V直流输入。CCFL控制环可能为开环或闭环。开环设计需要稳压输入电源，因为起始电压和输出电流随输入电压而变化。闭环CCFL驱动器在整个输入电压范围内都可以提供恒定的起始电压和电流。因此，闭环在不需要对输入进行稳压的应用中更受欢迎，通常
电池供电应用就属于这一类。
对于LED驱动器而言，VCC必须大于为LED串和感测电阻供电所需的最小值。DC-DC升压变换器必须采用闭环控制，以便在无负载或满负载条件下都能提供相对稳定的VCC。
虽然LCD的CCFL背光与LED背光之间有很多显著差异，但驱动器设计人员必须遵从某些相似性和基本原理，包括考虑背光的环境温度，还应特别注意CCFL的低温情况及LED的高温情况。
由于高压问题，CCFL背光所面临的关键挑战涉及CCFL封装及驱动器布局；由于热管理，LED背光面临的关键挑战则围绕负载器件的封装。与模拟调光不同，上述两种技术都可很好地利用PWM。本文虽然重点讨论一些主要的考虑，但其它因素(如专用要求、成本控制、可制造性及可靠性)在优化驱动器设计时也必须考虑。
另外的一些设计经验
散热考虑
环境温度是背光驱动性的设计中一个重要的考虑因素。CCFL启动关闭电压与温度成反比。CCFL达到指定的亮度需要的时间也与温度成反比。另一方面， LED背光对低温不敏感。
调光
使用调节驱动器输出电流来改变灯的亮度的CCFL背光模拟调光，可实现粗调至满亮度的约30%——这对大多数应用需要的动态范围不够。PWM调光极大地改善了调光控制。这种类型的调光中，CCFL或LED以固定频率脉冲导通和截止，通过调节占空比改变亮度。
输入电压
大多数LCD背光驱动器工作在12V直流输入，虽然应用范围可能是5到48V直流。CCFL控制环可以是开环，这时需要稳定输入源，也可以是闭环，在整个输入电压范围都可提供恒定的起始电压和电流。对LED驱动器，VCC必须大于LED串和检测电阻所需电源最小值。