液晶显示器用逆变器驱动单元.docx
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液晶显示器用逆变器驱动单元
液晶显示器用逆变器驱动单元
1．引言
液晶显示器最初作为笔记本电脑、文字处理器的显示装置发展起来，现已扩展到计算机、游戏机、弹子机、摄像机、车载电视、产业用机器的显示等，从小型的到大型的机器，在各个领域都得到广泛应用。
因液晶屏本身没有发光功能，这就需要在液晶屏后加一个照明系统，该背光照明系统由发光部件、能使光线均匀照射在液晶表示面的导光板和驱动发光部件的电源构成。
现在发光部件的主流为被称作冷阴极管的萤光管。
其发光原理与室内照明用的热阴管类似，但不需象热阴管那样先预热灯丝，它在较低温状态就能点亮，因此叫冷阴极管。
但要驱动这种冷阴极管需要能输出1000~1500V交流电压的特殊电源。
逆变器单元件就是驱动这种冷阴极管用的小型电源，是液晶显示装置中重要的功能部件之一。
随着液晶显示器应用于不同的市场和用途，对背光照明系统的要求也愈来愈多，如表1所示。
特别是欧洲许多国家对电磁辐射有严格的规限，给CRT显示器到液晶显示器（LCDLiquidCrystalDisplay）的转换展示了广阔的市场前景。
以下我们会以液晶显示器的用户为对象，就现在主流逆变器的基本动作原理，特长，设计时的注意点，以及如何选定方案来满足各种各样的要求等加以说明。
■各类显示装置所要求的逆变器特性（表1）
分类Av
BACKLIGHTER的要求
小型（薄型）
效果
寿命
调光
AV
观测器
☉
☉
△
⨯
录像显示屏
☉
⨯
液晶电视
☉
⨯
液晶显示器
☉
汽车
导航系统显示器
☉
OA
笔记本电脑
☉
☉
情报终端
☉
☉
通信
传呼机显示器
☉
⨯
其他
游艺机显示器
☉
⨯
各种控制器
☉
⨯
☉→→△表示为要求项目中优先顺序，“⨯”表示不要项目
液晶显示器用逆变器驱动单元
2.逆变器（INVERTER）回路单元的基本动作原理
使用液晶逆变器驱动单元时应对作为负荷的冷阴极管的特性作深入地了解和把握。
下面就最初使用背光照明的笔记本电脑用的LCD显示器为对象，对冷阴极管的特点，以及作为现在逆变器回路主流模式的推挽回路的基本动作原理，简单地加以说明。
2-1．冷阴极管的特性
冷阴极管具有管长、管径、管内气体的种类、气压等管的特有特性，以及会因周围温度变化，辉度和电气特性随之变化的特点，使用前有必要对管特性进行仔细确认。
∙冷阴极管的放电
冷阴极管中，在高压电场的加速下，电子和阳离子撞击阴极表面，使阴极再次放出电子，辉光放电开始后放电处于维持状态。
冷阴极管能发出明亮的光是因为二次放电时电子引发的紫外线撞击管内壁涂布的萤光物质。
管径为2~3mm是主流，管长则根据液晶屏尺寸的不同，由50~280mm不等，目前AOC所用的LCD有15”、17”、18”、19”、22”。
∙放电开始时间和管电压
在冷阴极管两端加500~1000Vrms的高压，管就开始放电。
这时的电压称为放电开始电压
（也叫起动电压或始动电压）。
冷阴极管中流过电流时，管阻抗会减小，管两端的电压也急剧减小，但是，只要有一定的电流流过，电压的减小会变得缓慢，如图1电压特性变得大致稳定。
此时的电压称为电压，大致为300~700Vrms的幅度。
管电压与管子的种类也有关系。
管特性与硅二极管中的齐纳管类似，但不同的是当流过齐纳管的电流增加时其两端的电压是增加的，为正电压特性，而冷阴极管的电流增加电压反而减小，为负电压特性。
萤光管的电压—电流特性（图1）
一般来说放电开始电压和管电压在以下条件下有要求增高的趋势
a.周围的温度愈低
b.冷阴极的管愈细
c.冷阴极的长度愈长
因此，对逆变器来说，开放电压（逆变器输出的，使灯管放电的激光电压）需1000~1500Vrms，比管子的放电开始电压略高。
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∙管电流∙辉度
放电开始后，需要有持续的电流过才能维持灯管持续放电。
管电流越大管的辉度也越高，但管电流太大会对管电极造成损伤，使冷阴极管的寿命缩短或直接烧毁灯管。
现在主流灯管的管电流平均一根为2~7mA，将管电流控制在适当的值上是很重要的。
通常，在冷阴极管的规格表中额定管电流的辉度会有所表示，从所需的辉度可确认需多大管电流。
如图2所示，周围温度愈低，辉度愈低，放电起始电压愈高。
灯管辉度和放电开始电压的温度特性（图2）
∙频率（周波数）
冷阴极管一般需交流电驱动。
直流驱动时冷阴极管的水银离子偏集中到一边，使灯管的灰度产生不平衡，寿命也相应缩短。
频率越高灰度越亮。
但是，因从逆变器到灯管的引线存在分布容量，使漏电流增大，因此，从逆变器输出的电流并不全都流过冷阴极管，漏电流是造成灯管的发光效率低的因素之一。
所以，为确保不受LCD显示器工作频率的干扰而产生闪烁、干涉等现象，必须对使用条件，安装状态作认真的检讨。
以上这些特性和色温、演色性（彩色再现性）等特性，都要向灯管制造商确认清楚。
2-2．基本动作
下面就逆变器回路的原理简单地加以说明。
如图3所示，方框内为逆变器回路。
从外侧看有以下7个参数。
∙输入电压Vin
------输入逆变器的电压
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∙输入电流
-------输入逆变器的电流Iin
∙输出电压Vout
-------在管两测量的放电后的管电压（正常工作时的管电压）
∙开放电压Vopen
―――灯管放电开始必须的启动电压
∙管等效负荷Rl
-------管电压除以管电流所得的等效电阻值
∙输出电流Iout
−即管电流
∙振荡频率f
−驱动灯管的交流电频率
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图4为基本的逆变器回路（推挽式电压共振回路）。
它回路结构简单，输出正负对称的正弦波驱动冷阴管。
启动冷阴管的开放电压Vopen、理想变压器的1次2次间的卷数比N、开关管Q1和Q2的ON电压Vcesat间的关系如下：
开放电压:
Vopen=1.11⨯N⨯（Vin—Vcesat）。
图4如下：
这回路因输出端没有反馈，输出电压会随输入等比例变化。
下面对输出电压、管电压、电流的关系，用图5的变压器2次侧的等效回路加以说明。
回路中Co和灯管串联接入。
放电开始前（管的阻抗无限大，可视为无负荷状态），变压器的输出电压基本上都直接加到灯管两端。
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放电开始后电容Co起到一个限流元件的作用，输出电流Iout由电容Co和冷阴管的等效电阻R1合成的阻抗决定。
输出电流Iout=Vout/Z=Vout/（√（RL2+XC2）（容抗XC=1/ωC）
逆变器回路中Co的容抗Xc成分要比负荷的等阻抗R1大。
因此，两者所决定的阻抗中Co部分的作用较大，输出电流Iout大致由Co值决定。
因而可以根据冷阴管驱动电流的要求生产出相应的电容。
这个Co一般叫限流电容。
频率由线圈的一次电感Lp与共振电容Cp及限流电容C0置换到一次恻的Co’的综合容量组成的并联回路决定。
XX文库-让每个人平等地提升自我如果忽略冷阴管的电抗，频率可由下式表示：
f=1/（2π√Lp（Cp+Co））
为维持变压器和电容的共振，必须从卷线的初级线反馈一个驱动信号到开关管。
初级驱动电流从输入端线基极电阻R供给，由于与基极绕线Nb连接，共振频率如图6所示，Q1、Q2交替导通，使振荡持续。
扼流线圈使输入电流稳定的作用，其电感值一般需比一次圈线Lp大很多（2~3倍以上）。
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2—3．安装时的注意点
①分布容量的影响
高频点灯时，用灯管单体评价和整个系统进行评价时所测得的值会有所不同，特别是在逆变器高压输出端和灯管连线的周围，受分布容量的影响，接地元件所受影响会更大。
图7为原理图，因分布容量的存在，使得点灯开始后变压器的输出端电压由Co和Cg分压，造成点灯不良。
点灯中I1=Iout-Ig-Im，流过灯管的实际电流小了，辉度自然比用单体灯管评价时低。
因此高压部分的引线尽量短，使分布容量Cg尽量小是很有必要的。
但是，灯管壁附设导体可降低点灯开始电压，实际中可灵活运用。
以上情况要在图纸上明确化有一定困难，只能根据加以确认，以避免问题的发生为最终目的。
②使用环境状况
使用环境的关系也会引发一些意想不到的故障。
如液晶显示器发在食品商场中使用，有可能因外部昆虫，湿气的侵入而造成背光源逆变器输出端的短路而令电源损坏。
随着液晶显示器应用的日益广泛，这类事故发生的可能性也大大增加。
因此，包括对PL法（制造品责任法）、使用条件、高压部的安装状况等进行仔细确认是很重要的。
③安全规范
逆变器输出的是高电压，因此如何防止触电、着火、冒烟等也要特别考虑。
另一方面，逆变器通常作为一个事先设计好的单元件部件被装进制品内部，不像通常的电源一样有外壳保护。
因此，考虑在高压部加危险表示记号、加绝缘保护片等，尽量采用一些避免能直接触摸的结构，使机器维修时即使不小心触摸到也不会造成触电。
另外，如电流限制在万一触电也不足以对人体造成伤害的程度，在安全性方面就更有保障了。
为防止万一某个元件发生故障造成其他元件的发热、着火，通常会使用保险丝之类的保护元件使电路停止工作；为确保即使着火也能防止其蔓延，基板、树脂等应选用难燃性高的材料。
这也是逆变器组件的要求之一。
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1995年7月PL法（制造品责任法）实施以后，人们对制品设计的安全性更加关注，安全规格的种类从公共的国际规格IEC950到各国自行制定的规格都有。
对于逆变器特别重要的是：
①确保对人体的安全性；
①确保对制品周边元件的安全性；
对于①是要防止、预防烧伤和触电的发生。
对于逆变器，与触电有关的项目有空间距离、沿面距离（爬电距离）、绝缘厚度、绝缘阻抗、绝缘物劣化、绝缘种类的规定等。
绝缘种类有机能绝缘、基础绝缘、附加绝缘、强化绝缘四种，必须满足那种绝缘绿模式取决于：
◎逆变器使用怎样的元件；
◎是一次侧回路还是二次侧回路；
◎有没有限流回路
中符合其中的那个因素。
通常逆变器多用于LCDMonitor、笔记本电脑、传真机等办公设备，划分到组群等级①里。
因逆变器回路并不直接与外界与外部的主电源直接连接，为二次回路，如果有限流回路，必须考虑能满足机能绝缘中的空间距离、沿面距离的构造。
但是，在制品很小，不能保证必要的距离时，至少必须满足IEC950规格[5.44]b）、c）项的要求（详细内容请参照IEC或UL等相关规格）。
关于第②项，对于变压器骨架和基板等有机材料，一般都要求使用UL规格品（如94V-0）或其相关产品。
这里必须提醒大家注意的是，即使满足了安全规格中的下限规格，也不能保证不会发生安全问题。
不仅只是逆变器单体，使用状况的确认也是至关重要的。
3.兹讲述一下AOC目前设计INVERTER主流回路方式
3-1．宽输入范围和调光回路
在前述的推挽回路基础上加上DC-DC转换回路，能用宽范围的输入电压达到调光的目的。
DC-DC转换回路中使用控制IC达到调光效果，回路例如图8所示。
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这种方式是用降压型DC-DC的设计。
与通常的检测输出电压不同，该电路是通过一个电阻对输出电流（管电流）进行取样和反馈。
因管电流为交流，取样后的交流电压经积分回路转换为直流值，送到控制IC的差分放大器输入端。
放电不稳定与灯管的特性也有很大关系，因而必须选用即使在小电流下也能正常工作的冷阴极管。
同时，在亮度调小时，逆变器的输出电压也减小，为了不让管电压也随之减小，逆变器必须输出能维持灯管两端电压稳定的电压。
换言之，是逆变器的输出阻抗和输出电压与冷阴极管的阻抗与管电压是否匹配的问题。
其他的调光方式有，逆变器的输入间歇开/关，以开启时间DUTY（占空比）来调光的DUTY调光方式。
这种调光方式在输入一定时，即使亮度调小，开放电压或加在灯管两端的电压都不会改变，虽然可调光的范围较宽（10~100%），但是像在使用电池那样电压不太稳定的情况下，输出会随输入的变化而变化，这就需要一个能稳压的电路。
同时因DUTY的频率多在可听范围（谐振频率在20Khz以上时，必须使DUTY在该频率以下），会造成线圈、变压器发出可听噪声。
3—2消耗功率的降低
为了降低消耗功率，要求使用特性好的部品、线圈和变压器。
这不仅只是影响电源的效率，还会对振荡频率、管电流的波形造成一定影响，间接影响整体功率，从而影响发光效率。
例如，逆变器的一次侧振荡波形为正弦波，实际接入冷阴极管时受变压器漏感和分布容量的影响，波形会有些歪。
波形与辉度的关系是：
越接近矩形波，相同的管电流辉度越高。
因此，边确认LCD显示屏的辉度，边对电流、频率进行检讨是很必要的。
逆变器变压器是很重要的部品之一，一直以来，EE型分割BOBBIN都作为主流，一次性封止成形的和不用限流电容的开磁型变压器也有应用。
再者，陶瓷材质的压电变压器等的应用，不仅可省掉限流电容，而且可使灰度效率提高，兼有小型、薄型的优点，很适合与笔记本电脑。
但大显示屏时随着升压比要求的提高和维持功率的需要，驱动回路变得复杂，压电变压器的材料及构造的价格有升高的趋势。
3—3小型化
电子部的不断小型化、薄型化是个共通的命题。
要将逆变器电源小型化，线圈、变压器和连接器是关键。
用于能量传输的线圈和变压器，其磁性材料主要是用铁氧体，要求的传输功率一旦决定，其物理形状就大致定下来了。
通常要求1000Vrms以上高压时就要使用有绝缘距离的构造，包括连接器，要做到小型.窄型就变得困难。
实际上，各公司的连接器、电位器、基板的形状等受到显示屏尺寸的制约，通常是个别设计，用怎样的元件、如何布线都要深究。
3—4逆变器中使用的元件
下面对AOC逆变器单元中使用的变压器以外元件简单地加以说明。
RINGCORE线圈，具有尺寸小的同时直流重叠特性优异的特点、更具有直流电阻小的优势，不单只是在逆变器共振回路的输入端用、通常的降压DC-DC回路中使用也很合适。
使用闭磁路变压器的场合，作为限流电容，TDK和MURATA公司的中高压电容都有使用，构筑成了小型、高信赖性的高压回路。
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层积电容不仅用于电源用控制IC的调光频率设定和相位补偿，1μF以上的大容量电容作为开关电路的输入平滑电容使用，使电路更加小型化.高信赖性。
4.总结
将逆变器的使用.选定概括为以下步骤
显示装置的选择
面向21世纪，LCD显示器面临高画质，大尺寸，低价的综合要求。
在彩显为基本要求的今天，发白光的冷阴极管为当前背光源的主流，其逆变器电源是不可少的。
这回以冷阴极管和逆变器为中心说明了逆变器基本特性，随着小型化.高效率化的要求，新技术、新元件不断涌现，对用途、使用环境条件明确之后选择、设计最合适的逆变器变得越来越重要。
捷联POWER组为典型LCD显示器准备了各式各样合适的逆变器单元件，如果有任何需要，包括逆变器用的元件等，无需顾虑，请随时与我们联络。
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