JP2006164785A - Power supply for backlight - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷陰極管を用いるバックライトユニットを駆動するための電源装置に関し、更に詳しく述べると本発明は、冷陰極管を点灯させる他励式インバータ部と該他励式インバータ部を駆動する直流電源部とを一体化し、管電流の安定化を直流電源部の出力電圧の制御で行うようにしたバックライト用電源装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply device for driving a backlight unit using a cold cathode tube. More specifically, the present invention relates to a separately excited inverter unit for lighting a cold cathode tube and a direct current power source for driving the separately excited inverter unit. The present invention relates to a backlight power supply apparatus in which the unit is integrated and the tube current is stabilized by controlling the output voltage of the DC power supply unit.
液晶テレビや液晶ディスプレイ装置などのバックライトには、複数本の冷陰極管が用いられている。例えば、32インチ型液晶テレビでは、16本の冷陰極管が液晶パネルの背面に適度の間隔で配置されて画面全体の輝度を保っている。このようなバックライトの電源装置としては、複数本の冷陰極管を点灯させるインバータ部と、該インバータ部を駆動する直流電源部とを組み合わせる構成が一般的である。インバータ部としては、他励方式のスイッチ回路によるものと自励方式のスイッチ回路によるものとがあるが、いずれにしても従来技術では、これらインバータ部と直流電源部とは完全に分離され、各々独立に動作するように構成されている(例えば特許文献1参照)。 A plurality of cold-cathode tubes are used for backlights of liquid crystal televisions and liquid crystal display devices. For example, in a 32-inch liquid crystal television, 16 cold cathode fluorescent lamps are arranged on the back surface of the liquid crystal panel at appropriate intervals to maintain the brightness of the entire screen. Such a backlight power supply device generally has a configuration in which an inverter unit for lighting a plurality of cold cathode tubes and a DC power source unit for driving the inverter unit are combined. As an inverter part, there are a thing by a separate excitation type switch circuit and a thing by a self-excitation type switch circuit, but in any case, in the prior art, these inverter part and DC power supply part are completely separated, It is comprised so that it may operate | move independently (for example, refer patent document 1).
周知のように、パネル画面の輝度は、バックライトとして組み込まれている冷陰極管を流れる電流(管電流)によって変化する。従って、パネル画面の輝度を一定に保つには、管電流を安定化させる必要がある。前記のような従来のバックライト用電源装置では、直流電源部は常にほぼ一定電圧(定格出力電圧)の直流出力をインバータ部に供給し、該インバータ部で管電流を検出してインバータ部のスイッチ回路のデューティを制御する(言い換えれば、スイッチ素子のオン時間を制御する)ことで安定化を行っている。 As is well known, the brightness of the panel screen varies depending on the current (tube current) flowing through a cold cathode tube incorporated as a backlight. Therefore, in order to keep the brightness of the panel screen constant, it is necessary to stabilize the tube current. In the conventional backlight power supply device as described above, the DC power supply unit always supplies a DC output of a substantially constant voltage (rated output voltage) to the inverter unit, detects the tube current in the inverter unit, and switches the inverter unit Stabilization is performed by controlling the duty of the circuit (in other words, controlling the on-time of the switch element).
当然のことながら、インバータ部は、入力電圧範囲規格(定格電圧±公差電圧)を満たすように設計されている。通常、入力電圧範囲の下限値に対して、ある程度のマージンをもって(更に低い電圧で)制御を開始させるため、通常の動作状態である定格入力電圧でのスイッチングのデューティはかなり小さくなる(30〜40%程度)。しかしインバータの最適状態は、スイッチングのデューティを最大値(理想的には50%)で動作させたときに得られるから、デューティが小さくなるほど、トランスの変換効率の悪化やスイッチング損失の増加が生じる。このような理由で、従来構成の電源装置では、通常の定格入力電圧の動作ではインバータ部の効率は低い。 As a matter of course, the inverter unit is designed to satisfy the input voltage range standard (rated voltage ± tolerance voltage). Usually, since the control is started with a certain margin (with a lower voltage) with respect to the lower limit value of the input voltage range, the switching duty at the rated input voltage in the normal operation state is considerably small (30 to 40). %degree). However, the optimum state of the inverter is obtained when the switching duty is operated at the maximum value (ideally 50%). Therefore, as the duty decreases, the conversion efficiency of the transformer deteriorates and the switching loss increases. For this reason, in the power supply device having the conventional configuration, the efficiency of the inverter unit is low in the operation of the normal rated input voltage.
また、従来の他励式インバータ部では、スイッチ回路の必要個数削減と低コスト化のため、インバータトランスの1次側巻線は、通常、複数個並列に接続されている。しかし、並列接続の場合、トランスのインダクタンスのばらつきのために、管電流にばらつきが生じ、それがパネル画面の輝度むらとなっている。インダクタンスのばらつきを非常に小さく抑えればよいのであるが、そのようなトランスの設計・製造は難しい。更に、このような並列接続では、並列した分だけスイッチング電流が増加し、それに伴ってスイッチ素子の損失も増加し、これも効率の悪化の要因となる。 Further, in the conventional separately-excited inverter unit, in order to reduce the required number of switch circuits and reduce the cost, a plurality of primary windings of the inverter transformer are usually connected in parallel. However, in the case of parallel connection, due to variations in transformer inductance, variations in tube current occur, resulting in uneven brightness of the panel screen. Although it is only necessary to keep the variation in inductance very small, it is difficult to design and manufacture such a transformer. Furthermore, in such a parallel connection, the switching current increases by the amount of parallel connection, and the loss of the switch element increases accordingly, which also causes the deterioration of efficiency.
一般に、電源装置は、出力電圧が高くなるほど効率がよくなる特性をもっている。しかし、従来技術では、直流電源部の出力電圧(インバータ部の入力電圧)は12〜24Vが一般的であるため、24Vの場合はともかく、12Vの場合に至っては決して満足できる効率は得られない。
本発明が解決しようとする課題は、インバータ部を常に最適状態で動作させることができるようにし、それによってインバータ部の効率を改善することである。本発明が解決しようとする他の課題は、直流電源部の出力電圧も高めて効率を高めるようにし、それらが相俟って、バックライト点灯回路全体の効率を大幅に向上させることである。 The problem to be solved by the present invention is to enable the inverter part to always operate in an optimum state, thereby improving the efficiency of the inverter part. Another problem to be solved by the present invention is to increase the output voltage of the DC power supply unit so as to increase the efficiency, which together improve the efficiency of the entire backlight lighting circuit.
本発明は、バックライトユニットに使用される複数本の冷陰極管を点灯させる他励式インバータ部と、該他励式インバータ部を駆動する直流電源部とを具備し、通常動作状態では他励式インバータ部は45%以上で50%未満の一定のデューティで動作し、冷陰極管に流れる管電流の安定化は前記直流電源部の出力電圧の制御により行われるようにしたことを特徴とするバックライト用電源装置である。他励式インバータ部は、47〜49%程度の最適デューティでスイッチング動作するように設定するのが好ましい。 The present invention includes a separately-excited inverter unit for lighting a plurality of cold-cathode tubes used in a backlight unit, and a direct-current power source unit that drives the separately-excited inverter unit. Operates at a constant duty of 45% or more and less than 50%, and stabilization of the tube current flowing in the cold cathode tube is performed by controlling the output voltage of the DC power supply unit. It is a power supply device. The separately excited inverter unit is preferably set to perform a switching operation with an optimum duty of about 47 to 49%.
直流電源部には出力電圧の最大値を規定する出力電圧検出誤差増幅器が組み込まれ、電源投入直後の過渡期(全ての冷陰極管が点灯するまでの期間)は、他励式インバータ部でスイッチング周波数を高くし、その後、低い通常周波数へ制御することで全ての冷陰極管の点灯を維持するようにする。 The DC power supply section incorporates an output voltage detection error amplifier that regulates the maximum value of the output voltage, and during the transition period immediately after the power is turned on (the period until all the cold cathode tubes are lit), the switching frequency is switched by the separately excited inverter section. After that, all the cold-cathode tubes are kept lit by controlling to a low normal frequency.
他励式インバータ部のスイッチング回路は、ハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路、アクティブクランプ回路のいずれかとし、インバータトランスの1次側巻線を、複数個直列接続もしくは直並列接続するのがよい。 The switching circuit of the separately excited inverter unit may be a half-bridge circuit, a full-bridge circuit, or an active clamp circuit, and a plurality of primary windings of the inverter transformer may be connected in series or in series and parallel.
本発明に係るバックライト用電源装置は、他励式インバータ部を常に最適デューティで動作させ、冷陰極管に流れる管電流の安定化は直流電源部の出力電圧の制御により行うように構成したことにより、インバータトランスの変換効率が改善すると同時にスイッチング損失が低減し、それらによってインバータ効率を大幅に向上させることができる。 The backlight power supply device according to the present invention is configured such that the separately excited inverter unit is always operated at the optimum duty, and the tube current flowing in the cold cathode tube is stabilized by controlling the output voltage of the DC power supply unit. As a result, the conversion efficiency of the inverter transformer is improved, and at the same time, the switching loss is reduced, whereby the inverter efficiency can be greatly improved.
また本発明のバックライト用電源装置では、インバータトランスの1次側巻線を複数個直列接続すると、管電流のばらつきを小さくでき、冷陰極管に印加される電圧、電流波形もより正弦波に近くなり、冷陰極管に与えるストレスも小さくなる。そして、直流電源部の出力電圧も通常インバータ仕様の低圧(12〜24V)ではなく、数十〜数百Vと高く設定でき、そのため直流電源部の効率も大幅に向上する。前記インバータ効率の向上と直流電源部の効率の向上との相乗効果により、バックライト用電源装置全体の効率は著しく改善される。 Further, in the backlight power supply device of the present invention, when a plurality of primary windings of the inverter transformer are connected in series, the variation in tube current can be reduced, and the voltage and current waveform applied to the cold cathode tube can be made more sinusoidal. The stress applied to the cold cathode tube is also reduced. The output voltage of the DC power supply unit can be set as high as several tens to several hundreds V instead of the low voltage (12 to 24V) of the normal inverter specification. Therefore, the efficiency of the DC power supply unit is greatly improved. The overall efficiency of the backlight power supply device is remarkably improved by the synergistic effect of the improvement of the inverter efficiency and the improvement of the efficiency of the DC power supply unit.
本発明に係るバックライト用電源装置の概略構成を図1に示す。このバックライト用電源装置は、バックライトユニットに使用される複数本の冷陰極管を点灯させる他励式インバータ部10と、該他励式インバータ部10を駆動する直流電源部12を具備している。直流電源部12は、商用交流入力を直流出力に変換すると共に、その出力電圧を制御できる構成である。他励式インバータ部10は、通常動作状態では47〜49%の一定の最適デューティで動作する構成であり、所定周波数の正弦波状の管電流を各冷陰極管に供給する。
A schematic configuration of a power supply device for a backlight according to the present invention is shown in FIG. This power supply device for backlight includes a separately
本発明では、冷陰極管に流れる電流(管電流)は管電流検出回路14で検出され、その管電流検出信号は、インバータ部の制御部ではなく、直流電源部の制御部に戻される。本発明は、このような管電流の帰還方式に特徴がある。具体的には、管電流検出信号を直流電源部12の管電流帰還誤差増幅器16に帰還し、それによって前記直流電源部の出力電圧の高低制御を行い、冷陰極管に流れる管電流の安定化を図る。
In the present invention, the current (tube current) flowing through the cold cathode tube is detected by the tube
比較のために従来技術について図示すると、図2のようになる。従来技術でも、バックライトユニットに使用される複数本の冷陰極管を点灯させる他励式インバータ部20と、該他励式インバータ部20を駆動する直流電源部22を具備しているが、管電流検出信号はインバータ部の内部においてスイッチ素子のオン幅を制御(パルス幅制御)して管電流の安定化を図っている。つまり、直流電源部とインバータ部は完全に分離されており、インバータ部で管電流制御は完結し、直流電源部はほぼ一定の出力電圧を出力しているだけで、各々独立して動作している。
For comparison, the prior art is illustrated in FIG. The prior art also includes a separately-
図3は、本発明に係るバックライト用電源装置の一実施例を示すブロック図である。前述のように、このバックライト用電源装置は、バックライトユニットに使用される複数本の冷陰極管を点灯させる他励式インバータ部10と、該他励式インバータ部10を駆動する直流電源部12とを具備している。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the backlight power supply device according to the present invention. As described above, the backlight power supply apparatus includes the separately
直流電源部12は、商用交流入力を直流出力に変換すると共に、その出力電圧を制御できる構成である。商用交流入力は、ノイズフィルタ(NF)30を経て、力率改善(PFC)回路32に入力し、交流入力が全波整流され高調波が抑制されて得られる脈流の力率が改善され、常にほぼ一定の安定した直流として出力する。この直流出力は、スイッチ素子を備えたスイッチ回路34で切り替えられ、トランス36を介して電圧変換され、整流部38で整流され、平滑部40で平滑化されて、所望の直流出力となる。スイッチ回路34の動作は、制御部・ドライバ部42で制御され、それによって直流出力電圧が制御される。
The DC
他励式インバータ部10は、前記直流電源部12の直流出力で駆動され、冷陰極管に点灯のための電流を供給する構成である。直流電源部12の直流出力は、入力部44を介してスイッチ回路46に入力し、スイッチ素子の切り替え動作で所望周波数の交流に変換してインバータトランス48及び共振コンデンサ50などを介して冷陰極管に電流を供給する。スイッチ回路46の動作は、制御部52で制御される。このスイッチ回路は、ハーフブリッジ回路の他、フルブリッジ回路、アクティブクランプ回路なども適用できる。
The separately
ここで本発明では、他励式インバータ部10には管電流検出回路14が組み込まれていて、冷陰極管に流れる電流(管電流)を管電流検出信号として検出し、該管電流検出信号は、直流電源部12に組み込まれている管電流帰還誤差増幅器16に帰還し、その誤差信号が直流電源部12の制御部42に供給されて前記直流電源部12の出力電圧の高低制御を行うように構成する。従って、他励式インバータ部10は、通常動作状態では管電流に関しては何ら制御が掛けられていない。つまり、他励式インバータ部10は、通常動作状態では47〜49%の一定の(各スイッチ素子のオン時間が一定となる)最適デューティで動作する構成であり、所定周波数の正弦波状の管電流を各冷陰極管に供給する。デューティの最大値は、理想的には50%であるが、交互にオンすべきスイッチ素子が同時にオンして過大な短絡電流が流れるのを防ぐため、両方共にオフになる時間(デッドタイム)を設けるので、最適デューティは47〜49%に設定する。このように高いデューティで動作させることで、インバータトランスの効率改善、スイッチング損失の低減を図ることができる。
Here, in the present invention, a tube
無制御状態時のインバータ部による管電流は、入力電圧に比例した値となるため、入力電圧がある範囲で変動すると、その分だけ管電流が変化する。本発明は、この現象を利用するものであり、他励式インバータ部10に供給する直流電圧を、直流電源部12で可変制御することにより、冷陰極管に流れる管電流の安定化を図り、パネル画面の輝度を一定に維持するのである。
Since the tube current by the inverter in the non-control state is a value proportional to the input voltage, if the input voltage fluctuates within a certain range, the tube current changes accordingly. The present invention utilizes this phenomenon, and the DC voltage supplied to the separately
ところで、冷陰極管は、冷えているときには電流が流れ難い性質がある。本発明では、上記のように他励インバータ部ではなく、直流電源部12で管電流の安定化を図っているため、電源投入直後、直流電源部は、通常動作時よりも非常に高い直流電圧を出力しようとし、そのままでは過大な電圧が生じる恐れがある。そこで、直流電源部12に、出力電圧の最大値を規定する出力電圧検出誤差増幅器54を組み込み、その出力で制御部42を制御している。つまり、出力電圧検出誤差増幅器54で出力電圧を検出して、出力電圧が規定の値よりも高くならないような制御機能を持たせているのである。なお、過電圧保護検出回路56は、何らかのトラブルで出力電圧が過大になった時に制御部42によりスイッチング動作を停止させるものである。
By the way, the cold cathode tube has a property that current hardly flows when it is cold. In the present invention, since the tube current is stabilized by the DC
他方、このように直流電源部12の出力を最大規定値以下に抑えたことにより、電源投入時に冷陰極管に点灯に必要な電圧が印加されないことが予想される。そこで、電源投入直後の過渡期(全ての冷陰極管が点灯するまでの期間)のみ、他励式インバータ部10でスイッチング周波数を高くして全ての冷陰極管を点灯させ、その時点以降、スイッチング周波数を低い通常動作周波数に戻すように制御する。周波数を高めると高い電圧が生じ、通常の低い周波数に戻すと通常の低い電圧に落ち着く。
On the other hand, it is expected that the voltage necessary for lighting is not applied to the cold cathode tube when the power is turned on by suppressing the output of the DC
更に本実施例では、他励式インバータ部10に開放電圧検出と管オープン検出の機能を持たせてインバータ側の制御部52を制御している。
Further, in this embodiment, the separately-
次に、直流電源部12における出力電圧検出制御機能と管電流帰還制御機能について述べる。これら出力電圧検出制御機能と管電流帰還制御機能は関連しているので、管電流帰還誤差増幅器16と出力電圧検出誤差増幅器54を直列に接続し、その出力でスイッチ回路34の制御部42を制御する。具体的回路例を図4に示す。
Next, an output voltage detection control function and a tube current feedback control function in the DC
電源投入時、管電流は小さいため、直流電源部の出力電圧は、出力電圧検出誤差増幅器54に設定された値となる。次に、冷陰極管が点灯し管電流が流れ、管電流帰還誤差増幅器16の基準電圧V2を超える管電流検出信号が到達すると、該管電流帰還誤差増幅器16の出力が上昇する。この出力が、出力電圧検出誤差増幅器54の出力電圧検出端子電圧V1よりも上昇すると、その結果、電源出力電圧は管電流が規定値になるまで下降し安定する。
Since the tube current is small when the power is turned on, the output voltage of the DC power supply unit becomes the value set in the output voltage
電源投入直後の他励式インバータ部の動作を図5に示す。電源投入直後は、管電流は流れ難いので、直流電源部の出力電圧は高くなろうとするが、前記のように規定の値よりも高くならないような制御機能を持たせているので、冷陰極管は点灯できないか、もしくは点灯し難い。そこで、他励式インバータ部10では、電源投入直後、スイッチング周波数を、例えば80kHz程度まで高める。これによって高い電圧(通常時の1.5〜1.7倍程度)が発生し、全ての冷陰極管を確実に点灯させる。その後、スイッチング周波数を通常の周波数(例えば50kHz程度)に戻し、通常の電圧が冷陰極管に印加されるようにしている。
FIG. 5 shows the operation of the separately excited inverter immediately after the power is turned on. Immediately after the power is turned on, the tube current hardly flows, so the output voltage of the DC power supply section tends to increase, but it has a control function that does not exceed the specified value as described above. Cannot light or difficult to light. Therefore, in the separately
また本実施例では、図6に示すように、インバータトランスの1次側巻線を、複数個直列接続している。ここでは、2個のスイッチ素子60を交互にオン・オフするハーフブリッジ方式のスイッチ回路46の例を示している。一つのスイッチ回路46に対して複数のインバータトランス48を組み合わせる構成は、必要なスイッチ回路の数を低減でき、回路の簡素化とコストダウンを実現できる。このように、インバータトランス48の一次側巻線を直列接続すると、個々のインダクタンスの管電流に与える影響を相殺でき、またスイッチ回路がオンした時に一次側に蓄えられるエネルギーは同一となるように動作するため必然的に管電流のばらつきも小さく抑えることができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 6, a plurality of primary windings of the inverter transformer are connected in series. Here, an example of a half-bridge
インバータトランスの一次側巻線を複数個直列に接続した場合、流れる電流はトランス1個分の電流で済むが、電圧は個数分必要となる。例えば、10Vで設計されたトランスを5個直列に接続すると、直流電源部の出力は50V必要となる。しかし、一つのスイッチ回路で多数個のトランスを駆動しても、スイッチング電流は1個分で済むため、スイッチ素子の電力損失は並列接続に比べて遙かに少なくなる利点が生じる。その上、直流電源部の出力電圧は、通常インバータ仕様の低圧(12〜24V)ではなく、数十Vから数百Vと高く設定するため、直流電源部の効率も向上する。 When a plurality of primary windings of the inverter transformer are connected in series, the current that flows can be the current of one transformer, but the number of voltages required. For example, when five transformers designed at 10V are connected in series, the output of the DC power supply unit needs 50V. However, even if a large number of transformers are driven by a single switch circuit, only one switching current is required, so that there is an advantage that the power loss of the switch elements is much smaller than that in parallel connection. In addition, since the output voltage of the DC power supply unit is not set to a low voltage (12 to 24 V) of normal inverter specifications but is set to be high from several tens of volts to several hundreds V, the efficiency of the DC power supply unit is also improved.
なお、上記の例では複数の一次側巻線を直列に接続しているが、複数個直列接続したブロックを、複数並列接続する(即ち直並列接続)ことも可能である。但し、この場合にはスイッチング電流が増加するため、損失が増加する。 In the above example, a plurality of primary windings are connected in series. However, a plurality of blocks connected in series can be connected in parallel (that is, in series-parallel connection). However, in this case, since the switching current increases, the loss increases.
10 他励式インバータ部
12 直流電源部
14 管電流検出回路
16 管電流帰還誤差増幅器
DESCRIPTION OF
Claims (3)
The switching circuit of the separately excited inverter unit is any one of a half bridge circuit, a full bridge circuit, and an active clamp circuit, and a plurality of primary windings of the inverter transformer are connected in series or connected in series and parallel. Power supply for backlight.
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