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标题:
电容特性在冷阴极荧光灯管之电流平衡效应
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作者:
aceglobal
时间:
2007-8-15 15:33
标题:
电容特性在冷阴极荧光灯管之电流平衡效应
电容特性在冷阴极荧光灯管之电流平衡效应
来源：
[
化合物半导体·光电技术
]
作者：
Yuequan Hu, Milan M. Jovanovic, Delta Power Electronics Laboratory
对于多灯管背光照明系统来说，常见的问题一般发生在彼此并联的冷阴极荧光灯之电流分布不均造的亮度不均。然而，电流不均的问题可透过适当的灯罩机械设计予以舒缓。
冷阴极荧光灯
(CCFLs)
广泛运用在液晶显示器
(LCDs)
之背光上，例如个人计算机屏幕及电视机。
1,2
在多重灯管之背光照明系统中，灯管间常存在着显著电流不均的问题而使得背光系统产生发光不平均，这些造成发光不平均的问题是因为灯管设计及组件使用容忍度而造成灯管阻抗不匹配。虽然由背光组件容忍度造成的电流不均可以藉由更高质量的灯管组件
(
即
low tolerance)
降低，但由于组件设计造成的电流不均若不以昂贵的硬件重新设计则是不易校正。为了使整体背光照明设计最佳化，所以进一部洞悉因设计而造成电流不均的问题基本上是必要的。
源自于灯管设计所造成的电流不均
在典型的背光照明系统中，方形波电压
V1
经由串联的阻隔电容
(blocking capacitor)
加诸于
N
个并联架构的变压器
[
匝数比
(turns ratio)=1:n]
，其中的线圈联接到单一灯泡，如图一
(a)
所示。每一个灯泡
(
包括变压器
)
可以视为并联灯管阻抗
Rlamp
，且以串联的方式将寄生电容
(stray capacitance)Cstray
与漏电感
(leakage inductance) Llk
及等效串联电阻
RESR
连接在一起
[
如图一
(b)
所示
]
。图中的主要侧板反射到次要侧板
(V2= nV1)
，而一般的系统设计使用固定的直流电压，因此阻隔电容
(blocking capacitor)CBn
可忽略不计。一般来说
RESR
比
Llk
小很多，为了简化公式，
RESR
也予以忽略。灯泡电流
Ilamp
大小可视为供应电压
V2,
、操作频率
f
及阻抗
Rlamp
、
ZCstray
、
ZLlk,
的函数
[
如公式
(1)
及
(2)
所示
]
。藉由公式
(2)
，为了达到相等的灯管电流，单一灯管阻抗必需一致。当灯管电流操作频率等于共振频率
fr [
如公式
(4)
所示
]
时将会是极大值
[
如公式
(3)
所示
]
。
一般来说，
Llk
和
RESR
数值可取决于电流路径的长度及面积，且可以利用对称的设计控制。
[
漏电感
(leakage inductance)
是由变压器的主要及次要线圈之非理想耦合所造成的，这意味着部份能量将不会转移到次要或主要的线圈部份
]Rlamp
与设计无关，且灯管间的偏差容忍度变化是可以单一化的，最难控制的阻抗是
Cstray
，而这部份大多随着设计的不同而。在图一
(b)
显示的电路设计中，
Cstray
代表灯泡与接地金属结构之间的电容
(
如图二所示
)
，该电容可设计成并联板电容，且在板子
(d)
、板子面积
(A)
及板子间介质的介电常数
(permittivity
；
e)
呈现距离函数
[
如公式
(5)
所示
]
。
在公式
(2)
获得的
Cstray
参数在灯泡电流
(Ilamp)
的效应相当显著
(
如图三所示
)
。举例来说，在
61kHz
操作频率下，当寄生电容
(stray capacitance)
由
10pF
增加到
30pF
时，灯管电流几乎增加两倍。
在共振下的灯泡电流是
Cstray
、
Llk
及灯泡电阻的函数，但与
Cstray
及
Llk
相依度极高
[
如公式
(3)
所示
]
，较高的寄生电容
(stray capacitance)
在共振频率下有较大的灯管电流。严格来说，当寄生电容增加时，共振频率会降低，并造成较低的压降跨越漏电感
(leakage inductance)
且更高的压降通过灯管，因此会有更高的灯管电流。
藉由
“Ansoft 2D Field Simulator”
软件对五支灯管背光系统中沿着水平线
l
电场强度之静电模拟结果如图四所示。灯管直径为
4 mm
，而灯管截面电压为
1200 V
，可以观察出两个实验条件中
(
即接地金属灯罩存在与否
)
电场强度会呈现出
“U”
型分布；靠近外部的灯管具有较高的寄生电场
(stray electric field)
环境，这也意味着将会有更高的寄生电容
(stray capacitance)
。然而，当灯管靠近金属灯罩摆放时，所呈现的光均匀性
(
中央面积部份
)
及电场
[
如图四
(b)
所示
]
会比没有金属灯罩的设计来得高。最后，仿真结果显示当金属侧板被非金属侧板取代时的电场强度一致
[
如图四
(c)
所示
]
。从模拟结果中，我们可以结论出灯管的寄生电容
(stray capacitance)
是由每一支灯管的相对位置及灯管和金属灯罩之间的距离来决定的。
利用金属侧板灯罩设计
16
支灯管之背光照明系统的单独灯管电流量测如图五所示。当灯管与灯罩的间距大的时候
(
即
30mm)
，靠近外部的灯管比起靠近内部的灯管具有更高的电流，当灯管与灯罩的间距小的时候
(
即
12mm)
，电流分布则更为均匀。
解决方法
如同先前章节所述，在多灯管背光系统中，寄生电容会造成严重的电流不均，减缓该问题的方法之一是使用参考文献
4
所描述的电流平衡变压器；然而，此举将会增加电路设计的复杂性及成本，并增加整个能量损耗。另一个方法则是设计金属灯罩来含括非金属侧板以及灯管下方的孔洞
(
如图六所示
)
。图七为含括或不含括金属侧板之金属灯罩的灯泡电流
(Ilamp-in)
量测比较。在不含金属侧板的部份，灯泡电流达到平衡
(
如绿色柱状图所示
)
，原因在于靠近外部灯管的寄生电容
(stray capacitance)
下降。事实上，也反应在漏电流的降低上。除此之外，在灯管下方藉由孔洞设计可使寄生电容变小，而改善电流平衡
(
如图七中的蓝色柱状图所示
)
，并减少每支灯管两端的电流差异
(
如图八中的蓝色柱状图所示
)
。不同灯管间更多的电流平衡以及每一支灯管两端的电流差异更小将可依序改善整个屏幕亮度之均匀性。
结论
在本篇研究报告中显示在多灯管背光照明系统中，灯管与接地的金属灯罩间的寄生电容
(stray capacitance)
会造成严重的电流不均。缩小灯管与金属灯罩间的距离时，电流将更容易达到平衡，但因为寄生电容增加也会使得漏电流提高。移除金属侧板或使用非金属侧板，并且在灯管下方切割的孔洞可以显著地减轻电流不平均的问题，并改善光源的均匀性。
原文链接：
http://csot.acesuppliers.com/meg/meg_1.asp?mgzid=2351445292007857473226753&idxid=7953
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