CN1402207A - 等离子显示板驱动系统中恢复能量的设备及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种使用磁耦合电感恢复能量以便驱动等离子显示板(PDP)的设备，以及用于设计该设备的方法。相应地在没有额外的隔离栅驱动器的情况下减少了无功功率和热消耗量。该设备通过在PDP的充电/放电时间将磁耦合电感应用于能量恢复电路，并通过将能量恢复电路中的开关器件的源电极接地来提供改进无功功率的恢复率的效果。另外，该设备通过将切换损耗减少到零而不产生平板电压的突变来提供减少电磁干扰(EMI)的效果。该设备与现有的PDP驱动电路相比，还提供了简化栅驱动端的电路结构以及减少电路元件数量的效果。

Description

等离子显示板驱动系统中恢复能量的设备及其设计方法
                         技术领域
本发明涉及用于驱动等离子显示板(PDP)的设备和方法，具体的说，涉及用于利用驱动PDP的磁耦合电感来恢复能量的设备及其设计该设备的方法，从而在不需要额外的隔离栅驱动器(isolation gate driver)的情况下减少无功功率(reactive power)和热耗散(heat dissipation)。
                         背景技术
常规PDP是通过利用由气体放电产生的等离子来显示字符和图像的下一代平面显示装置。根据PDP的尺寸超过几十万到几百万的像素以矩阵形式排列在PDP中。
图1示出了由韦伯(Webber)提出的常规交流PDP(AC-PDP)持续放电电路的结构。在AC-PDP的情况中，显示板被假设为具有平板电容量Cp的负载。在美国专利号US4,866,349中描述了PDP驱动电路的基本操作。
图2a至图2j示出了基于切换序列(switching sequence)的输出电压Vp和流经电感Lc的电流IL的波形。根据切换序列AC-PDP持续放电电路被表示为以下四种模式。
(1)模式1
在金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)开关Sa1导通之前，MOSFET开关Sx2导通，并且平板两端之间的输出电压Vp维持在0V。当MOSFET开关Sa1在t0时间导通时，模式1的操作开始。LC谐振电路通过Cc1-Sa1-Da1-Lc1-Cp(平板)的路径而形成，从而谐振电流流经电感Lc1并且输出电压Vp增加。在t1时间电感Lc1的电流变成0并且输出电压Vp变成电压+Vpk。
(2)模式2
在t1时间MOSFET开关Sa1断开而MOSFET开关Sy1导通。这里，在t1时间MOSFET开关Sy1的漏电极与源电极之间的电压突然变成电压Vpk，从而造成切换损耗。在模式2中，输出电压Vp维持在电压+Vs而且平板保持放电。
(3)模式3
在t2时间MOSFET开关Sa2导通而MOSFET开关Sy1断开。LC谐振电路在模式3中通过Cp(平板)-Lc1-Da2-Sa2-Cc1的路径形成，从而谐振电流流经电感Lc1并且输出电压Vp减少。在t3时间电感Lc1的电流变成0，而输出电压Vp变成电压-Vpk。
(4)模式4
在t3时间MOSFET开关Sa2断开而MOSFET开关Sy2导通。这里，在t3时间MOSFET开关Sy2的漏电极和源电极之间的电压变成-Vpk，从而产生切换损耗。输出电压Vp在模式4中维持在0V。如果在t0’时间MOSFET开关Sx2断开而MOSFET开关Sb1导通，则重复另一半周期。
常规能量恢复电路需要四个开关以至于增加了栅驱动器的数量，而且还需要隔离栅驱动器，因为在该能量恢复电路中的开关不接地。结果，当执行高频切换时很难进行理想的切换。在接通时间很短(300ns)的情况下，接通操作不能通过隔离栅驱动器的延时来执行，由此造成误操作。另外，在存在平板电阻装置以及装置电阻的情况下，如图2i所示，平板电压会出现突然变化。因此，电磁干扰(EMI)和无功功率增加。
                         发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供使用磁耦合电感恢复能量的设备及其设计该设备的方法，从而通过使用磁耦合电感电路减少能量恢复电路元件的数量，并减少无功功率和电磁干扰(EMI)。
为了实现上述目的，根据本发明用于在等离子显示板(PDP)驱动系统中使用磁耦合电感恢复能量的设备包括：第一和第二切换装置，用于相应于预定的能量恢复序列切换控制信号在输入端和接地端之间进行电连接/断开切换；以及磁耦合电感，其中通过将第一和第二线圈的第一端分别连接到PDP的两端，并通过将第一和第二线圈的第二端分别连接到第一和第二切换装置的输入端来磁耦合第一和第二线圈。
为了实现另一个目的，根据本发明用于设计在PDP驱动系统中使用磁耦合电感的能量恢复电路的方法包括步骤：执行切换处理，其中，其第一和第二线圈磁耦合的磁耦合电感连接到PDP的两端；以及相应于预定的能量恢复序列将第一和第二线圈的电流连接到接地端或从接地端断开，从而在持续部分(sustain section)中PDP的电压以充电/放电模式被线性地充电/放电。
                         附图说明
图1描述了常规等离子显示板(PDP)驱动装置的结构；
图2a至图2j描述了施加于图1所示的PDP驱动器件的主要信号的波形；
图3描述了根据本发明的使用磁耦合电感的能量恢复设备的结构；
图4a至图4i描述了施加于图3所示的能量恢复设备的主要信号的波形；以及
图5描述了其中应用了根据本发明的使用磁耦合电感的能量恢复设备的PDP驱动系统结构。
                       具体实施方式
参照图3，根据本发明用于使用磁耦合电感恢复能量的设备包括扫描电极持续切换电路10、公共电极持续切换电路20、能量恢复单元30、等离子显示板(PDP)Cp 40、以及第一和第二非隔离栅驱动器(GD1和GD2)50-1和50-2。
扫描电极持续切换电路10和公共电极持续切换电路20包括多个开关Sy1、Sy2、Sx1和Sx2，用于将高频交流矩形波电压施加于PDP发光部分中的PDP 40。扫描电极持续切换电路10和公共电极持续切换电路20在发光期间通过开关的耦合(Sy1与Sy2)以及(Sx1与Sx2)交替地重复导通/断开。
能量恢复单元30是用于在持续模式中通过防止平板电压和电容位移电流(displacement current)的突变来抑制功率消耗的电路。具体的说，能量恢复单元30包括磁耦合电感CI、两个开关Sa和Sb、以及两个二极管Da和Db。二极管Da和Db为了减少元件的数量而使用金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)开关Sa和Sb的埋入体(embedded body)二极管。同样情况，为了提高性能而在MOSFET开关Sa和Sb的漏源电极之间额外设计二极管Da和Db。磁耦合电感CI中的初级和次级绕组的数量比率为1∶1是有效的。这里，初级电感表示为La，而次级电感表示为Lb。
因此，相对于本发明的电路结构，能量恢复单元30的开关Sa和Sb具有源电极，该源电极接地从而不需要诸如自举电路(boot strap circuit)的隔离栅驱动器。相应地简化了整个电路，并且方便地设计高频低耗栅驱动器。
图4a至图4i描述了根据本发明的能量恢复电路的电流/电压波形。基本上，持续开关的通/断(on/off)驱动信号与常规电路的信号相同。用于在施加每个开关信号的情况下恢复能量的设备的操作原理将按逐个模式来描述。
(1)模式1(t0-t1)
开关Sy1和Sx2在t0时间之前导通，从而平板电压Vp保持用于持续放电的Vs。在t0时间，如果能量恢复单元30的开关Sa导通，则随着耦合电感La的电流iLa随着Vs/La的斜率(inclination)而线性增加。在t1时间，电流iLa(t1)变成Vs(t1-t0)/La。在此期间，反向偏压施加于二极管Db，从而耦合电感Lb的电流变成零。在t1时间断开开关Sy1的情况下，模式1结束。
(2)模式2(t1-t2)
当在t1时间断开开关Sy1时，平板逐渐通过谐振路径Sx2-Cp-La-Sa的路径放电，从而平板电压Vp减少。在模式2中，电流iLa和平板电压Vp以下述方程式1和2表示。 i La ( t ) = V s ( t 1 - t 0 ) L a cos ω n ( t - t 1 ) + V s Z n sin ω n ( t - t 1 ) - - - ( 1 ) v p ( t ) = V s cos ω n ( t - t 1 ) - Vs ( t 1 - t 0 ) L a Z n sin ω n ( t - t 1 ) - - - ( 2 )
其中， ω n = 1 L a C p , Z n = L a C p .
与常规电路不同，值得注意的地方在于即使因存在电流iLa(t1)而存在寄生电阻，平板电压Vp也可以准确地降低至0V。当平板电压Vp变成零时，模式2结束。
(3)模式3(t2-t3)
当平板电压Vp在t2时间变成零时，耦合电感的电压变成零。在这种情况下，流向初级侧的电流iLa(t2)的一半保持分别流经Dy2(Sy2的体二极管(body diode))-La-Sa以及Db-Lb-Sx2的路径的状态。如果开关Sy2在模式3中接通，则开关Sy2由零电压切换接通，而无因二极管Dy2的导通状态产生的切换损耗。平板电压Vp在模式3中在Sx2-Cp-Sy2路径上保持零。当开关Sx2在t3时间被断开时，模式3结束。
(4)模式4(t3-t4)
如果开关Sx2在t3时间断开，则电感的电压极性通过电感的特性而反转，这样保持流动电流，从而电感的端点变成负的。这里，初级侧的电流iLa传送到次级侧。利用电流iLa(t2)的初始值，平板通过谐振路径Db-Lb-Cp-Sy2的路径充电。次级侧Lb的电流iLb和平板电压Vp在模式4中由以下方程式3和4表示。
iLb(t)＝iLa(t2)cosωn(t-t3)    …(3)
vp(t)＝-ia(t2)Znsinωn(t-t3)  …(4)
这里，如果电流iLa(t2)被设计成适当大，则平板电压Vp逐渐充电成电压-Vs，从而平板电压Vp准确地增加至电压-Vs。在相同的条件下，平板电压Vp在t4时间变成电压-Vs，并且模式4结束。
(5)模式6(t4-t5)
如果在t4时间平板电压Vp变成电压-Vs，则次级侧Lb的电流iLb随着-Vs/Lb的斜率通过Db-Lb-Dx1(Sx1的体二极管)而线性降低。如果开关Sx1接通，则开关Sx1由零电压切换接通，而无因二极管Dx1的导通状态产生的切换损耗。平板电压Vp在模式5中变成电压-Vs，从而平板电压Vp保持持续模式。当在t5时间电流iLb变成零时，模式5结束。
(6)模式6(t5-t0’)
在t5时间电流iLb变成零而且电路仅保持气体放电电流，从而平板保持发光条件。通常，模式5和模式6的持续时间长度根据平板和放电的特性被假定为设计标准。如果能量恢复开关Sb在t0’时间导通，则重复另半个周期的操作。
图5描述了应用根据本发明的使用磁耦合电感的能量恢复设备的PDP驱动器件结构。PDP平板驱动装置包括扫描电极驱动板100、公共电极驱动板200、PDP 300、地址扫描驱动IC 400、以及能量恢复单元500。
X电极持续开关Sx1和Sx2、以及X电极锯齿波形发生电路(Xrr、Ds、Rs和锯齿信号发生电路)都安置在公共电极驱动板200上。Y电极持续开关Sy1和Sy2、Y电极锯齿波形发生电路(Yfr、Yrr、Cset、Dset、Rset和锯齿信号发生电路)、分离电路Yp、以及扫描脉冲发生电路(100a、Ysc、Ysp、D_Ysink、Rsc、Dsc和C_Ysink)都安置在扫描电极驱动板100上。
公共电极驱动板200和扫描电极驱动板100分别连接到PDP 300的X电极端和Y电极端。地址扫描驱动IC 400连接到PDP 300的地址端。
在本发明中形成能量恢复单元500的磁耦合电感的初级和次级线圈通过线缆或PCB形式，分别与扫描电极驱动板100和公共电极驱动板200电连接。
在PDP发光期间，扫描电极和公共电极持续开关执行将高频交流电流矩形波电压施加于平板(交流PDP)300。
分离电路Yp用作开关，用于在地址显示分离(ADS)系统中将PDP 300的持续部分的电路操作与PDP 300的其它部分(地址部分和复位部分)的电路操作分离。
X和Y电极锯齿波形发生电路被形成以在复位部分产生到平板的锯齿型高电压。
对于扫描脉冲发生电路，包括漂移电阻器+电压缓冲器的扫描驱动器IC100a，施加PDP屏幕的水平同步信号以用于地址部分。扫描驱动器IC 100a对于其它部分变短。
在实施例中，包含在上述电路中的各种开关是金属氧化物场效晶体管(MOSFET)。
在持续部分中用于恢复能量的PDP驱动操作和切换序列在电路结构和波形上与图3和图4所示的相同。相应地，PDP驱动操作和切换序列的详细描述在此省略。
如上所述，本发明通过在充电/放电PDP时将磁耦合电感应用于能量恢复电路，并通过将能量恢复电路中的切换装置的源端接地，提供了改进无功功率的恢复率的效果。另外，本发明通过将切换损耗减少到零并且不产生平板电压的突变，提供了减少电磁干扰(EMI)的效果。本发明与常规PDP驱动电路相比，还提供了简化栅驱动端的电路结构以及减少电路元件数量的效果。
本发明作为方法、设备以及系统来实现。在以软件实现本发明的情况下，本发明的元件是执行必要操作的代码段。程序或代码段最好存储在处理器可读介质，或者最好由计算机数据信号传送，该计算机数据信号与转换介质或通信网络中的载体耦合。最好处理器可读介质包括存储或传送信息的任何介质。处理器可读介质的实例是电子电路、半导体存储装置、ROM、闪速存储器(flash memory)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、软盘、光盘、硬盘、光学介质、射频(RF)网络等等。计算机数据信号包括任意信号，该信号通过诸如电子网络信道、光纤、无线、电子系统、RF网络等的传输介质来传送。
尽管已经参照优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的实质和范围的情况下，可以对本发明进行各种形式和细节上的修改。

Claims (16)

1.一种在等离子显示板(PDP)驱动系统中使用磁耦合电感恢复能量的设备，该能量恢复设备包括：
第一和第二开关装置，用于相应于预定的能量恢复序列切换控制信号，在输入端和地之间切换电导通/断开；以及
磁耦合电感，其中通过将第一和第二线圈的第一端分别连接到PDP的两端，并通过将第一和第二线圈的第二端分别连接到第一和第二开关装置的输入端来将第一与第二线圈磁耦合。
2.如权利要求1所述的设备，其中磁耦合电感中的初级和次级线圈的绕组数量比率被设计为1∶1。
3.如权利要求1所述的设备，其中第一和第二开关装置是金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)开关。
4.如权利要求3所述的设备，其中二极管安置在MOSFET开关的漏电极和源电极之间。
5.如权利要求4所述的设备，其中二极管是嵌入在MOSFET开关中的体二极管。
6.如权利要求3所述的设备，其中MOSFET开关的源电极和漏电极分别接地和连接到磁耦合电感，并且非隔离栅驱动器的输出端与MOSFET开关的栅电极耦合。
7.如权利要求1所述的设备，其中磁耦合电感的电流在持续部分以充电/放电模式线性变化。
8.一种具有切换序列的等离子显示板(PDP)驱动器件，该序列重复复位部分、地址部分以及持续部分，PDP驱动器件包括：
Y电极持续切换电路，用于在持续部分将高频矩形波形电压施加于PDP的Y电极；
分离电路，用于分离持续部分、地址部分以及复位部分的电路操作；
Y电极锯齿波形发生电路，用于在复位部分将锯齿型高电压施加于PDP的Y电极；
扫描脉冲发生电路，用于对地址部分施加水平同步信号，而对其他部分变短；
X电极持续切换电路，用于在持续部分将高频矩形波形电压施加于PDP的X电极；
X电极锯齿波形发生电路，用于在复位部分将锯齿型高电压施加于PDP的X电极；以及
能量恢复电路，该电路在持续部分中的充电/放电时间由PDP两端的磁耦合电感形成，
其中切换序列受到控制以便线性地充电/放电PDP的电压。
9.如权利要求8所述的PDP驱动器件，其中能量恢复电路包括：
第一和第二开关装置，用于相应于预定的能量恢复序列切换控制信号，在输入端和接地端之间切换电导通/断开；以及
磁耦合电感，其中通过将第一和第二线圈的第一端分别连接到PDP的X电极和Y电极，并通过将第一和第二线圈的第二端分别连接到第一和第二开关装置的输入端来将第一与第二线圈磁耦合。
10.如权利要求8所述的PDP驱动器件，其中磁耦合电感中的初级和次级线圈的绕组数量比率被设计为1∶1。
11.如权利要求8所述的PDP驱动器件，其中第一和第二开关装置分别是MOSFET开关。
12.如权利要求11所述的PDP驱动器件，其中二极管安置在MOSFET开关的漏电极和源电极之间。
13.如权利要求12所述的PDP驱动器件，其中二极管是嵌入在MOSFET开关中的体二极管。
14.如权利要求11所述的PDP驱动器件，其中MOSFET开关的源电极和漏电极分别接地和连接到磁耦合电感，并且非隔离栅驱动器的输出端与MOSFET开关的栅电极耦合。
15.如权利要求8所述的PDP驱动器件，其中磁耦合电感的电流在持续部分以充电/放电模式线性变化。
16.一种用于设计在等离子显示板(PDP)驱动系统中使用磁耦合电感的能量恢复电路的方法，该用于设计能量恢复电路的方法包括步骤：
执行切换处理，其中其第一和第二线圈磁耦合的磁耦合电感连接到PDP的两端；以及
响应于预定的能量恢复序列将第一和第二线圈的电流连接到地或从地断开，从而在持续部分中PDP的电压以充电/放电模式被线性地充电/放电。
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