精心设计液晶背光系统 正确组件实现CCFL/LED均匀光源

【Peter Green】

高亮度LED已逐渐成为液晶面板背光的新兴替代方案，但是CCFL仍是主流，且具有成本优势。不论使用哪一种光源，背光的均匀度是主要考虑。在CCFL灯管应用上，须使用电子式安定器来等化每支灯管的电弧电流，由ASIC驱动并控制的半桥式系统具有明显优势。在LED背光应用上，则以迟滞式降压控制芯片较能提供精确的电流控制，此类芯片能直接感测LED负载电流，并透过内部浮动高电压端驱动电路进行高电压端MOSFET开关切换。

市场上充斥各式各样的静态与交互式可视化通讯产品，包括电视、计算机显示屏以及数据显示 等，都广泛使用在许多不同的终端应用上，例如车内的全球卫星定位系统(GPS)。

许多这类型的应用都整合不同尺寸的液晶显示器(LCD)，其中更有许多使用触控式屏幕。在过去几年，液晶显示器已经快速取代传统笨重的阴极射线管(CRT)显示器与电视，这个趋势背后的主要动力在于成本与体积的节省，以及它所带来的大幅环保优势。例如液晶显示器大约只使用相同尺寸CRT显示器三分之一左右的电力，其它优势还包括：更高的亮度、不闪烁、完美的平面显示，以及因为不须聚焦而使得影像更加锐利，同时使用寿命也更长，大约有5万小时，而CRT只有2万小时。

在各种显示器产品中，投影机的显示器由于需要完全不同的超高亮度光源，采用高压气体放电(High Intensity Discharge, HID)短弧灯，因此应该要另加考虑。另一方面，移动电话以及其它掌上型设备，例如MP3播放器等使用的小型液晶显示器，则采用多颗发光二极管(LED)或单颗白光LED来提供背光，这对小型屏幕来说已经足够，同时还可以透过一个低电压电源，经由简单稳压芯片控制亮度的方式来加以驱动。

液晶面板的基本原理可以视为透过电子控制的光学阀门，因此需要背光源以便产生可见的影像，液晶屏幕在应用上通常使用冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)提供背光，目前这仍是最具成本效益的方式，而且此优势预计还会持续一段时间。

CCFL背光仍具成本效益

由高亮度LED来提供面板背光，已经逐渐成为液晶显示的新兴替代方案，但是在大部分的液晶显示器与电视上，背光仍是透过数个水平等距排列的CCFL长型气密式小口径灯管所提供。依屏幕大小的不同，大约会使用8～32支，甚至更多相同长度的CCFL灯管，同时还有各种不同长度的灯管，可以满足不同的屏幕宽度需求。

在使用上，将高电压加在CCFL灯管两端的电极上，使内部气体离子化产生紫外线并激发灯管内部涂布的磷光剂来发出白光，这些灯管必须以相同的亮度运作。虽然在CCFL灯管与液晶面板之间安排了导光板来协助平均分配背光，但各个灯管间不同的发光强度还是无法完全被忽略，因此驱动CCFL灯管的电子式安定器(Ballast)就必须包含能够等化每支灯管电弧电流的电路。不管是使用哪种特定光源，平均分配背光是这类应用的主要考虑，这个观念也同样适用于采用LED的系统。

CCFL安定器可以透过几种不同的拓朴结构来加以实现，包括Royer自振式、全桥式、推挽式与半桥式。在大部分的应用上，都需要一个固定的安定频率，来避免当安定频率接近影像显示扫描频率时所出现的干扰问题，因此Royer结构几乎不会使用在这类应用上。

全桥式拓朴结构则在如笔记型计算机等电池提供的较低直流电压，并在7～21伏特宽广变动范围下的应用上运作良好。推挽式结构虽然有时会被采用，但由于需要一个一次端具备中间抽头(Center Tapped)的大型变压器，因此在效率上要比全桥式或半桥式系统更低。

半桥式CCFL安定器适用于较高直流电压

半桥式架构由于只需两个金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)切换开关，同时变压器的设计也相对较简单，因而成为整体的最佳选择。半桥式结构同时也较适合较高的直流电源电压，例如输入端功率因子校正级电路前端的数百伏特电压，这也为液晶电视与显示器等较为注重成本的应用带来一个更具成本效益的系统。

半桥式CCFL安定器由两个以低电压端/高电压端驱动芯片驱动的MOSFET所组成，可以接受由微控制器或其它低电压控制电路所提供的逻辑位准讯号做为通用型驱动电路，也能够整合到同时包含系统所需所有控制与保护电路的特殊应用集成电路(ASIC)产品中。背光应用中CCFL灯管的亮度必须能够控制降到低位准，而不会发生不稳定或闪烁情况，这可以透过间歇模式(Burst Mode)亮度控制来达成。

在这个模式下，输出到灯管的高频率电流会间歇地以低上许多的频率来加以中断，但却快到足以避开对人眼的影响。透过这样的方式，灯管的平均电流可以藉由改变导通与关闭时间的长度由0～100%来加以调整，同时还能维持固定的波宽调变频率。

在每个间歇动作的开始，必须要对灯管实施和缓启动动作，以便将压力降到最低，并带来最长的灯管寿命。达成的方式是不改变安定频率，但提升半桥式上方开关的导通时间，从较低一直到50%的有效周期率，同时降低下方开关的导通时间，以维持固定停滞时间，让和缓切换能够在和缓启动时间内维持。这代表对于输出电流的控制也可以用来控制最高灯管电流，以提供短路与过载保护。因此，由ASIC驱动、控制所有安定功能，并提供低电压与高电压端输出的半桥式系统的优势就变得相当明显。

LED背光控制性较佳

液晶显示的影像画质与视觉效能受到背光特性的影响，使用一系列LED做为光源的背光系统拥有比CCFL更高的可控制度，以及达成最佳化的更好能力。

LED数组由三个分别为红、绿、蓝的主要颜色组合，以提供整体的白光输出，这让背光的色温可以透过调整各个颜色的强度，满足不同显示环境的需求来达成，例如在电视应用上需要偏黄的温暖背光，而计算机屏幕比较偏好纯白光线。

采用LED数组的背光系统同样也须要细心设计，以便提供色彩以及强度的平均分配，由于LED的色彩会随着电流改变，因此须要提供精确控制的稳定电流，这对LED寿命的最佳化也是必要的条件，光源输出可以透过使用与CCFL应用中相同的间歇模式亮度控制方式来加以改变，同时在这类应用下也最好在每个脉宽调变(PWM)周期提供和缓启动来延长使用寿命。

须为串联LED提供稳定电流

但是就算是相同色彩与型态的LED，在前向压降上都会有显著的不同，同时也会受到温度以及不同LED色彩的影响，因此显然必须为每个组成个别色彩的串联LED提供稳定控制的定电流电源，这包含切换式转换器，因为线性稳压器在以350毫安或更高电流运作的高亮度LED下，会带来无法接受的功率耗损。

在这类情况下，拓朴结构的选择就被局限在降压式或返驰式拓朴结构。降压式较为简单，同时也足够满足不须隔离同时提供给转换器的总线电压高于串联LED总体最高串联压降的场合，而这通常是最常见的情况。

迟滞式降压控制芯片实现更精确电流控制

目前市场上有各种不同的专用控制芯片，可用于采取不同运作方式的应用上，较简单的做法，是在降压式稳压器MOSFET切换开关导通时感测电感器的电流，并对最大值进行稳压。这个方法只需一个低电压端切换开关，但是却有所限制。

首先，它的有效周期率不能超过50%，这代表输入电压必须是LED输出电压的两倍以上，才能让控制回路稳定运作；再者，由于这个方法并不直接对LED电流进行控制，因此无可避免地会造成LED电流在线路与负载上的部分变化，虽然这些变化不大，但可能还是会受到温度所造成LED电流变化的影响，而这正是希望避免的。

透过直接感测LED负载电流，并透过内部浮动高电压端驱动电路进行高电压端MOSFET开关切换的迟滞式降压控制芯片，可以带来较为精确的电流控制。这样的安排，能够让LED电流以及平均电流被精确控制，而非只有最大电流，因而形成一个稳定的闭回路控制电路，并且补偿任何线路或负载的变动。在这种情况下，虽然频率可以自由变动，但却可能高到造成出现眼睛可察觉的干扰，但有效周期率则可以由0%变化到接近100%，因此输入电压只须略高于输出电压即可。

(本文作者为国际整流器公司资深照明系统工程师)