TWI424671B - Variable resonant gain of the converter - Google Patents

Description

可變諧振增益之換流器

一種可變諧振增益之換流器，係應用於驅動燈管且利用改變諧振頻率而調整驅動電壓之換流器。

現今不斷普及之液晶顯示器最主要之元件即為偏光片與背光模組，該背光模組必須產生均勻的光線，再透過偏光片產生光線不同顏色之透析而形成多彩之畫面，為了讓該背光模組得以達成產生均勻光線之功效，該背光模組須具備多個具有長壽命之燈管以及一提供燈管輸出電力之換流器，利用調整該換流器之輸出電力大小來調整該燈管之亮度；而習知的換流器架構如圖1所示，包括一電力來源1、一調光訊號源6、一脈寬調變單元3、一切換開關單元2、一諧振單元4、一變壓器5以及一回授單元7，該電力來源1提供一直流電力，該脈寬調變單元3產生一工作週期訊號驅動該切換開關單元2，而該直流電力經過該切換開關單元2的切換導通將形成一脈衝電力，該諧振單元4取得該脈衝電力而透過諧振轉換為一驅動電力且由該變壓器5轉換該驅動電力而輸出一輸出電力驅動一燈管組9，並由該調光訊號源6產生一調光訊號供該脈寬調變單元3調整該工作週期訊號之責任週期(duty cycle)以控制輸出電力之大小，該回授單元7於該變壓器5之二次側擷取一回授訊號送至該脈寬調變單元3以提供回授穩壓之功效，其中，最基本的習知換流器係利用控制該工作週期訊號之責任週期(duty cycle)來決定該輸出電力之大小；習知創作中絕大部份利用諧振電路來作為驅動背光模組之換流器皆利用LC式諧振電路，一般LC式諧振電路之最基本之等效電路請參閱圖2－1，其中R_lamp 為一燈管之等效阻抗，V_d (t)為輸入電壓，Ls為諧振電感，Cp為諧振電容，且該輸入電壓為一定電壓之脈衝電力，V_λ 為該燈管兩端之電壓，該輸入電壓與該輸出電壓之計算如下：

整理後可得

為簡化上述計算式，另定義參數如下：

其中Q定義為串聯諧振品質因數。

其中Z_O 為此諧振電路之特性阻抗。

利用(1－3)式與(1－4)式可將(1－2)式簡化如下：

並且該LC式諧振電路之轉移函數增益曲線請參閱圖2－2；習知的LC式諧振電路皆以定頻模式工作，形成固定的電壓增益，透過該脈寬調變單元3改變該工作週期訊號的責任週期(duty cycle)來調整該燈管組9之亮度；利用LC式諧振電路的先前創作如中華民國專利證書第I290707號之「液晶顯示器之多燈管並聯驅動電路及其均流控制方法」，於該先前專利之圖3中，其變壓器T1之一次側可見一諧振電感(Lr)以及一諧振電容(Cr)，並利用該諧振電感(Lr)及該諧振電容(Cr)產生弦波以透過該變壓器T1轉換電力；然而，上述換流器透過改變該工作週期訊號而控制亮度會產生以下缺失：1.調整工作週期訊號的責任週期(duty cycle)會導致該換流器的切換開關單元無法穩定在零電壓切換(zero voltage switching)的工作狀態，產生額外的損耗。

2.受限於該切換開關單元的元件耐壓，該工作週期訊號的責任週期比(duty ratio)的調整範圍有其限制。

因此，驅動背光模組之換流器仍需改進上述之缺失。

有鑑於上述換流器的缺失，本發明之首要目的即在於改善提供一種改善其諧振方式之換流器，藉此達到具有更大調光範圍以及零電壓切換的特性。

本發明為一種可變諧振增益之換流器，該換流器包括一脈寬調變單元、一切換開關單元、一諧振單元、一變壓器、一頻率控制單元以及一回授單元，該切換開關單元自一電力來源取得一直流電力，該脈寬調變單元則產生一工作週期訊號驅動該切換開關單元將該直流電力轉換為一脈衝電力，並該諧振單元將該脈衝電力轉變為一驅動電力供該變壓器轉換為一輸出電力，以驅動該換流器所接設之燈管組，其特徵在於該脈衝電力於一啟動頻率以及一高於該啟動頻率之工作頻率時該諧振單元分別形成一啟動電壓增益以及一工作電壓增益，其中該啟動電壓增益大於該工作電壓增益，以藉由較大啟動電壓增益產生較高電壓之輸出電力以順利啟動該燈管組，並可藉由控制該脈衝電力之頻率使該諧振單元產生不同之電壓增益，再者，配合該諧振單元之特性該脈寬調變單元利用改變該工作週期訊號之頻率達到調整該脈衝電力之頻率，該頻率控制單元可藉由取得一調光訊號以及自該回授單元取得一回授訊號而決定一參考電壓訊號，該脈寬調變單元依據該參考電壓訊號決定該工作週期訊號之頻率，進而令該脈衝電力具有一啟動頻率以及高於該啟動頻率之一工作頻率，達到調整該燈管組亮度之功效。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱圖3，該圖所示為該可變諧振增益之換流器之架構圖，該換流器具有一脈寬調變單元3、一切換開關單元2、一諧振單元4、一變壓器5、一回授單元7以及一頻率控制單元8，該脈寬調變單元3產生一工作週期訊號驅動該切換開關單元2，該切換開關單元2自一電力來源1取得一直流電力，並受該工作週期訊號之驅動而將該直流電力轉換為一脈衝電力送至該諧振單元4，該諧振單元4將該脈衝電力轉換為一驅動電力而送至該變壓器5轉換為一輸出電力以驅動該燈管組9，而該頻率控制單元8則連接一調光訊號源6以及該回授單元7，該回授單元7自該變壓器5二次側擷取一回授訊號，該調光訊號源6則提供一調光訊號，該頻率控制單元8則依據該調光訊號以及該回授訊號產生一參考頻率訊號，供該脈寬調變單元3依據該參考頻率訊號調整該工作週期訊號之頻率，進而調整該脈衝電力之頻率；其中該諧振單元4具有諧振之特性，而使該脈衝電力之頻率影響該諧振單元4轉換該驅動電力之電壓增益，而該脈衝電力於一啟動頻率以及一高於該啟動頻率之工作頻率時，該諧振單元4分別形成對應該啟動頻率及該工作頻率之一啟動電壓增益及一工作電壓增益，其中該啟動電壓增益大於該工作電壓增益以提供較高之電壓啟動該燈管組9，達成該特性之電路如圖3中之諧振單元4，該諧振單元4包含一第一諧振電感(L_r )42、一第二諧振電感(L_m )43以及一諧振電容(C_s )41，其中該第一諧振電感42及該諧振電容41與該變壓器5之一次側線圈串聯，而該第二諧振電感43連接於該一次側線圈之兩端，使該第一諧振電感42與該第二諧振電感43自該一次側線圈視入形成並聯形態；上述諧振單元4之轉移函數推導如下：

此為該第一諧振電感(L_r )42與該第二諧振電感(L_m )43的比值．．．．(2－1式)L ＝L _r ＋L _m

此為該諧振單元4之串聯等效電感．．．．(2－2式)

此為諧振頻率．．．．(2－3式)

此為該諧振單元4之特性阻抗．．．．(2－4式)

此為串聯諧振品質因數．．．．(2－5式)

此為該諧振單元4之轉移函數．．．．(2－6式)

此為(2－6式)之增益值．．．．(2－7式)

當該換流器欲啟動該燈管組9時，該燈管組9於初啟動時形同開路而具有較高之等效電阻(R_lamp )，且該換流器未開始工作時該諧振單元4中無電流流動，此時可令該脈寬調變單元3產生預設之啟動頻率的工作週期訊號，使該諧振單元4啟動於該啟動頻率，因而具有對應該啟動頻率之啟動電壓增益，因此該諧振單元4可具有較高之電壓增益而順利啟動該燈管組9，而該燈管組9啟動後將有電流流通於該變壓器5之二次側，使該回授單元7得以取得該回授訊號送至該脈寬調變單元3令其工作於預設之工作頻率，該諧振單元4則依據該脈衝電力之工作頻率而產生對應之工作電壓增益；如圖4所示，該燈管組9於啟動時該諧振單元4工作於該啟動電壓增益點P1，而該燈管組9正常工作後則工作於頻率較高之工作電壓增益點P2，因此，該諧振單元4可於該燈管組9啟動時以及正常工作時提供不同之電壓增益值以便於啟動該燈管組9，並且該燈管組9正常工作後該諧振單元4可依據該脈衝電力之頻率而提供對應之電壓增益，達到控制該燈管組9亮度之功效；而上述實施電路利用調整該諧振單元4控制該輸出電力之實測數值請參閱圖5，其中Pin為輸入該換流器之功率，Fs為該諧振單元4工作之頻率，於表中之第1列到第六列明顯可知，當該諧振單元4之工作頻率於較低之頻率可產生較高之燈管電壓(V_lamp )，較高之燈管電壓(V_lamp )有利於啟動該燈管組9，而該燈管組9正常工作後其等效電阻(R_lamp )下降，頻率可上升至較高之工作頻率，而該諧振單元4之電壓增益則隨頻率之變動而變小使燈管電壓(V_lamp )下降，藉由圖5所示之實測數值可確認該諧振單元4利用該第一諧振電感42、該第二諧振電感43以及該諧振電容41之電路架構可藉控制工作頻率而改變其輸出電力之電壓，達到調整該燈管組9亮度之功效。

上述該第一諧振電感42與該第二諧振電感43之感量相異，且該諧振單元4之兩諧振電感感量比小於10：1以確保該諧振單元4具有上述之諧振特性；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，而所作之些許更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明中，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。

綜上所述，本發明較習知之電路增進上述功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定創新專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。

1．．．電力來源

2．．．切換開關單元

3．．．脈寬調變單元

4．．．諧振單元

41．．．諧振電容

42．．．第一諧振電感

43．．．第二諧振電感

5．．．變壓器

6．．．調光訊號源

7．．．回授單元

8．．．頻率控制單元

9．．．燈管組

P1．．．啟動電壓增益點

P2．．．工作電壓增益點

圖1為習知驅動燈管之換流器架構圖。

圖2－1為圖1之換流器的習知諧振單元架構圖。

圖2－2為圖2－1之轉換函數增益曲線圖。

圖3為本發明之電路架構圖。

圖4為圖3之轉換函數增益曲線圖。

圖5為圖3所示電路之實測數值表。

1．．．電力來源

2．．．切換開關單元

3．．．脈寬調變單元

4．．．諧振單元

41．．．諧振電容

42．．．第一諧振電感

43．．．第二諧振電感

5．．．變壓器

6．．．調光訊號源

7．．．回授單元

8．．．頻率控制單元

9．．．燈管組

Claims (4)

1. 一種可變諧振增益之換流器，該換流器包括一脈寬調變單元、一切換開關單元、一諧振單元以及一變壓器，該換流器係連接一電力來源取得一直流電力，該脈寬調變單元產生一工作週期訊號驅動該切換開關單元將該直流電力轉換為一脈衝電力，並該諧振單元將該脈衝電力轉換為一驅動電力供該變壓器轉換為一輸出電力，以驅動該換流器所接設之燈管組，其特徵在於：該脈衝電力於一啟動頻率以及一高於該啟動頻率之工作頻率時，該諧振單元分別產生對應啟動頻率及該工作頻率之一啟動電壓增益及一工作電壓增益，其中該啟動電壓增益大於該工作電壓增益以啟動該燈管組；該諧振單元包含一第一諧振電感、一第二諧振電感以及一諧振電容，其中該第一諧振電感及該諧振電容與該變壓器之一次側線圈串聯，而該第二諧振電感連接於該一次側線圈之兩端，使該第一諧振電感與該第二諧振電感自該一次側線圈視入形成並聯形態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可變諧振增益之換流器，其中該第一諧振電感與該第二諧振電感之感量相異。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可變諧振增益之換流器，其中該諧振單元之兩諧振電感感量比小於10：1。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可變諧振增益之換流器，其中該換流器更包括一回授單元、一調光訊號源以及一頻率控制單元，其中該調光訊號源產生一調光訊號，該回授單元自該變壓器二次側取得一回授訊號，該頻率控制單元則依該調光訊號以及該回授訊號決定一參考頻率訊號供該脈寬調變單元調整該工作週期訊號之頻率。