專利名稱：用于液晶顯示背面照明的電壓饋電推挽式諧振逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LCD背面照明。更具體地，本發(fā)明涉及允許改善的調(diào)光性能的電壓饋電推挽式諧振逆變器。
過去的幾年里，對(duì)LCD顯示器的需求在不斷地增長(zhǎng)。包括平板顯示監(jiān)視器，個(gè)人無線設(shè)備和管理器，以及大型公共顯示板的所有種類的計(jì)算機(jī)設(shè)備都采用這種顯示器。
商業(yè)可得的LDC顯示器的一個(gè)缺點(diǎn)在于調(diào)光控制的動(dòng)態(tài)范圍。通常，LCD顯示器采用一種包括冷陰極熒光燈，CCFL的背面照明裝置將光提供給被顯示的圖像?？捎肔CD背光的調(diào)光范圍在總流明值的100％到約30％之間變化。但是，隨著對(duì)更高質(zhì)量顯示器的需求的增加，并且隨著許多平板顯示監(jiān)視器正在替代常規(guī)CRT監(jiān)視器，存在將調(diào)光范圍從總流明值的100％到約10％或甚至5％的增加調(diào)光范圍的要求。增加的調(diào)光范圍為顯著改善圖像質(zhì)量作準(zhǔn)備。
較寬的調(diào)光范圍的另一優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)能。在很多便攜式系統(tǒng)中，諸如無線設(shè)備和諸如個(gè)人管理器的個(gè)人數(shù)字助理中，對(duì)于在再充電之前較長(zhǎng)的時(shí)段節(jié)約更多的電池能量的設(shè)計(jì)存在相當(dāng)大的需求。擴(kuò)大的調(diào)光范圍為在電池中保存更多的能量創(chuàng)造條件。
在當(dāng)前LCD背光系統(tǒng)中受限制的調(diào)光范圍的原因之一是驅(qū)動(dòng)CCFL燈的驅(qū)動(dòng)電路。通常，燈是由DC電壓源經(jīng)逆變器電路驅(qū)動(dòng)的。用于驅(qū)動(dòng)CCFL燈的兩種主要布局包括半橋式逆變器和補(bǔ)償(buck)功率級(jí)加電流饋電推挽式逆變器。在兩種布局中，采用一變壓器以將輸入電壓源從幾伏(約6-20伏)提升到幾百伏(約600-1800伏)。采用耦合到變壓器初級(jí)線圈的電路以提供一電壓信號(hào)作為電壓源，而耦合到變壓器次級(jí)線圈的電路驅(qū)動(dòng)燈。
半橋式逆變器的一個(gè)缺點(diǎn)是由使用驅(qū)動(dòng)該逆變器的低輸入電壓源引起的。由于該低輸入電壓源，半橋式逆變器需要高匝數(shù)比的變壓器以升高輸出電壓。但是，隨著初級(jí)電路中電流幅度的增加驅(qū)動(dòng)器的效率降低。
此外，因?yàn)榇渭?jí)電路包括串聯(lián)耦合到燈的鎮(zhèn)流電容器，除有功分量外由次級(jí)線圈提供的輸出電流將包括不用于照亮燈的無功分量。結(jié)果效率降低。
補(bǔ)償功率級(jí)電流饋電推挽式逆變器的不足是使用兩個(gè)功率級(jí)；補(bǔ)償級(jí)和推挽式逆變器級(jí)。每個(gè)級(jí)對(duì)效率的降低都有貢獻(xiàn)。例如，如果補(bǔ)償級(jí)的效率約90％并且電流饋電推挽式逆變器的效率也約90％，系統(tǒng)的組合效率減少到約81％。
此外，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)光，需要改變?cè)谘a(bǔ)償級(jí)處提供的電壓。但是，補(bǔ)償功率級(jí)加電流饋電推挽式逆變器的初級(jí)部分采用磁化電感，并且結(jié)果它相當(dāng)于電壓源。這種行為又引起逆變器的次級(jí)部分也充當(dāng)電壓源。在調(diào)光期間，隨著電壓源電平的降低，燈的阻抗增加，引起電壓電平的變化。隨著調(diào)光增加到超過燈總輸出流明值中的一定點(diǎn)時(shí)，燈的閃爍變得顯著。
所以，存在克服上述布局的不足并提供一種與這些布局相比具有基本上更寬的調(diào)光范圍的LCD背光驅(qū)動(dòng)電路的需要。
按照一個(gè)實(shí)例，本發(fā)明涉及一種用于將功率提供給燈的逆變器電路。該電路包括一DC電壓源。該電路還包括一具有初級(jí)和次級(jí)線圈的變壓器。該次級(jí)線圈耦合到燈并且該初級(jí)線圈耦合到DC電源。該電路還包括一對(duì)串聯(lián)耦合到初級(jí)線圈反端的電感器。電容器與電感器耦合在一起。該電路被這樣配置，使得電感器對(duì)與電容器一起交替諧振，以將AC電流源提供給燈。
該電路進(jìn)一步包括一對(duì)開關(guān)，該對(duì)開關(guān)交替地“接通”和“斷開”，由此引起電感器對(duì)交替諧振。一控制驅(qū)動(dòng)器被耦合到開關(guān)對(duì)并被配置為交替地接通和斷開開關(guān)對(duì)。有利地，該控制驅(qū)動(dòng)器包括一PWM控制驅(qū)動(dòng)器。有利地，初級(jí)線圈包括一限定第一部分和第二部分的變壓器分接頭，并且DC電源被耦合到初級(jí)線圈。
上述說明相當(dāng)廣泛地提出了本發(fā)明非常重要的特征，以便能夠理解下面對(duì)其的詳細(xì)說明，并能夠更好地理解本發(fā)明對(duì)本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。結(jié)合附圖考慮到下述詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它目的和特征將得以明確。但應(yīng)當(dāng)理解，所設(shè)計(jì)的附圖僅用于說明的目的而不作為對(duì)本發(fā)明的范圍的限定，對(duì)本發(fā)明的范圍應(yīng)參照所附權(quán)利要求進(jìn)行。
在附圖中，其中同樣的參考符號(hào)表示全部幾個(gè)視圖中相似的元件

圖1為說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的，采用PWM控制驅(qū)動(dòng)器的電流饋電逆變器的視圖；圖2(a)和2(b)為分別說明圖1的PWM電流饋電逆變器中電感器電流和負(fù)載電流的波形圖；圖3為說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的，采用電流模式控制布局的電流饋電逆變器的視圖；圖4(a)和4(b)為分別說明圖3說明的實(shí)施例中電感器電流和負(fù)載電流的波形圖；圖5為說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的逆變器電路布局的視圖；圖6(a)到6(e)為說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在其工作期間電路的每個(gè)元件處的電壓和電流信號(hào)的波形圖。
應(yīng)理解，這些附圖不必按比例制圖，但實(shí)際上它們僅為原理上的。
避免與如上所述補(bǔ)償功率級(jí)電流饋電推挽式逆變器有關(guān)的上述閃爍的一種方法，是借助脈沖寬度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器的逆變器開關(guān)。對(duì)于這樣一種裝置，通過改變脈沖信號(hào)的占空因數(shù)有可能實(shí)現(xiàn)調(diào)光。但是，因?yàn)樵诿}沖處于“開”周期的期間電壓電平保持相同，對(duì)于寬范圍的調(diào)光水平，燈不經(jīng)歷其阻抗值的變化。
圖1為說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例采用PWM控制的，包括耦合到電流饋電電感器25的DC電壓源21的電流饋電逆變器電路10的電路的視圖。電流饋電電感器25耦合到變壓器34的初級(jí)線圈34a。變壓器34的次級(jí)線圈34b耦合到電容器32并耦合到燈31。
一對(duì)開關(guān)35和40被耦合到初級(jí)線圈34a的反端。耦合在開關(guān)之間的是電容器30。PWM控制驅(qū)動(dòng)器20被耦合到開關(guān)35和40，并被配置為控制該開關(guān)對(duì)的工作?；镜?，電流饋電逆變器10采用PWM控制驅(qū)動(dòng)器以便提供平均功率調(diào)節(jié)。于是，有可能通過改變PWM脈沖的占空因數(shù)實(shí)現(xiàn)可變的調(diào)光。該電流饋電推挽式逆變器的工作將以170Hz的速率“接通”和“斷開”。
注意，采用PWM控制器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，在脈沖為“開”的時(shí)間期間內(nèi)，最大電壓被饋送給變壓器，這緩和了關(guān)系到補(bǔ)償功率級(jí)電流饋電推挽式逆變器的如上解釋的在調(diào)光期間與阻抗變化有關(guān)的問題。
電流饋電電感器25將輸入DC電壓轉(zhuǎn)換為DC電流。此外，當(dāng)開關(guān)35和40交替“接通”和“斷開”時(shí)，將變壓器線圈34a的電感(未示出)勵(lì)磁變壓器與諧振電容器30并聯(lián)耦合并與電容器30諧振。結(jié)果，在PWM控制期間，電流饋電電感器25經(jīng)歷大的過沖電流或轉(zhuǎn)換。這導(dǎo)致從過沖到穩(wěn)態(tài)基本上更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換。圖2(a)和2(b)為分別說明電感器電流和負(fù)載電流的波形圖。這些條件對(duì)燈的壽命具有不良影響。
但這種裝置的缺點(diǎn)在于初級(jí)電路中的輸入DC電感器。該電感器限制響應(yīng)開關(guān)工作循環(huán)的電流變化，并同樣導(dǎo)致電流過沖。這種過沖可導(dǎo)致燈光閃動(dòng)。如前面所解釋的，變壓器的磁化電感和電容器30并聯(lián)耦合，并且結(jié)果是引起逆變器10的初級(jí)部分起電壓源的作用。同樣逆變器10的次級(jí)部分也起電壓源的作用。但是，為了為燈31保持穩(wěn)定的電流源，需要逆變器10的次級(jí)部分起電流源的作用。為此，鎮(zhèn)電流容器32與燈31串聯(lián)使用。但是，電容器32的存在為變壓器34的次級(jí)線圈產(chǎn)生的功率提供附加的無功分量，這又降低逆變器的效率。
為了衰減在電感器25中產(chǎn)生的過沖電流，采用一種電流型控制器布局。圖3是說明基本電流饋電逆變器100的視圖，它采用一種電流型控制器布局。在這種情況下，電感器125具有兩個(gè)線圈，即電感線圈125a和電感線圈125b。電感線圈125b耦合到二極管126，并提供一路徑以將電感器存儲(chǔ)的能量釋放回輸入源。電流檢測(cè)器145用于檢測(cè)電感器125中的電流電平。電流檢測(cè)器145將反饋提供給控制開關(guān)135和140的“接通”和“斷開”的PWM控制驅(qū)動(dòng)器120。
圖4(a)和4(b)為說明如圖3所示的分別用于具有電流型控制器的電感器電流和負(fù)載電流的波形圖。如這些視圖中所示，電感器電流的過沖可被衰減。但是，從不穩(wěn)定態(tài)到穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)換過程對(duì)于一定的應(yīng)用仍然長(zhǎng)。
如前所述，本發(fā)明涉及一種提供增強(qiáng)的調(diào)光能力的LCD背面照明系統(tǒng)。圖5為說明按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的逆變器電路布局的視圖。按照此實(shí)施例，PWM控制驅(qū)動(dòng)器220耦合到開關(guān)235和240。一對(duì)電感器，即電感器225a和225b也分別經(jīng)節(jié)點(diǎn)231a和231b耦合到開關(guān)235和240。電感器225a和225b提供升壓功能，這將在下面進(jìn)一步詳細(xì)解釋。此外，它們提供諧振電感功能。節(jié)點(diǎn)231a和231b也耦合到PWM控制驅(qū)動(dòng)器220。耦合在節(jié)點(diǎn)231a和231b之間的是一諧振電容器230。
電壓源215將電壓信號(hào)提供給初級(jí)線圈245a。耦合在電感器225a和225b之間的是變壓器245的初級(jí)線圈245a。變壓器245的次級(jí)線圈245b耦合到負(fù)載，該負(fù)載在此示出為具有電阻R的電阻器250。變壓器245工作將兩個(gè)半個(gè)循環(huán)諧振電流組合，并從變壓器的次級(jí)線圈輸出整個(gè)諧振電流。
如圖5所說明的，逆變器200的初級(jí)部分包括與諧振電容器230串聯(lián)工作的電感器225a和225b。結(jié)果，逆變器200的初級(jí)部分起電流源的作用。所以，逆變器200的次級(jí)部分也起電流源的作用。因此，逆變器200的次級(jí)部分不需要鎮(zhèn)流電容器。此外，電感器225a和225b的電感值大大小于圖1中所需要的電感。同樣，逆變器200的初級(jí)部分不經(jīng)歷如上所述的電流過沖。
關(guān)于逆變器電路200的工作，在開關(guān)235接通之前，諧振電容器230上的電壓為零。此外，在開關(guān)235接通之前，諧振電感器225a和225b中的電流具有最大幅度。所有能量都存儲(chǔ)在電感器225a和225b中，或被輸出到負(fù)載。
因?yàn)橹C振電容器230上的電壓為零，開關(guān)240可在零電壓開關(guān)狀態(tài)下斷開。相似地，開關(guān)235可在零電壓開關(guān)狀態(tài)下接通。來自電壓源215的輸入DC電壓信號(hào)Vin產(chǎn)生包括電壓源315、反射電阻器250、電感器225a和開關(guān)235的充電回路。隨著來自DC電壓源215的電流從零增加，電感器225a中的電流改變方向，逐漸從負(fù)信號(hào)到零然后到正信號(hào)。由于在諧振電容器230處的零電壓，電感器225b中的電流最初增加，但隨后將諧振地降低以將其存儲(chǔ)的能量釋放到電容器230。
結(jié)果，諧振電容器230上的電壓從零增加到其最大值。因?yàn)殡姼衅?25a與DC電壓源215(即經(jīng)反射電阻器250和開關(guān)235)串聯(lián)，電感器225a提供升壓功能。換句話說，DC電壓源215經(jīng)電感器225a將能量直接饋送給諧振電容器230。
隨著電感器225b中的電流降低到零，諧振電容器230上的電壓達(dá)到其最大值。此外，電感器225a中的電流達(dá)到其最大正值，其后該值短時(shí)間保持恒定。諧振電容器230經(jīng)反射電阻器250與電感器225b諧振。存儲(chǔ)在諧振電容器230中的能量被釋放到電感器225b并釋放到反射電阻器250。
DC電壓源215的輸出電流逐漸降低。諧振電容器230將所需要的能量提供給電感器225a。電感器225b中的電流由此從零增加到其最大負(fù)值。由于諧振電容器230不具有足夠的能量以提供給電感器225a，DC電壓源的電流開始增加。電感器225b中的電流仍然降低并且電容器230上的電壓降低至零。
隨著電容器230上的電壓達(dá)到零，開關(guān)235將斷開并且開關(guān)240將“接通”。開關(guān)240接通的方式與開關(guān)235接通的方式相似，除電路中每個(gè)元件的上述工作由該元件的對(duì)稱方(電感器225a是電感器225b的對(duì)稱方，開關(guān)235是開關(guān)240的對(duì)稱方等)替代執(zhí)行。
在其中開關(guān)235接通的周期的期間，電感器225a由DC電壓源215充電以儲(chǔ)存輸入能量，該輸入能量將被在電路的諧振工作的下半周期中使用。電感器225b與諧振電容器230諧振以產(chǎn)生AC電流的半個(gè)循環(huán)。相似地，在其中開關(guān)240接通的周期的期間，電感器225b由DC電壓源215充電以儲(chǔ)存輸入能量，該輸入能量將被在電路的諧振工作的下半周期中使用。電感器225a與諧振電容器230諧振以產(chǎn)生AC電流的另半個(gè)循環(huán)。
于是，變壓器245將AC電流的兩個(gè)半個(gè)循環(huán)組合并將AC電流信號(hào)輸出到燈。因?yàn)榉瓷潆娮杵鱎與電感器225b和諧振電容器230(或在第二半個(gè)工作期間與電感器225a和諧振電容器230)串聯(lián)，燈中電流由包括電感器225b和電容器230的諧振電路(或在第二半個(gè)工作期間由包括電感器225a和電容器230的諧振電路)控制。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的逆變器提供高頻電流源驅(qū)動(dòng)燈。因此，在變壓器245的輸出中不需要鎮(zhèn)流電容器。結(jié)果，變壓器245僅將有效功率從其初級(jí)線圈245a轉(zhuǎn)換到其次級(jí)線圈245b。
圖6(a)到6(e)為說明在其工作期間電路200的每個(gè)元件處的電壓和電流信號(hào)的波形視圖。例如，圖6(a)是說明電容器230處的輸入電流信號(hào)的波形圖。圖6(b)是變壓器245的初級(jí)線圈245a上的電壓信號(hào)。圖6(c)是電感器225a處的電流信號(hào)。圖6(d)是開關(guān)235處的電壓信號(hào)，而圖6(e)是開關(guān)235處的電流信號(hào)。
按照一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的電路也被配置為當(dāng)用于啟動(dòng)燈時(shí)以高效率水平工作。在燈到達(dá)擊穿工作前，燈具有高阻抗。該高阻抗反射到變壓器245的初級(jí)線圈245a中，并高于初級(jí)線圈的勵(lì)磁電感的阻抗。該高阻抗允許逆變器的初級(jí)部分顯示基本上高的Q特性。該高Q特征又提供在啟動(dòng)期間需要的輸入電壓的高放大。例如，由于反射阻抗，由次級(jí)線圈提供的電壓可超過2000伏，這可引起燈在擊穿模式下開始其工作。
隨著燈擊穿，燈的阻抗降低，引起逆變器的初級(jí)部分顯示較低的Q特性。這又降低了燈正常工作期間所需要的輸入電壓的放大。
對(duì)于燈啟動(dòng)，逆變器200的初級(jí)部分的諧振頻率低于正常工作期間諧振回路的諧振頻率。隨著燈阻抗從高值變化到低值，諧振電路的諧振頻率將自動(dòng)變化。換句話說，諧振電路的諧振頻率將從低頻率突升到高頻率。用于驅(qū)動(dòng)燈的本發(fā)明的電路采用的非線性阻抗特性對(duì)電路改進(jìn)的效率有貢獻(xiàn)。
按照本發(fā)明的實(shí)施例，與現(xiàn)有技術(shù)的電路相比本發(fā)明的電路提供改進(jìn)的調(diào)光容量。勝于現(xiàn)有技術(shù)所經(jīng)歷的100％到約30％的調(diào)光范圍，按照如上所述的實(shí)施例，本發(fā)明的電路提供100％到約5-10％的調(diào)光范圍。
按照本發(fā)明的各種實(shí)施例，該電路具有一些其它有利特征。例如，本發(fā)明提供升壓功能以升高變壓器245的初級(jí)線圈245a上的電壓。升壓功能使變壓器245的匝數(shù)比能夠被降低，由此提高系統(tǒng)的效率。此外，系統(tǒng)的效率也利用變壓器245只轉(zhuǎn)換有功功率，不轉(zhuǎn)換無功功率的事實(shí)得以改善。
同樣，因?yàn)槟孀兤鞯某跫?jí)部分包括一串聯(lián)諧振配置，它相當(dāng)于電流源。諧振電感器的電感小到足以允許基本上不過沖。結(jié)果，導(dǎo)電損耗也將是低的。功率開關(guān)還具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，他們將在零電壓開關(guān)狀態(tài)下工作。也沒有將限制系統(tǒng)響應(yīng)的DC電感。由于該系統(tǒng)包括用于倒相晶體管的公共地線而不需要現(xiàn)有技術(shù)逆變器電路中所實(shí)現(xiàn)的電平移動(dòng)電路，逆變器還具有低制造成本。
因此，雖然已經(jīng)示出并說明并指出如應(yīng)用于其優(yōu)選實(shí)施例的本發(fā)明的基本新穎特征，應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在公開發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種刪節(jié)和替換和變化。因此，本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求的范圍所指示的限定。
權(quán)利要求
1.用于將功率提供給燈(250)的逆變器電路(200)，包括DC電壓源(215)；具有初級(jí)和次級(jí)線圈(245a，b)的變壓器(245)，其中所述次級(jí)線圈耦合到所述燈，并且所述初級(jí)線圈耦合到所述DC電源；串聯(lián)耦合到所述初級(jí)線圈反端的一對(duì)電感器(225a，b)；以及耦合所述電感器對(duì)的電容器(230)，其中所述電感器對(duì)被配置為交替諧振以將AC電流源提供給所述燈。
2.權(quán)利要求1的電路，其中所述電路還包括一對(duì)開關(guān)(235，240)，它們交替接通和斷開以引起所述電感器對(duì)交替諧振。
3.權(quán)利要求2的電路，其中所述電路還包括控制驅(qū)動(dòng)器(220)，該控制驅(qū)動(dòng)器被耦合到所述開關(guān)對(duì)并被配置為交替接通和斷開所述開關(guān)對(duì)。
4.權(quán)利要求3的電路，其中所述控制驅(qū)動(dòng)器(220)包括PWM控制驅(qū)動(dòng)器。
5.權(quán)利要求1的電路，其中所述初級(jí)線圈包括第一部分和第二部分。
6.權(quán)利要求5的電路，其中在所述第一和第二部分之間的分接頭處所述DC電源被耦合到所述初級(jí)線圈。
7.權(quán)利要求1的電路，其中所述電感器對(duì)具有足以保持燈所需要的開關(guān)頻率的電感。
8.權(quán)利要求1的電路，其中所述初級(jí)線圈被配置為諧振用作電流源。
9.用于用逆變器(200)將功率提供給燈(250)的方法，所述方法包括步驟將變壓器(245)的初級(jí)線圈(245a)耦合到DC電壓源(215)并將所述變壓器的次級(jí)線圈(245b)耦合到所述燈；將一對(duì)電感器(225a，b)串聯(lián)耦合到所述初級(jí)線圈的反端；在所述電感器對(duì)之間耦合一電容器(230)；以及經(jīng)所述DC電壓源提供DC電壓，使得所述電感器對(duì)交替諧振，以將AC電流源提供給所述燈。
10.權(quán)利要求9的方法，其中使所述初級(jí)線圈諧振用作電流源。
全文摘要
一種用于將功率提供給燈的逆變器電路。該電路包括一DC電壓源。該電路還包括一具有初級(jí)和次級(jí)線圈的變壓器。該次級(jí)線圈耦合到燈并且該初級(jí)線圈耦合到DC電源。該電路還包括一對(duì)串聯(lián)耦合到初級(jí)線圈反端的電感器。電容器與電感器耦合在一起。該電路被這樣配置，使得電感器對(duì)與電容器一起交替諧振，以將AC電流源提供給燈。該電路進(jìn)一步包括一對(duì)開關(guān)，該對(duì)開關(guān)交替地“接通”和“斷開”，由此引起電感器對(duì)交替諧振。一控制驅(qū)動(dòng)器被耦合到開關(guān)對(duì)并被配置為交替地接通和斷開這對(duì)開關(guān)。有利地，該控制驅(qū)動(dòng)器包括一PWM控制驅(qū)動(dòng)器。優(yōu)選，初級(jí)線圈包括一限定第一部分和第二部分的變壓器分接頭，并且DC電源被耦合到初級(jí)線圈。
文檔編號(hào)G09G3/34GK1449642SQ01803037
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2001年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月6日
發(fā)明者D·F·翁 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司