CN100430975C - 一种降低等离子驱动电路中开关损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，电视机的控制器将图像信息数据传送出来时，已经提前处理了下一帧的图像信息，这样就可预先知道下一帧图像的负载大小，也就可判断屏电容的充电、放电时间，可计算出功率管和主开关管之间的动态延迟时间间隔，这时可以在产生控制信号的时候及时动态调整该时间间隔的大小，达到功率器件随着负载的变化其开通和关断电压不变的目的。该方法可以保证主开关管不受屏电容负载影响进行零电压开通和关断，从而大大降低了功率器件的开关损耗。

Description

一种降低等离子驱动电路中开关损耗的方法

技术领域

本发明涉及电子视频显示领域，特别涉及等离子PDP显示器的降低功耗的方法。

背景技术：

近年来，等离子PDP显示器被广泛的用做高分辨率、大屏幕的显示设备，这就使得电视机的整机功耗大幅增加，因此如何降低整机功耗成为研究PDP驱动的一个重要课题。

降低整机功耗包括提高显示屏的性能和进行能量回收两个方面。尤其在PDP驱动系统的设计中，能量回收电路是一个十分关键的环节，能量回收电路即是在维持期，脉冲上沿对电容充电，脉冲下沿对电容放电。屏电容充放电时，所储存的能量将快速消耗在充放电回路的线路电阻和功率管的内阻中。由于充放电的速度很快，所产生的功耗大，因此必须采用相应的技术，在放电的时候将电极电容上的能量储存起来，并将此能量用于下一次电极的充电能量。这样即节省了能量，又不至引起剧烈的震荡以致电路无法正常工作。

通常，PDP的驱动电路采用了大量的MOSFET(如2SK3192等类似器件)或IGBT功率器件，功率器件的主要功耗包括饱和导通损耗、截止损耗和开关损耗。截止损耗等于功率器件的漏电流与漏电阻的乘积，与导通损耗和开关损耗相比，这部分很小可以忽略。导通损耗为功率器件漏极(集电极)电流的平方与导通电阻乘积。减小导通损耗所采用的方法有：1.使用优化的驱动电路，使栅极电压尽量快速上升到要求的电压，进入饱和导通状态，从而减小功率器件经过线性区的时间。但栅极电压的选择有一个范围，过高会影响功率管的稳定工作；2.选用饱和压降低，导通电阻小的功率器件；

开关损耗主要包括功率管在开通和关断的瞬态过程中所产生的功耗。主开关管在硬开关工作时，其工作状态的转换是在全额电流和电压的条件下进行，在转换的过程中产生的瞬态功率损耗很大，其损耗大小与开关管的工作频率成正比。维持期，主开关管的开关频率在200到250KHz之间，工作频率很高，开关损耗很大。

减小开关损耗的方法是减小电路的工作频率或降低开关转换过程中的电流电压值。因为工作频率在系统的整体设计时就已确定，不可能改变。

在实际应用中减低开关转换过程中的电流电压值，就是在系统中加入一定的辅助电路，使主开关管在零电压或零电流的条件下进行开关转换，即采用软开关技术，这样功率管在开关转换电路中的开关损耗在理论上就为0。

能量回收电路的类型很多，如串联LC谐振电路、并联LC谐振电路、L与Cp/2串联谐振电路等等，当然还有其它类型的能量回收电路，但都是基本的串联LC谐振电路和并联LC谐振电路的变形和改进。所有的能量回收电路必须和维持波形产生电路配合工作，才能发挥它们的作用。比较而言，串联LC谐振电路由于效率高，工作可靠，为更多的AC-PDP驱动系统所采用，附图1为串联LC谐振电路。此外，从能量回收电路本身的效率而言，并联LC谐振电路由于充放电的回路很短，回路的阻抗也很小，而串联LC谐振电路的充放电回路长，回路的阻抗也大，因此并联LC谐振电路在回路中所损耗的能量也很小，由并联LC谐振所组成能量回收电路效率也更高。但是在整个驱动系统设计中，减小PDP总体的能量消耗比单纯的提高能量回收本身的效率更为重要。串联LC能量回收电路不但可以用于回收PDP电极电容所储存的能量，将其外加的储能电容的能量再加到电极电容中，从而减小主电源的功率消耗，同时它可以与维持波形产生电路以适当的方式配合工作，从而为维持波形产生电路中的主开关管创造零电压的开通条件。

这样的能量回收电路能够适当的降低开关损耗，但是并没有考虑屏电容负载的动态变化，同时由于能量存储电容电压纹波和功率器件恒定开通和关断时间间隔的影响，不能确保功率器件在200KHz左右的工作频率下零电压或零电流下开通和关断，因此功耗依然很大。

发明内容

所以，本发明的目的是提供一种降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，该方法可以保证主开关管不受屏电容负载影响进行零电压开通和关断，从而大大降低了功率器件的开关损耗。

本发明的另一个目的提供一种降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，该方法利用是动态调整开关时间开通和断开的时间间隔的大小，达到功率器件随着负载的变化其开通和关断电压不变的目的，从而降低功率器件的开关损耗。

基于此，本发明是这样实现的：

一种降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，该方法包括如下步骤：

a、读取图像信息数据；

b、判断图像信息数据处理所需的驱动电路负载大小；

c、根据上述的负载判断能量回收电路中屏电容的充电、放电时间；

d、根据上述的时间及负载的大小确定出能量回收电路中功率管和主开关管之间的动态延迟时间间隔；

e、根据上述的时间间隔向主开关管发出零电压开通和关断的控制信号。

在实际的操作中，电视机的控制器将图像信息数据传送出来时，已经提前处理了下一帧的图像信息，这样就可预先知道下一帧图像的负载大小，也就可判断屏电容的充电、放电时间，可计算出功率管和主开关管之间的动态延迟时间间隔，这时可以在产生控制信号的时候及时动态调整该时间间隔的大小，达到功率器件随着负载的变化其开通和关断电压不变的目的。

所述的降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，其所读取的图像信息数据是从显示器的控制器中读取已经提前处理的下一帧的图像信息数据。

所述的降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，当负载发生变化时，其对应的屏电容的充电、放电时间，和功率管与主开关管之间的动态延迟时间间隔也发生变化，此时，设定校正系数，通过校正系数动态调整动态延迟时间间隔。

上述的动态延迟时间间隔的校正系数，可根据负载的等级确定。图像负载等级是根据降低开关损耗的需要划分的，其划分方式一般是由测试确定的，从原理上来说等级划分的越多，主开关管在开通和关断的时候时D、S之间越接近零电压，但在实际应用中等级增加到一定程度，主开关管在开通和关断时相邻等级之间D、S的电压差已经很小，对开关损耗的影响可以忽略，此时没有必要再去增加等级个数，等级个数可以通过实验测试确定，且和不同厂家生产的屏性能参数有关。

第一步，设定主开关管和能量回收功率管开通的时间延迟t，

该主开关管和能量回收功率管开通的时间延迟t应大于图像信息为0负载时能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t0；

第二步，测定中等负载时能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间td；

第三步，设定多个负载等级，

负载等级可以平均设定，也可以随机设定；

第四步，测量出上述的多个负载等级能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t1、t2、t3、t4、t5……；

第五步，计算校正系数，校正系数K的计算公式为：

K＝t/td，其中t是指多个负载等级能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t1、t2、t3、t4、t5……；

对于中等负载的情况下，K＝1。

在电视机的内部控制中，也可事先设定这个时间延迟t及中等负载时的td，在实际的控制过程中，只涉及负载等级的确定和校正系数的计算。

具体的确定等级的具体方法及校正系数的计算方法(以维持期的上升沿即主开关管开通时为例进行说明)如下：

●首先将主开关管和能量回收功率管开通的时间延迟设为t，t应大于图像信息为0负载时能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t0，这样便于在示波器上测量，按目前实验结果，t一般应该大于0.5us(这跟屏的性能有关)，将图像信息为50％即中等负载时能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间定为td(td＝t5)；

●在PDP显示屏依次输入0、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％不同图像负载(可用信号发生器或电脑VGA输入)，开机状态时用示波器量出不同图像负载是能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10；

●不同等级的校正系数即可通过下表确定；

需要说明的是：上面是以11个等级只是简单说明了等级划分和校正系数的确定方法，在实际上所要划分的等级个数是可变的，如5个等级或7个等级等等，同样，当然测试时，图像负载也可以不按特定的比例增长，而是随机增长如15％、32％等等，都是可以的，这些情况都可以由电视机的性能根据实验及实际测试确定。

本发明采用动态判断动态延迟时间间隔的方法，将以前能量回收电路中所固定的时间间隔根据屏电容和负载的变化进行及时调整，使本发明即可应用于原有的中等负载情况，也可适应于重负载和轻负载的情况，能够使能量回收电路的主开关达到零电压开通和关断的目的，从而大大降低了功率器件的开关损耗。

附图说明

图1为现有的串联LC谐振电路，

图2为本发明维持电路工作原理图，

图3为电路输出波形图，

图4为时间间隔随负载变化图，

图5为本发明的控制流程图。

具体实施方式

附图2是我们设计中所采用的维持波形产生电路原理简图，附图3是X电极和Y电极输出波形，能量回收电路与维持电路共同配合进行工作，产生所需的驱动波形。PDP工作时，在X电极和Y电极上产生附图3所示的交变电压，这时如果图像数据为1，X、Y之间放电发光，如为0，则不发光。

在说我们如何降低主开关管开关损耗的方案之前，先简单说一下此电路的工作原理(结合图2和图3，以X维持为例，Y电极工作原理和X电极工作原理相同)：

1.在图3中0时刻，之前T1、T2、T3、T4都是截止的，此时将X能量回收上管T4开通，储能电容CSX的能量通过T4、D2、L1给屏电容Cp充电，Td时刻谐振电路对屏电容充电达到最大值Vcs，此时将主开关管T1开通，Vs电压经T1将屏电容电压升到Vs。

2.下降沿与此类同，Tb时刻将能量回收下管T3开通，屏电容能量经L1、D1、T3将能量存储在电容CSX上，Te时刻CSX储存电压达到最大值，此时将X维持下管T2开通，将屏电容左侧电压降为0。

传统的能量回收电路中，能量回收和主开关管开通和关断的时间间隔是恒定的(附图3中Td所示)，通常Td是在中等负载的时候确定的。但我们知道，屏电容不是恒定的，和图像有着直接的关系，而图像是时刻变化的，这是屏电容也在变化，当偏离中等负载时，在Td时刻，能量谐振回路没有达到最大值，起不到应有的效果。

附图3是PDP工作在维持期时，能量回收与主开关管输出波形图，附图4是X维持波形上升沿的放大显示。由图4中可以看出，中等负载时(图4中的粗实线)，屏上的电极电压在Td时刻通过震荡回路充电达到最大值Vcs，此时将主维持开关管开通，基本上是零电压(Vz)开通。然而在重负载(附图4中的细实线)时，屏上的电极电压在Td2时刻通过充电提前达到最大值，开通时电压为Vz+Ve2；轻负载(附图2中的虚线)时，屏上的电极电压在Td1时刻才能通过充电达到最大值，开通时电压为Vz+Ve1，因此按中等负载设计延迟时间，会因负载的不同而使功率器件不能实现零电压开通，下降沿也是如此。如果我们把Td设计成随着负载的不同而动态可变的，那这个问题就能得到很好的解决。

我们知道，在控制器将图像信息数据传送出来时，已经提前处理了下一帧的图像信息，这样就可预先知道下一帧图像的负载大小，这时可以在产生控制信号的时候动态调整Td的大小，达到功率器件随着负载的变化其开通和关断电压不变的目的，这种方法执行速度也很快。程序执行框图见附图5，R、G、B信号输入后，经过负载统计模块确定负载大小，从而确定出校正系数K，这时Td变成了K*Td，确定出能量回收功率管和主开关管之间的动态延迟时间，经控制信号产生模块产生使主开关管零电压开通和关断的控制信号。

校正系数K的确定方法：

当负载统计模块统计出负载大小的时候，我们可以把负载分成几个等级，等级越多，精度就越高，根据实验结果确定各负载所对应的校正系数，然后传送给控制时序产生模块，其执行方式见附图5(以5个等级为例)。

图像负载等级是根据降低开关损耗的需要划分的，其划分方式一般是由测试确定的，从原理上来说等级划分的越多，主开关管在开通和关断的时候时D、S之间越接近零电压，但在实际应用中等级增加到一定程度，主开关管在开通和关断时相邻等级之间D、S的电压差已经很小，对开关损耗的影响可以忽略，此时没有必要再去增加等级个数，等级个数可以通过实验测试确定，且和不同厂家生产的屏性能参数有关。

确定等级的具体方法及校正系数的计算方法结合下面进行说明，且以维持期的上升沿即主开关管开通时为例进行说明，关断时亦如此：

●首先在电视机控制器的FPGA内部的程序中，控制将主开关管和能量回收功率管开通的时间延迟设为t，t应大于图像信息为0负载时能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t0，这样便于在示波器上测量，按目前TCL电视机的实验结果，t应该大于0.5us(这跟屏的性能有关)，将图像信息为50％即中等负载时能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间定为td(td＝t5).

●在PDP显示屏依次输入0、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％不同图像负载(可用信号发生器或电脑VGA输入)，开机状态时用示波器量出不同图像负载是能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10。

●不同等级的校正系数即可通过下表确定。

其变化曲线如图4所示。

备注：上面是以11个等级为例说明了等级划分和校正系数的确定方法，实际上上述的等级个数是可变的，如5个等级或7个等级等等，当然测试时图像负载也不一定按比例增长，如15％、32％等等，都是可以的，这可以根据实验确定。

对具体图像信息，这时可以在产生控制信号的时候动态调整Td的大小，达到功率器件随着负载的变化其开通和关断电压不变的目的。

PDP在工作过程中，大部分的能量是消耗在维持期，目前维持期的工作频率基本保持在200K～250K之间。由于开关频率较高，MOSFET的主要功耗是开关损耗。采用本发明所说的能量回收电路，使主开关管零电压开通和关断，可以大大降低功率器件的功耗。通过实验验证，全屏黑且屏上加有高压驱动波形的时候，传统能量回收电路的主开关管的电流是0.42A，改进后的能量回收使主开关管在零电压下开通和关断，电流降为0.29A，当然这和屏的性能有直接的关系，但功率降低的效果非常显著。

Claims (7)

1一种降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，该方法包括如下步骤：

a、读取图像信息数据；

b、判断图像信息数据处理所需的驱动电路负载大小；

c、根据上述的负载判断能量回收电路中屏电容的充电、放电时间；

d、根据上述的时间及负载的大小确定出能量回收电路中功率管和主开关管之间的动态延迟时间间隔；

e、根据上述的时间间隔向主开关管发出零电压开通和关断的控制信号。

2如权利要求1所述的降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，其特征在于其所读取的图像信息数据是从显示器的控制器中读取已经提前处理的下一帧的图像信息数据。

3如权利要求1所述的降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，其特征在于当负载发生变化时，其对应的屏电容的充电、放电时间，和功率管与主开关管之间的动态延迟时间间隔也发生变化，此时，设定校正系数，通过校正系数动态调整动态延迟时间间隔。

4如权利要求3所述的降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，其特征在于上述的动态延迟时间间隔的校正系数，可根据图像的负载等级确定；图像负载等级是根据降低开关损耗的需要划分的。

5如权利要求4所述的降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，其特征在于校正系数及负载等级的确定方法为：

第一步，设定主开关管和能量回收功率管开通的时间延迟t，

第二步，测定中等负载时能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间td；

第三步，设定多个负载等级；

第四步，测量出上述的多个负载等级能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t1、t2、t3、t4、t5……；

第五步，计算校正系数，校正系数K的计算公式为：

K＝t/td，其中t是指多个负载等级能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t1、t2、t3、t4、t5……。

6如权利要求5所述的降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，其特征在于该主开关管和能量回收功率管开通的时间延迟t应大于图像信息为0负载时能量回收功率管D/S两极电压由零升到最大值的时间t0。

7如权利要求5所述的降低等离子驱动电路中开关损耗的方法，其特征在于对于中等负载的情况下，校正系数K＝1。

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