JP2006140055A - バックライトインバータ及びその駆動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ランプ温度の影響を受けずに、安定したランプ電流を流し、ＬＣＤの表面輝度をＣＣＦＬ起動時より安定させたバックライトインバータ及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】複数のインバータトランス１と複数の冷陰極ランプ５を接続してなるバックライトインバータ１において、インバータトランス４の一次側に形成される一次巻線を直列接続し、それぞれのインバータトランス４の二次側にリーケージインダクタンスと容量による共振回路を形成し、この共振回路における直列共振周波数と並列共振周波数の中間の周波数以下で、かつインバータトランスの一次側から見たインバータトランスの一次側の電圧と電流との位相差を示すフェーズ特性曲線のピークを示す周波数以上の動作周波数でインバータトランス４を駆動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶ディスプレイの画面照明用光源を点灯するためのバックライトインバータに関し、特に大型液晶ＴＶ用の多灯のバックライトインバータ及びその駆動方法に関するものである。
近年、パーソナルコンピュータ等のディスプレイ装置として液晶ディスプレイ（以下、ＬＣＤと記す。）が広く使用されるようになってきたが、このＬＣＤはバックライト等の画面照明用の光源を必要とする。また、このようなＬＣＤの画面を高輝度に保つために、上記光源として複数の冷陰極ランプ（以下、ＣＣＦＬと略記する。）を使用し、それらを同時に放電、点灯させている。
一般に、バックライト用ＣＣＦＬの放電、点灯には、１２Ｖ程度の直流入力電圧からインバータトランスの二次側に、放電開始時に６０ｋＨｚ、１６００Ｖ程度の高周波電圧を発生させるために、フルブリッジ回路またはロイヤー（ROYER）回路を用いたバックライト駆動用のインバータユニットで構成されたインバータ回路が用いられている。このインバータ回路は、ＣＣＦＬ放電後にはインバータトランスの二次側電圧をＣＣＦＬの放電維持に必要な６００Ｖ程度の電圧まで下げるように制御している。この電圧制御は、通常、ＰＷＭ制御で行われている。
従来のバックライト用インバータ回路には、トランスの二次側のリーケージインダクタンスと負荷として接続される放電管の持つ寄生容量とで共振回路が形成され、共振回路の共振周波数でトランスの一次側を駆動するものがある（例えば、特許文献１参照）。
この共振周波数での駆動は、トランスの一次側の電圧と電流とに位相差を伴い、必ずしもトランスの電力効率のよいものではない。
また、トランス二次側には高次の共振周波数が存在し、その共振周波数で動作をしてしまう現象や、高次の共振周波数に影響を受けやすい動作になってしまうことがあり、トランスの設計が難しいという問題がある。
そして、バックライト用ＣＣＦＬは、温度、ランプ電流によってランプインピーダンスは大きく変動し、特に、低温起動直後はランプインピーダンスの変化が大きい。また、ランプインピーダンスが大きく変動することは、ランプ電圧も変動することであり、これによりランプに寄生する寄生容量も変動することになる。
このため、特許文献２では、放電管の持つ寄生容量により共振回路が形成されるトランスと、共振回路の共振周波数未満で、かつトランスの一次側の電圧と電流との位相差θが最小点より予め定めた範囲内にある周波数でトランスの一次側を駆動するＨブリッジ回路とを備えた構成が用いられている。
これにより、トランスの電力効率を向上させ、かつ高次の周波数の影響を受けにくくでき、トランスの設計を容易にしている。
また、特許文献３では、発振動作を安定させて放電管のちらつきや回路素子の騒音の発生を防止したインバータ回路の駆動方法が開示されている。この方法は、入力巻線に直流電流を供給し、入力巻線電流をスイッチング素子によって断続させて、出力巻線より交番電圧を出力する昇圧トランスを備えたインバータ回路を駆動するもので、インバータ回路の駆動周波数を、昇圧トランスの入出力電圧の位相差が５０°〜１３０°となる周波数範囲から外れた周波数で駆動する。このため、トランスの巻数、エアギャップ、結合度を調整することにより、電力効率は低下するが、負荷インピーダンスの変動による入出力電圧の変動幅を狭くして発振を安定させている。
しかし、これらの駆動方法は、１つまたは数本のＣＣＦＬを点灯させる場合に用いられる方法であり、１つのバックライトインバータによって、多灯、即ち８本ないし１６本のＣＣＦＬを安定した状態で制御することが難しく、個々のＣＣＦＬのランプ電圧が変動し、これによりランプに寄生する寄生容量に流れる電流も変動するので、輝度が不安定となり、ＬＣＤの表面がちらつくことになる。
また、大型ＴＶ用のバックライトは、ＬＣＤの背面に複数のＣＣＦＬを配置した直下型の構造を採用している。そして、低コストのバックライトインバータとするために、１つの制御ＩＣによって複数のＦＥＴブリッジを駆動し、それぞれのＦＥＴブリッジは、複数のインバータトランスを接続して複数のＣＣＦＬを点灯させている。
このようなＣＣＦＬは、特に多灯式でバックライト用に用いた場合、ランプ電流によってランプインピーダンスが大きく変動し、低温起動直後は、ランプインピーダンスの変化が大きい。また、ランプインピーダンスが大きく変動することは、ランプ電圧も変動することであり、その結果、ランプに寄生する寄生容量に流れる電流が変動する。
それゆえ、低温起動時は、バックライトインバータの制御ＩＣがランプ電流を制御する場合でも、ランプ電圧の変動により、寄生容量に流れる電流も変動することになり、結果として、ＣＣＦＬ間に流れるランプ電流が安定せず、輝度が不安定になってＬＣＤ表面がちらつく。
ランプの温度が安定すれば、ランプ電流も安定するので、ちらつきも解消されるが、その時間は、起動時から数分間にも及ぶことから、より迅速に安定させる必要がある。
また、簡単な方法としては、各ＣＣＦＬにそれぞれ1つの制御ＩＣを設けてランプ電流を制御するやり方があるが、これでは、バックライトインバータの製造コストが大幅に上昇してしまう。
米国特許第６，１１４，８１４号公報 特開２００３−１６８５８５号公報 特開２００４−２０１４５７号公報
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、トランスの一次側の電圧と電流との位相差が少ない範囲が電力効率の良いことに着目し、かつインバータトランスのリーケージインダクタンスとＬＣＤに寄生する寄生容量及び付加容量とで共振回路を構成するバックライトインバータにおいて、その共振回路の直列共振周波数と並列共振周波数の中間付近の周波数でトランスを駆動することが良いとの測定データに基づき、ランプ温度の影響を受けずに、安定したランプ電流を流し、ＬＣＤの表面輝度をＣＣＦＬ起動時より安定させるようにした多灯用のバックライトインバータ及びその駆動方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、複数のインバータトランスと複数の冷陰極ランプを接続してなるバックライトインバータであって、前記インバータトランスの一次側に形成される一次巻線を直列接続し、それぞれのインバータトランスの二次側にリーケージインダクタンスと容量による共振回路を形成し、この共振回路における直列共振周波数と並列共振周波数の中間の周波数以下で、かつインバータトランスの一次側から見たフェーズ特性曲線のピークを示す周波数以上の動作周波数でインバータトランスを駆動させることを特徴としている。
上記バックライトインバータにおいて、共振回路の直列共振周波数は、インバータトランスの二次巻線から発生するリーケージインダクタンスと、インバータトランスと冷陰極ランプ間に並列に接続される付加容量及び寄生容量とで構成され、並列共振周波数は、リーケージインダクタンスと前記トランスの相互インダクタンス、及び前記付加容量と寄生容量とで構成される。
また、好ましい実施形態において、インバータトランスに接続される冷陰極ランプは、直管を１本タイプ、直管を２本直列に接続した擬似Ｕ字タイプ、直管を折り曲げたＵ字管タイプ、またはコ字管タイプであり、インバータトランスは、冷陰極ランプの両端に接続したことを特徴としている。
さらに、本発明のバックライトインバータの駆動方法は、複数のインバータトランスと複数の冷陰極ランプを接続してなるバックライトインバータを構成し、前記インバータトランスのリーケージインダクタンスと前記トランスと冷陰極ランプとの間に並列接続された付加容量及び寄生容量とを含む共振回路における直列共振周波数と並列共振周波数の中間の周波数以下で、かつインバータトランスの一次側から見たフェーズ特性曲線のピークを示す周波数以上の動作周波数で駆動することを特徴としている。
本発明は、インバータトランスの二次側に形成される共振回路の直列共振周波数と並列共振周波数の中間周波数以下で、インバータトランスの一次側から見たフェーズ特性曲線のピークを示す周波数以上の動作周波数で駆動するようにしたので、ランプ温度の影響を受けずに、安定したランプ電流が流れ、ＬＣＤの表面輝度が、低温起動直後からより安定なものとなる。
また、本発明は、１つの制御ＩＣで複数のＦＥＴフルブリッジ、インバータトランス、ＣＣＦＬを制御する安価なバックライトインバータを構成することができ、安定したランプ電流制御（ＬＣＤ輝度安定性）が可能になる。
さらに、本発明は、最適動作周波数でバックライトインバータを駆動するので、寄生容量の影響を受けにくくなり、ランプ電流の均一性が良くなる。この結果、ＬＣＤ表面のちらつきもなくなる。
図１において、本発明の実施形態に係るバックライトインバータの構成を説明する。
本発明のバックライトインバータ１は、１つの制御ＩＣ２によって複数のＦＥＴフルブリッジ３を作動させ、各ＦＥＴフルブリッジ３には、２つのインバータトランス４を接続し、各インバータトランス４は、２つの直列接続されたＣＣＦＬ５を駆動して、大型液晶ＴＶ用のバックライトインバータを構成している。
インバータ回路の主構成部分は、ＣＣＦＬ５の駆動を制御する制御ＩＣ２に接続されたＦＥＴフルブリッジ３とリーケージトランスとしてのインバータトランス４からなる。
ＦＥＴフルブリッジ３は、ＰＭＯＳとＮＭＯＳの各２つのＦＥＴを有する直列回路が並列接続された負荷駆動用のＨブリッジ構成からなり、インバータトランス４の一次側に接続されている。
各インバータトランス４は、リーケージ型のインバータトランスで、直列接続された２つの一次巻線に対してそれぞれ対応する二次巻線が設けられる。各二次巻線の端子間には、直列接続された２つのコンデンサＣ１、Ｃ２が並列に接続され、これら２つの二次巻線の一端側が、直列に接続されたＣＣＦＬ５,５の両端に連結され、１つのインバータトランス４で２つのＣＣＦＬ５を駆動する構成となっている。
また、二次巻線の他端側は、それぞれ抵抗Ｒ１を介してアース端に接続されるとともにＣＣＦＬに寄生するコンデンサＣ３、Ｃ３が、２つのＣＣＦＬ５に対して、アース端とＣＣＦＬ５との間にそれぞれ接続されている。
また、各二次巻線に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２によって分圧された電圧による信号が、それぞれダイオードＤを介して制御ＩＣ２へフィードバックされる。
ＦＥＴフルブリッジ３は、直流電源からの電圧Ｖinを入力して、制御ＩＣからの駆動パルス信号により高周波電圧をリーケージトランスの一次側に入力し、二次巻線で昇圧させる。そして、この昇圧された電圧を二次巻線に接続された２本のＣＣＦＬ５に印加し、２本のＣＣＦＬ５を放電、点灯させている。
制御ＩＣ２は、概略、図３ａの制御ＩＣ２で示すように、三角波回路（発振回路）１０、エラーアンプ回路１１、ＰＷＭ回路１２、及びロジック回路１３を備えている。この制御ＩＣ２は、三角波回路１０からの三角波出力をＰＷＭ回路１２に入力して、ＣＣＦＬ５に流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換回路により、その電圧がエラーアンプ回路１１の反転入力部に入力されるようになっている。エラーランプ回路１１は、ＣＣＦＬ５に応じた出力電圧をＰＷＭ回路１２に出力し、ＰＷＭ回路１２は、三角波とエラーアンプの出力電圧を比較してパルス信号をロジック回路１３に出力する。ロジック回路１３は、三角波回路１０の出力パルス信号とＰＷＭ回路１２からの出力パルス信号により、ＦＥＴフルブリッジ３へ入力するゲート信号を供給する。
ロジック回路１３のゲート信号によりＦＥＴフルブリッジ３は動作し、インバータトランス４の一次側に交流電流を流して、二次側の二次巻線に昇圧された電圧を誘起させてＣＣＦＬ５が駆動する。
なお、インバータトランス４の二次側に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２で分圧された信号が、ダイオードＤを介して制御ＩＣ２のエラーアンプ回路及び過電圧保護回路(図示略)に供給される。この信号により、ＣＣＦＬ５はフィードバック制御される。また、制御ＩＣ２には、ＣＣＦＬ５の調光を行うためのバースト信号を供給するバースト回路(図示略)が設けられている。この回路からの出力は、バースト信号となり、この信号によって、ＣＣＦＬの電流をフィードバック制御するエラーアンプの反転入力をプルアップさせ、トランスの一次側を非作動にして、ＣＣＦＬ５を断続的に作動させて調光ができるようになっている。
次に、上述した１つの実施形態である本発明のバックライトインバータにおいて、多灯のＣＣＦＬを点灯させるための駆動方法について説明する。
図２ａは、１灯のＣＣＦＬを駆動するバックライトインバータの回路とそのインバータ回路部分の等価回路を示している。
この図において、Ｔはトランス、Ｃ0はインバータ回路の付加容量、ＣLCDは寄生容量、ＣＣＦＬはバックライト用冷陰極管である。また、等価回路におけるＭは相互インダクタンス、Ｌは二次側リーケージインダクタンス、Ｒはランプインピーダンスである。
このインバータ回路における共振回路は、トランスの二次巻線から発生するリーケージインダクタンスとトランスの巻線及び液晶バックライトの寄生容量とで構成されるので、直列共振周波数ｆsは、Ｌeと、Ｃ0とＣLCDの合成容量によって与えられ、並列共振周波数ｆpは、Ｍ、Ｌe、及びＣ0とＣLCDの合成容量によって与えられる。
トランス二次側のインピーダンス特性は、図２ｂに示すものであり、インバータトランスの最適な駆動周波数は、一般的に、直列共振周波数ｆｓと並列共振周波数ｆpの中間値がよいとされ、図に示すように、最適動作周波数範囲（斜線部分）が決定される。
インバータトランスの最適な駆動周波数を決定するために、インピーダンスアナライザーによるゲイン特性とフェーズ特性を測定したものが、図４〜図８に示されている。
この図によると、ゲイン特性における直列共振周波数ｆs及び並列共振周波数ｆpとの中間周波数ｆが約５３KHzであり、フェイズ特性における最小位相点が約４０KHzの位置にある。
そして、図４では、測定マーク点の周波数６５KHzの時において、ゲイン特性の値が−32.6424dBであり、フェイズ特性の値が−20.4198 degである。
図５では、測定マーク点の周波数６０KHzの時において、ゲイン特性の値が−33.4857dBであり、フェイズ特性の値が−5.48503 degである。
図６では、測定マーク点の周波数５５KHzの時において、ゲイン特性の値が−35.0434dBであり、フェイズ特性の値が7.06798 degである。
図７では、測定マーク点の周波数５０KHzの時において、ゲイン特性の値が−37.0759dBであり、フェイズ特性の値が12.1442 degである。
図８では、測定マーク点の周波数４５KHzの時において、ゲイン特性の値が−38.9771dBであり、フェイズ特性の値が10.2097 degである。
また、図９aは、トランス一次巻線のシリーズ接続において、動作周波数が４５KHz〜７０KHzの場合のばたつき時間、出力電圧１、及び出力電圧２のそれぞれの値が示され、図９ｂは、上記各値を図示したグラフが示されている。
また、同様に、図１０aは、トランス一次巻線のパラレル接続において、動作周波数が４５KHz〜７０KHzの場合のばたつき時間、出力電圧１、及び出力電圧２のそれぞれの値が示され、図１０ｂは、上記各値を図示したグラフが示されている。
図９ｂにおいて、トランス一次巻線を直列接続した場合の動作周波数４５KHz、５０KHz、５５KHz、６０KHz、６５KHzにおける各々のばたつき時間、出力電圧１、および出力電圧２は、ぞれぞれ、図８、図７、図６、図５、図４のグラフに対応したものであり、動作周波数が５５KHz以下では、ばたつき時間がほぼゼロであるので、ＣＣＦＬのばたつきもなく、出力電圧の変動も少ない。
また、図１０ｂにおいて、トランス一次巻線を並列接続した場合の動作周波数４５KHz、５０KHz、５５KHz、６０KHz、６５KHzにおける各々のばたつき時間、出力電圧１、および出力電圧２が示されている。この場合、動作周波数が５５KHz以下では、ばたつき時間がほぼゼロに近いので、これも安定した状態である。しかし、出力電圧の変動は、かなり大きい。
このような測定データから、インバータトランスの一次側の一次巻線を直列接続にし、バックライトインバータの動作周波数が４５〜５５KHzの範囲であれば、ばたつき時間がなく出力電圧の変動も小さいので、ＣＣＦＬは、ちらつきがない状態で点灯させることができる。
この点について、理論上の根拠を次に説明する。
図３ａは、本発明におけるバックライトインバータの概略回路構成を示している。
また、図３ｂは、上記回路におけるインバータトランスＴ1,Ｔ2と冷陰極ランプの回路部分Ａのトランス一次側から見た等価回路を示す。
ここで、Ｃ1は補助容量、Ｃ３はランプの寄生容量、Ｒはランプのインピーダンス、Ｉは、トランスの一次側の電流、Ｉ1は、Ｌpとｎ2（Ｃ1//Ｃ２）に流れる電流、ＩLはランプに流れる電流、Ｖはランプ電圧である。
Ｌp<<ｎ2（Ｃ1//Ｃ２）として、トランスの一次側に流れる電流Ｉは、Ｉ1とＩLのベクトル和になるので、ランプに流れる電流ＩLは、次式から
ＩL＝Ｉ√（Ｉ2−[ω（Ｃ1//Ｃ２）×Ｖ]2）
ω＝２πｆ
ｆの値が低い方が電圧Ｖの変動に対してＩLの変動が少なくなることが理解できる。
従って、動作周波数としてｆ値の低い方が良いが、リーケージトランスの一次側から見たフェイズ特定で最小のフェイズを示す周波数以下では、インバータとして動作不安定となる。また、トランスとして最も電力効率（力率）が良いのは、フェイズ特性の最小のフェイズを示す周波数であることから、この周波数付近で動作させることが望ましい。
このようなことから、本発明のバックライトインバータの駆動方法では、最適動作周波数を、インバータトランスの共振回路における直列共振周波数ｆsと並列共振周波数ｆpの中間の周波数以下で、かつインバータトランスの一次側から見たフェイズ特性曲線のピークを示す周波数以上に設定する。
以上説明したことから明らかなように、本発明は、インバータトランスの二次側にリーケージインダクタンスと寄生容量、付加容量とで構成する直列共振周波数ｆsと、インバータトランスの二次側に相互インダクタンスと、リーケージインダクタンスと、寄生容量および付加容量とで構成する並列共振周波数ｆpが存在し、また、インバータトランスの一次側から見たゲイン−フェイズ特性からｆsとｆpの中間周波数より低い周波数に最小のフェイズを示す周波数があることに着目する。そして、トランス二次側の電流は、寄生容量、付加容量とランプインピーダンスのベクトル和であるから、ランプ電流が寄生容量の変動を受けにくくするために、動作周波数を並列共振周波数ｆpに近づける必要があるので、直列共振周波数ｆsと並列共振周波数ｆpの中間の周波数以下で動作させる。
また、インバータトランスの一次側から見たフェイズ特性で最小のフェイズを示す周波数以下では、インバータとして動作不安定な領域なので、最小のフェイズを示す周波数以上で動作させる。さらに、フェィズ特性の最小のフェイズを示す周波数がトランスとして最も効率がよい動作周波数であり、その周波数よりも高い動作周波数を選ぶことがインバータの効率の観点から必要となる。
この結果、本発明は、インバータトランスの一次側の一次巻線をシリーズ接続としてＦＥＴフルブリッジに接続し、複数のフルブリッジを動作させる１つの制御ＩＣによって二次側に接続された多灯のＣＣＦＬを安定して点灯させることができる。
本発明の実施形態に係るバックライトインバータの回路構成図である。 図２ａは本発明に係るバックライトインバータにおいて、ＣＣＦＬが１灯の場合における回路図とその等価回路であり、図２ｂは、上記回路構成において、トランス二次側のインピーダンス特性を示す図である。 図３ａは、本発明の実施形態に係る一部構成をより詳細に示す図であり、図３ｂは、インバータトランスと冷陰極ランプの回路を示す部分Ａにおける電流の流れを示す等価回路である。 本発明のバックライトインバータにおけるゲイン特性とフェイズ特性を測定したもので、最適動作周波数６５KHzのマーク点を示す図である。 図４と同様の、本発明のバックライトインバータにおけるゲイン特性とフェイズ特性を測定したもので、最適動作周波数６０KHzのマーク点を示す図である。 図４と同様の、本発明のバックライトインバータにおけるゲイン特性とフェイズ特性を測定したもので、最適動作周波数５５KHzのマーク点を示す図である。 図４と同様の、本発明のバックライトインバータにおけるゲイン特性とフェイズ特性を測定したもので、最適動作周波数５０KHzのマーク点を示す図である。 図４と同様の、本発明のバックライトインバータにおけるゲイン特性とフェイズ特性を測定したもので、最適動作周波数４５KHzのマーク点を示す図である。 図９ａは、トランス一次巻線のシリーズ接続の場合における動作周波数に対する特性を数値で示し、図９ｂは、それらの数値をプロットしたグラフである。 図１０ａは、トランス一次巻線のパラレル接続の場合における動作周波数に対する特性を数値で示し、図１０ｂは、それらの数値をプロットしたグラフである。
符号の説明
１ バックライトインバータ
２ 制御ＩＣ
３ ＦＥＴブリッジ
４ インバータトランス
５ ＣＣＦＬ
１０ 三角波回路
１１ エラーアンプ回路
１２ ＰＷＭ回路
１３ ロジック回路
ｆs 直列共振周波数
ｆp 並列共振周波数

Claims (5)

  1. 複数のインバータトランスと複数の冷陰極ランプを接続してなるバックライトインバータであって
    、前記インバータトランスの一次側に形成される一次巻線を直列接続し、それぞれのインバータトランスの二次側にリーケージインダクタンスと容量による共振回路を形成し、この共振回路における直列共振周波数と並列共振周波数の中間の周波数以下で、かつ前記インバータトランスの一次側から見たフェーズ特性曲線のピークを示す周波数以上の動作周波数で前記インバータトランスを駆動させることを特徴とするバックライトインバータ。
  2. 前記共振回路の直列共振周波数は、インバータトランスの二次巻線から発生するリーケージインダクタンスと、前記インバータトランスと冷陰極ランプ間に並列に接続される付加容量及び寄生容量とで構成され、前記並列共振周波数は、前記リーケージインダクタンスと前記トランスの相互インダクタンス、及び前記付加容量と寄生容量とで構成されることを特徴とする請求項１記載のバックライトインバータ。
  3. インバータトランスに接続される冷陰極ランプは、直管を１本タイプ、直管を２本直列に接続した擬似Ｕ字タイプ、直管を折り曲げたＵ字管タイプ、またはコ字管タイプであることを特徴とする請求項１記載のバックライトインバータ。
  4. インバータトランスは、冷陰極ランプの両端に接続したことを特徴とする請求項１記載バックライトインバータ。
  5. 複数のインバータトランスと複数の冷陰極ランプを接続してなるバックライトインバータを構成し、前記インバータトランスのリーケージインダクタンスと前記トランスと冷陰極ランプとの間に並列接続された付加容量及び寄生容量とを含む共振回路における直列共振周波数と並列共振周波数の中間の周波数以下で、かつ前記インバータトランスの一次側から見たフェーズ特性曲線のピークを示す周波数以上の動作周波数で前記インバータトランスを駆動させることを特徴とするバックライトインバータの駆動方法。

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