CN1547686A - 用于调光的冷阴极荧光灯的电子镇流器 - Google Patents

用于调光的冷阴极荧光灯的电子镇流器 Download PDF

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Abstract

用于给电显示装置的冷阴极荧光灯(18)供电的电子镇流器包括：整流器(40)，它耦合到AC电源并用于产生整流DC输出电压、功率因数补偿电路(50)，它接收整流DC输出电压并提供增加的电压DC总线电压、电子开关电路，它包括用于开关DC总线电压以便提供用于驱动冷阴极荧光灯(18)的开关电压的至少一个电子开关，通过包含共振LC电路的输出级(74)将所述开关电压提供到灯(18)；以及电镇流控制电路(72)，它用于控制所述电子开关电路(70)的开关操作，所述电子镇流器在用于电显示器装置的外壳中。

Description

用于调光的冷阴极荧光灯的电子镇流器
相关申请的参考
本申请要求2001年3月22日提交标题为“DRIVER FOR COLD CATHODEFLUORESCENT LAMP”的临时专利申请S.N.60/277,635的权益和优先权，其所揭示的内容将作为本文的参考。
发明背景
本发明涉及用于冷阴极荧光灯的电子镇流器。冷阴极荧光灯通常用作在个人计算机显示器中使用的液晶显示器的背景灯。在现有技术中，参考图1，包括LCD显示器10的平板显示器具有在显示器后的冷阴极荧光灯来提供背面照明。通常使用分开的电源20并通过AC电源插头22将它连接到AC电源。
如图2所示，电源20包括AC到DC转换器，它将输入的AC电压，通常90到265伏AC50/60赫兹，转换到较低的DC电压，例如24伏DC。该24伏DC电源由互连电缆24提供到显示器10。在显示器内部逆变转换器(buck converter)调整电流并将该调整的电流提供到Royer输出级16，它包括将必要的电压提供以18表示的冷阴极荧光灯(CCFL)的开关电路。点火电压约3千伏。可以提供调光控制13来调整CCFL18的亮度等级。
消除外部电源以及降低显示器中的内部电源转换电路尺寸从而降低成本、重量和空间和提供更高的效率是理想的。
发明概述
根据一个方面，本发明包括用于给冷阴极荧光灯供电的电子镇流器，它包括：耦合到AC电源并用于产生整流DC输出电压的整流器，接收该整流DC输出电压并提供增加的电压DC总线电压的功率因数补偿电路，包括用于开关DC总线电压以便提供用于驱动冷阴极荧光灯的开关电压的至少一个电子开关的电子开关电路，通过包含共振LC电路的输出级向灯提供的开关电压；以及用于控制所述电子开关电路的开关操作的电镇流控制电路，所述电子镇流器在用于电显示器装置的外壳中。
根据另一个方面，本发明包括用于给冷阴极荧光灯供电的电子镇流器，它包括耦合到AC电源且用于产生整流DC输出电压的整流器；接收整流DC输出电压并提供增加的电压DC总线电压的升压电路；包括用于开关DC总线电压以便提供用于驱动冷阴极荧光灯的开关电压的至少一个电子开关的电子开关电路，通过包含共振LC电路的输出级向灯提供的开关电压；和用于控制所述电子开关电路的开关操作的电镇流控制电路，其中，所述电镇流控制电路还包括调光输入，所述调光输入建立基准相位角而所述电镇流控制电路还包括电流检测输入，所述电流检测输入接收和通过所述灯的电流和所述灯的电压之间的实际相位角相关的信号输入，所述电镇流控制电路检测所述实际相位角并产生与实际相位角和基准相位角之间的差成比例的误差信号并驱动所述灯以使误差信号最小，由此将灯驱动到由所述基准相位角设定的所需调光电平。
从本发明的以下描述并结合附图将使本发明的其它特点和优点变得明显。
附图概述
在以下详细的说明中将参考附图详细描述本发明，其中：
图1示出台式显示器中向CCFL供电的现有技术的方法；
图2示出更详细的现有技术的系统；
图3示出本发明如何消除现有技术的特定部件；
图4示出本发明的框图；
图5示出灯功率如何随电流相对提供到灯的电压的相位角变化，由此实现灯的调光；
图6是根据本发明的镇流控制器的框图；
图7是镇流控制器的状态图；
图8示出本发明的电路的时序波形；
图9示出根据本发明的镇流控制器如何被连接到输出级和CCFL；
图10是本发明的更详细的框图；
图11是图10的本发明的示意图；
图12示出在正常启动期间包括DC总线电平和灯电压的波形；
图13示出在灯关闭期间的灯电压和半桥输出电压；
图14示出在100％亮度期间的灯电压和半桥电压；以及
图15示出在10％亮度期间的灯电压和半桥电压。
具体实施方式
现在参考附图，参看图4，它示出了本发明的基本框图。对比现有技术，本发明不需要诸如图1所示的电源20的外部电源。图3示出本发明消除了对外部电源20的需要并消除了显示器10中的内部逆变转换器。直接提供AC电源给显示器10。通过适当的电磁干扰滤波器和整流器级将AC电源提供到功率因数控制器50。功率因数控制器的输出通常是在DC总线60上提供的400伏DC。将DC总线电压提供到包括镇流控制电路的共振输出级70，该镇流控制电路驱动用于通过电感和电容共振电路向CCFL18的电子开关元件提供高频功率信号。共振输出级70在高频，例如40到100千赫兹，产生大致正弦的2伏输出电压。提供调光控制13来实现提供到CCFL18的电流和电压之间相位关系的相位控制。
图5示出相位控制如何确定灯的功率。如图5所示，存在灯的功率和提供到CCFL的电流和电压之间相位关系有关的线形区域。提供到灯的电流和电压之间的相移越少，功率越大。最小功率产生在电流和电压之间的相移约90°处，最大功率在约60°处。
参看图10，它示出了本发明的更详细的框图。本发明包括EMI滤波器30，它包括合适的电感和电容部件以便使电磁干扰最小。它耦合到AC线路。将EMI滤波器的输出提供到整流器级40，例如全波整流器。将整流器40的输出提供到功率因数补偿(PFC)级50。功率因数补偿级使用本技术领域的熟练技术人员公知的升压(boost)转换器电路，它用来将增加的电压电平提供到DC总线60。功率因数补偿级50调整波形的形状以使AC输入处的电流和电压的相移最小，较佳地维持功率因数接近1，例如.97到.99。功率因数补偿级50由功率因数补偿控制器55以常规方式控制。将DC总线60的电压提供到电子开关级70，它使高侧和低侧开关由来自镇流控制器72的控制信号控制。将半桥70的输出提供到输出级74，它包括形成共振电路和转换器升压电路的LC电路。CCFL18耦合到共振输出级并由它供电。
图6示出半桥控制器72的详细的框图。半桥控制器可以由一个IR2159镇流控制IC实现。该电路包括由输入连接VCO控制的电压控制振荡器90。电压控制振荡器的输出驱动高和低侧驱动器92，它将高HO和低LO输出提供到半桥电子开关。来自半桥电子开关的输出在开关之间的共用连接处获得。HO和LO信号可提供到各个高和低侧器件的门电路。高和低侧器件在DC总线之间串联。
控制器72还包括关闭针脚94和电流检测针脚96，该电流检测针脚96检测和灯内电流成比例的半桥电路内的电流。这些信号被提供给故障逻辑98，在将故障信号施加到关闭针脚SD或在CS检测到过电流时，它可以关闭控制器72。将过热温度检测99和欠电压检测100作为输入提供给故障逻辑，从而允许在这些条件的情况中关闭控制器72。输入VDC用于线路输入电压检测。
控制器72还包括调光接口102，它具有大量输入，这些输入包括可以用来设定灯的最小工作频率、调光电平和最大功率或亮度等级。此外，将峰值预热电流基准IPH提供给振幅控制电路104。将预热时间输入CPH提供给计时电路108以便控制灯的预热时间。
调光接口将基准相位提供给相位控制106。相位控制接收与实际相位成比例的信号。通过检测和输入CS上的半桥电流成比例的电压信号的零交叉点(zerocrossing)来确定实际相位。CS的零交叉点和相位角成比例。相位控制比较由调光接口提供的基准相位和实际相位并将该误差信号提供给VCO由此改变VCO频率并将误差信号驱动到零。当灯的电压和通过灯的电流相位更加接近时，灯内的功率耗散增加并因此使亮度上升。当电压和电流之间的相位差增加时，灯内的功率耗散减少并因此使亮度降低。
图7示出用于控制器集成电路的状态图。在开启电源120时，检测欠电压和信号灯(UVLO)122。假定电压合适且灯正常，则状态变化到预热模式124，于是灯被预热。随之灯被预热，则进入点火阶段126。一旦灯点火，则灯进入调光模式128，其中调光电平被设定到所需的功率电平，由此将灯驱动到合适的亮度等级。在所有状态、预热、点火和调光期间，如两条线130、132所示，控制器检测任何故障或欠电压。
图8示出从起始到关闭的时序图，包含将电能提供到控制器集成电路72的电压VCC(A)、示出从对应5伏DC调光输入的最大亮度到对应最小亮度的0伏DC调光输入的变化的采样调光控制输入(B)。波形C示出在稳定态和调光期间到启动的灯的输出频率。起初，灯在最大频率处起始，并斜向下到最小工作频率。如图所示，如果提供调光信号来降低灯的功率，则频率增加。如波形C所示，当灯被调光，则电流和电压之间的相位角从最小增加到最大相位差。
波形D示出灯电压。在点火期间，灯电压增加到约1.2千伏的最大值而此后，一旦灯触发(strike)，则下降到约400伏峰峰值的工作电压。如果检测到欠电压、故障或灯被移除，则镇流控制器IC禁用半桥且使其输出电压降低到0。
图9示出用于驱动包含开关晶体管M1和M2的半桥电路的镇流控制集成电路72的典型电路图。电阻器RCS提供电流检测输入CS。通过电阻器RCS的电流和电阻器RCS的两端电压与灯电流成比例。特别是，控制器72的针脚CS处的电压将具有与电流和电压的相位角成比例的零交叉点。因此，通过检测零交叉点，相位角，从而可以确定灯的功率或亮度等级。因此，可以通过比较零交叉点(相位角)和由调光控制所设定的相位角来实现调光电平的反馈控制。如前所述，内相位比较器将该相位角与由调光控制所设定的基准相位角相比较，并因此将灯驱动到所需的亮度等级。
各种电阻器RMAX、RMIN、RFMIN和RIPH分别设定最大功率电平、最小功率电平、最小工作频率和峰值预热电流基准。
电容器CVCO和CPH分别设定用于电压控制的振荡器的时间控制和预热时间。
在VDC处通过连接着整流AC线路的电阻器R5提供输入电压检测。在VCC处提供用于控制IC72的功率。
在VS将半桥的输出提供到包括共振电容器C13、共振电感器L3和升压变压器T1的共振电路。变压器T1的次级线圈连接到灯18。并联电容C14连接灯18的两端。将2到3千伏的峰值电压提供到CCFL。
图11示出用于CCFL的电子镇流器的示意图。已经结合图9描述了镇流控制集成电路72和其相关部件。在图11中更详细地示出了功率因数补偿级50，它包括升压转换器开关晶体管M1和功率因数补偿控制IC55。功率因数补偿控制有效地达到约1的功率因数，例如约.99。当DC总线60的电压下降到功率因数补偿级以下时，二极管D2使升压转换器的输出和DC总线60隔开并允许电流从功率因数补偿控制级50的输出引出。在DC总线上设置了滤波电容器C6，在整流器40的输出处设置了滤波电容器C2。
图12示出在正常启动期间DC总线60和灯电压的波形。如图所示，灯电压增加到最大电压并随后降低到降低了的工作电压。
图13示出在灯关闭期间半桥和灯电压处的输出电压VS。如图所示，由于过电流转换器安全地停用所以半桥的输出基本降到零。
图14和15分别示出100％亮度和10％亮度期间灯电压和半桥输出VS。如图所示，灯电压的相位角与电流的流动有关。在低亮度处，电压和电流之间的相位角将超过在100％亮度处的相位角。因此，在低亮度期间，降低了传递到灯负载的功率。相位角和功率之间的关系在图5中示出。
还可能通过将脉冲的逻辑信号应用到控制器IC的关闭(SD)针脚来实现调光。该逻辑信号的典型的频率是几百赫兹，例如200赫兹，从而避免给人眼闪烁的感觉。该逻辑信号的占空周期(duty cycle)可以确定灯的打开时间并因此可以改变来控制调光电平。因此，图10的调光控制可以以几种方式控制，例如通过相位控制或通过SD输入处的信号的占空周期控制。
虽然结合特定的实施例描述了本发明，但许多其它的变化和修改对于本技术领域内的熟练的技术人员来说是明显的。因此本发明不限于这里所特别揭示的，而仅限于所附的权利要求。

Claims (18)

1.用于给电子显示装置的冷阴极荧光灯供电的电子镇流器，其特征在于，包括：
整流器，它耦合到AC电源用于产生整流DC输出电压；
功率因数补偿电路，它接收整流DC输出电压并提供增加电压的DC总线电压；
电子开关电路，它包括用于开关DC总线电压以便提供用于驱动冷阴极荧光灯的开关电压的至少一个电子开关，通过包含共振LC电路的输出级将所述开关电压提供到灯；以及
电子镇流控制电路，它用于控制所述电子开关电路的开关操作，且其中
所述电子镇流器在用于电子显示器装置的外壳中。
2.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于，所述电子镇流控制电路包括调光输入。
3.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于，所述调光输入建立基准相位角，而所述电子镇流控制电路还包括电流检测输入，所述电流检测输入接收与通过所述灯的电流和灯两端的电压之间的实际相位角相关的信号输入，所述电子镇流控制电路检测所述实际相位角并产生与实际相位角和基准相位角之间的差成比例的误差信号并驱动所述灯使误差信号最小化，由此将灯驱动到由所述基准相位角设定的所需调光电平。
4.如权利要求3所述的电子镇流器，其特征在于，经过与所述电子开关电路串联的电流检测电阻产生和实际相位角相关的所述信号。
5.如权利要求4所述的电子镇流器，其特征在于，电子开关电路包括半桥开关电路，它包含通过所述DC总线串联的高侧开关和低侧开关，在所述高侧和低侧开关的共同连接处提供所述开关电压。
6.如权利要求5所述的电子镇流器，其特征在于，共振LC电路包括和升压变压器的初级线圈串联耦合的串联电感和电容。
7.如权利要求6所述的电子镇流器，其特征在于，还包括和所述灯并联设置的并联电容。
8.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于，所述功率因数补偿电路包括用于提供所述DC总线的所述增加电压DC电压的升压转换器和用于控制所述升压变压器的开关操作的功率因数补偿控制电路。
9.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于，调光输入包括所述电子镇流控制电路的关闭针脚，而脉冲逻辑信号被施加到关闭针脚来控制灯的亮度。
10.如权利要求9所述的电子镇流器，其特征在于，改变所述脉冲逻辑信号的占空周期来控制所述灯的亮度。
11.用于向冷阴极荧光灯供电的电子镇流器，其特征在于，包括：
整流器，它耦合到AC电源用于产生整流DC输出电压；
升压电路，它接收整流DC输出电压并提供增加电压DC总线电压；
电子开关电路，它包括用于开关DC总线电压以便提供用于驱动冷阴极荧光灯的开关电压的至少一个电子开关，通过包含共振LC电路的输出级将所述开关电压提供到灯；以及
电子镇流控制电路，它用于控制所述电子开关电路的开关操作，其中所述电子镇流控制电路还包括调光输入，所述调光输入建立基准相位角而所述电子镇流控制电路还包括电流检测输入，所述电流检测输入接收和通过所述灯的电流和所述灯的电压之间的实际相位角相关的信号输入，所述电子镇流控制电路检测所述实际相位角并产生与实际相位角和基准相位角之间的差成比例的误差信号并驱动所述灯使得误差信号最小化，由此将灯驱动到由所述基准相位角设定的所需调光电平。
12.如权利要求11所述的电子镇流器，其特征在于，经过和所述电子开关电路串联的电流检测电阻两端产生和实际相位角相关的所述信号。
13.如权利要求12所述的电子镇流器，其特征在于，电子开关电路包括半桥开关电路，它包含通过所述DC总线两端串联的高侧开关和低侧开关，在所述高侧和低侧开关的共同连接处提供所述开关电压。
14.如权利要求13所述的电子镇流器，其特征在于，共振LC电路包括和升压变压器的初级线圈串联耦合的串联电感和电容。
15.如权利要求14所述的电子镇流器，其特征在于，还包括和所述灯并联设置的并联电容。
16.如权利要求11所述的电子镇流器，其特征在于，所述升压电路包括功率因数补偿电路，所述功率因数补偿电路包括用于提供所述DC总线的所述增加电压DC电压的升压转换器和用于控制所述升压变压器的开关操作的功率因数补偿控制电路。
17.用于向冷阴极荧光灯供电的电子镇流器，其特征在于，包括：
整流器，它耦合到AC电源并用于产生整流DC输出电压；
升压电路，它接收整流DC输出电压并提供增加的电压DC总线电压；
电子开关电路，它包括用于开关DC总线电压以便提供用于驱动冷阴极荧光灯的开关电压的至少一个电子开关，通过包含共振LC电路的输出级将所述开关电压提供到灯；以及
电子镇流控制电路，它用于控制所述电子开关电路的开关操作，其中所述电子镇流控制电路还包括调光输入，其中所述调光输入包括所述电子镇流控制电路的关闭针脚，而将脉冲逻辑信号施加到所述关闭针脚来控制灯的亮度。
18.如权利要求17所述的电子镇流器，其特征在于，改变所述脉冲信号的占空周期来控制所述灯的亮度。
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