TWI399131B - 冷陰極螢光燈管驅動電路 - Google Patents

Description

冷陰極螢光燈管驅動電路

本發明是有關於一種背光源驅動技術，且特別是一種適用於大尺寸液晶顯示器的冷陰極螢光燈管驅動電路。

現有的大尺寸液晶顯示器的背光源主要有兩種，一種是由多根U型冷陰極螢光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，簡稱為CCFL)排列而成的直下式背光源，另一種是由多根外部電極螢光燈管(External Electrode Fluorescent Lamp，簡稱為EEFL)排列而成的直下式背光源。

圖1為一種現有的CCFL驅動電路之電路圖。請參照圖1，CCFL驅動電路設在電源板(power board)11以及升壓板(boost board)12上，用以驅動背光源13，而背光源13包括多根U型CCFL 131～13N，N為自然數。在電源板11上設有橋式整流器111、功因修正器(power factor corrector)112、半橋/全橋換流器(inverter)113以及第一級變壓器Tr1。在升壓板12上設有多個第二級變壓器Tr2以及和每個第二級變壓器Tr2相應的諧振電路(由諧振電感器Lk及諧振電容器Cp組成)。其中，第一級變壓器Tr1及第二級變壓器Tr2一次側和二次側繞組的匝數比例如都是1：n，n為自然數，故第一級變壓器Tr1及第二級變壓器Tr2都是升壓變壓器，另外諧振電感器Lk通常可由第二級變壓器Tr2的二次側漏感所提供。

輸入的交流市電AC通過橋式整流器111其電壓會變為直流電壓，但是其電流波形會產生失真，因此通常還需要通過功因修正

器112修整其電流波形以符合諧波電流規範。接著，直流電壓通過半橋/全橋換流器113的切換變為方波形式的交流電壓(或稱為方波交流電壓)，方波交流電壓再通過第一級變壓器Tr1的升壓後分壓到串接的第二級變壓器Tr2一次側繞組上。然後，每個第二級變壓器Tr2將一次側繞組上所分到的電壓升壓後再通過諧振電路的諧振變為弦波形式的交流電壓(或稱為弦波交流電壓)，以驅動CCFL。需要注意的是，每根U型CCFL需要由兩個第二級變壓器Tr2產生兩個具有相位差180度的弦波交流電壓來驅動，因此N根CCFL 131～13N總共需要(2×N)個第二級變壓器Tr2來驅動。

圖2為一種現有的EEFL驅動電路之電路圖。請參照圖2，EEFL驅動電路設在電源板21，用以驅動背光源23，而背光源23包括多根EEFL 231及232，其中EEFL 231並聯在一起，而EEFL 232並聯在一起。在電源板21上設有橋式整流器111、功因修正器112、半橋/全橋換流器113、具有一個一次側繞組及兩個二次測繞組的變壓器Tr21以及和變壓器Tr21每個二次側繞組相應的諧振電路(由諧振電感器Lk及諧振電容器Cp組成)。其中，變壓器Tr21一次側和二次側繞組的匝數比是1：m，m為自然數，故變壓器Tr21是升壓變壓器，另外諧振電感器Lk通常可由變壓器Tr21的二次側漏感所提供。

輸入的交流市電AC通過橋式整流器111的整流、功因修正器112的電流波形修整、半橋/全橋換流器113的切換變為方波交流電壓。方波交流電壓再通過變壓器Tr21的升壓後從其兩個二次側繞組輸出兩個具有相位差180度之方波交流電壓，然後通過兩個二次側繞組各自耦接的諧振電感器Lk及諧振電容器Cp的諧振變為兩個具有相位差180度的弦波交流電壓，以分別驅動並聯的EEFL 231以及並聯的EEFL 232。

比較圖1所示CCFL驅動電路以及圖2所示EEFL驅動電路，CCFL驅動電路需要升壓板12的第二級變壓器Tr2及諧振電路幫助驅動CCFL，且為了使各根CCFL點亮後的亮度差異不大，每根CCFL都需要兩個第二級變壓器Tr2及其相應的諧振電路各自點亮，因此當背光源13需要越多根CCFL時，升壓板12上就需要設置越多的第二級變壓器Tr2及諧振電路。雖然EEFL驅動電路因EEFL採用外部電極方式來產生等離子，使得各根EEFL點亮後的亮度差異不大，適合多根EEFL並聯後由變壓器Tr21一起驅動，驅動電路架構較為簡單，但是EEFL專利技術掌握於部分企業，使用EEFL的背光源23其價格比使用CCFL的背光源13貴。

有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種適用於大尺寸液晶顯示器的冷陰極螢光燈管驅動電路，其使用價格比外部電極螢光燈管(EEFL)便宜的U型冷陰極螢光燈管(CCFL)，但卻不需要如先前技術般使用複雜的驅動電路架構來驅動。

為了達成上述目的與其他目的，本發明提出一種冷陰極螢光燈管驅動電路，用以驅動多根U型冷陰極螢光燈管。冷陰極螢光燈管驅動電路包括一橋式整流器、一半橋或全橋換流器、一第一升壓變壓器、一第二升壓變壓器、一第一諧振電路、一第二諧振電路、多個第一平衡電容器以及多個第二平衡電容器。橋式整流器用以接收交流市電並將其轉成直流電壓。半橋或全橋換流器耦接至橋式整流器，用以接收橋式整流器輸出的直流電壓並將其轉成方波交流電壓。第一升壓變壓器及第二升壓變壓器都具有一次側繞組及二次側繞組，一次側繞組及二次側繞組纏繞於一日型鐵芯，日型鐵芯具有一中心柱及兩邊柱，其中二次側繞組繞著中心柱繞製，一次側繞組繞著中心柱及任一邊柱繞製。第一升壓變壓器及第二升壓變壓器的一次側繞組串接並跨接於半橋或全橋換流器的輸出以接收方波交流電壓。第一諧振電路耦接至第一升壓變壓器的二次側繞組，第二諧振電路耦接至第二升壓變壓器的二次側繞組，第一諧振電路及第二諧振電路分別輸出第一弦波交流電壓及第二弦波交流電壓，第一弦波交流電壓及第二弦波交流電壓相位差180度。每個第一平衡電容器的第一端都耦接到第一諧振電路以接收第一弦波交流電壓，每個第一平衡電容器的第二端分別耦接到相應的U型冷陰極螢光燈管的第一端。每個第二平衡電容器的第一端都耦接到第二諧振電路以接收第二弦波交流電壓，每個第二平衡電容器的第二端分別耦接到相應的U型冷陰極螢光燈管的第二端。

在一實施例中，橋式整流器、半橋或全橋換流器、第一升壓變壓器、第二升壓變壓器、第一諧振電路以及第二諧振電路設在電源板上。第一平衡電容器以及第二平衡電容器都設在平衡板上。

本發明之冷陰極螢光燈管驅動電路在每根U型冷陰極螢光燈管的第一端耦接至一個第一平衡電容器的第二端、在每根U型冷陰極螢光燈管的第二端耦接至一個第二平衡電容器的第二端，然後所有第一平衡電容器的第一端耦接在一起以接收第一升壓變壓器配合第一諧振電路所產生的第一弦波交流電壓、所有第二平衡電容器的第一端耦接在一起以接收第二升壓變壓器配合第二諧振電路所產生的第二弦波交流電壓，因此不必如先前技術中的冷陰極螢光燈管(CCFL)驅動電路需要加入升壓板且其上的變壓器數量隨著燈管數量的增加而增加，但又可如先前技術中的外部電極螢光燈管(EEFL)驅動電路使用較為簡單的驅動架構。另外，升壓變壓器通過特殊的繞製方式加大其一次側繞組與二次側繞組兩繞組間間隙及/或加大其一次側繞組每匝平均長度，以獲得更大的二次側漏感，進而僅用第一及第二升壓變壓器即足夠驅動多根U型冷陰極螢光燈管。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖3為依照本發明一實施例之CCFL驅動電路之電路圖。請參照圖3，CCFL驅動電路設在電源板31以及平衡板(balance board)32上，用以驅動背光源13，而背光源13包括多根U型CCFL 131～13N，N為自然數。在電源板31上設有橋式整流器111、功因修正器112、半橋/全橋換流器113、第一升壓變壓器Tr31、第二升壓變壓器Tr32、第一諧振電路(由諧振電感器Lk1及諧振電容器Cp1組成)以及第二諧振電路(由諧振電感器Lk2及諧振電容器Cp2組成)。在平衡板32上設有多個第一平衡電容器Cs1以及多個第二平衡電容器Cs2。

橋式整流器111用以接收交流市電AC並將其轉成直流電壓。功因修正器112耦接至橋式整流器111，用以修整橋式整流器111輸出的失真的電流波形以符合諧波電流規範。半橋/全橋換流器113通過功因修正器112耦接至橋式整流器111，用以接收橋式整流器111輸出的直流電壓並將其轉成方波交流電壓。

第一升壓變壓器Tr31具有一次側繞組P1及二次側繞組S1，一次側繞組P1及二次側繞組S1纏繞於日型鐵芯。在一實施例中，如圖4所示，日型鐵芯4由E型鐵芯41及E型鐵芯42組成，但並不以此為限；例如，日型鐵芯還可由E型鐵芯及I型鐵芯組成，或由C型鐵芯及T型鐵芯組成。日型鐵芯4具有中心柱及兩邊柱，日型鐵芯4的中心柱由E型鐵芯41的中心柱411及E型鐵芯42的中心柱421組成，日型鐵芯4的一邊柱由E型鐵芯41的邊柱412及E型鐵芯42的邊柱422組成，日型鐵芯4的另一邊柱由E型鐵芯41的邊柱413及E型鐵芯42的邊柱423組成。第一升壓變壓器Tr31的二次側繞組S1在本例中繞著中心柱411繞製，一次側繞組P1在本例中繞著中心柱421及邊柱422繞製。其中，第一升壓變壓器Tr31一次側繞組P1和二次側繞組S1的匝數比例如是1：n，n為自然數。另外，第二升壓變壓器Tr32同樣具有一次側繞組P2及二次側繞組S2，一次側繞組P2及二次側繞組S2纏繞於日型鐵芯，其繞製方式和第一升壓變壓器Tr31相同，不再贅述。

第一升壓變壓器Tr31的一次側繞組P1及第二升壓變壓器Tr32的一次側繞組P2串接並跨接於半橋/全橋換流器113的輸出以接收方波交流電壓。第一升壓變壓器Tr31的二次側繞組S1耦接至第一諧振電路，而第二升壓變壓器Tr32的二次側繞組S2耦接至第二諧振電路，其中，第一諧振電路中的諧振電感器Lk1通常可由第一升壓變壓器Tr31的二次側漏感所提供，而第二諧振電路中的諧振電感器Lk2通常可由第二升壓變壓器Tr32的二次側漏感所提供。第一升壓變壓器Tr31將其一次側繞組P1上所分到的電壓升壓後再通過第一諧振電路的諧振變為第一弦波交流電壓V1輸出，而第二升壓變壓器Tr32將其一次側繞組P2上所分到的電壓升壓後再通過第二諧振電路的諧振變為第二弦波交流電壓V2輸出。由於第一升壓變壓器Tr31的二次側繞組S1及第二升壓變壓器Tr32的二次側繞組S2極性相反，使得第一諧振電路及第二諧振電路分別輸出的第一弦波交流電壓V1及第二弦波交流電壓V2相位差180度。

每個第一平衡電容器Cs1的第一端都耦接到第一諧振電路以接收第一弦波交流電壓V1，每個第一平衡電容器Cs1的第二端分別耦接到相應的U型CCFL的第一端。每個第二平衡電容器Cs2的第一端都耦接到第二諧振電路以接收第二弦波交流電壓V2，每個第二平衡電容器Cs2的第二端分別耦接到相應的U型CCFL的第二端。以U型CCFL 131為例，CCFL 131的第一端通過第一平衡電容器Cs1耦接到第一弦波交流電壓V1，CCFL 131的第二端通過第二平衡電容器Cs2耦接到第二弦波交流電壓V2，因此CCFL 131由相位差180度的第一弦波交流電壓V1及第二弦波交流電壓V2合作驅動。

請再參照圖4，下面將以第一升壓變壓器Tr31為例估算其二次側漏感Lk1。現設計第一升壓變壓器Tr31的一次側繞組P1匝數為N1且電流為I1，二次側繞組S1匝數為N2且電流為I2，則N1×I1=N2×I2，其中N1：N2如圖3所示為1：n。另外，設計一次側繞組P1佔繞線窗口高度為b且寬度為len1，二次側繞組S1佔繞線窗口高度為d且寬度為len2，一次側繞組P1及二次側繞組S1兩繞組間間隙為c。由於一次側繞組P1所佔繞線窗口寬度len1通常比二次側繞組S1所佔繞線窗口寬度len2還要大，為了計算方便，設計len1=L，len2=(1/2)×L。儲存在繞線窗口沒有被傳輸的磁場能量Wm即是輸入到漏感的能量We，即

Wm=We　(1)

繞線窗口儲存的能量Wm包括由一次側繞組P1貢獻的磁場能量Wb、由兩線圈間間隙貢獻的磁場能量Wc及由二次側繞組S1貢獻的磁場能量Wd，即

Wm=Wb＋Wc＋Wd(2)

根據文獻提供的計算方式可推得，

Wb=[μ₀ ×lav1×b×(N1×I1)² ]/(6×L)　(3)

Wc=[μ₀ ×lav3×c×(N1×I1)² ]/(4×L)　(4)

Wd=[μ₀ ×lav2×d×(N2×I2)² ]/(3×L)　(5)

其中，μ₀ 為空氣之導磁係數，lav1、lav2及lav3分別為一次側繞組P1、二次側繞組S1及兩繞組間間隙的每匝平均長度。將公式(3)～(5)代入到公式(2)，則繞線窗口儲存的能量Wm為

Wm=[μ₀ ×lav1×b×(N1×I1)² ]/(6×L)＋[μ₀ ×lav3×c×(N1×I1)² ]/(4×L)＋[μ₀ ×lav2×d×(N2×I2)² ]/(3×L)　(6)

另外，漏感能量We為

We=(1/2)×Lk1×I2² =Wm　(7)

將公式(6)代入到公式(7)，考慮到N1×I1=N2×I2，可推得二次側漏感Lk1為

Lk1=μ₀ ×N2² /L×[(1/3)×lav1×b＋(1/2)×lav3×c＋(2/3)×lav2×d]　(8)

由公式(8)可知，二次側漏感Lk1與N2的平方成正比，與L成反比，與lav1×b、lav3×c及lav2×d的線性組合成正比。本發明即是通過加大升壓變壓器一次側繞組與二次側繞組兩繞組間間隙c及/或加大升壓變壓器一次側繞組每匝平均長度lav1，以獲得更大的二次側漏感，進而如圖3所示僅用兩個升壓變壓器Tr31和Tr32即足夠驅動多根U型CCFL 131～13N。

請參照圖5，其為圖3所示CCFL驅動電路的變壓器、諧振電路、平衡電容器、雜散電容以及CCFL之電路示意圖。CCFL的等效電路如圖5的CCFL 131所示，其包括燈管電容器Cf1、燈管齊納二極體Df1、Df2以及燈管電阻器Rf1。當CCFL未點亮時呈現無窮大的阻抗，而在點亮之後則為一負電阻性阻抗。當CCFL 131安置於顯示器內後，其會與顯示器的內部支撐鐵殼件產生雜散電容，如圖5的雜散電容器Ck所示，因此本發明利用一個電容值遠小於雜散電容器Ck的第一平衡電容器Cs1串接於第一諧振電路及CCFL 131之間，可消除CCFL 131～13N因為雜散電容器Ck造成流過彼此的電流大小不平均的問題。

綜上所述，本發明之冷陰極螢光燈管驅動電路在每根U型冷陰極螢光燈管的第一端耦接至一個第一平衡電容器的第二端、在每根U型冷陰極螢光燈管的第二端耦接至一個第二平衡電容器的第二端，然後所有第一平衡電容器的第一端耦接在一起以接收第一升壓變壓器配合第一諧振電路所產生的第一弦波交流電壓、所有第二平衡電容器的第一端耦接在一起以接收第二升壓變壓器配合第二諧振電路所產生的第二弦波交流電壓，因此不必如先前技術中的冷陰極螢光燈管(CCFL)驅動電路需要加入升壓板且其上的變壓器數量隨著燈管數量的增加而增加，但又可如先前技術中的外部電極螢光燈管(EEFL)驅動電路使用較為簡單的驅動架構。另外，升壓變壓器通過特殊的繞製方式加大其一次側繞組與二次側繞組兩繞組間間隙及/或加大其一次側繞組每匝平均長度，以獲得更大的二次側漏感，進而僅用第一及第二升壓變壓器即足夠驅動多根U型冷陰極螢光燈管。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11、21、31．．．電源板

111．．．橋式整流器

112．．．功因修正器

113．．．半橋/全橋換流器

12．．．升壓板

13、23．．．背光源

131～13N．．．U型冷陰極螢光燈管(CCFL)

231、232．．．外部電極螢光燈管(EEFL)

32．．．平衡板

4．．．日型鐵芯

41、42．．．E型鐵芯

411、421．．．中心柱

412、413、422、423．．．邊柱

43．．．氣隙

AC．．．交流市電

Cf1．．．燈管電容器

Ck．．．雜散電容器

Cp、Cp1、Cp2．．．諧振電容器

Cs1．．．第一平衡電容器

Cs2．．．第二平衡電容器

Df1、Df2．．．燈管齊納二極體

Lk、Lk1、Lk2．．．諧振電感器

Rf1．．．燈管電阻器

Tr1．．．第一級變壓器

Tr2．．．第二級變壓器

Tr21．．．變壓器

Tr31．．．第一升壓變壓器

Tr32．．．第二升壓變壓器

P1、P2．．．一次側繞組

S1、S2．．．二次側繞組

I1．．．一次側繞組電流

I2．．．二次側繞組電流

N1．．．一次側繞組匝數

N2．．．二次側繞組匝數

b．．．一次側繞組佔繞線窗口高度

c．．．一次側繞組及二次側繞組間間隙

d．．．二次側繞組佔繞線窗口高度

len1、L．．．一次側繞組佔繞線窗口寬度

len2．．．二次側繞組佔繞線窗口寬度

V1．．．第一弦波交流電壓

V2．．．第二弦波交流電壓

圖1為一種現有的CCFL驅動電路之電路圖。

圖2為一種現有的EEFL驅動電路之電路圖。

圖3為依照本發明一實施例之CCFL驅動電路之電路圖。

圖4為圖3所示CCFL驅動電路的升壓變壓器之結構示意圖。

圖5為圖3所示CCFL驅動電路的變壓器、諧振電路、平衡電容器、雜散電容以及CCFL之電路示意圖。

31．．．電源板

111．．．橋式整流器

112．．．功因修正器

113．．．半橋/全橋換流器

32．．．平衡板

13．．．背光源

131～13N．．．U型冷陰極螢光燈管(CCFL)

AC．．．交流市電

Cp1、Cp2．．．諧振電容器

Cs1．．．第一平衡電容器

Cs2．．．第二平衡電容器

Lk1、Lk2．．．諧振電感器

Tr31．．．第一升壓變壓器

Tr32．．．第二升壓變壓器

P1、P2．．．一次側繞組

S1、S2．．．二次側繞組

V1．．．第一弦波交流電壓

V2．．．第二弦波交流電壓

Claims (4)

1. 一種冷陰極螢光燈管驅動電路，用以驅動多根U型冷陰極螢光燈管，該冷陰極螢光燈管驅動電路包括：一橋式整流器，用以接收一交流市電並將其轉成一直流電壓；一半橋或全橋換流器，耦接至該橋式整流器，用以接收該直流電壓並將其轉成一方波交流電壓；一第一及一第二升壓變壓器，都具有一一次側繞組及一二次側繞組纏繞於具有一中心柱及兩邊柱的一日型鐵芯，該二次側繞組繞著該中心柱繞製，該一次側繞組繞著該中心柱及任一邊柱繞製，該第一及該第二升壓變壓器的一次側繞組串接並跨接於該半橋或全橋換流器的輸出以接收該方波交流電壓；一第一及一第二諧振電路，其中該第一諧振電路耦接至該第一升壓變壓器的二次側繞組，該第二諧振電路耦接至該第二升壓變壓器的二次側繞組，該第一及該第二諧振電路分別輸出一第一及一第二弦波交流電壓，該第一及該第二弦波交流電壓相位差180度；多個第一平衡電容器，其中每個第一平衡電容器的第一端都耦接到該第一諧振電路以接收該第一弦波交流電壓，每個第一平衡電容器的第二端分別耦接到相應的U型冷陰極螢光燈管的第一端；以及多個第二平衡電容器，其中每個第二平衡電容器的第一端都耦接到該第二諧振電路以接收該第二弦波交流電壓，每個第二平衡電容器的第二端分別耦接到相應的U型冷陰極螢光燈管的第二端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之冷陰極螢光燈管驅動電路，其中該橋式整流器、該半橋或全橋換流器、該第一及該第二升壓變壓器、該第一及該第二諧振電路設在一電源板上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之冷陰極螢光燈管驅動電路，其中該些第一平衡電容器及該些第二平衡電容器設在一平衡板上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之冷陰極螢光燈管驅動電路，更包括一功因修正器，耦接於該橋式整流器及該半橋或全橋換流器之間，用以修整該橋式整流器輸出的電流波形。