TWI445451B - A lighting device and an image display device provided with the same - Google Patents

Description

點燈裝置及具備其之圖像顯示裝置

本發明係關於一種點燈裝置及具備其之圖像顯示裝置，尤其係熱陰極螢光燈之點燈裝置。

因液晶面板自身不發光，故液晶顯示器需要自背面照射液晶面板之背光。先前通常使用可將背光輕薄化之冷陰極螢光燈，但相較於冷陰極螢光燈，因有強度高且可高效率點燈之優點，故亦有使用熱陰極螢光燈者。在該熱陰極螢光燈中，係將直流電壓變換為矩形波狀之交流電壓，並施加於具備扼流線圈及電容器之共振負載電路，並使用流出正弦波狀之共振電流之電流共振型換流器，使流動於燈之電流(以下記載為「燈電流」)穩定化。

又，在一般照明用途中，一般而言是採用在將熱陰極螢光燈調光時，藉由使換流器之驅動頻率變化來控制燈電流之方法。但，在液晶顯示器之背光中，換流器驅動頻率會與液晶面板之動作頻率干擾，而引起畫面閃爍或產生干涉條紋之問題。為避免該問題，背光用換流器有被要求驅動頻率固定之情形，再者，亦有要求與自較點燈裝置為上位之控制裝置所供給之固定頻率的信號同步而驅動換流器之情形。

另，因冷陰極螢光燈相較於熱陰極螢光燈燈電流小，故難以利用換流器之驅動頻率來控制燈電流。因此，冷陰極螢光燈乃固定驅動頻率，利用PWM(Pulse Width Modulation，脈衝寬度調變)調光(亦稱為脈衝調光)。在PWM調光中，根據相較於換流器驅動頻率十分低之頻率之調光用PWM信號之位準，重複燈之點燈、熄燈來進行調光。在點燈狀態下，以固定頻率驅動換流器，在熄燈狀態下，使換流器停止。此時，藉由調光用PWM信號變為高(H)位準時之時比率(即duty，工作比)可進行調光。

另一方面，在熱陰極螢光燈中，使用PWM調光時，例如係使用於專利文獻1記載之換流器。在該換流器中，並聯相對於直流電源成為主要的點燈用換流器、及燈絲預熱用之換流器。又，於預熱用換流器與直流電源之間插入燈絲電流控制用之DC-DC轉換器。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平6-275387號公報

[發明所欲解決之問題]

熱陰極螢光燈之PWM調光存在如下問題。

熱陰極螢光燈之換流器不僅要供給燈電流，亦有必要供給為預熱電極部的燈絲之燈絲電流。作為供給燈絲電流之電路構成，已有對捲繞於共振用扼流線圈之2次繞線連接燈絲之構成等，因使用2次繞線之構成有零件數量少之優勢，故經常被使用。

但，根據此種構成，使換流器停止而設為熄燈狀態時，則不僅燈電流，燈絲電流亦不流動。當熄燈狀態之燈絲電流不充足之情形下，再點燈時燈絲損傷會增大，甚至會縮短燈壽命。甚至，再點燈時損傷會增大或再點燈失敗。

即使於PWM調光之熄燈狀態下，為供給燈絲電流亦有必要使用例如專利文獻1所述之換流器。根據該換流器，即使於PWM調光之熄燈狀態使點燈用換流器停止，亦可藉由使預熱用換流器繼續動作而供給換流器電流。又，藉由利用DC-DC轉換器使預熱用換流器之輸入電壓變化，可控制熄燈狀態之燈絲電流。

但，根據專利文獻1記載之換流器，因另行設置預熱用換流器等原因，供給燈絲電流之電路構成複雜，故相信電路之大型化、高成本化會成為問題。

本發明係為解決此等問題而完成者，其目的在提供一種於固定驅動頻率下，於熄燈狀態下可穩定燈絲電流而進行供給之點燈裝置及具備其之圖像顯示裝置。

為解決前述課題，本發明之點燈裝置(500)之特徵為：具備將直流電壓轉換為交流電壓而對包含熱陰極螢光燈(101)之共振負載電路供給電源之換流器(150)、及控制該換流器之控制裝置；前述換流器具備於前述熱陰極螢光燈之熄燈狀態下，以流經前述共振負載電路之交流電流之頻率成為驅動前述換流器之頻率的(自然數+1)倍之方式而設定之前述共振負載電路。此時，前述共振負載電路具備經由變壓器(112)將前述熱陰極螢光燈並行交流連接於共振用電容器(109)之並聯電路，及串聯於該並聯電路之扼流線圈(108)而構成，前述換流器以點燈時較熄燈時輸出更高之電壓為佳。另，括弧內之數字係為例示。

[發明之效果]

根據本發明可在固定驅動頻率下，於熄燈狀態下穩定燈絲電流而進行供給。

<第1實施形態>

以下就本發明之第1實施形態之構成使用圖面進行說明。

圖1係本發明之第1實施形態之點燈裝置的構成圖，該點燈裝置500具備換流器等之主電路及其控制裝置200，主要作為未圖示之圖像顯示裝置之背光而使用。

圖1之主電路具備：直流電源100、全橋式換流器150、共振用扼流線圈108、共振用電容器109、變壓器112、熱陰極螢光燈101、於扼流線圈所設置之2次繞線115，116、及直流阻止用電容器110、111、117、118。

熱陰極螢光燈101係略圓筒形狀或略U字圓筒形狀，於兩端具備燈絲102、103。藉由於該燈絲102、103之各自中使電流流動加熱下，於燈絲102，103之間對燈施以電壓，而於燈絲102與燈絲103之間有燈電流i_LAMP 流過而發光。又，熱陰極螢光燈101因應燈電流i_LAMP 而其燈電壓變化，並具有負性電阻性。

全橋式換流器150相對於直流電源100並聯有作為切換元件之功率MOSFET 104與功率MOSFET 105之串聯體、及功率MOSFET 106與功率MOSFET 107之串聯體，該等兩組串聯體係作為上下臂動作而構成，將直流電壓轉換為矩形波狀交流電壓。

於功率MOSFET 104之源極與功率MOSFET 107之汲極之間，即全橋式換流器150之輸出端子間連接有以下記載之構成之共振負載電路。首先，於功率MOSFET 104之源極與功率MOSFET 107之汲極之間連接有共振用扼流線圈108與共振用電容器109之串聯體。於電容器109之端子間連接有變壓器112之1次繞線113、與為自流動於其中之電流除去直流成份之電容器110的串聯體。於變壓器112之2次繞線114之端子間連接有熱陰極螢光燈101、與為自流動於其中之燈電流i_LAMP 除去直流成份之電容器111之串聯體而構成。另，作為切換元件雖使用有功率MOSFET，但電晶體或IGBT亦可。又，於直流電源100之電壓高之情形下，不設變壓器112及電容器110、111中之任一者皆可。

藉由該等連接，全橋式換流器150係作為流動於共振用扼流線圈之電流(以下稱為「扼流線圈電流」)及燈電流i_LAMP 以正弦波狀流動之電流共振型換流器而發揮功能。

定地進行動作，而功率MOSFET 104、105、106、107之接通動作變為零電壓切換，故有切換損失變小之性質。

自變壓器112之一次側所見之熱陰極螢光燈101以電阻值R之電阻表示，而設扼流線圈108之電感為Lr、電容器109之靜電電容為Cr時，則共振負載電路之阻抗Z大致成為

Z=jωLr+1/(R+1/jωCr)

該共振負載電路之共振頻率f0係熱陰極螢光燈101處於熄燈狀態，且R=無限大時，則f0=1/(2π√LrCr)，而若熱陰極螢光燈101為點燈狀態，且R在阻抗Z中可忽略時，則共振頻率較f0會更低。此處，電流共振型換流器在其共振頻率較驅動頻率為低時，則有變為前述之遲相動作之顧慮。從而，有必要如後述即使在燈之熄燈狀態下亦可使換流器動作，且，此時為維持遲相動作相較於點燈狀態有必要使驅動頻率提高。但，在背光用換流器中，為避免畫面閃爍或產生干涉條紋之問題，會有要求驅動頻率固定之情形。

在本實施形態中，固定驅動頻率，在熄燈狀態下使扼流線圈電流以共振頻率f0共振，而在點燈狀態下使扼流線圈電流之頻率與驅動頻率保持一致。此時，以使共振頻率f0成為驅動頻率之(2×自然數+1)倍或較其稍低之方式設定前述之Lr、Cr。藉此，雖在熄燈狀態下共振頻率f0較驅動頻率低，但利用後述之要領可避免進相動作。

共振用扼流線圈108中捲繞有兩個2次繞線115、116，於2次繞線115之端子間串聯有熱陰極螢光燈101之燈絲102、及為自流動於其中之電流除去直流成份之電容器117。

又，於2次繞線116之端子間，串聯有熱陰極螢光燈101之燈絲103、及為自流動於其中之電流去除直流成份之電容器118。即，藉由電容器117、118交流地連接(交流連接)共振用扼流線圈108之2次繞線115、116與熱陰極螢光燈101之燈絲102、103。

控制裝置200因應輸入之調光用PWM信號I，而對四個功率MOSFET 104、105、106、107輸出閘極信號G1、G2、G3、G4。控制裝置200根據調光用PWM信號I之位準切換閘極信號G1、G2、G3、G4之輸出模式，且改變驅動電壓之duty，藉此使利用調光用PWM信號之duty之調光成為可能。另，控制裝置200以調光用PWM信號I於高位準時燈為點燈狀態，於低位準時燈為熄燈狀態之方式輸出閘極信號G1、G2、G3、G4，也可以調光用PWM信號I於低位準時燈為點燈狀態，於高位準時燈為熄燈狀態之方式輸出閘極信號G1、G2、G3、G4。

<PWM調光、點燈狀態之動作>

圖2係藉由圖1之點燈裝置將進行PWM調光之情形的動作波形區分為(a)點燈狀態、(b)熄燈狀態而顯示者。此處，含有圖2之以下所有動作波形圖之電流，均將圖1之電路圖之各元件自上而下流動之電流作為正，自左而右流動之電流作為正。以下，基於圖2就第1實施形態之PWM調光進行說明。

調光用PWM信號於高位準之狀態，即在PWM調光之點燈狀態下，控制裝置200為使圖1之主電路進行作為全橋式換流器之基本動作(以下稱為「全橋接動作」)而輸出固定頻率之閘極信號。即，功率MOSFET 104、107、或功率MOSFET 105、106為分別同時導通或斷開，而使由功率MOSFET 104、105構成的上下臂及由功率MOSFET 106、107構成的上下臂各自進行開關切換。另，圖2中將4個MOSFET 104、105、106、107之導通時間duty分別設為50%。

點燈裝置500在功率MOSFET 104、107導通時，最初藉由蓄積於扼流線圈108之能量，使環流電流以扼流線圈108、功率MOSFET 104、直流電源100、功率MOSFET 107及電容器109之路徑流動，而釋放扼流線圈108之能量。扼流線圈108之能量一被釋放，則流動於扼流線圈108之電流(以下稱為「扼流線圈電流」)i_L 之極性顛倒，使共振電流以直流電源100、功率MOSFET 104、扼流線圈108、電容器109及功率MOSFET 107之路徑流動，而再次於扼流線圈108中蓄積能量。

另，於圖2之點燈狀態(a)下，熱陰極螢光燈101之電阻值R小，扼流線圈電流i_L 在與流動於L-R串聯電路之電流波形近似之臨界狀態的附近進行共振。又，於功率MOSFET 104之源極與功率MOSFET 107之汲極之間產生之電壓、即換流器輸出電壓，若將直流電源100之電壓表示為Vin則大致成為+Vin。

若功率MOSFET 104、107斷開，且功率MOSFET 105^、 106導通，則最初藉由蓄積於扼流線圈108的能量，使環流電流以扼流線圈108、電容器109、功率MOSFET 106、直流電源100及功率MOSFET 105之路徑流動，而釋放扼流線圈108之能量。扼流線圈108之能量一釋放，則扼流線圈電流i_L 之極性顛倒，則共振電流以直流電源100、功率MOSFET 106、電容器109、扼流線圈108及功率MOSFET 105之路徑流動，而再次於扼流線圈108蓄積能量。此時，換流器輸出電壓Vo大致變為Vin。

藉由以上動作，於電容器109中產生交流電壓，經由電容器110使交流電流流動於變壓器112之1次繞線113。藉由該電流，在點燈裝置500中於變壓器112之2次繞線114感應生成交流電壓，藉由該感應電壓熱陰極螢光燈101放電。熱陰極螢光燈101一放電，則於點燈裝置500，於由2次繞線114、電容器111及熱陰極螢光燈101所組成的閉路中有交流之燈電流i_LAMP 流動，而使熱陰極螢光燈101保持穩定的點燈狀態。

又，於點燈裝置500，在設置於扼流線圈108的2個2次繞線115、116中亦分別產生交流電壓，由2次繞線115、電容器117及燈絲102所組成之閉路，與由2次繞線116、電容器118及燈絲103所組成的閉路中分別有交流燈絲電流流動，而使燈絲102、103被加熱。

以換流器驅動頻率重複以上動作，換流器輸出電壓、扼流線圈電流i_L 、燈電流i_LAMP 、燈絲電流及流經功率MOSFET 104的電流之波形係如圖2(a)所示。另，流動於兩個燈絲102、103的燈絲電流幾乎為相同，於圖2彙整其波形而顯示。

<PWM調光、熄燈狀態之動作>

控制裝置200於調光用PWM信號I為低位準且轉移為PWM調光之熄燈狀態時，切換閘極信號G1、G2、G3、G4之輸出模式，俾使功率MOSFET 106經常斷開、功率MOSFET 107經常導通。控制裝置200相對於功率MOSFET 104、105，係以與點燈狀態相同之要領輸出閘極信號。此時，全橋式換流器150係作為將功率MOSFET 104、105之串聯體作為上下臂之SEPP(Single-Ended Push-Pull，單端推挽)換流器而進行動作(以下稱為「SEPP動作」)。

若直流電源電壓同為Vin，則SEPP換流器的輸出電壓為全橋式換流器的二分之一。即，控制裝置200在熄燈狀態下，將全橋式換流器150的動作自全橋接動作切換為SEPP動作，使換流器輸出電壓相較於點燈狀態減少。藉此，全橋式換流器150變得無法輸出只可維持熱陰極螢光燈101之放電的電壓，而使熱陰極螢光燈101熄燈。燈電流i_LAMP 衰減成為零另一方面，全橋式換流器150係進行SEPP動作，而以後述之要領讓交流電流繼續流動於扼流線圈108。藉此，於扼流線圈108及其2次繞線115、116產生交流電壓，使燈絲電流繼續流動。

首先，說明功率MOSFET 104導通時之動作。最初藉由蓄積於扼流線圈108之能量，使環流電流以扼流線圈108、功率MOSFET 104、直流電源100、功率MOSFET 107及電容器109之路徑流動，釋放扼流線圈108之能量。扼流線圈108之能量一被釋放，扼流線圈電流i_L 之極性顛倒，使共振電流以直流電源100、功率MOSFET 104、扼流線圈108、電容器109及功率MOSFET 107之路徑流動，而再次於扼流線圈108蓄積能量。

點燈裝置500因熱陰極螢光燈101為熄燈狀態，故此時的共振電流之頻率與由共振用扼流線圈108的電感Lr及共振用電容器109之靜電電容Cr所決定的共振頻率f0=1/(2π√(Lr‧Cr))幾乎一致，較點燈狀態更高。如前述，藉由Lr、Cr之設定，共振頻率f0變為驅動頻率的大致(2×自然數+1)倍或較其稍低。以下特別針對使f0較驅動頻率的3倍稍低而設定Lr、Cr之情形進行說明。

共振電流之頻率增高的另一方面，因功率MOSFET 104、105進行切換動作之驅動頻率係與點燈狀態相同，故發生以下作用。點燈裝置500在功率MOSFET 104導通過程中，扼流線圈108之能量朝電容器109轉移，且藉由蓄積於電容器109之能量而使扼流線圈電流i_L 之極性再次顛倒。此時，點燈裝置500係共振電流(反向電流)以電容器109、扼流線圈108、功率MOSFET 104、直流電源100、功率MOSFET 107之路徑流動。此時，反向電流流動於功率MOSFET 104之寄生二極體。此狀態下，功率MOSFET 104斷開、功率MOSFET 105導通時，功率MOSFET 104之寄生二極體逆恢復，而有大量逆恢復電流流動於直流電源100、功率MOSFET 104之寄生二極體及功率MOSTET 105之路徑。該動作被稱為前述之進相動作，因前述逆恢復電流會使損失增大，最差之情形是會使功率MOSFET損壞，故為應該避免之動作。

第1實施形態中，藉由以下作用而避免進相動作。點燈裝置500在功率MOSFET 104成為斷開之前，電容器109之能量朝扼流線圈108轉移，共振電流以電容器109、扼流線圈108、功率MOSFET 104、直流電源100及功率MOSFET 107之路徑繼續流動。扼流線圈108之能量一釋放，則扼流線圈電流i_L 之極性三次顛倒，使共振電流在直流電源100、功率MOSFET 104、扼流線圈108、電容器109及功率MOSFET 107之路徑中流動。即，在功率MOSFET 104斷開之前，轉移至共振動作之第2週期。該狀態下，控制裝置200使功率MOSFET 104斷開，而使功率MOSFET 105導通。在功率MOSFET 104即將斷開之前，其寄生二極體中未有電流流動。因此，點燈裝置500在接通功率MOSFET 105時，並無前述之逆恢復電流流動，而使切換損失減小。另，功率MOSFET 104在導通期間，換流器輸出電壓Vo大致變為+Vin。

功率MOSFET 105一導通，則藉由蓄積於扼流線圈108之能量，環流電流以扼流線圈108、電容器109、功率MOSFET 107、功率MOSFET 105之路徑流動。利用環流電流可使電容器109充電，藉此蓄積於扼流線圈108之能量朝電容器109轉移。藉由蓄積於電容器109之能量，使扼流線圈電流i_L 之極性顛倒，而使環流電流以電容器109、扼流線圈108、功率MOSFET 105及功率MOSFET 107之路徑流動。

該環流電流之頻率與前述之共振電流相同，大致成為共振頻率f0。因此，在功率MOSFET 105導通之期間，在扼流線圈108與電容器109中重複進行能量處理，扼流線圈電流i_L 之極性亦重複顛倒。環流電流轉移至第2週期，在其路徑為電容器109、扼流線圈108、功率MOSFET 105及功率MOSFET 107之狀態下，功率MOSFET 105斷路而功率MSOFET 104再次導通。在功率MOSFET 105即將斷路之前，在功率MOSFET 105之寄生二極體中未有電流流動。

藉此，在接通功率MOSTET 104時無逆恢復電流流動，可使切換損失減小。另，在功率MOSFET 105導通期間，換流器成自直流電源100切離之狀態，輸出電壓大致為零。

藉由以上動作，在點燈裝置500中，於電容器109產生交流電壓，以與全橋接動作相同之要領於變壓器112之2次繞線114感應生成交流電壓。但，因該感應電壓相較於全橋接動作時為小，故熱陰極螢光燈101不放電，燈電流未流動。另一方面，如前述說明，燈絲電流分別流動於由2次繞線115、電容器117及燈絲102所組成之閉路，及由2次繞線116、電容器118及燈絲103所組成之閉路。

根據以上作用，換流器輸出電壓、扼流線圈電流i_L 、燈電流i_LAMP 、燈絲電流及流經功率MOSFET 104之電流之波形乃如圖2(b)所示。扼流線圈電流i_L 之頻率成為換流器驅動頻率的3倍，在以下將該現象稱為3倍共振。另一方面，於圖2(a)所示之點燈狀態下，扼流線圈電流i_L 之頻率與換流器驅動頻率成為一致，以下將該現象稱為1倍共振。利用伴隨熄滅燈之共振電路特性之變化，藉由適切設定前述之常數Lr、Cr而於點燈狀態下使1倍共振，於熄燈狀態下使3倍共振分別產生，且，於任一者之狀態皆可避免前述之進相動作。另，於點燈狀態與熄燈狀態下，不用切換常數Lr、Cr。

點燈裝置500藉由3倍共振，在固定換流器驅動頻率不變下，可將熄燈狀態之電路之動作頻率相較於點燈狀態提高3倍。此時，供給燈絲電流之電路中之電容器117、118之阻抗減少，燈絲電流變得易於流動。藉由3倍共振，於熄燈狀態下即使是將換流器輸出電壓減少之狀況，亦可供給充分的燈絲電流。

如以上所述，於第1實施形態所示之點燈裝置500可因應換流器驅動頻率之固定，且可以不採用先前必要之預熱用換流器狀態，實現於PWM調光之熄燈狀態下之燈絲電流之穩定供給。

<第1實施形態之變形例>

以下就第1實施形態之變形例進行說明。

為使共振頻率f0=1/(2π√(Lr、Cr))較驅動頻率之5倍稍低而設定常數Lr、Cr，則可將於點燈或熄燈之各狀態下之共振頻率之差相較於前述說明之情形設為較大而獲得圖3所示之動作波形。在圖3(a)之點燈狀態下，與圖2(a)相同以1倍共振進行動作。另一方面，於圖3(b)之熄燈狀態下，扼流線圈電流i_L 之頻率成為換流器驅動頻率之5倍，在以下將該現象稱為5倍共振。再者，亦可考慮為於熄燈狀態下令扼流線圈電流i_L 之頻率成為換流器驅動頻率之7倍、9倍。總之，前述實施形態中，可說明在熄燈狀態下使(2×自然數+1)倍共振產生。又，亦可考慮藉由常數Lr、Cr之設定，於點燈狀態下使(2×自然數+1)倍共振產生。惟，期望將熄燈狀態之扼流線圈電流i_L 之頻率相較於點燈狀態設為更高。

接著，於熄燈狀態下，控制裝置200也可為使功率MOSFET 106經常導通，107經常斷開而輸出閘極信號。又，為使功率MOSFET 106與107之切換動作繼續，為使功率MOSFET 104與功率MOSFET 105中，一方經常導通，另一方經常斷開，亦可輸出閘極信號。

又，並無將為使功率MOSFET 104~107切換動作情形下之導通時間duty如圖2所示設為50%之必要。藉由調整功率MOSFET之導通時間duty可使換流器之輸出電力變化，且可微調整燈電流與燈絲電流。惟期望可避免功率MOSFET切換時之逆恢復電流，且在熄燈狀態下，於可產生(2×自然數+1)倍共振之範圍內設定導通時間duty。

<第2實施形態>

於第1實施形態所示之調光方式係對於具備全橋式換流器之點燈裝置可適用之方式。與使用兩個功率MOSFET之半橋式換流器或SEPP換流器相較於全橋式換流器輸出電壓雖為2分之1，但藉由利用變壓器升壓比增大、直流電源電壓之增大等補償，可使螢光燈點燈。該第2實施形態不僅可適用於全橋式換流器，亦可適用於半橋式換流器、及SEPP換流器之方式。以下就適用於SEPP換流器之情形之例進行說明。

圖4係於本發明之第2實施形態中使用之點燈裝置510，具備換流器之主電路及其控制裝置201。圖4之主電路針對圖1之主電路不設功率MOSFET 106、107，而成為將共振用之扼流線圈108與共振用電容器109之串聯體連接於功率MOSFET 105之汲極-源極間之電路。即，圖4之主電路於具備有1組功率MOSFET 104、105之串聯體的上下臂之SEPP換流器152之輸出端子間，成為連接有與圖1相同之共振負載電路之電路。另，關於變壓器112、熱陰極螢光燈101之連接形態等及共振負載電路之構成，因與第1實施形態相同，故省略其說明。

在扼流線圈108之電感Lr、電容器109之靜電電容Cr之設定中，前述共振頻率f0=1/(2π√(Lr、Cr))設為驅動頻率的大致(自然數+1)倍，或較其稍低。在以下特別說明為使共振頻率f0較驅動頻率之2倍稍低而設定Lr、Cr之情形。

圖4之控制裝置201根據輸入之調光用PWM信號，對兩個功率MOSFET 104、105輸出閘極信號G1、G2。

<PWM調光、點燈狀態之動作>

圖5係藉由圖4之點燈裝置將進行PWM調光之情形的動作波形區分為(a)點燈狀態、(b)熄燈狀態而顯示者。以下基於圖5就第2實施形態之PWM調光進行說明。

在點燈狀態下，控制裝置201為使功率MOSFET 104、105之上下臂進行切換動作而輸出固定頻率之閘極信號。另，在圖4(a)中，將功率MOSFET 104、105之導通時間duty分別都設置為50%。

點燈裝置510在功率MOSFET 104導通時，最初藉由蓄積於扼流線圈108之能量使環流電流流動於扼流線圈108、功率MOSFET 104、直流電源100及電容器109之路徑，而釋放扼流線圈108之能量。扼流線圈108之能量一被釋放，則點燈裝置510中扼流線圈電流i_L 之極性顛倒，共振電流以直流電源100、功率MOSFET 104、扼流線圈108及電容器109之路徑流動，而再次於扼流線圈108中蓄積能量。功率MOSFET 104導通期間，功率MOSFET 105之汲極-源極電壓、即換流器輸出電壓Vo大致為+Vin。

功率MOSFET 104一斷開，功率MOSFET 105一導通，則在點燈裝置510中，最初藉由蓄積於扼流線圈108之能量使環流電流流動於扼流線圈108、電容器109及功率MOSFET 105之路徑。藉由環流電流使電容器109充電，而使扼流線圈108之能量朝電容器109轉移。藉由蓄積於電容器109之能量，扼流線圈電流i_L 之極性顛倒，且環流電流流動於電容器109、扼流線圈108及功率MOSFET 105之路徑。在功率MOSFET 105導通期間，換流器變為自直流電源100切離之狀態，換流器輸出電壓Vo大致為零。

藉由以上動作，在點燈裝置510中，於電容器109產生交流電壓，以與第1實施形態相同之要領於變壓器112之2次繞線114感應生成交流電壓。藉由該感應電壓，螢光燈101放電，於由2次繞線114、電容器111及螢光燈101組成之閉路中有交流之燈電流i_LAMP 流動，螢光燈101保持穩定之點燈狀態。

又，亦於捲繞於扼流線圈108的兩個2次繞線115、116分別產生交流電壓，使交流的燈絲電流分別流過由2次繞線115、電容器117及燈絲102組成的閉路，及由2次繞線116、電容器118及燈絲103組成的閉路，而加熱燈絲102，103。

藉由以上之電路動作，換流器輸出電壓Vo、扼流線圈電流i_L 、燈電流i_LAMP 、燈絲電流及流經功率MOSFET 104之電流波形為如圖5(a)所示。

<PWM調光、熄燈狀態之動作>

一轉移為熄燈狀態，控制裝置201係如圖5(b)所示，使功率MOSFET 104之導通時間duty低於50%，且使功率MOSFET 105之導通時間duty高於50%。惟，功率MOSFET 104、105之上下臂進行切換動作之驅動頻率係與點燈狀態無變化之固定值。

此時，控制裝置201愈是將功率MOSFET 104的導通時間duty縮短，且將功率MOSFET 105的導通時間duty延長，則SEPP換流器152的輸出電壓Vo減小。利用該原理，控制裝置201設定功率MOSFET 104、105的導通時間duty成為點燈裝置510的換流器於無法維持熱陰極螢光燈101的放電之程度。作為例，圖5(b)中，將功率MOSFET 104的導通時間duty設定為約25%。相較於點燈狀態使換流器輸出電壓Vo減少，此點與第1實施形態相同。

首先，功率MOSFET 104導通時，最初藉由蓄積於扼流線圈108之能量使環流電流流動於扼流線圈108、功率MOSFET 104、直流電源100及電容器109之路徑，而釋放扼流線圈108之能量。扼流線圈108之能量一被釋放，扼流線圈電流i_L 之極性顛倒，使共振電流以直流電源100、功率MOSFET 104、扼流線圈108及電容器109之路徑流動，而再次於扼流線圈108中蓄積能量。另，在功率MOSFET 104導通期間，換流器輸出電壓Vo大致為+Vin。

於該狀態下使功率MOSFET 104斷開，使功率MOSFET 105導通。當功率MOSFET 105導通時，最初藉由蓄積於扼流線圈108之能量，使環流電流流動於扼流線圈108、電容器109及功率MOSFET 105之路徑。利用環流電流使電容器109充電，藉此使扼流線圈108之能量朝電容器109轉移。藉由蓄積於電容器109之能量，使扼流線圈電流i_L 之極性顛倒，並使環流電流流動於電容器109、扼流線圈108及功率MOSFET 105之路徑。

此處，基於與第1實施形態相同之理由，在熄燈狀態下相較於點燈狀態，環流電流之頻率為高，且功率MOSFET 105之導通時間duty相較於功率MOSFET 104為大。根據功率MOSFET 105之導通時間duty使扼流線圈電流i_L 之極性近一步繼續持續顛倒。環流電流朝第2週期轉移，在其路徑為電容器109、扼流線圈108及功率MOSFET 105之狀態下，功率MOSFET 105斷開，功率MOSFET 104再次成為導通。基於與第1實施形態相同之理由，在功率MOSFET 104之接通時，無逆恢復電流不流動，可使切換損失減小。另，在功率MOSFET 105導通期間，SEPP換流器152係自直流電源100變為切離狀態，輸出電壓Vo大致為零。

藉由以上動作，在點燈裝置510中，於電容器109產生交流電壓，而於變壓器112之2次繞線114感應生成交流電壓。但，基於前述理由，該感應電壓相較於點燈狀態係較小，熱陰極螢光燈101未放電，且燈電流i_LAMP 未流動。另一方面，因於扼流線圈108有交流電流流動，故於設置於扼流線圈108之兩個2次繞線115、116分別產生交流電壓，而使燈絲電流流動。

藉由以上動作，換流器輸出電壓Vo、扼流線圈電流i_L 、燈電流i_LAMP 、燈絲電流及流經功率MOSFET 104之電流之波形變為如圖5(b)所示。扼流線圈電流i_L 之頻率成為換流器驅動頻率之2倍，以下將該現象稱為2倍共振。藉由適切設定前述之常數Lr、Cr、及功率MOSFET 104、105之導通時間duty，而分別於點燈狀態產生1倍共振，於熄燈狀態產生2倍共振，且，於任一者之狀態皆可迴避前述之進相動作。

利用2倍共振，可在固定換流器驅動頻率下使熄燈狀態之電路的動作頻率相較於點燈狀態提高2倍。此時，基於第1實施形態所說明之理由，燈絲電流變得易於流動。利用2倍共振，在熄燈狀態下即使是使換流器輸出電壓減少之狀況下，亦可供給充分的燈絲電流。

<第2實施形態之變形例>

以下就第2實施形態之變形例進行說明。

根據常數Lr、Cr之設定，及功率MOSFET 104、105之導通時間duty，可獲得圖6所示之動作波形。在圖6(a)之點燈狀態下，與圖5(a)相同以1倍共振進行動作。另一方面，在圖6(b)之熄燈狀態下，扼流線圈電流i_L 之頻率成為換流器驅動頻率之3倍，以與第1實施形態相同之3倍共振進行動作。此外，在熄燈狀態下，還可使扼流線圈電流i_L 之頻率成為換流器驅動頻率之4倍、5倍。總之，在第2實施形態中，於熄燈狀態下可使(自然數+1)倍共振產生。又，亦可考慮藉由常數Lr、Cr之設定，於點燈狀態下使(自然數+1)倍共振產生。惟期望相較於點燈狀態，提高熄燈狀態之扼流線圈電流i_L 之頻率。

接著，在熄燈狀態下，控制裝置201為使功率MOSFET 105之導通時間duty低於50%，且使功率MOSFET 104之導通時間duty高於50%，亦可輸出閘極信號。又，無需令點燈狀態之功率MOSFET 104、105之導通時間duty如圖5(a)所示分別為50%。藉由調整功率MOSFET之導通時間duty，可使換流器之輸出電力Vo變化，而微調整燈電流i_LAMP 與燈絲電流。

接著，說明將第2實施形態適用於圖7所示之半橋式換流器之情形。另，圖7中雖省略控制裝置，但可原狀利用圖4所示之控制裝置201。圖7之點燈裝置520之主電路係針對圖4之主電路，將電容器119、120之串聯體連接於直流電源100，將共振用之扼流線圈108與共振用電容器109之串聯體連接於功率MOSFET 104、105之接點與電容器119、120之接點所形成的端子間之電路。即，圖7之主電路於具備有1組功率MOSFET 104、105之串聯體的上下臂與電容器119、120之串聯體的半橋式換流器155之輸出端子間，成為連接有與圖4相同之共振負載電路之電路。對於變壓器112、熱陰極螢光燈101之連接形態等及共振負載電路之構成，因與圖4之主電路相同，故省略其說明。對於圖7之主電路亦可使用前述說明之PWM調光方式，而獲得與圖5、圖6幾乎相同之動作波形。

最後，將第2實施形態適用於圖1之主電路之全橋接換流器的情形下，在熄燈狀態下，使功率MOSFET 104、107之導通時間duty低於50%，且使功率MOSFET 105、106之導通時間duty高於50%，或使功率MOSFET 105、106之導通時間duty低於50%，且使功率MOSFET 104、107之導通時間duty高於50%皆可。又，適用於全橋式換流器之情形下，藉由組合自第1實施形態所示之全橋接動作朝向SEPP動作之切換，可獲得圖8所示之動作波形。該情形下，藉由自全橋接動作朝SEPP動作之切換而使燈熄滅，並可藉由進行切換動作之功率MOSFET之導通時間duty而調整燈絲電流。

<第3實施形態>

圖9係本發明之第3實施形態的點燈裝置之構成圖。點燈裝置530係具備：備有換流器與DC-DC轉換器之主電路、與其控制裝置而構成。

圖9之DC-DC轉換器係具備作為切換元件之1個功率MOSFET 301、二極體302、扼流線圈303及電容器304之降壓斬波器(斬波器電路)，並插入於直流電源100與換流器之間。該降壓斬波器具備連接於直流電源100之切換元件301與二極體302之串聯體，與連接於該二極體之扼流線圈303與平滑用電容器304之串聯體，自電容器304之兩端取出輸出電壓。另，若為DC-DC轉換器，亦可利用升壓斬波器及回掃轉換器等其他類型之轉換器。

圖9之主電路之換流器係與圖4之SEPP換流器152具有相同構成之換流器。惟除了SEPP換流器之外，亦可利用圖7所示之半橋式換流器，或圖1所示之全橋式換流器。在扼流線圈108之電感Lr、電容器109之靜電電容Cr之設定中，前述之共振頻率f0=1/(2π√(Lr、Cr))係設為驅動頻率的大致(自然數+1)倍，或較其稍低。在以下特別說明的是以使共振頻率f0較驅動頻率之3倍稍低之方式設定Lr、Cr之情形。

圖9之控制裝置202根據輸入之調光用PWM信號，對換流器之功率MOSFET 104、105及斬波器之功率MOSFET 301輸出閘極信號。另，將第3實施形態適用於圖1所示之全橋式換流器之情形係利用除前述之動作以外，對MOSFET 106、107輸出閘極信號之控制裝置。

<PWM調光、點燈狀態之動作>

圖10係藉由圖9之點燈裝530將進行PWM調光之情形之動作波形區分為(a)點燈狀態、(b)熄燈狀態而顯示者。以下基於圖10就第3實施形態之PWM調光進行說明。

在點燈狀態下，控制裝置202為使功率MOSFET 104、105進行切換動作而輸出固定頻率之閘極信號。另，在圖10中，將功率MOSFET 104、105之導通時間duty分別設為50%。

又，控制裝置202為使功率MOSFET 301進行切換動作而輸出閘極信號。在圖10(a)中，雖使功率MOSFET 301之導通時間duty設為100%，但只要是燈為點燈狀態之範圍，就無需設為100%。此時，斬波器之輸出電壓，即換流器之輸入電壓變為與直流電源100之電壓相同之Vin。

藉由斬波器及換流器之動作，燈電流與燈絲電流流動，而換流器輸出電壓Vo、扼流線圈電流i_L 、燈電流i_LAMP 、燈絲電流及流過功率MOSFET 104的電流之波形係如圖10(a)所示。另，關於換流器之詳細動作，自第2實施形態所示之點燈狀態之換流器動作即可容易想像故省略之。

<PWM調光、熄燈狀態之動作>

一轉移至熄燈狀態，則控制裝置202使功率MOSFET 301之導通時間duty減少。即，使熄燈狀態之切換元件之導通時間duty相較於熱陰極螢光燈101之點燈狀態減少。於圖10(b)中，作為例子，顯示有將導通時間duty減少至50%之情形。此時，斬波器之輸出電壓，即換流器之輸入電壓減半至Vin/2。另，對於功率MOSFET 104、105與點燈狀態相同輸出閘極信號。相較於點燈狀態，使換流器輸出電壓Vo減少此點較第1實施形態及第2實施形態並無不同。

藉由換流器之輸入電壓減半，其輸出電壓Vo亦減半，基於與第1實施形態及第2實施形態相同之理由，燈熄滅。藉由燈電流衰減成為零，以及另一方面之換流器之動作繼續，而使燈絲電流繼續流動。

藉由以上所述，換流器輸出電壓Vo、扼流線圈電流i_L 、燈電流i_LAMP 、燈絲電流及流經功率MOSFET 104的電流之波形係如圖10(b)所示。在第3實施形態中，藉由適切設定常數Lr、Cr，與第1實施形態相同亦可使3倍共振產生。關於換流器之詳細動作，自第1實施形態所示之熄燈狀態之動作即可容易想像故省略之。

<第3實施形態之變形例>

以下就第3實施形態之變形例進行說明。

首先，於換流器之前段設置斬波器，即可對於第1實施形態及第2實施形態亦可導入換流器輸入電壓之控制。例如以全橋式換流器為對象，組合第1實施形態及第3實施形態，則藉由自全橋接動作切換成SEPP動作而使燈熄滅後，藉由利用斬波器對換流器輸入電壓控制，可調整燈絲電流。又，以圖10之點燈裝置為對象，組合第2實施形態及第3實施形態，則可藉由換流器輸入電壓之控制與功率MOSFET 104、105之導通時間duty之控制這兩種手段使燈熄滅，且調整燈絲電流。

接著，藉由常數Lr、Cr之設定於熄燈狀態下亦可使5倍共振、7倍共振產生。又，如前所述組合第2實施形態及第3實施形態之情形下，藉由常數Lr、Cr之設定與功率MOSFET之導通時間duty亦可使2倍共振、4倍共振產生。總之，在第3實施形態中，於熄燈狀態下可使(自然數+1)倍共振產生。又，藉由常數Lr、Cr之設定，可想像於點燈狀態下亦可使(自然數+1)倍共振產生。惟期望使熄燈狀態之扼流線圈電流i_L 之頻率相較於點燈狀態為高。

最後，作為對第1實施形態至第3實施形態共通之變形例，就共振負載電路之構成、尤其係供給燈絲電流之電路構成進行說明。

在以上之說明中，利用了設置於共振用扼流線圈之2次繞線，亦可如圖11所示之主電路，考慮對於升壓變壓器112追加2個3次繞線121、122之方法。圖11之主電路係對於圖1之主電路不設扼流線圈108之2次繞線115、116，將升壓變壓器112之3次繞線121連接於電容器117與燈絲102之串聯體，將3次繞線122連接於電容器118與燈絲103之串聯體者。

在圖11之主電路中，並未利用燈之點燈或熄燈，若換流器進行動作，則將產生於電容器109之交流電壓經由3次繞線121、122分別施加於燈絲102、103，而使燈絲電流流動。又，當(自然數+1)倍共振產生時，於電容器109產生之交流電壓之頻率亦變為換流器驅動頻率之(自然數+1)倍。藉此，可獲得與圖1之情形幾乎相同之電路動作、效果。

又，如圖12、圖13所示，為了供給燈絲電流之電路，亦可考慮追加具有兩個2次繞線125、126之變壓器123之方法。圖12、圖13之主電路係對於圖1之主電路不設扼流線圈108之2次繞線115、116，將2次繞線125連接於電容器117與燈絲102之串聯體，將2次繞線122連接於電容器118與燈絲103之串聯體者。在圖12之點燈裝置550中，將變壓器123之1次繞線124與扼流線圈108串聯，在圖13之點燈裝置560中，將1次繞線124與扼流線圈108並聯。在圖12、圖13中亦可獲得與圖1之情形幾乎相同之電路動作、效果。

另，雖在圖11至圖13中，顯示有對於圖1所示之主電路供給燈絲電流之電路的變形例，但就圖4、圖7及圖10所示之主電路亦可施予相同之變形。

100．．．直流電源

101．．．熱陰極螢光燈

102、103．．．燈絲

104、105、106、107、301．．．功率MOSFET(切換元件，SW元件)

108、303．．．扼流線圈

109．．．電容器(共振用電容器)

110、111、117、118、119、120、304．．．電容器

112、123．．．變壓器

113、124．．．1次繞線

114、115、116、125、126．．．2次繞線(二次繞線)

121、122．．．變壓器之3次繞線

150．．．全橋式換流器(換流器)

155．．．半橋式換流器(變流器)

200、201、202．．．控制裝置

302．．．二極體

500、510、520、530、540、550、560．．．點燈裝置

圖1係本發明之第1實施形態之點燈裝置的構成圖。

圖2(a)、(b)係表示本發明第1實施形態之點燈裝置的點燈狀態與熄燈狀態之動作波形圖。

圖3(a)、(b)係第1實施形態中，在燈之熄滅狀態下產生5倍共振之情形的動作波形圖。

圖4係本發明之第2實施形態之點燈裝置的構成圖。

圖5(a)、(b)係表示第2實施形態之點燈裝置的點燈狀態與熄燈狀態的動作波形圖。

圖6(a)、(b)係第2實施形態中，在燈之熄滅狀態下，產生3倍共振之情形的動作波形圖。

圖7係將第2實施狀態適用於半橋式換流器之情形之點燈裝置的主電路之構成圖。

圖8(a)、(b)係組合第1實施形態與第2實施形態，適用於全橋式換流器之情形的動作波形圖。

圖9係本發明第3實施形態之點燈裝置的構成圖。

圖10(a)、(b)係第3實施形態之點燈裝置的動作波形圖。

圖11係就第1實施形態之點燈裝置之主電路，供給燈絲電流之電路的變形例。

圖12係就第1實施形態之點燈裝置之主電路，供給燈絲電流之電路的其他變形例。

圖13係就第1實施形態之點燈裝置之主電路，供給燈絲電流之又一其他變形例。

100．．．直流電源

101．．．熱陰極螢光燈

102、103．．．燈絲

104．．．功率MOSFET(SW元件)

105、106、107．．．功率MOSFET

108．．．扼流線圈

109．．．共振用電容器

110、111、117、118．．．直流阻止用電容器

112．．．變壓器

113．．．1次繞線

114、115、116．．．2次繞線

150．．．全橋式換流器

200．．．控制裝置

500．．．點燈裝置

Claims (10)

1. 一種點燈裝置，其特徵為具備將直流電壓轉換為交流電壓而對包含熱陰極螢光燈之共振負載電路供給電力之換流器、及控制該換流器之控制裝置；且前述換流器具備前述共振負載電路，其係在前述熱陰極螢光燈之熄燈狀態下，以於前述共振負載電路流動之交流電流之頻率成為驅動前述換流器之頻率的(自然數+1)倍之方式而加以設定者。
2. 如請求項1之點燈裝置，其中前述共振負載電路具備：經由變壓器將前述熱陰極螢光燈並聯地交流連接於共振用電容器之並聯電路；及串聯於該並聯電路之扼流線圈而構成。
3. 如請求項2之點燈裝置，其中前述扼流線圈或前述變壓器中之任一者進一步具備用以對前述熱陰極螢光燈具備的2個燈絲供給電力之2個二次繞線，前述二次繞線之各者係經由電容器而連接於前述燈絲。
4. 如請求項3之點燈裝置，其中前述換流器係具備1組兩個切換元件之串聯體的上下臂之SEPP(Single-Ended Push-Pull，單端推挽)換流器，或半橋式換流器，前述控制裝置係使前述上下臂中之一方的切換元件之導通時間工作比(duty)高於50%，且使另一方之切換元件之導通時間工作比低於50%，而驅動上下臂令前述熱陰極螢光燈處於熄燈狀態。
5. 如請求項3之點燈裝置，其中前述換流器係具備2組兩個切換元件之串聯體的上下臂之全橋式換流器。
6. 如請求項5之點燈裝置，其中前述控制裝置係使前述2組上下臂中之一方進行切換動作，而在另一方之上下臂中，以使一方之切換元件經常導通，另一方之切換元件經常斷開之方式，驅動前述2組之上下臂，使前述熱陰極螢光燈處於熄燈狀態。
7. 如請求項6之點燈裝置，其中前述控制裝置對於在前述2組之上下臂中，即使在令前述熱陰極螢光燈處於熄燈狀態下亦針對進行切換動作方之上下臂，以使一方的切換元件之導通時間工作比高於50%，且使另一方之切換元件之導通時間工作比低於50%之方式，驅動前述2組之上下臂，令前述熱陰極螢光燈處於熄燈狀態。
8. 如請求項1之點燈裝置，其中具備轉換直流電壓而控制前述換流器之輸入電壓的DC-DC轉換器，前述控制裝置為使前述換流器之輸入電壓相較於前述熱陰極螢光燈之點燈狀態減少，係控制前述DC-DC轉換器，令前述熱陰極螢光燈處於熄燈狀態。
9. 如請求項1之點燈裝置，其中前述控制裝置係無論前述熱陰極螢光燈之點燈狀態或是熄燈狀態，皆以一定的頻率驅動前述換流器。
10. 一種圖像顯示裝置，其具備如請求項1至9中任一項所載之點燈裝置。