TW540253B - A voltage-fed push-pull LLC resonant LCD backlighting inverter circuit - Google Patents

Description

540253 A7 五、發明説明（1 ) ' ------- 本發明通常係有關於LCD背光或類似的一電子液晶顯示 為背光反向電路，而更明確而言，係有關高效率的一液晶 顯示器背光反向電路具有一低輪廓及一寬變暗範圍。 液晶顯示器背光應用要求資訊顯示的有效率、低輪廊背 光。例如τι類型的窄直徑冷陰極螢光燈（CCFL)是廣泛使用 此應用工業。若要驅動這些CCFLs，纟有高效率、低輪廓 、與一寬變暗範圍的高頻電子液晶顯示器背光反向電路是 要求的。目前，如目i所示的電壓回授半橋式諸振轉換器電 路、與如圖2所示的電流供應推挽式諧振轉換器電路可用來 驅動CCFL及其他螢光燈。雖然他們可寬泛使用，但是這些 電路具有於驅動CCFL和類似較差解決的缺點。例如，這些 電路的效率是最適宜，而且他們的變暗範圍可受限制。特 別是，圖1的先前技藝電路結構的一缺點是一高輸出變壓器 線繞比，以便轉換成一較初級端線繞電流，而導致較高傳 導損失。圖1電路的-進一步缺點是次級線圈的高線繞比需 要一減少電線大小（例如，44 AWG)，其中該電線大小會在 線、、凡中出現較咼傳導損失。此外，一較小標準度量電線會 在製造期間造成問題。使用一高線繞比變壓器的另一缺點 是明顯增加會導致低效率的寄生電容。圖以路的典型電效 率是大約84%(亦即，輸出功率/輸入功率）。 圖2用以驅動(：以“的一廣泛使用電子鎮流器的另一先前 技藝電路結構。圖2的背光反向器具小於與圖、的電路有關 而描述的輸出變壓器線繞比，而且可使用一611仏調節哭級 而變暗以電流為主之燈功率。當較小輸出變墜器線繞比在 五、發明説明（ 2 推挽式功率級導致較小損失時，總電路效率便會受到版k 調節器級的限制。圖2電路的另一缺點是當燈電流頻率是較 南時，由於LCD面盤的溫度計效應，變暗範圍較狹窄。在 較高頻率上，在燈罩的一並聯寄生電容會從燈拉髮更多電 流，而造成燈的一端會亮起，而另一端是變暗。 為了要改善電路效率及達成—寬變暗範圍，建議使用以 一低頻脈衝寬度調變（PWM)變暗模式操作的推挽式諧振反 向器級’而且使用在圖2的推挽式反向器切換㈣的亦含 作PWM變暗控制的低頻切換。然而，叫典型高電感係: 制電路啟動效率，並且限制變暗控制範圍。因此，存在的 -需要是-改良式電子液晶顯示器背光反向電路比具有一 寬泛變暗範圍、與低輪靡的傳統電子液晶顯示 電路更有效率。 根據本揭示’使用在電子液晶顯示器背光反向應用的一 改良式電子液晶顯示器背光反向電路的提供可二

技藝有關的問題。”，、先月,J 根據本發明的一觀點’用以啟動—有效率螢光燈的一改 良式南頻電子液晶顯示器背光反向電路具有—低 一寬變暗範圍。 及 本發明的-特徵mil 歧向電路是最佳 用於南頻切換’然而，本發明可使用邏輯控制電路而‘ 低頻脈衝寬度調變(PWM)切換能力，以達成 曰、 顯示器背光反向電路中所實施的頻率範圍更大 邏輯控制電路而控制變暗範圍，如同使用在傳統^流,^動 本纸張尺度適用中國國家標準(eNS) A4規格(210X297公爱y 540253 A7 B7 五 、發明説明（3 ) 推挽式電路的一電流驅動前端如仏調節器級的需要便可移 除。即是’本發明可移除造成低電路效率的一 Buck調節器 級切換電晶體與相關二極體的需要。此外，輸出變壓器線 繞比會明顯減少，而導致較高電路效率。較高電路效率可 藉由選取小於一傳統設計所需振幅值的一的電感值u而進 步貫施。藉由選取一較小電感值L1，電感器不能充當一 電流源，但是認為是一部分的LLC諧振電路，藉此提供可 在電感電流的零點交叉上將創作電路關閉。藉由選取一較 值L 1，與電路啟動效率限制及達成一廣泛變暗範圍限制有 關的問題便可免除。 一改良式電子液晶顯示器背光反向電路的择供可使用一 低頻調變而執行高頻變暗。改良式電子液晶顯示器背光反 向電路最好是一電壓回授推挽式LLC諧振電路，其包括： 一 LLC諧振電路，其包括一諧振電感器、一磁電感及一諧 振電容器；切換裝置，用以在由一低頻信號所調變的高頻 上操作該液晶顯示器背光反向電路；低頻信號產生裝置， 用以產生一低頻信號，該低頻信號具有正與負信號部分； 邏輯裝置，用以控制該切換裝置及從該低頻信號驅動^該 邏輯裝置可在該低頻信號的該負信號部分期間而將該切換 裝置刼作關閉，藉此使該電子液晶顯示器背光反向電路可 由該低頻信號調變頻率。 本發明的先Μ特徵可參考下列本發明的一說明具體實施 例的詳細描述及附圖而變得更了解，其中： 圖1係描述先前技藝的一液晶顯示器背光反向電路的電路 -6 _ 540253 A7

圖； 圖2係描述先前技藝的一液晶顯示器背光反向電路的電路 圖； 圖3係根據本發明的一具體實施例而描述一液晶顯示器背 光反向電路的電路圖； 圖4a-4i係描述在圖3電路中呈現的代表性波形；及 圖5a-5c係描述在圖3的電路中呈現的某些信號時序圖。 +在即將參考的圖式中，相同參考數字在所有圖中係表示 類似或相同元件。圖3係根據本發明而描述一電子液晶顯示 态月光反向電路1 〇。根據本發明的改良式電路使用在液晶 顯示器背光應用是可預期。 根據本發明的液晶顯示器背光反向電路10是用以操作一 負載35的電壓回授推挽式lLC諧振電路。然而，在圖3顯示 的負載35顯示是電阻，負載可以是（但是未侷限於）冷陰型的 螢光燈（例如，CCFL)。例如，來自負載35的光可用來照 明一電腦的LCD平面盤顯示器（未在圖顯示）。背光反相電路 是從一傳統交流電源啟動，然後整流及轉換，以提供可由 月光反向電路1 〇使用的直流源電壓。 本發明的液晶顯示器背光反向電路10可在先前技藝的液 晶顯示器背光反向電路上提供兩個重要優點。首先，本發 明的液晶顯示器背光反向電路是比先前技藝的液晶顯示器 背光反向電路更有效率。其次，本發明的液晶顯示器背光 反向電路10具有比先前技藝的背光反向電路的一更寬變暗 範圍。每個優點將在下面討論。一般電路操作將先描述。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 540253 --~____B7 _ 五、發明説明（5 ) 二路操作 圖3顯示的電路配置操作如下述。背光反向電路10是以兩 個間隔中工作，在每個高頻切換週期中，一第一間隔係定 義成[t一0，t—l]，且一第二間隔係定義成。假設穩定 狀恶’在第一間隔[t__〇，t_l]中，在時間t_0上，切換電晶體 Q 1會導通’而且切換電晶體Q2會關閉。跨在Q2上的電壓是 等於跨在諧振電容器Cr(參考圖4b的Vcr,波形4f)上的電壓， 如同在波形4f的點B上所見，經由輸入電感器L1與T_1的 磁感而逐漸可完全充電。輸出變壓器T-1的初級電流Ip(參 考圖4a’波形4a)是諧振電容器電流Icr(參考圖4a,波形4b) 與譜振電感器電流IL1(參考圖4a，波形4c)的蟪和。諧振電 容器電流。是大於諧振電感器電流Ili。切換電晶體…和 Q2只運送諧振電感器電流Ili。諧振電容器電流l是經由 負載3 5沉接。 當諧振電容器電壓Vcr(參考圖4b，波形4f)在上藉由一 半諧振週期而到達零時’在零電壓切換的切換電晶體Ql會 關閉，而且Q2會導通。如（圖4a，波形4&和4e)及（圖朴，波 形4f)的顯示，第二半諧振週期[〇九2]是對稱於該第一半 白振k ’月[t_0,t一 1 ]在點Vgs 1上的閘極驅動電壓於圖3的創 作私路的點Η上顯示是在圖扑的波形4g上顯示。電壓Vy係 代表與AND閘AND1的輸出有關的一邏輯位準。電壓v…（圖 4b，波形4b)係對應在圖3中點〗上的電壓；相同波形將會在 點J上出現。這些電壓係分別代表跨在切換電晶體…和卩二上 的電壓。電壓vm(n4b，波形4i)係對應在圖3中點&上的電 太紙尺度適用中國國東揉準(ΟΝΆ 格（21〇1) 540253 A7 B7 五、發明説明（6 ) 壓，而且代表運用在變壓器丁一 1的初級線圈中央點的電壓。 同日7 ’主思，電感器電流I l 1 (參考圖4 a ,波形4 c)幾乎是_ 純粹的正弦波。注意，諧振電感器L1的設計以致使諧振電 感器電流IL !可在每個高頻切換週期期間到達零（參考在圖牦 上的點C，波形4c)。藉著在每個切換週期中到達一零位準 ，因此，可使一低頻PWM信號與IL1零點同步，以同時關閉 切換電晶體Q1和Q2，有效關閉諧振電感器，以幫助低頻 PWM變暗’此將在下面描述。 較高效率 如圖3所述，在液晶顯示器背光反向電路1〇的一具體實施 例中’負載35係連接到一變壓器的一次級線圈。一譜振 LLC電路是由諧振電感器L1、負載35、變壓器τ—丨的磁感、 與諧振電容器Cr形成。L1的選取電感值典型是20-30微享利 。如圖2所述，此值明顯低於與先前技藝電路結構有關的電 感值。圖2電路結構的典型電感值是1 50-3 〇〇微享利。眾所 週知的是電流驅動推挽式結構需要較高的電感值，典型是 150 300试旱利’其疋因電路工作頻率而定，以確保一幾乎 固定電流。本發明電感器L 1的較低電感值可將電路結構從 龟流回技並聯諧振電路改變成一更有效率電路結構的電 壓回授LLC串聯諧振電路。相較於圖2描述的先前技藝電路 的電流驅動，L1的較低電感值可實施，因為本發明的推挽 式LLC電路是電壓驅動。 請即參考圖1的先前技藝電路，注意，雖然此電路是一更 有效率電路結構的電壓驅動，但是電感值不以較低值實施

^張尺度適财a國家標準(CNS) A4規格(挪 :297公釐) 540253 五 、發明説明（7 A7 B7

’因為-高電感值W需要的’為了要將編、、轉換成 -電流源。因此’在圖丨的先前技藝電路中，因為大電感值 作：：電感器不是諧振回路的一元件。對照下，因為旧創 门的電路結構，所以電感器L1是諧振回路的一元件。 因此，它的值可遠小於圖丨的先前技藝電路。 在目前電路結構中電感器L1的電感值是相當小，而可 認為是由電感川、負載35、與變壓器τι(未在圖•示) 的磁感、與諸振電容器Cr形成的一部分譜振電路。電感 器U的另一想要結果是諧振電路的一元件在於電感器 電=具如圖4a波形4C所示具某直流偏壓的實質正弦波。 一交流電流（例如，一正弦電流）是需要的，以使一低頻 PWM錢（200赫兹）與匕零點同步，以同時關閉切換電 晶體Q1和Q2 ’而有效關閉諧振電感器，以便如下述可使 低頻P WM變暗。 提供較高電路效率的本發明另一特徵是使用變壓器T1的 一較小變壓器線繞比，而可導致線圈較低傳導損失。一 總而言之，本發明的液晶顯示器背光反向電路10能以許 .多方式達成比先前技藝的液晶顯示器背光反向電路更高效 率，包括：使用-電壓回授推挽式結構，以避免本質無 效率的-大調整裝置的需要；使用電感器L i的一小電感值 ，以提供較高電路效率；及使用變壓器丁一丨的一較小變壓器 線繞比。 低頻PWM變暗 除了在傳統液晶顯示器背光反向電路上提供較高效率之 -10- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

—本毛月的液aB顯不益背光反向電路1 〇可比傳統液晶顯 不器背光反向電路達成—更寬變暗範圍。 本發明的一特徵I# 土 疋月先反向電路10是一固定完充輸出 的理想設計（亦即，如_ 1 — 一 • 女固J所不的南頻切換，VSQ卜50仟赫 )，然而，當需要時，皆土 用光反向電路1 〇亦可在一低頻脈衝

寬度調變(PWM)切換模式中操作。高頻切換與低頻pwM 刀換的、、且σ可比在傳統液晶顯示器背光反向電路中的達 成可提供一更寬的變暗範圍。低頻pWM切換可在使用同 步邏輯控制的本發明中實施。此方法是與使用一切換電 晶體Q0以控制燈·變暗位準的例如圖2電路的傳统方法大不 相同。在圖2的電路中，典型變暗範圍是整個輸出值的 J〇 /〇到1 00%。對照下，本發明的變暗範圍是大約整個輸 出值的3%到1〇〇%。 請即參考圖3，其係顯示一第一信號產生裝置（亦即， 低頻PWM信號產生器3〇)，其可在點F上輸出2〇〇赫茲方 波。200赫茲是提供給d型正反器32的D輸入。1)型正反器 32的兩輸入是前緣觸發。從低頻pwM信號產生器％產生 的200赫茲信號亦供應給一 Rs正反器34的sET輸入，其中 該SET輸入亦是前緣觸發。RS正反器34的Q輸出係連接到 相對AND閘、AND 1和AND2的一第一輸入。而且在圖3的 顯示是一電阻RSENSE，其中一電壓在點E上可從〇到0 5 伏特實質發展。一零電壓是在諧振電感器電流Iu的零點 的點E上發展。 低頻PWM變暗通常是藉著在每個高頻切換週期期間使 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公#) 540253 A7 ----- B7_ 五、發明説明（9 ) " 一 " 一 在諸振電感器電流Iu中的零點（參考圖4a波形圖4e的點〇座 從低頻率PWM信號產生器30產生2〇〇赫兹信？虎的負信號邊缘 同步而達成。即是’電路結構可在與電感器電流匕的零： 同步的200赫兹率上關閉切換電晶體Q丨和Q2，同步是需要 的，因為在除了電感器電流匕的零點之外的一點上關閉切 換電晶體QW Q2將不允許在平穩消耗的譜振電感器U中儲 存能量。在電感器電流“的零點上，儲存的能量是零或接 近零。 請即參考圖3、4a、4b和5的波形圖。在實施中，如圖5a 1示，從低頻PWM信號產生器3〇產生的2〇〇赫兹信號是同 時供應給D型正反器32的D輸入、及供應給RS正反器34的§ 輸入。請即參考圖5的波形5a，2〇〇赫茲波形的一週期的前 、味疋以苓考數子5〇1表示。rs正反器34會遵循波形5a，因此 它在200赫茲波形的前緣5〇1上是一邏輯高位準5〇3。因此， 相對AND閘AND1*AND2的第一輸入在前緣5〇1上是一邏輯 南位準。 D型正反器32的T輸入是連接到運算放大器36的輸出，而 且可響應在電阻RSENSE的E點上所發展的一電壓而如圖5的 圖5 b所示輸出從0到0.5伏特範圍的一 5 〇仟赫輸出。D型正反 為32的T輸入是前緣觸發，而且如圖5b所述，可在τ輸入上 接收的50仟赫波形的每個前緣上閂控在〇輸入的2〇〇赫茲波 形。隨著如前述D型正反器32的兩輸入，D型正反器的Q輸 出能以一 50仟赫閂控率而追蹤200赫茲輸入。 D型正反器32的Q輸出是經由一邏輯反向器33而連接到rs -12- 本纸張尺度適财國國家標準(CNS) A4規格(21〇x297公爱) 540253 A7 丨" ________B7 五、發明説明（1〇 )" --〜一 反為34的RESET輸入。如前述，D型正反器32的Q輸出能 以50仟赫閃控率而追蹤携赫兹輸入波形。負邊緣觸發的結匕 果RS正反為j4可在200赫茲波形的每個負信號邊緣（例如 ，^考圖5波形5a的點5G5)上重新設定，其可"輸出成為 一避輯低位準，接著可使AND閘AND1和八觀的相對第一 輸入在- 200赫兹率上成為一邏輯低位準。結果， 會在電感器L 1的電流實質是零的一點上關閉。 請即重新參考圖3,注意，娜閘的相對第二輸入是經由 RS正反器31而連接到一第二信號產生裝置(亦即，一 5〇仟赫 來源，VSQ1)。>主意，ANDMANDH〇AND2的輸出是由則 仟赫波形（來自相對第一輸入的來源）調變的5〇仟赫波形（來 自相對第二輸入的來源），其中2〇〇仟赫調變波形是與電感 器電流IL1的零點同步。 而且注意，低頻PWM信號產生器30係進一步包括變暗控 制把手37,用以將200赫兹輸出信號的的負載比從零控制到 ⑽％。一〇%負載比係對應到一直流位準零電壓輸出，而且 一 100%負載比係對應到一直流位準5V輸出。 雖然本發明可以是各種不同修改與不同形式，但是特殊 具體實施例是經由圖式的範例顯示及詳細描述。然而，可 了解到，此並未將本發明局限在揭示的特殊形式，相反地 ，本發明係涵蓋經由附錄申.請專利所定義本發明的精神與 範圍内的所有修改、類似與替代。 -13-

Claims (1)

1. 540253 A BCD 第090132170號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(92年4月) 六、申請專利範圍 1. 一種具有一低頻調變而執行高頻變暗之一電子液晶顯示 器背光反向電路（10)，該改良式電子液晶顯示器背光反 向電路（10)包含： 切換裝置，用以在經由一低頻信號所調變的一高頻上 操作該液晶顯示器背光反向電路； 低頻信號產生裝置（30)，用以產生該低頻信號，該低 頻信號具有正與負信號部分； 邏輯裝置，用以控制該切換裝置，而且是由該低頻信 號驅動，該邏'輯裝置在該低頻信號的該負部分期間關閉 該切換裝置的操作，藉此使該電子液晶顯示器背光反向 電路（10)可藉由該低頻信號調變頻率。 2. 如申請專利範圍第1項之液晶顯示器背光反向電路，其 中該低頻信號包含一低頻脈衝寬度調變信號。 3. 如申請專利範圍第1項之液晶顯示器背光反向電路，其 中該改良式背光反向電路（10)包含一電壓回授推挽式 電感-電感·電容讀振電路’其包括一？皆振電感器（L)、 一磁化電感器（T—1)及一諧振電容器（Cr)。 4. 如申請專利範圍第3項之液晶顯示器背光反向電路，其 進一步包含： 同步裝置，用以使與該諧振電感器（L)有關的一實質 交替電感器電流的實質最小位準與該低頻率信號同步， 以允許該等第一及第二切換電晶體（Ql、Q2)關閉。 5. 如申請專利範圍第1項之液晶顯示器背光反向電路，其 中該改良式背光反向電路（10)包含一電壓回授推挽式電 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 8 8 8 8 A B c D 540253 六、申請專利範圍 感-電容諧振電路，.其包括一諧振電感器（L)、及一諧振 電容器（Cr)。 6. 如申請專利範圍第1項之液晶顯示器背光反向電路，其 中該切換裝置包含： 一第一切換電晶體（Q1)及一第二切換電晶體（Q2);及 一第二信號產生器，用以將一第二信號提供給該等第 一及第二切換電晶體（Ql、Q2)，以便使該液晶顯示器背 光反向電路（10)能以該第一變暗模式操作。 7. 如申請專利範圍第1項之液晶顯示器背光反向電路，其 中該邏輯裝置包含： 一第一 AND閘（AND1)，其係連接到該第一切換電晶 體（Q1);及一第二AND閘（AND2)，其係連接到該第二 切換電晶體（Q2)，該等第一及第二AND閘具有：一第一 輸入，其連接之接收來自一低頻信號源（30)該低頻信號 ;及一第二輸入，其連接之接收來自一高頻信號源 (VSQ1)—高頻信號，該等第一及第二AND閘（AND 1、 AND2)係在該低頻信號的該正向部分期間交替輸出一邏 輯高及一邏輯低信號，而且在該低頻信號的該負信號部 分期間輸出一邏輯低位準。 8. 如申請專利範圍第1項之液晶顯示器背光反向電路，其 包含： 一切換級，其具有一輸出；及 一電路，其具有一諧振頻率 其中該諧振頻率是從一諧振電感器（L)、一負載（35)、 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

   540253 A BCD 六、申請專利範圍 及一變壓器（Τ_1)與一諧振電容器（Cr)的磁感形成，該諧 振電感器具有小於一預定臨界值的電感值。 9. 如申請專利範圍第6項之液晶顯示器背光反向電路，其 中該切換級包括受控制的切換電晶體（Ql、Q2)，以便在 零電壓啟動情況下切換。 10. —種L C D設備，包.含一液晶顯示螢幕、一螢光燈、及具 有一低頻調變而執行高頻變暗之一電子液晶顯示器背光 反向電路（10)，該改良式電子液晶顯示器背光反向電路 (10)包含：— 切換裝置，用以在經由一低頻信號所調變的一高頻上 操作該液晶顯示器背光反向電路； 低頻信號產生裝置（30)，用以產生該低頻信號，該低 頻信號具有正與負信號部分； 邏輯裝置，用以控制該切換裝置，而且是由該低頻信 號驅動，該邏輯裝置在該低頻信號的該負部分期間關閉 該切換裝置的操作，藉此使該電子液晶顯示器背光反向 電路（10)可藉由該低頻信號調變頻率。 - 3 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)