CN1398504A - 电压馈电推挽式逻辑链路控制谐振液晶显示器背光逆变器电路 - Google Patents

电压馈电推挽式逻辑链路控制谐振液晶显示器背光逆变器电路 Download PDF

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Abstract

一种改进的电子液晶显示器背光逆变器电路，用于在低频脉宽调制(PWM)下的高频运行，进行调光控制。该改进的电子液晶显示器背光逆变器是基于电压馈电推挽式逻辑链路控制谐振液晶显示器背光逆变器电路配置，包括一个谐振电感器(L)，一个输出变压器的磁化电感(L)，和一个谐振电容器(C)。对于较大的磁化电感值，逻辑链路控制电路实际上变成一个LC谐振电路。通过采用逻辑控制电路将高频开关信号与低频调制信号同步，在PWM控制下实现一个宽调光范围和较高的效率。

Description

电压馈电推挽式逻辑链路控制谐振液晶显示器背光逆变器电路
总体上讲，本发明涉及液晶显示器背光逆变器电路，适用于液晶显示器背光或类似应用，特别是涉及一个高效的、尺寸小的、和宽调光范围的液晶显示器背光逆变器电路。
液晶显示器背光应用要求高效的、小尺寸的背光，来进行信息显示。窄径冷阴极荧光灯(CCFL)，例如T1型，被广泛用于此类工业应用中。为了驱动这些CCFL，需要具有高效的、尺寸小的、和宽调光范围的电子液晶显示背光逆变器电路。当前，采用电压馈电的半桥谐振变流器电路，如图1所示，和电流馈电的推挽式谐振变流器电路，如图2所示，来驱动CCFL和其它的荧光灯。尽管应用得很广，但是这些电路具有一些缺点，使得它们不是驱动CCFL和类似装置的最佳方案。例如，这些电路的效率是最佳的，但其调光范围有限。特别是，图1的先前技术的电路配置的缺点是输出变压器的匝数比高，产生较高的一次侧绕组电流，导致较高的导电损耗。图1的电路还有一个缺点，高匝数比要求减小二次测的绕线尺寸(如，减小到44AWG)，产生更高的绕组导电损耗。此外，一个较小的绕线规格可能产生制造上的问题。采用高匝数比变压器的另外一个缺点是显著增加了寄生电容，导致效率变低。通常图1中的电路的电气效率约为84％(即输出功率/输入功率)。
图2是另一个先前技术的被广泛用于驱动CCFL的电子镇流器的电路配置。图2中的背光逆变器具有一个比参照图1所描述的更小的输出变压器匝数比，能够采用一个降压调节器环节进行基于电流的荧光灯功率调光。更小的输出变压器匝数比会在推挽式功率放大级产生更小的损耗，而由于降压调节器环节，使得总的电路效率是有限的。图2的电路的另一个缺点是当荧光灯的电流频率很高时，由于液晶显示屏的温度效应使得调光范围很窄。在更高的频率下，荧光灯护罩的并联寄生电容从荧光灯吸取更多的电流，使得电子管的一端变亮，另一端变暗。
为了改进电路效率，达到一个宽调光范围，已经提出采用低频脉宽调制(PWM)调光模式和采用推挽式变流器开关运行的推挽式谐振逆变器级，图2中的Q1和Q2也是用作PWM调光的低频开关。但是，通常很高的L1的电感限制了电流的启动特性，并限制了调光范围。因此，需要改进电子液晶显示器背光逆变器电路，使其比常规的电子液晶显示器背光逆变器电路具有更高的效率，较宽的调光范围和较小的尺寸。
依照本发明公开的内容，提供了一个用于电子液晶显示器背光应用的改进的高频电子液晶显示器背光逆变器电路，克服了先前技术的相关缺点。
根据本发明的一个方面，提供了一个高效的、小尺寸的和宽调光范围的改进高频电子液晶显示器背光逆变器电路，为荧光灯供电。
本发明的一个特征是，电子液晶显示器背光逆变器电路被最佳设计为高频开关，但是，本发明提供了采用低频脉宽调制(PWM)开关的能力，采用逻辑控制电路来实现比常规电子液晶显示器背光逆变器电路更宽的频率范围。通过采用逻辑控制电路电流来控制调光范围，省去了如常规电流驱动推挽式电路中所用的电流驱动的前端降压调节器级的需要。而且，输出变压器的匝数比极大地减小，导致更高的电路效率。通过为L1选用大小等级比常规设计所需值低的电感值，可以进一步实现更高的电路效率。通过选择较小的L1电感值，电感器不是用作一个电流源，而是被当作一个LLC谐振电路的组成部分，由此提供在电感电流过零时切断本发明电路的能力。通过选择较小的L1电感值，消除了有关电路启动性能的局限性和实现一个宽调光范围的局限性的问题。
提供一种改进的电子液晶显示器背光逆变器电路，通过一个低频调制来进行高频调光。该改进的电子液晶显示器背光逆变器电路最好是电压馈电的推挽式逻辑链路控制谐振电路，包括：一个逻辑链路控制谐振电路，包括一个谐振电感器，一个磁化电感器，和一个谐振电容器；一个开关装置，通过一个低频信号在高调制频率下操作该液晶显示器背光逆变器电路，用于产生低频信号的低频信号发生器，该低频信号具有正向和负向部分；逻辑装置，用于控制上述开关装置，由上述低频信号来驱动，该逻辑装置在上述低频信号的负向部分期间抑制开关装置的运行，使该电子液晶显示器背光逆变器电路由该低频信号进行频率调制。
通过参考下面结合附图对本发明的说明性实施方案的详细描述，将更容易了解本发明的前述特征，附图中：
图1是一个说明先前技术的液晶显示器背光逆变器电路的电路图；
图2是一个说明先前技术的液晶显示器背光逆变器电路的电路图；
图3是一个说明依照本发明的实施方案的液晶显示器背光逆变器电路的电路图；
图4a和4b说明的是图3电路中的典型波形；和
图5说明的是图3电路中的某些信号的时序图。
现在回到附图，其中在这几个示意图中类似的参考数字表示类似的或相同的元件，图3说明了一个依照本发明的实施方案的电子液晶显示器背光逆变器电路10。可以预见，依照本发明的改进电路将被用于液晶显示器背光应用中。
依照本发明的液晶显示器背光逆变器电路10为电压馈电推挽式谐振电路，用于负载35的运行。图3中显示的负载35为电阻型的，但是负载可以是(但不局限于)冷阴极型的荧光灯(如CCFL)。例如，负载35的光线可以用来照射计算机的液晶显示的平面显示器(没有显示)。该液晶显示器背光逆变器电路10可以由常规的交流电源来供电，然后被整流和变换来提供背光逆变器电路10所用的直流电压源。
与先前技术的液晶显示器背光逆变器电路相比，本发明的液晶显示器背光逆变器电路10提供两个重要的优点。首先，液晶显示器背光逆变器电路10具有比先前技术的液晶显示器背光逆变器电路更高的效率。第二，本发明的液晶显示器背光逆变器电路10具有比先前技术的背光逆变器电路更宽的调光范围。下面将讨论各项优点。首先描述电路的运行原理。
电路运行原理
下面是图3所示的电路配置的运行原理。每个高频开关周期中，背光逆变器电路10运行在两个时段，第一个时段定义为[t_0，t_1]，第二个时段定义为[t_1，t_2]。假设在稳态时，在第一时段[t_0，t_1]的t_0时刻，开关晶体管Q1导通，而开关晶体管Q2关断。Q2两端的电压等于谐振电容器Cr两端的电压(参见图4b中的Vcr的波形4f)，通过与输入电感器L1和T_1的磁化电感的谐振，Cr逐渐被完全充电，如波形4f的点B所示。输出变压器T_1的一次侧电流Ip(参见图4a的波形4a)为谐振电容器电流Icr(参见图4a的波形4b)和谐振电感器电流IL1(参见图4a的波形4c)之和。谐振电容器电流Icr大于谐振电感器电流IL1。开关晶体管Q1和Q2仅承载谐振电感器电流IL1。谐振电容器电流Icr经负载35流通。
当经过半个谐振周期，在t_1时刻，谐振电容器电压Vcr(参见图4b的波形4f)到达0时，通过零电压开关，开关晶体管Q1关断，Q2导通。下半个谐振周期[t_1，t_2]是与前半个谐振周期[t_0，t_1]对称的，如(图4a的波形4a和4e)和(图4b的波形4f)所示。在图3的本发明的电路中的点H处显示了栅极驱动电压Vgs1。电压Vgs1表示一个与输出AND和AND1相关的逻辑电平。电压VQ1(图4b中的波形4b)对应于图3中的点I处的电压；在点J处出现同样的波形。这些电压分别表示开关晶体管Q1和Q2两端的电压。电压Vm(图4b中波形4i)对应于图3的点K处的电压，表示施加于变压器T_1的一次侧绕组中点的电压。
还应注意到，电感器电流IL1(参见图4a中的波形4c)几乎是一个纯正弦波。注意，谐振电感器L1被设计成使得谐振电感器电流IL1在每个高频开关周期中都抵零的，(参见图4a的波形4c上的C点)。通过在每个开关周期中抵达零电平，可以使低频PWM信号与IL1的零点同步，同时断开开关晶体管Q1和Q2，有效关闭谐振电感器，如下面述，便于低频PWM调光。更高的效率
如图3中所说明的，在液晶显示器背光逆变器电路10的一个实施方案中，负载35是连接到变压器T_1的二次侧绕组上的。通过谐振电感器L1、负载35、变压器T_1的磁化电感和谐振电容器C1形成一个谐振逻辑链路控制电路。所选择的L1电感值通常是在20-30微亨的数量级。这样的值比先前技术的电路配置的相关电感值低得多，如图2中所说明。图2的电路配置的典型电感值是在150-300微亨的数量级。众所周知，电流驱动的推挽式配置需要较高的电感值，通常在150-300微亨的数量级，取决于电路的运行频率，以保证电流近似为常值。本发明的较低的L1电感值将电路配置从电流馈电并联谐振电路改变为电压馈电的逻辑链路控制串联谐振电路，电路配置的效率更高。较低L1电感值是可以实现的，因为本发明的推挽式逻辑链路控制电路是电压驱动的，相反，图2中的先前技术的电路是电流驱动的。
现在参考图1中的先前技术的电路，注意，尽管该电路是电压驱动的，为一个更高效的电路配置，但是不能实现较低的电感值，因为为了将电压源Vin转换为一个电流源，需要较高的Lr电感值。因此，在图1的先前技术的电路中，由于电感值较大，该电感不能成为谐振回路的组件。相反，由于图3中的本发明的电路配置，电感器L1则是谐振回路组(resonant bank)的一个组件。由此，其值可以比图1中的先前技术的电路小得多。
本发明电路配置的电感器L1的电感值是足够小的，可以认为是由电感器L1、负载35、变压器T1的磁化电感(没有显示)和谐振电容器Cr组成的谐振电路的一个部分。电感器L1成为谐振电路的一个组件的另一个理想的结果是电感电流是基本为正弦的，具有一定的直流偏置，如图4a的波形4c所示。需要一个交流电流(如正弦电流)将低频PWM信号(200赫兹)与IL1的零点同步，来同时关断开关晶体管Q1和Q2，有效关闭谐振电感器，保证低频PWM调光，如下所述。
本发明的另一个能够提高电路效率的特征是采用较小的变压器T_1的匝数比，使绕组的导电损耗降低。
总之，本发明的液晶显示器背光逆变器电路10在多个方面实现了比先前技术的液晶显示器背光逆变器电路更高的效率，包括：采用一个电压馈电的推挽式配置，省去了对本身低效的降压调节器的需要；采用一个小的电感器L1的电感值，有助于提高电路的效率；和采用较小的变压器T_1的匝数比。低频PWM调光
与常规液晶显示器背光逆变器电路相比，除了提供更高的效率之外，本发明的液晶显示器背光逆变器电路10还实现了一个更宽的调光范围。
本发明的一个特征是，背光逆变器电路10被优化设计用于一个固定的完全输出(即图3中所见的高频开关，VSQ1＝50kHz)；然而，背光逆变器电路10还能够根据需要运行在一个低频脉宽调制(PWM)模式。高频开关和低频PWM开关的组合提供了一个比常规的显示器背光逆变器电路更宽的调光范围。本发明采用同步逻辑控制实现低频PWM开关。这一方法与常规的方法截然不同，如图2中的电路，采用一个开关晶体管Q0来控制电子管调光电平。在图2的电路中，通常的调光范围为完全输出值的30％-100％。
参考图3，其中显示了一个第一信号发生器装置(即低频PWM信号发生器30)，在点F处输出一个200Hz的方波。该200Hz的输出供给D触发器32的D输入端。D触发器32的两个输入端都是上升沿触发的。低频PWM信号发生器30产生的200Hz的信号还被供给一个RS触发器34的SET输入端，该输入端也是上沿触发的。RS触发器34的Q输出分别连接到与门AND1和ANID2。图3还显示了一个电阻器RSENSE，在E点产生该电阻器的电压，其范围为0-5伏。在E点，在谐振电感器电流IL1的零点产生零电压。
低频PWM调光通常是在每个高频开关周期中将谐振电感器电流IL1的零点(参见图4a的波形4c的C点)与低频PWM信号发生器30产生的200Hz信号的负向边缘同步来实现的。即，电路配置以与电感器电流IL1的零点同步的200Hz的频率关断开关晶体管Q1和Q2。因为在电感器电流IL1的非零点处关断开关晶体管Q1和Q2，存储在谐振电感器L1中的能量不能平稳地消耗，因此需要进行同步。在电感器电流IL1的零点处，存储的能量为零或接近于零。
参考图3、4a、4b和5中的波形图。运行中，图5a中所示的低频PWM信号发生器30产生的200Hz信号同时提供给D触发器32的D输入端，和RS触发器34的S输入端。参考图5中的波形5a，200Hz波形的一个周期的上升沿用参考数字501表示。RS触发器34跟随波形5a，因此在200Hz波形的上升沿501处为逻辑高电平503。由此，相应的与门AND1和AND2的第一输入在上升沿501处为一个逻辑高电平。
D触发器32的T输入端连接到运算放大器36的输出端，输出一个50kHz的输出，范围为0-0.5伏，如图5的5b所示，作为在E点电阻器RSENSE上产生的电压的响应。D触发器32的T输入端是上升沿触发的，在T输入端接收的50kHz波形的每个上升沿处，将200Hz波形锁定在D输入端，如图5b所说明。按描述给定D触发器32的两个输入，则D触发器的Q输出端以一个50kHz的闭锁率跟踪200Hz的输入。
D触发器32的Q输出端通过一个逻辑逆变器33连接到RS触发器的RESET输入端。如上面所述，D触发器32的Q输出端以一个50kHz的闭锁率跟踪200Hz的输入。由于是负向沿触发的，按照一个200Hz的速率，RS触发器34在200Hz波形的每个负向沿(如图5的波形5a的点505)处被复位，使Q的输出为一个逻辑低电平，反过来使相应的与门AND1和AND2的第一输入为一个逻辑低电平。结果是，在电感器L1的电流基本为零的点，Q1和Q2都被关断。
再次参考图3，注意到相应的与门第二输入，经过RS触发器31连接到一个第二信号发生器装置(即一个50kHz电源，VSQ1)上。注意，与门AND1和AND2的输出是通过200kHz波形(源自相应的第二输入)调制的50KHz的波形(源自第一输入)，其中该200kHz的调制波与电感器电流IL1的零点同步。
还应注意，低频PWM信号发生器30进一步包括调光控制旋钮37，从0到100％控制200Hz输出信号的占空比。0％占空比对应于直流0电压输出，100％的占空比对应于一个直流5伏的输出。
很容易对本发明进行多种修正和更改，附图中通过例子显示并详细描述了本发明特定的实施方案。但是，应当清楚本发明不局限于所公开的特定形式，相反，包括了附加的权利要求中所规定的本发明的构思和范围之内的所有修正、等效和其它形式。

Claims (10)

1.一种电子液晶显示器背光逆变器电路(10)，通过低频调制进行高频调光，该改进的电子液晶显示器背光逆变器电路(10)包括：
-开关装置，在一个低频信号调制的高频下，操作该液晶显示器背光逆变器电路；
-低频信号发生器装置(3)，产生上述的低频信号，该低频信号具有正向和负向部分；
-逻辑装置，控制上述开关装置，由上述低频信号驱动，该逻辑装置用于在低频信号的负向部分期间抑制开关装置的运行，由此通过该低频信号对电子液晶显示器背光逆变器电路(10)进行调制。
2.权利要求1的液晶显示器背光逆变器电路，其中上述低频信号包括一个低频脉宽调制信号。
3.权利要求1的液晶显示器背光逆变器电路，其中改进的背光逆变器电路(10)包括一个电压馈电的推挽式逻辑链路控制谐振电路，该电路包括一个谐振电感器(L)，一个磁化电感(T_1)和一个谐振电容器(Cr)。
4.权利要求3的液晶显示器背光逆变器电路，进一步包括：
-同步装置，将与上述谐振电感器(L)相关的交流电感器电流的基本最小电平与上述低频信号同步，使得第一和第二开关晶体管(Q1，Q2)能够关断。
5.权利要求1的液晶显示器背光逆变器电路，其中改进的背光逆变器电路(10)包括一个电压馈电的LC谐振电路，包括一个谐振电感器(L)，和一个谐振电容器(Cr)。
6.权利要求1的液晶显示器背光逆变器电路，其中开关装置包括：
-一个第一开关晶体管(Q1)和一个第二开关晶体管(Q2)；和
-一个第二信号发生器，为第一和第二开关晶体管(Q1，Q2)提供一个第二信号，使液晶显示器背光逆变器电路(10)运行在第一调光模式。
7.权利要求1的液晶显示器背光逆变器电路，其中逻辑装置包括：
-一个连接到第一开关晶体管(Q1)的第一与门(AND1)，和一个连接到第二开关晶体管(Q2)的第二与门(AND1)，该第一和第二与门具有一个第一输入，连接用来从一个低频信号源(30)接收低频信号，和一个第二输入，连接用来从一个高频信号源(VSQ1)接收一个高频信号，该第一和第二与门(AND1，AND2)也可以在该低频信号的正向部分期间输出一个逻辑高电平和一个逻辑低电平，在该低频信号的负向部分期间输出一个逻辑低电平。
8.权利要求1的电子液晶显示器背光逆变器电路，该电路包括：
-(具有一个输出的开关级；和)
-具有一个谐振频率的电路
-其中，谐振频率是通过一个谐振电感器(L)，一个负载(35)，和一个变压器(T_1)的磁化电感和一个谐振电容器(Cr)形成的，该谐振电感器具有一个比预定的阈值小的电感值。
9.权利要求6的液晶显示器背光逆变器电路，其中开关级包括开关晶体管(Q1，Q2)，被控制用来在零电压开关导通条件下进行开关操作。
10.依照权利要求1-9中的一项或多项所要求的液晶显示器设备，包括一个液晶显示屏，一个荧光灯和一个液晶显示器背光逆变器电路。
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