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冷阴极荧光灯驱动电源的研究
冷阴极荧光灯驱动电源是目前研究和应用的热点。本文着重研究了冷阴极荧光灯驱动电源的几种拓扑，并对其优缺点进行了比较；介绍了冷阴极荧光灯驱动电源调光策略；阐述了冷阴极荧光灯驱动电源发展趋势，并突出阐述了压电陶瓷变压器在冷阴极荧光灯驱动电源中的应用。
The research and application of driver circuit for cold cathode fluorescent lamps is hotspot at present. The topologies, dimming strategies and development of driver circuit for cold cathode fluorescent
lamps are presented.
cold cathode fluorescent lamp（CCFL） Royer full bridge half bridge dimming piezo-transformer
1 引言
　　冷阴极荧光灯具有高亮度；长寿命，且不受启动次数的影响；光输出可调制得很低；即使在很低的环境温度下，灯仍能瞬时启动等优点。因此CCFL是目前最高效的显示器背景照明光源。而驱动这些小型的荧光灯管是相当棘手的事，它们对起弧光电压和工作电压有特殊的要求。
　　冷阴极荧光灯驱动电源种类较多，输入有5v、12v、24v等种类；工作频率一般在20k-100kHz；输出开路电压在900v以上；带负载电压300-800v为常见；负载能力一般在2W以上；转换效率要求75%以上；能驱动单路、双路、四路或更多CCFL灯管；驱动CCFL灯管直径为1.2-4.6mm，长度为50－400mm。在实际中驱动电源常要求具有调光功能。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。
2 驱动电路拓扑
　　CCFL驱动电路的拓扑主要有Royer、全桥、半桥和反激。
2.1 Royer拓扑
　　图1是驱动CCFL 典型的Royer拓扑电流型并联谐振逆变器[1][2]。前级BUCK变换器是用来作为电流调节器并为逆变器提供能源。谐振回路是由变压器的励磁电感Lm、谐振电容CR、镇流电容CB和负载CCFL构成。由于CCFL是非线性负电阻系数（电流越大，电阻越小），所以需要镇流电容CB使得变压器的次级总是保持高阻抗来保持CCFL电流的稳定。辅助边Na用作开关管Q1，Q2交替驱动。该电路的亮度调节通过检测RS上的电流IRs来控制的。

图1 Royer拓扑
　　优点：产生PWM的IC较普通，无需专门的CCFL控制器；虽是两级能量转换，但两级可以分别优化。
　　缺点： 两级能量转换，效率较低；两级需要较多的元器件，如果要求PCB较小，很难达到；前级是降压，变压器的变比教大，加上推挽和辅助边，变压器设计复杂 。
2.2半桥拓扑
　 　　半桥拓扑如图2所示。变压器的原边与谐振电感Lr, 谐振电容C1串联，与并联谐振电容C2并联。如果开关频率高于串联谐振频率，负载就像由电流源驱动。在起辉条件下，电路表现为并联负载谐振逆变器，输出表现为可调节的电压源，因而起辉电压可得到。开关管S1，S2交替导通。半桥逆变器在LCC（Lr，C1，C2）谐振频率下为ZVS操作。

图2　半桥拓扑
　　优点：简单，低耗，高效，单级变压器的变比小，无中心轴头和辅助边，变压器设计简单。
　　缺点：需要专门的CCFL驱动IC，并用两个mosfet，需要LCC（Lr，C1，C2）。
2.3全桥拓扑
　　全桥拓扑如图3 所示[3]。C3是阻断直流，C1，C2是变压器副边的过压检测电容，同时用作谐振电容。

图3全桥拓扑
　　优点：简单，低耗，高效，单级变压器的变比小，无中心轴头和辅助边，变压器设计较简单。
　　缺点：需专门的CCFL驱动IC，并需四个mosfet。
2.4反激拓扑
　　反激拓扑在冷阴极荧光灯驱动电源中很少使用，一般还需与压电变压器一起使用。这里不作介绍。
3 调光策略
3.1 电位器调光
　　如图4所示，当变压器的副边流过正向电流时，D反向截止，CCFL的电流流过检测电阻RS和电位器 RADJ；当电流反向时，电流流过D，检测点Vx被钳位到D的正向压降。检测点Vx的波形是如图所示的半波整流的正弦波。Vx的电压由反馈元件RFB和CFB来平均，当控制环有效时，Vx的电压与Vf的电压相等。所以有：

　　CCFL的电流通过调节电位器RADJ的大小来调节，RS的值设定了最大的CCFL的电流。

图4电位器调光
3.2 模拟电压调光
　　如图5所示，检测电阻RS是固定值。平均电路包括R1，R2，RS和CFB，如果Vbr的电压高，则CCFL的电流低，这是所谓的反向调光。由叠加原理得：
　　正向调光是随着Vbr的增大，CCFL的电流也增大。正向调光只需把Vbr接到误放的正向输入端即可。

图5模拟电压调光
3.3 数字低频PWM调光
　　如图6所示，CCFL的电流是PWM的占空比D的函数。为了防止CCFL闪烁，PWM的频率不能太低。数字调光的范围比模拟调光的范围宽得多[4]。

图6数字低频PWM调光
4 发展趋势
　　背光源正向着薄型化、高效率、节能型的方向发展，因而对电子元器件特别是变压器提出了更高的要求。近年来，蓬勃发展的表面安装技术有力地推动了电子元器件行业的发展，各种微型封装的集成电路、片式电阻、片式电容、片式电感相继问世，组成了片式元件（SMD）的大家族。唯有变压器，由于铁磁式的磁路设计要求，电流方向必须与磁场方向正交，很难做到片型化，在一定程度上制约了背光源向高效化及短、小、轻、薄方向的发展。
　　采用压电陶瓷材料制成的多层压电陶瓷变压器，利用压电陶瓷具有的电—机—电的能量转换机理，改变了传统式绕线变压器所采用的电—磁—电能量转换机理，电能与机械能可以设置在同一平面上进行转换，因而可以实现变压器的片型化。
　　压电陶瓷组成的片型化多层压电陶瓷变压器与传统式的绕线式变压器比较，具有高效率、薄型化、无电磁干扰、不易燃、安全稳定、简化电路设计、重量轻等优点，升压比也比绕线变压器高。由于压电陶瓷变压器是以谐振方式工作，只有在一些特定的频率下才会有较大的电压增压，因此必须用最合适的驱动回路和控制回路，组合而成各类薄型化液晶显示屏背景灯光电源。
　　目前作为液晶显示屏背光逆变器应用的片型化多层压电陶瓷变压器已形成系列化规模化生产，从0.5W到5.0W的不同规格变压器已能满足从2寸屏到14.1寸屏的各种规格液晶显示屏的要求。对15寸到19寸台式液晶显示屏要求的双灯及多灯背光逆变器，采用5W到15W的大功率压电陶瓷变压器已能够达到样件及小批量生产[5]。
5结论
　　生产集成CCFL照明控制器的厂家很多，例如有美信(Maxim)公司、凌特(Linear Tech) 公司、Texas Instruments/Unitrode公司、OZ公司、Microsemi公司、Taiyo Yuden公司、MPS公司等等。每个公司在驱动CCFL上有很多可选择的IC品种。所有的IC厂商都在其产品说明书中提供大量的应用信息，供设计人员参考使用。设计人员根据需要可以设计自己的电路。但是，最佳方案还是从多种货源渠道中挑选一种IC来配置驱动器电路，从而设计一款性价比高的驱动电源。设计人员也可不妨摆脱现成模块，选择新型的电路。当然，这种选择还要看成本的高低和安装空间的限制条件才成。
参考文献
[1] Y.L.Lin and A.F.Wittulski, Analysis and Design of Current-Fed Push Pull Resonant Inverters-Cold Cathode Fluorescent Lamp Drivers, IEEE-IAS Conference Record，pp.2149-2152,1996
[2] An-Chyun Hsieh；Chin-Hung Lin；Chang-Hua Lin；Hung-I Hsieh , Primary-side charge-pump dimming controller for the cold-cathode fluorescent lamp ballast, IEEE Electrical and Electronic Technology，pp.717-723，vol.2，19-22Aug.2001
[3] OZ960 datasheet O2Micro international Limited 2001
[4] Ucc3972 datasheet Texas Instruments Incorporated，2002
[5] 段选杰 片型化多层压（独石）电陶瓷变压器及其应用 2003-12-26