CN1368836A - 多负载的电源供应系统及多灯管的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种多灯管的驱动系统,其包含多个灯管,包括一主灯管及至少一副灯管;一换流器电路,用于将直流电源转换为交流电源,并供应至该多个灯管;以及至少一电流平衡电路,其具有一阻抗元件连接于各该至少一副灯管,可依据流经该主灯管及各该至少一副灯管的电流值而改变其等效阻抗值,藉此可平衡流经该主灯管及各该至少一副灯管的电流。

Description

多负载的电源供应系统及 多灯管的驱动系统

本发明涉及一种多负载的电源供应系统，特别涉及LCD面板背光系统的多个放电灯管的驱动系统，其具有可平衡各放电灯管的电流的电流平衡电路。

LCD面板是以放电灯管，如冷阴极荧光灯(cold cathode fluorescentlamp，CCFL)，来作为背光系统。此等放电灯管是由换流器电路来驱动。在大型LCD面板中，需要使用多个灯管方能提供足够的亮度。在此种多灯管的应用中，如果以一个变压器或电力转换级来驱动两个以上并联连接的放电灯管，由于各灯管之间阻抗的差异，会严重影响流经各并联灯管的电流，造成电流的不均匀分配。此种灯管电流的不平衡的现象，不但使得某些灯管因电流过小而造成亮度不足，影响LCD面板的均匀性，还会使得某些灯管电流过大而缩短灯管本身及整个背光系统的寿命。而且，此种以单一电力转换级和控制回路来驱动多灯管的应用中，对于换流器的零件误差值、及灯管特性随使用时间变化等状况，均无法在原始设计中做完整的考量与控制。鉴于上述的缺点，现有技术的换流器，均是利用一组电力转换级和控制回路来驱动一支放电灯管。如欲驱动多支灯管，则需相对地增加电力转换级和控制回路。图1即显示公知技术以两组电力转换级和控制回路来驱动两支灯管的电路结构图。灯管Lpa及Lpb分别由变压器16a及16b驱动，并由个别的取样电阻Ra及Rb取反馈至个别的脉宽调变(pulse width modulation，PWM)控制器(未示)。然而，此种相对增加多组电力转换级和控制回路以驱动多支灯管的方式，虽可达到平衡各灯管间的电流的效果，但却必须增加零件的使用数量，徒增许多成本与体积。此外，不同电力换级间会有不同的操作频率，此种非同步操作容易造成相互的干扰，更甚者则会影响LCD面板的视频信号，使画面出现水纹波等的干扰。整体而言，此种公知的电路结构具有成本高、体积大以及易生干扰的缺点。

另一种公知技术用于驱动多个放电灯管的电路结构是显示于图2，其是以一对串联配置的变压器16a与16b来驱动两灯管Lpa与Lpb，并设置一共同的反馈回路。图2的电路虽可改善因操作频率不同所产生的干扰问题，但其灯管间的电流差异较图1者为大，无法达到良好的电流平衡效果。

本发明的目的在于提供一种多负载的电源供应系统，其可有效地平衡流经各负载的电流。

本发明的另一目的在于提供一种多灯管的驱动系统，特别是在LCD面板背光系统的冷阴极荧光灯(CCFL)的应用中，其可有效地平衡流经各灯管的电流，使得各灯管的亮度均匀，并保持灯管的使用寿命，同时可降低生产成本、缩小装置体积、及改善因操作频率不同所导致的干扰问题。

本发明的又一目的在于提供一种多灯管的驱动系统，可简化多灯管驱动系统中的电力转换级与控制电路，并可使其整体效率维持在最佳点附近，而不会因轻、重载的变化而使效率有明显的衰减。

为达到上述的目的，根据本发明多灯管的驱动系统的一种方案，是包含：多个灯管，包括一主灯管及至少一副灯管；一换流器电路，用于将直流电源转换为交流电源，并供应至该多个灯管；以及至少一电流平衡电路，其具有一电容串联连接于各该至少一副灯管，可依据流经该主灯管及各该至少一副灯管的电流值而改变其等效容抗值，藉此可平衡流经该主灯管及各该至少一副灯管的电流。

该多个电流平衡电路又包含：一第一晶体管与一第二晶体管，其集电极与发射极分别耦接至该电容的两端，使得当该第一与第二晶体管被驱动时，可对该电容进行放电；主灯管及副灯管电流取样电路，用以取得主灯管及副灯管的电流值；以及比较电路，其输入端耦接至该主灯管及副灯管电流取样电路、输出端耦接至该第一与第二晶体管的基极，用于比较该主灯管及该副灯管的电流值的大小，而选择性地输出一电压以驱动该第一及第二晶体管。

根据本发明多灯管的驱动系统的另一种方案，是包含：一第一灯管及一第二灯管；一换流器电路，用于将直流电源转换为交流电源，并供应至该第一及第二灯管；及一电流平衡电路，用于平衡流经该第一及第二灯管的电流。

该电流平衡电路包含：一第一电容，与该第一灯管串联连接；一第二电容，与该第二灯管串联连接；一第一晶体管与一第二晶体管，其集电极与发射极分别耦接至该第一电容的两端，其基极耦接至该第二电容；及一第三晶体管与一第四晶体管，其集电极与发射极分别耦接至该第二电容的两端，其基极耦接至该第一电容。

图1是为公知技术用于驱动多个放电灯管的电路结构图；

图2是为另一公知技术用于驱动多个放电灯管的电路结构图；

图3是为本发明第一实施例的电路图；

图4(a)是为公知技术未使用平衡电路时的灯管电流波形图，图4(b)是为本发明使用平衡电路时的灯管电流波形图；

图5(a)～5(c)是为本发明第一实施例的变化例，其中图5(a)及5(b)是分别在单一变压器及双变压器的应用中增加负半周波形控制电路，而图5(c)则是使用于灯管低压线共用的电路结构；

图6是为本发明第二实施例的电路图；及

图7是为本发明以多个电力转换级驱动多个灯管时的电路结构图。

以下及参照附图及较佳实施例对本发明的技术做进一步的详细说明。

图3显示本发明第一实施例的电路图。如图所示，本发明多灯管的驱动系统包含：一主灯管Lpm及一副灯管Lps；一变压器10，其分别经由去耦合电容C及C而供应交流电源至主灯管Lpm及副灯管Lps；及一电流平衡电路20，用于平衡流经主灯管Lpm及副灯管Lps的电流。如下文所详述，此电流平衡电路的动作将如同一可变电容的模式，依据流经主灯管Lpm及副灯管Lps的电流值而改变其等效容抗值，线性地控制灯管电流的波形，进而达到平衡电流的目的。

应注意的是，虽然图3的电路结构中仅显示具有一副灯管及一电流平衡电路，但本领域的技术人员将可依照图3的方式，视实际应用上的需要，而适当地增加副灯管及电流平衡电路的数量。另外，变压器10也可视欲驱动灯管的数量多寡、所使用变压器的额定功率及其他设计与成本上的考虑，而采用单一个变压器或多数个变压器。上述的变化并不会影响到本发明电流平衡的效果。

电流平衡电路20是设置在灯管的低压端，其包含：一电容Cx串联连接于副灯管Lps；一第一晶体管Qp与一第二晶体管Qn，其集电极与发射极分别耦接至电容Cx的两端；一第一二极管Dp与一第二二极管Dn，分别连接于第一晶体管Qp与第二晶体管Qn的集电极/发射极；取样电阻Rm与Rs，分别与主灯管Lpm及副灯管Lps串联连接；及一比较器22，其具有二输入端分别耦接至取样电阻Rm与Rs、及一输出端耦接至第一晶体管Qp与第二晶体管Qn的基极。

图3中虽显示第一及第二晶体管Qp与Qn为npn晶体管，然亦可使用pnp晶体管作为第一及第二晶体管Qp与Qn，但须将比较器22的二输入端信号反接。另外，虽然图3的电路及下文所述其他变化例与实施例中的平衡电路中是使用到BJT晶体管，本领域的技术人员应可了解，也可使用其他类型的晶体管取代之，例如MOS晶体管。

接下来将详细说明图3的第一实施例的动作。利用取样电阻Rm与Rs，可取得主灯管Lpm与副灯管Lps的正半周电流波形，亦即，将流经主灯管Lpm及副灯管Lps的电流值Im与Is转换为成正比的电压值Vm与Vs。此二电压信号Vm与Vs分别馈入比较器22的非反相与反相输入端，经比较器22的比较后将会有下列两种状况。第一种状况，若比较器22的比较结果为Vm高于Vs，亦即，主灯管Lpm的电流Im大于副灯管Lps的电流Is，此时比较器22输出端的电压电平上升，进而驱动第一晶体管Qp与第二晶体管Qn，使其对电容Cx进行放电，此时将如同Cx的等效容抗减少(或者也可视为等效电压源的电压调变)，亦即副灯管Lps回路的等效容抗减少，因此可使该回路的电流Is增加。第二种状况，若比较器22的比较结果为Vs高于Vm，亦即，副灯管Lps的电流Is大于主灯管Lpm的电流Im，此时比较器22输出端的电压电平下降，无法驱动第一晶体管Qp与第二晶体管Qn而对电容Cx进行放电，因此电容Cx维持原本的容抗值(Xc＝1/ωC)，由于副灯管Lps回路等效容抗的增加，将使该回路的电流Is减少。

使用电流平衡电路前后的主、副灯管电流波形及放大器的输出波形是显示于图4，其中图4(a)是为公知技术未使用电流平衡电路的情况，而图4(b)是为本发明使用电流平衡电路的情况。应注意的是，图4(a)的情况中，并未在电路中设置晶体管Qp与Qn，而仅加设一比较器以便与图4(b)的情况作比较。在图4(a)中，主灯管Lpm的电流有效值为6.58mA，副灯管Lps的电流有效值为5.36mA。在图4(b)中，主灯管Lpm的电流有效值为6.56mA，副灯管Lps的电流有效值为6.56mA。由图4(b)，可清楚地观察到放大器22的动作情形，并可清楚地观察到因放大器22的动作驱动晶体管Qp与Qn致使副灯管Lps电流波形随着主灯管Lpm电流波形变动而达到平衡的效果。

上述本发明的第一实施例中，虽然仅针对灯管的正半周电流波形进行控制，但已可达到平衡电流的目的，且不会影响正、负半周的波形平衡率。

如欲增加对电流负半周波形的控制电路，仅需增设额外的负半周电流波形取样电路与比较器即可，并不需要增加受控的电容Cx、晶体管Qp与Qn、及二极管Dp与Dn。图5(a)及图5(b)是为本发明第一实施例的变化例，其分别显示在单一变压器及双变压器的应用中增加对电流负半周波形的控制的电路结构。

图5(a)是为以单一变压器12驱动两支灯管的电路。主灯管Lpm与副灯管Lps分别经由去耦合电容C与C连接至变压器12的二次侧。主灯管回路与副灯管回路均分别设置正半周电流波形取样电阻Rmp、Rsp及负半周电流波形取样电阻Rmn、Rsn。利用该等取样电阻，可个别取得主灯管Lpm与副灯管Lps的正、负半周电流波形，转换成电压值Vmp、Vsp与Vmn、Vsn。接着，电压信号Vmp与Vsp分别馈入比较器32a的非反相与反相输入端进行比较，而电压信号Vmn与Vsn则分别馈入比较器32b的反相与非反相输入端进行比较。比较器32a与32b的输出端均连接至晶体管Qp与Qn的基极。藉此，比较电路30将可依据主灯管Lpm与副灯管Lps的正半周电流波形或负半周电流波形差异，而改变电容Cx的等效容抗值，线性地控制灯管电流的波形，进而平衡主灯管Lpm与副灯管Lps的电流。

图5(b)是为以两个变压器12a与12b驱动两支灯管的电路。此电路中亦增设了负半周电流波形取样电阻Rmn、Rsn及负半周电流比较器32b。其电路结构虽与图5(a)的单一变压器的电路结构略有差异，但整体而言，其动作原理与图5(a)的电路类似，本领域的技术人员应可轻易了解，因此在此不加以赘述。

图5(c)是为本发明第一实施例的另一变化例。在一般应用中，一支灯管是具有高压与低压两条线。然而，有些制造厂商的产品，是设计成将多个灯管的低压线互相连结。对于此种低压端共用的结构，则可将本案的第一实施例的电路略加变化，以图5(c)的配置方式来达到电流平衡的目的。

图6显示本发明第二实施例的电路图。在此一实施例中，电流平衡电路具有不同于第一实施例的结构。如图所示，本发明多灯管的驱动系统包含：一第一灯管Lp1及一第二灯管Lp2；一变压器14，其分别经由去耦合电容C及C而供应交流电源至第一灯管Lp1及第二灯管Lp2；及一电流平衡电路40，用于平衡流经第一灯管Lp1及第二灯管Lp2的电流。

电流平衡电路40包含：一第一电容C1、一对反向并联二极管的D1与D2、及一第一电阻R1，依序与该第一灯管Lp1串联连接；一第二电容C2、一对反向并联的二极管D3与D4、及一第二电阻R2，依序与该第二灯管Lp2串联连接；一第一晶体管Q1与一第二晶体管Q2，其集电极与发射极分别耦接至该第一电容C1的两端，其基极耦接至该第二电容C2与二极管D3、D4之间；及一第三晶体管Q3与一第四晶体管Q4，其集电极与发射极分别耦接至该第二电容C2的两端，其基极耦接至该第一电容C1与二极管D1、D2之间。此处第一及第三晶体管Q1与Q3为npn晶体管，而第二及第四晶体管Q2与Q4为pnp晶体管。

接下来将详细说明图6的第二实施例的动作。当流经第一灯管Lp1的电流I1大于流经第二灯管Lp2的电流I2时，电压V1会高于电压V2，因此，第一晶体管Q1及第二晶体管Q2进入截止区(Ic＝0)，而，第三晶体管Q3与第四晶体管Q4会动作。正半周时，第三晶体管Q3进入激活区或饱和区，第四晶体管Q4则处于截止区；负半周时，第四晶体管Q4进入激活区或饱和区，第三晶体管Q3则处于截止区。上述晶体管Q1及Q2进入截止区的动作，是如同第一灯管回路的电容C1的等效容抗值增加，而晶体管Q3及Q4进入激活区或饱和区的动作，是如同第二灯管回路的电容C2的等效容抗值减少。因此，电流I1会变小、而电流I2会增大。反之，当第二灯管的电流I2大于第一灯管的电流I1时，第三晶体管Q3及第四晶体管Q4进入截止区的动作，是如同第二灯管回路的电容C2的等效容抗值增加，而第一晶体管Q1与第二晶体管Q2进入激活区或饱和区的动作，是如同第一灯管回路的电容C1的等效容抗值减少。因此，电流I2会变小，而电流I1会增大。如此，即可有效达到平衡电流的目的。

上述本发明的第二实施例的电路中，二极管D1～D4的设置，是为了补偿晶体管Q1～Q4在激活区时的基极与发射极间电压VBE(约为0.6V)。

另外，应注意的是，本发明上述各实施例及变化例的平衡电路中所使用到的各电容Cx、C1及C2，均可视实际电路设计上的需要，而变换成其他阻抗元件，如电阻或电感类零件，同样可达到电流平衡的效果。

本发明的电流平衡电路，是为一种实时(real time)电流波形反馈控制电路，在多灯管的应用中，其可使各副灯管电流的波形精确地跟随着主要受控灯管的电流，进而达到几近相同的电流有效值，充分解决因灯管特性差异所可能造成的负面效应，有效平衡不同灯管间的电流，保持灯管寿命，并使各灯管的亮度均匀。而且，根据本发明的多灯管的驱动系统，将可仅以单一电力转换级与控制回路来驱动多支灯管，因此可使用较少数量的零件，不仅降低制造成本，也缩小了换流器的整体体积，更适用于日益轻薄的电子产品中。特别是在愈多灯管的应用中，愈能展现本发明降低成本及缩小体积的优异功效。此外，由于操作频率的单一化，可消除公知技术中的差频干扰。

由于本发明的切换电路及控制电路均位于低压端，故不需以高压零件或技术来进行控制，可增强电路的可靠性与降低制造成本。

另一方面，根据本发明，利用平衡电路可调节灯管电流的特性，尚可对主要受控电力转换级以外的其他电力转换级，予以简化其电路结构，甚至移除其控制电路。更详细地说，如图7所示，当灯管数量众多，且变压器的功率额定值不足，无法以单一变压器驱动所有灯管，而必须采用多变压器时，除了主要受控的变压器外，其余的副变压器可以固定脉宽(pulse width)的驱动方式，配合平衡电路的操作来达到电流控制的目的。该固定脉宽可设计为接近满载时的脉宽，如此，便可使此驱动电路维持在最佳效率的工作点附近。因而将可改善整体效率，使其不致于因轻、重载的变化而有明显的效率衰减现象。

虽然，上述说明均是关于灯管的驱动电路，特别是针对LCD面板背光系统的放电灯管，但本领域的技术人员应可了解，本发明的电流平衡电路亦可应用于其他各类负载的多负载驱动系统中，以达到平衡流经各负载的电流的目的。上述的说明仅是为举例性质而非局限，任何依本发明的权利要求范围精神所做的变化及修改，均应属于本发明的范围。

Claims (22)

1.一种多灯管的驱动系统，包含：

多个灯管，包括一主灯管及至少一副灯管；

一换流器电路，用于将直流电源转换为交流电源，并供应至该多个灯管；及

至少一电流平衡电路，其具有一阻抗元件连接于各该至少一副灯管，可依据流经该主灯管及各该至少一副灯管的电流值而改变其等效阻抗值，藉此可平衡流经该主灯管及各该至少一副灯管的电流。

2.如权利要求1的多灯管的驱动系统，其中各该多个电流平衡电路又包含：

一第一晶体管与一第二晶体管，其集电极与发射极分别耦接至该阻抗元件的两端，使得当该第一与第二晶体管被驱动时，可改变该阻抗元件的等效阻抗值；及

主灯管及副灯管电流取样电路，用以取得流经该主灯管及副灯管的电流值；及

比较电路，其输入端耦接至该主灯管及副灯管电流取样电路、输出端耦接至该第一与第二晶体管的基极，用于比较流经该主灯管及该副灯管的电流值的大小，而选择性地输出一电压以驱动该一及第二晶体管。

3.如权利要求1的多灯管的驱动系统，其中该阻抗元件是为电容。

4.如权利要求1的多灯管的驱动系统，其中该阻抗元件是为电阻。

5.如权利要求1的多灯管的驱动系统，其中该阻抗元件是为电感。

6.如权利要求2的多灯管的驱动系统，其中该主灯管及副灯管取样电路是可取得主灯管及副灯管的正半周电流波形；以及，该比较电路仅包含一比较器，用于比较该主灯管及副灯管的正半周电流波形。

7.如权利要求2的多灯管的驱动系统，其中该主灯管及副灯管取样电路是可取得主灯管及副灯管的正半周电流波形及负半周电流波形；以及，该比较电路包含二比较器，分别用于比较该主灯管及副灯管的正半周电流波形及负半周电流波形。

8.如权利要求1的多灯管的驱动系统，其中该换流器电路包含单一变压器。

9.如权利要求1的多灯管的驱动系统，其中该换流器电路包含多个变压器。

10.一种多灯管的驱动系统，包含：

一第一灯管及一第二灯管；

一换流器电路，用于将直流电源转换为交流电源，并供应至该第一及第二灯管；及

一电流平衡电路，用于平衡流经该第一及第二灯管的电流，该电流平衡电路包含：

一第一阻抗元件，与该第一灯管连接；

一第二阻抗元件，与该第二灯管连接；

一第一晶体管与一第二晶体管，其集电极与发射极分别耦接至该第一阻抗元件的两端，其基极耦接至该第二阻抗元件；及

一第三晶体管与一第四晶体管，其集电极与发射极分别耦接至该第二阻抗元件的两端，其基极耦接至该第一阻抗元件。

11.如权利要求10的多灯管的驱动系统，其中该阻抗元件是为电容。

12.如权利要求10的多灯管的驱动系统，其中该阻抗元件是为电阻。

13.如权利要求10的多灯管的驱动系统，其中该阻抗元件是为电感。

14.如权利要求10的多灯管的驱动系统，其中该第一及第三晶体管是为npn晶体管，该第二及第四晶体管是为pnp晶体管。

15.如权利要求10的多灯管的驱动系统，其又包含一第一对二极管及一第二对二极管，用于补偿该第一与第二晶体管及该第三与第四晶体管的基极与发射极之间的电压。

16.如权利要求10的多灯管的驱动系统，其中该换流器电路包含单一个变压器。

17.如权利要求10的多灯管的驱动系统，其中该换流器电路包含多个变压器。

18.一种多负载的电源供应系统，其包含：

多个负载；

一驱动电路，用于供应电源至该多个负载；及

至少一电流平衡电路，各该至少一电流平衡电路具有至少一阻抗元件连接于各该多个负载，可依据流经各该多个负载的电流值而改变其等效阻抗值，以平衡流经各该多个负载的电流。

19.一种多负载的电源供应系统，其包含：

多个负载，包括一主负载及至少一副负载；

一驱动电路，用于供应电源至该多个负载；及

至少一电流平衡电路，用于平衡流经该主负载及各该至少一副负载的电流，各该多个电流平衡电路包含：

一阻抗元件，连接于各该至少一副负载，

一第一晶体管与一第二晶体管，其集电极与发射极分别耦接至该阻抗元件的两端，使得当该第一与第二晶体管被驱动时，可改变该阻抗元件的等效阻抗值；

电流取样电路，用以取得流经该主负载及副负载的电流值；及

比较电路，其输入端耦接至该电流取样电路、输出端耦接至该第一与第二晶体管的基极，用于比较流经该主负载及该副负载的电流值的大小，而选择性地输出一电压以驱动该第一及第二晶体管。

20.如权利要求19的多负载的电源供应系统，其中该阻抗元件是为电容。

21.如权利要求19的多负载的电源供应系统，其中该阻抗元件是为电阻。

22.如权利要求19的多负载的电源供应系统，其中该阻抗元件是为电感。

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