- 背景光光源CCFL與LED比較
- 用于背景光轉換器的變壓器
- 變頻控制系統
- LED各方向發光不均勻
- 白色LED的壽命比較短
- 壓電變壓器(PZT)為CCFL提供新的優勢
傳統上，CCFL所需要的高運行電壓和高激發電壓是由高匝數比繞線式磁性變壓器來提供。壓電變壓器(PZT)的最新進展為背景光應用提供了許多潛在的優勢，包括效率更高、體積更小、電磁噪聲更低、可得到的激發電壓更高、不可燃和正弦運行等。
本文討論了一種基于壓電變壓器的高效背景光供電解決方案，它采用UCC3977(推挽控制器)和松下壓電變壓器EFTU11RoMX50和EFTU18R0Mx50。
背景光光源
CCFL通常作為筆記本電腦和便攜電子設備的彩色液晶顯示(LCD)的背景光源，CCFL是目前最高效的顯示器背景照明光源。由于運行CCFL需要高交流電壓，所以需要高壓DC/AC逆變器。基于PZT的逆變器可以提供正弦輸出電壓，這非常有助于減小RF輻射。RF輻射可能干擾其它電子設備，并可能降低整個系統的運行效率。另外，基于PZT的逆變器所產生的正弦激勵還可以在CCFL中產生最優的電流到光的轉換效率。CCFL的工作電壓比其它光源的電壓要高很多，通常需要300到800伏交流電(取決于燈的長度)，但整體功耗非常低。
最近出現了一種非常明亮的白光輻射二極管(LED)。在LCD顯示器、蜂窩電話和PDA應用中，它是CCFL的一個強勁的競爭對手。但是，當使用白光LED作為顯示器的背景光時需要注意以下問題:
a.幾乎所有的LED制造商都以新燭光(cd)為單位給出光強度。通常這個值都非常高，但它表示的是在最亮方向的數據。視角和LCD的亮度通常成反比，由于LCD總的光輸出覆蓋更大的范圍，在任何給定的方向，視角越寬則亮度越低。相同光通量輸出的一系列LED通常按不同的截面和光強度出售。在20度視角光強度可能達到6.4cd，在70度視角可能有0.48cd，而在160度視角光強度可能幾乎為零。由于照明一致性對舒適感和視覺性能非常重要，所以，為在顯示器上提供一致的照明，需要多個LCD以串聯或并聯方式連接起來。
b.這些白色LED的壽命比較短。在運行大約1000小時之后，它們將變黃并在一定程度上變暗，這對彩色顯示器來說是不能接受的。當然，在超過LED額定電流條件下運行還將加速這個過程。
c.由于LED基本上屬于電流驅動器件，如果這些LED不能良好地分享電流，可能會引起顯示器局部的光線不均衡。在這種情況下，可以對每個LED都加上均衡電阻，但這將降低整個系統的效率。
d.還有一個主要的缺點是成本高，其批量售價每支2.3美元起，比相同亮度的單只CCFL貴。
當使用這些作為光源時，需要考慮的是你要用它做什么。如果你關心的只是燈的點亮度，那么應考慮峰值光強度；如果你需要光的擴散效果，選擇合適的輸出截面則非常重要；在需要對較大的顯示面積提供照明或液晶顯示器的背景照明，以及需要燈具有長使用壽命時，小型CCFL是優選方案。
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用于背景光轉換器的變壓器
磁性變壓器和壓電變壓器的發展使我們可以構造出高效、小體積轉換器。變壓器的選擇取決于多種因素，其中包括成本、體積和效率。例如，同PZT變壓器相比，在一個給定的功率水平，磁性變壓器可能更厚、更重且效率更低，但它具有成本低，而且可以在更寬的負載條件下工作的優點。PZT變壓器具有固有的正弦運行特性、高激發電壓、不可燃和無電磁噪聲的優點。磁性變壓器和壓電變壓器的比較見表1所示。
陶瓷壓電變壓器是在1956年由C.A.Rosen最先提出。與依賴于電磁能量轉換的磁性變壓器不同，壓電變壓器把電動勢轉換成機械能。電能到機械能的轉換稱為逆壓電效應，而機械能到電能的轉換稱為正壓電效應。
PZT變壓器的材料和工藝決定了它們的的工作特性，而每一個制造商都有它們獨特的材料和結構層的“配方”，制造PZT的常用材料是鋯酸鉛和鈦酸鉛。單層PZT成本較低并易于制造但電壓增益比較小(典型值為5~10)，并可能需要一個升壓磁性變壓器才能使燈具運行。多層PZT的設計制造難度更大，但具有更高的電壓增益(20~70)。
圖1為一個用于CCFL供電的典型長模式PZT。該壓電變壓器包含一些用于能量轉換的長方形壓電陶瓷層，還帶有一對初級電極(用于輸入)和一對次級電極(用于輸出)。輸入到初級電極的電信號以壓電方式轉換成機械震動，這些機械震動傳送到陶瓷層的次級，在那里機械震動以壓電方式轉換成一個高電平輸出。整個轉換過程只消耗很少的能量。
要預測PZT在系統中的性能，有必要建立它的電路模型。圖1所示的電路模型通常用于描述長模式PZT在基本諧振頻率附近的性能。許多PZT制造商都基于在各種頻率和輸出負載下的測量結果提供該模型的元件值，具體元件值取決于PZT的構造。初級電極的多層結構和材料電介質常數形成了一個大的主級輸入電容(Cinput)。由于次級的單層結構和主級電極和次級電極之間的距離，輸出電容要小很多。
圖3顯示了松下1.8WPZT(元件型號為EFTU11R8MX50)增益(Voutput/in)相對于輸出負載和頻率的特性關系曲線。這個PZT對圖2等效電路的等效元件值分別為：Cinput=61.6nF，Coutput=11.4pF，n=35，串聯RLC=(0.66Ω，0.934mH，2.79nF)。如圖3所示，在無負載條件下陶瓷變壓器提供高Q值和增益，并產生高激發電勢。一旦熒光燈激發之后，變壓器則帶有了負載。負載引起變壓器增益下降和諧振頻率移動。為實現在一個單向控制電路下激發并運行熒光燈，壓電變壓器通常工作在諧振峰的右側。
變頻控制系統
圖4給出了一個基于PZT的背景光轉換器的簡化功能圖。PZT由一個幅度正比于輸入電壓的諧振功率級驅動，它提供驅動熒光燈所需要的電壓增益。圍繞著誤差放大器形成了一個控制環，誤差放大器把平均熒光燈電流同參考信號(REF)相比較，以便于對熒光燈的光強度進行調節。控制電壓Vc驅動用來確定諧振功率級的運行頻率的壓控振蕩器(VCO)。
VCO的頻率范圍必須包含PZT的激發和運行頻率。降低這個可編程的頻率范圍可以改善反饋回路的控制響應。例如，圖5中的PZT所使用的頻率范圍為100kHz。為保證控制回路一直在PZT諧振峰的右側工作，PZT的增益必須保證在最小的輸入電壓下仍具有足夠高的熒光燈電壓。[page]
電源拓撲
一個以諧振推挽拓撲控制壓電變壓器的電路如圖5所示。這個拓撲使用了兩個標準電感(L1和L2)，通過UCC3977控制器和MOSFETS1和S2，這兩個電感在50%的占空比產生180度的相移。這個推挽電路優點是可以提供從直流輸入電壓到壓電變壓器初級的電壓增益，并通過這兩個電感和PZT初級電容之間的LC關系實現諧振。
與磁性變壓器電路不同，基于PZT的電路使用頻率而不是占空比來控制熒光燈電流。UCC3977包含一個在COMP和OSC引腳之間形成的可編程的VCO，該VCO用來設定該系統的工作頻率范圍(它必須包含PZT的激發和工作頻率)，熒光燈電流可以在FB引腳進行測量并由PZT的增益/頻率的特性進行控制(參見圖3)。為保證控制回路一直工作在諧振峰的右側，PZT的增益必須在最小輸入電壓下提供足夠高的熒光燈電壓。
MOSFETS1和S2以50%的占空比被驅動產生相移。電感L1和L2同PZT初級電容諧振，在S1的漏極和S2的漏極形成了半正弦波形。在PZT的初級兩端所得到的電壓波形接近正弦。由于陶瓷變壓器的高Q值，熒光燈電壓是正弦的，在這個應用中大約為300V。
為實現零電壓切換，漏極電壓必須在下一個切換周期以前回零，這要求LC諧振頻率要大于切換頻率。滿足這個條件的最大電感可以從下式得到：
公式1
其中Cp是PZT的主級電容。
采用推挽拓撲結構、額定功率分別為1W和1.8W的多層PZT驅動一個300伏熒光燈，在電流為3mA時，在較低的輸入電壓范圍內效率超過87%。在高輸入電壓范圍，由于PZT增益降低而導致效率下降。
以線性方式降低熒光燈的電流來調光將導致效率下降。由于系統在低于最優增益的條件下運行，壓電變壓器電路的光負載效率降低。使用脈沖調光技術可以改善效率，這種方法以高于肉眼能察覺的頻率(>100Hz)通過調制占空比的通斷來控制熒光燈的平均電流，從而使熒光燈一直在全電流下工作。
圖6顯示了基于壓電變壓器電路的脈沖調光波形。一個外部驅動信號(曲線4)用來給定工作周期和脈沖串的頻率，在本例中，在50%的工作周期脈沖串的頻率為100Hz。曲線1是反饋網絡的COMP引腳的信號，用來設定工作頻率。熒光燈電壓如曲線3所示。這些圖片是使用數字示波器得到，所以存在混迭現象。熒光燈的激發電壓幾乎檢測不到，因為燈已經是熱的并從前面的脈沖串周期運行過來。
本文給出了壓電變壓器用于背景光轉換器時作為升壓變壓器使用的特性，討論了可以滿足CCFL熒光燈高壓需求的壓電變壓器的工作原理，給出了一個使用UCC3977的基于PZT的高效背景光供電方案。由于基于PZT的背景光轉換器的諧振功率電路可以提供正弦電壓，從而提高了光電效率，熒光燈的亮度可以采用線性或脈沖調光技術進行控制。整體效率(可以達到86%以上)的提高延長了電池供電系統的運行時間。
