CN101202516A - 混合模式直流/交流逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直流/交流逆变器和一种相应的方法。这种用于驱动负载的DC/AC逆变器包括一个直流电源用于提供直流输入电压，包括一个与直流电源相连的变换器电路用于将直流输入电压转换为一个交流信号用于驱动负载，以及一个与变换器电路相连的控制电路，用于设定交流信号的频率。该控制电路还可根据直流输入电压和负载的状况以固定频率模式和可变频率模式操作DC/AC逆变器。

Description

混合模式直流/交流逆变器
技术领域
本发明系关于一种直流转交流变换电路，具体为用于液晶显示(LCD)背光的直流/交流(DC/AC)逆变器。
背景技术
液晶显示面板广泛用于从便携式电子设备到固定单元的各种应用中，例如摄像机、笔记本电脑以及工业机械。液晶显示面板本身并不发光，而是需要使用一个光源来照明。最常用的背光光源是冷阴极荧光灯(CCFL)。然而，CCFL的点灯和工作需要一个高交流电压。通常点灯电压约为1000伏，工作电压约为500伏。要使用直流电源(例如可充电电池)生成如此高的交流电压，就需要设计DC/AC逆变器。
除了输送所需的交流高电压信号之外，DC/AC逆变器在提高效率和可靠性、缩减尺寸以及降低成本方面的要求也越来越高。另外，DC/AC逆变器还需要提供纯正正弦波形的交流电压信号，以便于将射频电磁散射降到最低并为CCFL提供最佳的电流至亮度转换。相反，峰值因数(crest factor)高的不规则正弦波则会降低CCFL灯管的使用寿命。所谓峰值因数是指的灯管峰值电流与灯管平均电流之比。
以工作频率来划分，当今的DC/AC逆变器可以分为两类，即固定工作频率和可变工作频率。第5,619,402号美国专利即披露了一种固定工作频率的DC/AC逆变器，其内容已完全参照并援引于本申请中。这种DC/AC逆变器无视直流输入信号和负载情况，具有恒定的工作频率。因此，尽管在直流输入信号相对低和负载相对大的情况下这种DC/AC逆变器具有高效、可靠和电磁干扰低的优点，在直流输入信号相对高或者负载相对小时，灯管电流的峰值因数就会很高，造成背光灯管的使用寿命缩短。
如图1所示，“降压/Royer”电路100为一种典型的工作频率可变的DC/AC逆变器。电路100本质上是由步降式降压稳压器110和一个包含步升变压器121的自谐Royer振荡器120组成的。步降式降压稳压器110将来自电池或可能来自电源线的未经整流的直流输入信号Vdc转变为一个自谐Royer振荡器120额定输入范围内的稳定电压。自谐Royer振荡器120由升压变压器121、两个电源开关123和125、谐振电容127、基极绕组129、安定电容131以及脉宽调制(PWM)控制器130组成。电路100的工作频率设定为相当于某个谐振频率。该谐振频率则取决于由升压变压器121、谐振电容127、基极绕组129安定电容131以及CCFL负载组成的谐振电路。因此，随着CCFL负载状况的变化工作频率会动态变化。这种工作模式称为可变工作(频率)模式。
第5,430,641号，第5,619,402号，第5,615,093号和第5,818,172号美国专利为可变工作频率DC/AC逆变器的一些衍生拓扑结构。虽然以上专利披露的DC/AC逆变器其交流信号具有良好的峰值因数，却都无一例外地具有转换效率低、经过两级功率变换、电磁干扰高的缺点。另外，当负载大或者短路时，DC/AC逆变器中的变压器上会出现很高的磁通密度。由于该高磁通密度，变压器可能饱和，DC/AC逆变器内部的元件可能损坏。
因此，传统的固定工作频率和可变工作频率DC/AC逆变器都有缺点。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种用于驱动负载的DC/AC逆变器。这种DC/AC逆变器包括一个直流电源用于提供直流输入电压，包括一个与直流电源相连的变换器电路用于将直流输入电压转换为一个交流信号用于驱动负载，以及一个与变换器电路相连的控制电路，用于设定交流信号的频率。该控制电路还可使用固定频率模式和可变频率模式操作DC/AC逆变器。
本发明的另一实施例提供了一种将直流电信号转换为交流电信号以驱动负载的方法。该方法的步骤包括设定一个预设阈值条件，以固定频率模式工作，其中对应交流电信号频率的一个固定频率被保持在一个相对恒定的频率，以可变频率模式工作，其中对应交流电信号的频率根据一个谐振电路对应的谐振频率变化，以预设阈值条件的函数在固定频率模式工作和可变频率模式工作之间切换。
本发明的另一实施例提供了一种系统。该系统包括一个显示(设备)，一个与显示设备相连的光源用于提供光线并从显示设备中发射出来，一个与显示设备相连的处理单元用于生成数据以在显示设备上显示，以及一个与光源相连的控制器，该控制器可自动在恒定频率或谐振频率中选择以选择最佳的工作频率。
附图说明
后文具体实施方式结合以下附图进行，将使得本发明之优点显而易见。
图1为现有技术“降压/Royer”电路100的示意图。
图2为本发明实施例提供的一种DC/AC逆变器的块图。
图3为本发明实施例提供的一种DC/AC逆变器的示意图。
图4为图3所示的DC/AC逆变器工作于固定频率模式时的各种波形。
图5为图3所示的DC/AC逆变器工作于可变频率模式时的各种波形。
具体实施方式
以下具体实施方式中所提及之实施例系用于说明本发明而非将本发明之范围限制于所述实施例的范围内。相反，本发明之发明范围涵盖由权利要求书所界定的发明精神和发明范围内的所有替换物、变体和等同物。
图2为本发明实施例提供的一种示例性DC/AC逆变器200的块图。DC/AC逆变器200从直流电源210接收一个直流输入信号VIN并提供一个高压交流输出信号VOUT给负载230。直流电源210可以是电池、适配器等。负载230通常为一个或者多个用于LCD面板背光照明的放电灯管，例如CCFL。DC/AC逆变器200主要由变换器电路220和控制电路250组成。变换器电路220包括多个开关和一个变压器，用于直流到交流信号的变换。控制电路250与变换器电路220相连，用于提供一个调光控制信号。调光控制信号通过控制变换器电路220中各个开关的导通状态可调整交流输出信号VOUT的振幅或频率，进而调整负载230的亮度。
另外，为了使交流输出信号得到最佳的振幅和频率，控制电路250可自动根据直流输入信号的电压值和负载情况工作于固定频率模式或可变频率模式。当直流输入信号电压相对低或者负载相对大时，可提供一个恒定频率的斜坡信号给控制电路250，控制电路250就以固定频率模式工作。当直流输入信号电压相对高或者负载相对小时，则提供可变频率的斜坡信号给控制电路250，控制电路250就以可变频率模式工作。换言之，可根据直流输入电压和负载情况预设一个阈值，达到该阈值时即进行固定频率模式和可变频率模式之间的转变。
斜坡信号可由与控制电路250相连的振荡器260提供。振荡器260还与检测器270和RC网络280相连，检测器270和RC网络280分别确定可变频率和固定频率的值。检测器270检测谐振电路290的谐振频率，谐振电路290由电源传动和负载230组成，电源传动包括变换器电路220中的谐振元件。当直流输入信号VIN相对高或负载相对小时，检测器270将生成一个频率等于上述谐振频率的SYNC信号并将该SYNC信号发送给振荡器260，振荡器260进而根据该信号生成斜坡信号。在此情况下，斜坡信号的频率为可变频率，控制电路250以可变频率模式工作。交流输出信号的频率最终根据谐振频率而变化。当直流输入信号相对低或者负载相对大时，检测器270生成的SYNC信号的频率将会是一个恒定值，控制电路250将会以固定频率模式工作。在此情况下，斜坡信号的频率恒定，由RC网络280确定，进而控制电路250以固定频率模式工作。交流输出信号的频率最终设定为由RC网络280确定的恒定频率。
另外，为了严格控制负载230的亮度，DC/AC逆变器200使用了一种闭环设计。为了实现这种闭环设计，在控制电路250和负载230之间连接了一个回馈电路240，用于检测流经负载230的电流。回馈电路240还可包括一个电压回馈，用于电路保护。
图3为一种DC/AC逆变器的示例性示意图300。参照图3，电路300由直流电源310、变换器电路320、负载330、回馈电路340、控制电路350、振荡器360、检测器370和RC网络380组成。直流电源310包括一个电池301，用于提供直流输入信号VIN。变换器电路320包括多个开关321、323、325和327，包括变压器329以及电容331和333。上述多个开关可以由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)组成，以对角开关对的方式放置。如图3所示，开关321和323串联，位于直流输入信号VIN和地极之间，两个开关的一个共同节点连接到变压器329的一端。开关325和327串联，位于直流输入信号VIN和地极之间，二者的一个共同节点连接到变压器329的另一端。两个对角开关对确定直流输入信号VIN和变压器329之间的交替导通路径。直流输入信号VIN通过流经交替导通的路径转换为一个中间交流信号。该中间交流信号再由变压器329升压变成交流输出信号VOUT。
如前已述，控制电路350通过控制多个开关的导通状态可调整交流输出信号VOUT的振幅或频率。在此多个开关的导通状态是由来自控制电路350的驱动信号DRV1到DRV4控制的。控制电路350还与振荡器360相连以接收斜坡信号，还与回馈电路340相连以接收回馈信号(FB)。控制电路350根据接收到的斜坡信号和回馈信号生成上述的驱动信号。
参照图3，控制电路350可由比较器351、脉宽调制(PWM)选择器353、先断后合(BBM)电路355和357以及驱动电路359、361、363和365组成。比较器351通过比较斜坡信号和回馈信号生成一个PWM信号。PWM选择器353通过定义不同的动作边沿(action edge)，例如上升沿和下降沿，从该PWM信号生成两个PWM信号，即PWM1和PWM2。这两个PWM信号再分别发送给BBM电路355和357。在每个BBM电路中，输入的PWM信号再转换为两个互补的信号。每个互补的信号再由驱动电路359、361、363和365中的一个驱动电路转换成一个驱动信号。如图3所示，驱动电路359生成驱动信号DRV1并发送给开关321，驱动电路361生成驱动信号DRV2并发送给开关323，驱动电路363生成驱动信号DRV3并发送给开关325，驱动电路365生成驱动信号DRV4并发送给开关327。由于BBM电路355的存在，开关321和323可以保证不同时导通。与之类似，由于BBM电路357的存在，开关电路325和327可以保证不同时导通。另外，控制电路350通过控制斜坡信号可以以固定频率模式或可变频率模式工作。最终使得DC/AC逆变器生成最佳振幅和频率的正弦波并提供给负载330。
斜坡信号由振荡器360、RC网络380和检测器370共同控制。RC网络380由电阻381和电容383组成，二者串联并位于直流输入信号VIN和地极之间。
检测器370包括与门(AND gate)391、比较器393、第一边沿触发器395、第二边沿触发器397以及或门(OR gate)399。
比较器393的非反相输入端通过电线LX1连接到开关321和323的共同节点，反相输入端则通过电线LX2连接到开关325和327的共同节点。比较器393的输出端与两个边沿触发器395和397相连。边沿触发器395和397的输出再提供给或门399作为其输入。最终，或门399输出上述的SYNC信号。实际工作中，检测器通过检测对角开关对的零交叉电流(zero crossing current)来追踪上述谐振频率，该谐振频率由变换器电路320内部的谐振元件和负载330决定。对角开关对的电流可由电线LX1和LX1表明。如果检测到零交叉电流，则追踪谐振频率，信号SYNC表现为具有谐振频率的方波，同时表明选择可变频率模式。或者不追踪谐振频率的情况下信号SYNC大小恒定，表明选择固定频率模式。
另外，比较器只在开关323和327都导通时检测零交叉电流，使得与门391可用于对驱动信号DRV2和DRV4执行与运算并生成一个使能信号给比较器393。基于该使能信号，可保证当开关323和327都导通时检测零交叉电流。另外，如上已述，边沿触发器395和397连接到PWM选择器353来定义动作边沿。
振荡器360与RC网络380中的电阻381和电容383的共同节点385相连，斜坡信号即在此生成。振荡器360还连接到检测器中的或门399的输出端，以接收信号SYNC。如图3所示，振荡器360可由第一比较器367、第二比较器369、触发器371、或门373和放电开关375组成。第一比较器367和第二比较器369形成一个电压比较器。第一比较器367的非反相输入端接收一个低阈值电压，例如50mV。第二比较器369的反相输入端接收一个高阈值电压VIN/N，其中N可为整数。第一比较器367的反相输入端和第二比较器369的非反相输入端连接到节点385，用于接收斜坡信号。根据斜坡信号与高电压阈值和低电压阈值的比较结果，从第一比较器367的输出端发送一个设定信号(ST)到触发器371的设定(S)端，从第二比较器369的输出端发送一个重置(RST)信号给或门373。同时，或门373从检测器370接收SYNC信号。或门373的输出端连接到触发器371的重置(R)端。触发器371的输出用于控制开关375的导通状态。开关375连接在节点385和地极之间。根据直流输入信号VIN和负载的状况，节点385上生成的斜坡信号要么具有上述恒定频率，要么具有上述可变频率。恒定频率由RC网络380中的电阻381的阻值和电容383的容值确定。可变频率则等于检测器370追踪到的谐振频率。控制电路350根据斜坡信号决定工作与固定频率模式或可变频率模式。
另外，本领域技术人员将理解，回馈电路340可使用任何常用于检测流经负载330的电流的电路。鉴于回馈功能与本发明不是密切相关，回馈电路340的详细描述略去不表。本领域技术人员还应该理解，除了在此给出的拓扑结构之外，变换器电路320可以配置为其它熟知的拓扑结构，例如半桥，推挽等，控制电路350也将采用相应的配置来驱动变换器电路320中的开关。对于各种配置而言，本发明提供的控制电路350都可自动以固定频率模式或者可变频率模式运行。
参照图4和图5，以下将详细描述图3所示的DC/AC逆变器工作过程。假定考虑了直流输入信号VIN的某个阈值并且负载状况已经预先确定，当直流输入信号VIN不超过一个预设的电压值或负载大小大于某个预设值时，阈值未达到，控制电路350工作于固定频率模式。图4所示即为固定频率模式下的各种波形。
参照图4，可以看到控制电路350的工作频率，或者说PWM信号的频率由波形415表示，该频率由斜坡信号的一个放电和充电周期决定，该斜坡信号由波形413表示。当斜坡信号降低到低阈值电压，也就是50mV时，设定信号ST被触发，放电开关375断开。斜坡信号的放电周期结束，充电周期开始。当斜坡信号上升到高阈值电压，也就是VIN/N时，波形407代表的重置信号RST被触发，放电开关375导通。斜坡信号的充电周期结束，放电周期开始。本领域技术人员将理解，充电和放电速度是由RC网络380中的电阻381和电容383决定的。因此，上述工作频率以及充电和放电周期都是由预设的高电压阈值和低电压阈值以及电阻381的阻值和电容383的容值决定的。
由恒定频率控制，对角开关对将不会同时具有零交叉电流，分别如波形403和405所示。波形403和405分别为电线LX1和LX2中的电压。这些电压可表明流经对角开关对的电流，因此波形403和405的零电压交叉就表明两个对角开关对的零电流交叉。由波形403和405可以看出，两个对角开关对不会同时发生零交叉电流。没有同步零交叉电流的情况下，信号SYNC就会具有恒定的大小，如波形407所示。另外，波形401代表流经图3所示的变压器329基极绕组的电流Ipri。波形411代表回馈电路340提供的回馈信号。回馈信号与斜坡信号交叉，并决定PWM信号的占空比。
控制电路350将一直保持在固定频率模式，直到达到阈值。换言之，如果直流输入信号VIN超过预设电压值或者负载小于预设值，通过检测电线LX1和LX2上的同步零交叉电压就可追踪到谐振频率。图5即为可变频率模式下的各种波形。
参照图5，可以看到控制电路350的工作频率，亦即波形515所示的PWM信号的频率，还是由斜坡信号的充电和放电周期决定，斜坡信号如波形513所示。与图4所示的波形413不同，斜坡信号不能充电达到预设的高阈值电压VIN/N，因此工作频率不再由预设高电压阈值和低电压阈值以及电阻381的阻值和电容383的容值决定。
实际上，此时工作频率和斜坡信号的充电和放电周期是由信号SYNC的频率决定的，信号SYNC如波形507所示。信号SYNC的频率进而反映了谐振频率，是由检测电线LX1和LX2的零交叉电压得来。如波形503和505所示，当电线LX1和LX2上的电压同步零交叉时，就会触发波形507中的一个脉冲。参照图3，该脉冲将重置触发器371，触发器进而接通放电开关375。因此，斜坡信号的充电周期立即结束，在达到预设的高阈值电压VIN/N之前放电周期开始。因此，工作频率由可变频率模式下的谐振频率决定。由于没有达到高阈值电压VIN/N，重置信号RST保持在一个恒定大小，如波形509所示。另外，波形501表示流经图3所示的变压器329的基极绕组的电流Ipri。波形511代表回馈电路340提供的回馈信号(FB)。回馈信号与斜坡信号交叉并决定PWM信号的占空比。
实际工作中，DC/AC逆变器可用于一个显示系统中。举例来说，该显示系统还可包括一个显示屏，一个放置于显示屏背后提供背光的光源，一个与显示屏相连的处理电路用于生成数据，显示屏根据该数据显示图像。DC/AC逆变器将用作光源点灯和正常工作的控制器。DC/AC逆变器与光源相连，用于将来自外部直流电源的直流输入信号转换成交流输出信号并提供给光源。由该交流输出信号驱动，光源点灯并发光，光线从显示屏发射出来。根据直流输入信号的状况，DC/AC逆变器可工作于固定频率模式或可变频率模式以获得较高效率和较好的交流输出信号的峰值因数。好的峰值因数可以延长光源的寿命，因此更受欢迎。
当直流输入信号不超过一个预设电压值或用作光源的灯管大于预设数量时，较好的峰值因数有保障，因此DC/AC逆变器工作于固定频率模式以获得较高的效率。当直流输入电压超过预设电压值或用作光源的灯管少于预设数量时，DC/AC逆变器将工作于可变频率模式以保证获得较好的峰值因数。
在此描述之实施例仅为本发明的常见实施例，用于说明本发明而非限制。本领域技术人员显然可以理解，在本质上不背离由后附权利要求书所界定的本发明的发明精神和发明范围的前提下可以有众多其它的实施例。因此，上述实施例系用于说明例证本发明而非限制本发明的范围，本发明的范围由后附的权利要求书及其合法等同物来界定，而不限于此前之描述。权利要求旨在涵盖所有此类等同物。

Claims (21)

1.一种用于驱动负载的直流/交流(DC/AC)逆变器，包括：
一个用于提供直流输入电压的直流电源；
一个与直流电源相连的变换器电路，该电路将直流输入电压转换成用于驱动负载的交流信号；
一个与变换器电路相连的控制电路，该控制电路设定交流信号的频率，其中控制电路可以使用恒定频率模式或者可变频率模式来操作DC/AC逆变器。
2.权利要求1之DC/AC逆变器，其特征在于还包括：
一个与控制电路相连的电阻；
一个与控制电路相连的电容；
一个与控制电路相连的振荡器，其中当工作于恒定频率模式时振荡器根据上述电阻的阻值和上述电容的容值将交流信号的频率设定为一个相对恒定的频率。
3.权利要求1之DC/AC逆变器，其特征在于还包括：
一个与控制电路相连的谐振电路，该谐振电路具有一个谐振频率，其中当控制电路以可变频率模式操作DC/AC逆变器时，交流信号的频率根据该谐振频率来设定。
4.权利要求3之DC/AC逆变器，其特征在于所述的谐振电路包括一个具有一个变压器的电源传动(power train)和一个负载。
5.权利要求1之DC/AC逆变器，其特征在于还包括：
一个与控制电路相连的检测器，该检测器确定是否已达到预设阈值，当达到该阈值时，控制电路从恒定频率模式工作切换到可变频率模式工作。
6.权利要求5之DC/AC逆变器，其特征在于其中所述的预设阈值包括一个特定的电压，当输入电压超过该特定电压时，控制电路以可变频率模式操作DC/AC逆变器，当输入电压不超过该电压时，控制电路以恒定频率模式操作DC/AC逆变器。
7.权利要求5之DC/AC逆变器，其特征在于其中所述的预设阈值包括一个负载条件，当达到该负载条件时，控制电路以恒定频率模式操作DC/AC逆变器，当未达到该负载条件时，控制电路以可变频率模式操作DC/AC逆变器。
8.权利要求1之DC/AC逆变器，其特征在于所述的控制器以恒定频率模式操作DC/AC逆变器时提高了整体效率，当控制器以可变频率模式操作DC/AC逆变器时提高了整体的波形峰值因数。
9.权利要求1之DC/AC逆变器，其特征在于控制器作为直流输入电压和负载状况的一个函数，要么工作于恒定频率模式，要么工作于可变频率模式。
10.权利要求1之DC/AC逆变器，其特征在于所述的负载包括用于液晶显示背光的光源。
11.一种用于将直流信号转换为交流信号以驱动负载的方法，包括：
设定一个预设阈值条件；
工作于固定频率模式，其中该固定频率对应交流电信号的频率，保持在一个相对恒定的频率；
工作于可变频率模式，其中该可变频率对应交流电信号的频率，根据一个谐振电路对应的谐振频率变化；
以预设阈值条件的函数在固定频率模式工作和可变频率模式工作之间切换。
12.权利要求11之方法，其特征在于还包括：
工作于固定频率模式时将交流电信号频率设定为相对恒定的频率，该相对恒定的频率由一个电阻和电容决定。
13.权利要求11之方法，其特征在于还包括：
工作于可变频率模式时，改变交流电信号的频率以追随谐振电路的谐振频率。
14.权利要求11之方法，其特征在于所述的预设阈值条件包括一个直流输入电压。
15.权利要求11之方法，其特征在于所述的预设阈值条件包括一个负载条件。
16.权利要求11之方法，其特征在于还包括：
工作于固定频率模式以提高效率和可靠性；
工作于可变频率模式以提高波形的峰值因数。
17.权利要求11之方法，其特征在于所述的负载包括一个光源。
18.一种系统，包括：
一个显示(设备)；
一个与显示(设备)相连的光源，用于提供光源并从显示(设备)发射出来；
一个与显示(设备)相连的处理单元，用于生成数据以显示在显示(设备)上；
一个与光源相连的控制器，可在恒定频率模式和谐振模式中自动选择最佳工作频率。
19.权利要求18之系统，其特征在于所述的控制器当输入电压低于某个预设值时选择恒定频率模式，当超过该负载条件时选择恒定频率模式。
20.权利要求18之系统，其特征在于所述的控制器当输入电压超过预设值时选择谐振模式，当未达到该负载条件时选择谐振模式。
21.权利要求18之系统，其特征在于所述的写真模式使得交流信号的频率变得与系统内部的谐振元件的谐振频率同步。
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