CN1459217A - 驱动电容性耦合荧光灯的系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有电容性耦合荧光灯的电容性耦合荧光灯组件，用于驱动灯的反相器电路；和用于接收电源电压的电源节点。所述电容性耦合荧光灯组件包括共振电路灯驱动线路用于驱动电容性耦合荧光灯。所述驱动线路减小了寄生电容漏电流；利用次级侧的漏电感补偿无功功率以使共振频率大约等于电流源型驱动的反相器电路的工作频率；并且与所嵌入的镇流电容器和次级侧漏电感器形成了电压源驱动型的驱动电路的串联共振分支电路，使得共振频率基本上低于反相器电路的工作频率并且使灯电流和电流镇流一起适当地成形。

Description

驱动电容性耦合荧光灯的系统
本公开一般而言涉及照明系统。具体而言，本公开涉及驱动电容性耦合荧光灯的方法和系统。
电容性耦合荧光灯(CCFL)广泛地应用于背光液晶显示器(LCD)及其它应用领域。不同的电子驱动器或反相器电路，例如已经设计了电流馈送推挽、电压馈送推挽、有源箝位回扫、和电压馈送半桥反相器电路用以运行高工作频率的CCFL灯。典型的频率范围是20kHz和100kHz。以这种方式将高频电压施加到放电容器内的放电空间或者形成放电的CCFL管中。
为了提高CCFL的照度，提高充入放电容器或者管中稀有气体的气压。提高稀有气体的气压之后，如果不提高施加到CCFL上的电压和此电压的高频，放电所需的电流会不足。因此为了提高CCFL的照度或灯功率，不仅必须提高稀有气体的气压，而且必须提高施加到CCFL上的电压和电流。但是，所提高施加电压时，在放电容器的外表面存在放电蠕变的危险，这会导致CCFL的绝缘击穿。
为了克服常规CCFL的缺点，设计了一种电容性耦合的荧光灯，其中采用圆柱形陶瓷管或电容性耦合结构替代传统的阴极(包括二个被比较重镀镍并呈V字形的矩形铁片)。通常，所述圆柱形陶瓷管的内直径为2.5mm，外直径为3.5mm，长度为10mm。这种陶瓷管以一定的介电常数和几何形状与灯的正极柱有效地构成了的串联电容。电容与频率无关。通过选用适当的材料和结构，可以设计这种串联电容使电子驱动器受益。
由于阴极的改进显著提高了灯电流，而不必提高充入气体的压力和灯上所施加地电压。实际上，与常规CCFL相比，为传送相同的灯功率，施加到电容性耦合的荧光灯的电压低于施加到常规CCFL的电压。
另外，作为效果，大大降低了等效的灯阻抗。例如，在电容性耦合荧光灯的优选设计中，灯电压为450V，在50kHz频率的灯电流为20mA。所以与常规CCFL的约为115千欧姆的灯阻抗相比其灯阻抗约为22.5千欧姆。因此，电容性耦合荧光灯克服了现有技术的相关问题，并且提供了若干优于常规CCFL的优点。
如上所述，利用电子驱动器或反相器电路来运行CCFL。在图1的电路中，该反相器电路具有带LC共振回路的电压馈送半桥式结构。共振电感器为Lr。共振电容器由等效屏蔽寄生电容和变压器T1的等效输出绕组间电容构成。CCFL由其等效电阻Rlp标明。镇流器电路由一个集成电路(IC)控制。
如图2所示，一组典型的CCFL结构参数为：灯电压Vlamp为690V；灯电流Ilamp为6mA；等效屏蔽电容Ceq为7pF。另外，一组电路设计值为：直流输入电压Vin为12V；共振电感器Lr为6.5uH；以及输出电压器匝数比为N＝20。
在图1所示的电路中，可以计算出标称稳态的灯等效阻抗是115千欧姆。当工作频率为50kHz时，屏蔽电容的等效阻抗为454.7千欧姆。这种十分相当的阻抗相对于灯电流导致大的通过屏蔽的寄生电容漏电流。因而增大了电路功率损失。更重要的是，难以针对不同类型的监视器设计统一的电子驱动器而不用严格强制的灯电流反馈控制。
在大多数所设计的LCD背光反相器中，反相器电路的输出阻抗受到电路内部结构的限制。为了获得灯的稳定性，应当对灯进行适当的镇流。如图3所示，小直径CCFL的镇流线路是通过将小电容与灯进行串联连接。
图3所示的串联电容天然地存在于该电容性耦合荧光灯结构中。对于上述的电容性耦合荧光灯，利用串联电容，使等效电容Cb位于1.1-1.4nF的范围。当工作频率为50kHz时，相应的等效阻抗位于2.89-2.27千欧姆的范围。在处于频率范围为25-100kHz的稳态时，测量出电容性耦合荧光灯的动态负阻抗的范围是5.0-7.0千欧姆。
由于灯两端的高的交流电压(约500V)以及低的输入直流电压(约12V)，在大多数LCD监视器应用中，高电压升压输出变压器是不可避免的。这种高匝数比通常在输出变压器的次级侧产生高的漏电感，即次级侧漏电感。当反相器电路与电容性耦合荧光灯连接时，这种漏电感自然会与镇流电容器Cb形成串联共振分支电路，这通常会负面地影响电容性耦合荧光灯的工作。
镇流电容器Cb的提前量(lead value)取决于灯的类型和工作频率。在一些商售样机中，Cb的典型范围是15-68pF。这种实施方案的缺点在于输出变压器通常需要过设计，使得能够将无功功率传送到灯/镇流电容器支路。
相应地，为了减小变压器尺寸、降低反相器功率损失、改善灯电流波形，需要提供共振电路灯的驱动线路(scheme)，所述线路能够根据反相器电路类型选择驱动电容性耦合荧光灯的不同工作点。
按照本公开，提供了一种消除现有技术相关问题的驱动电容性耦合荧光灯的方法和系统。
本公开的方法和系统提供一种共振电路灯的驱动线路用于驱动电容性耦合荧光灯，所述线路降低了寄生电容漏电流，并因此降低了反相器电路的功率损失；它利用次级侧的漏电感来补偿无功功率使得共振频率约等于电流源型驱动电路的反相器电路的工作频率，因而减小了输出变压器尺寸、匝数比、和功率损失；并且与接入的镇流电容器和电压源型驱动电路的次级侧的漏电感构成串联共振分支电路，使得共振频率基本上低于反相器电路的工作频率，并且使灯电流与电流镇流一起适当地成形，因而降低了输出变压器的匝数比。
所公开的系统包括具有圆柱形陶瓷管的电容性耦合荧光灯。所述系统还包括电子驱动器或反相器电路用于驱动灯和用于接收电源电压的电源节点。所述反相器电路是用于常规CCFL的常规反相器电路，诸如，电流馈送推挽、电压馈送推挽、有源箝位回扫、和电压馈送半桥反相器电路。
尤其是本公开提供一种配有电容性耦合荧光灯的电容性耦合荧光灯组件(package)；用于驱动灯的反相器电路；以及用于接收电源电压的电源节点。由集成电路控制的镇流器电路可以与所述反相器电路相连以便适当地对灯进行镇流。
所述电容性耦合荧光灯组件包括共振电路灯驱动线路用于驱动电容性耦合荧光灯。所述驱动线路降低了寄生电容漏电流；利用次级侧漏电感对无功功率进行补偿以使所述共振频率大约等于电流源型驱动电路的反相器电路的工作频率；以及形成了与嵌入的镇流电容器和电压源型驱动电路的次级侧漏电感相串联的共振分支电路，使得共振频率大体上低于反相器电路的工作频率并且灯电流沿着电流镇流适当地成形。
参照附图将对本发明的实施方案进行进一步讨论。附图包括：
图1是现有技术的反相器电路的示意图；
图2是图1所示反相器电路的灯/屏蔽连接的等效电路图；
图3是图1所示反相器电路的镇流电容器/灯/屏蔽连接的等效电路图；
图4是电容性耦合荧光灯组件的方框图，所述组件配有能够由根据本公开的共振电路灯驱动线路驱动的灯；和
图5的图表示出了按照本公开的共振电路灯的驱动线路的电容性耦合荧光灯组件的反相器电路的工作频率范围。
参照图4和图5将对目前所公开的共振电路灯驱动线路的优选的实施方案进行详细讨论，所述驱动线路用于驱动电容性耦合荧光灯组件中的电容性耦合荧光灯。虽然在此所公开的所设计的实施方案用于背光液晶显示器，但是目前所公开的实施方案还可以用于其它的应用领域。
参照图4，所示方框图示出了使用按照本公开的共振电路灯驱动线路的电容性耦合荧光灯。一般来说，标记400的电容性耦合荧光灯组件包括带有放电容器和圆柱形陶瓷管的电容性耦合荧光灯410。灯组件400还包括用于驱动灯410的电子驱动器或反相器电路420以及用于接收来自电压源或电源(未示出)的电源电压的电源节点430。所述电源电压约为450V。
优选地，反相器电路420提供20kHz和100kHz的驱动信号给电容性耦合荧光灯410。如下文所述，当反相器电路420为电流源驱动型反相器电路时，供应20kHz的驱动信号。如下文所述，当反相器电路420为电压源驱动型反相器电路时，提供100kHz的驱动信号。
反相器电路420是常规的反相器电路，诸如用于常规CCFL中的电流馈送推挽、电压馈送推挽、有源箝位回扫、和电压馈送半桥反相器电路。根据本公开，为了减小变压器尺寸、反相器电路420的功率损失和改善灯电流波形，应当根据反相器电路的类型选择不同的工作点。
在电流源驱动型反相器电路中，反相器电路420的输出阻抗一般非常高。有可能进行直接驱动灯。在这种情况下，将输出变压器次级侧漏电感和电容性耦合荧光灯410的耦合电容设计成所具有的共振频率大约等于所述反相器电路的工作频率。
以这种方式，耦合电容完全由输出变压器漏电感补偿。实际上，即使该共振频率与反相器电路的工作频率不匹配，也将它们的差别维持尽可能小。共振电路灯驱动线路用于使反相器电路工作频率保持在图5所示曲线的凹部附近，其中示出了由漏电感和镇流电容器Cb构成的次级侧串联共振分支电路的输入阻抗。最好工作频率为20kHz。
在电压源驱动型反相器电路的情况下，反相器电路420的输出阻抗通常不高。直接的灯驱动通常会导致电路的不稳定性。在这种情况下，输出变压器次级侧漏电感和电容性耦合荧光灯410中的耦合电容用作次级共振分支电路，所述分支电路用于镇流电容性耦合荧光灯410以及对灯电流成形。
共振电路灯驱动线路用于保持共振频率基本上低于反相器电路的工作频率，即：共振频率低于反相器电路的工作频率。也就是说，反相器电路的工作频率范围基本上偏离图5所示曲线的的凹部。最好，工作频率为100kHz。以这种方式，耦合电容部分地由输出变压器的漏电感来补偿。
在背光照明LCD情况下，将灯组件400安装在配有LCD的系统中，诸如膝上型计算机，电源节点430与电压或电源相连以提供电源电压。然后由电源电压给反相器电路420供电。相应地，反相器电路420利用根据本公开的共振电路灯驱动线路给电容性耦合荧光灯410发送驱动信号来激活灯410以获得背光照明LCD的照度。
显然还应提供完全容纳灯410和反相器电路420以及部分容纳电源节点430的外壳。显然还提供用于镇流电容性耦合荧光灯410的镇流电路并且提供如图1所示的控制镇流电路的集成电路。
优选地，反相器电路420选自包括电流馈送推挽、电压馈送推挽、有源箝位回扫、和电压馈送半桥反相器电路的组合。
显而易见：可以对在此公开的实施方案进行各种修改，上面的说明不应当是限制性的，而仅仅是作为实施方案的举例。本领域技术人员在所附权利要求构思和范围内可以进行改动。

Claims (12)

1.一种电容性耦合荧光灯组件(400)，该组件包括
荧光灯(410)，适用于电容性耦合反相器电路；
反相器电路(420)，被配置用于以工作频率驱动荧光灯(410)，该工作频率补偿荧光灯(410)的耦合电容；和
电源节点(430)，用于接收电源电压。
2.按照权利要求1的灯组件，其中反相器电路(420)被配置用于以大约20kHz或100kHz的工作频率驱动灯(410)。
3.按照权利要求2的灯组件，其中如果反相器电路(420)是电流源驱动型反相器电路，那么反相器电路(420)以大约20kHz的工作频率驱动灯(410)；如果反相器电路(420)是电压源驱动型反相器电路，那么反相器电路(420)以大约100kHz的工作频率驱动灯。
4.按照权利要求1的灯组件，其中反相器电路(420)选自一组包括电流馈送推挽、电压馈送推挽、有源箝位回扫、和电压馈送半桥反相器电路，和其它高频反相器。
5.按照权利要求1的灯组件，其中电容性耦合荧光灯(410)包括放电容器和位于放电容器内的圆柱形陶瓷管。
6.按照权利要求5的灯组件，其中圆柱形陶瓷管(104)的内直径约为2.5mm，外直径约为3.5mm，长度约为10mm。
7.按照权利要求1的灯组件，其中电源电压大约为450V。
8.按照权利要求1的灯组件，其中电容性耦合荧光灯(410)具有的灯电流约为20mA，工作频率约为50kHz。
9.按照权利要求1的灯组件，其中电容性耦合荧光灯(410)的灯阻抗约为22.5千欧姆。
10.按照权利要求1的灯组件，其中反相器电路是用于镇流电容性耦合荧光灯(410)的镇流电路的部分。
11.一种电容性耦合荧光灯组件(400)，该组件包括：
荧光灯(410)，适用于电容性耦合反相器电路；
反相器电路(420)，与荧光灯(410)电容性耦合并被配置用于以工作频率f驱动电容性耦合的灯(410)，和
电源节点(430)，用于接收电源电压，
其特征在于：反相器包括与荧光灯串联耦合的电感性元件L；和：选择电感性元件的尺寸以使电感性元件L和耦合电容的共振频率fr范围，在反相器为电流源驱动型的反相器的情况下选为0.8*f≤fr≤1.2*f，其优选范围是0.9*f≤fr≤1.1*f；并且在反相器为电压源驱动型的反相器的情况下选为fr≤0.5*f，其优选范围是fr≤0.2*f。
12.按照权利要求11的电容性耦合荧光灯组件，其中反相器包括配备有初级绕组和次级绕组的变压器并且其中由所述变压器的次级侧漏电感形成电感性元件L。
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