深入解析CCFL（冷陰極熒光燈）工作原理及其電子驅(qū)動電路設(shè)計

冷陰極熒光燈英文名Cold Cathode Fluorescent Lamps，簡稱CCFL。這類燈的管徑為1.8mm 3.0mm，普遍采用三基色熒光粉，通常采用Ni 、Ta 、Zr等金屬作為冷陰極，在高的啟動電壓下形成輝光放電使燈管工作冷陰極熒光燈具有體積小、亮度高、壽命長的特點，但工作前需要預(yù)熱。該類光源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于液晶顯示器，液晶電視機(jī)的背光源中。隨著背光照明在辦公用筆記本電腦和家用電器如電視機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等中的應(yīng)用與日俱增，高亮度的冷陰極超細(xì)管徑熒光燈為此應(yīng)運(yùn)而生。

雖然在電話、手機(jī)、PDA和數(shù)碼棺機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品小尺寸彩屏中的背光照明早已是LED一統(tǒng)天下，但在筆記本電腦、LCD彩電、LCD監(jiān)視機(jī)等大尺寸LCD的背光照明中，CCFL卻獨領(lǐng)風(fēng)騷。盡管在大尺寸LCD背光應(yīng)用中，CCFL將會遇到LED的競爭，但近期因LED價格居高不下，并且數(shù)十個乃至數(shù)百個LED在一起用作背光燈時發(fā)光亮度不均勻問題也成為一個準(zhǔn)入的技術(shù)門檻。因此CCFL的統(tǒng)治地位在今后幾年中不會被LED所取代。

一、CCFL的結(jié)構(gòu)及其主要特點

1、CCFL的結(jié)構(gòu)與工作原理

CCFL類似于霓虹燈，陰極為冷陰極，管徑很細(xì)(僅約2~8mm)，發(fā)光原理與熒光燈基本相同。當(dāng)在合格的冷陰極熒光燈二電極上接入點燈回路(逆變器)的輸出端，并在點燈回路輸入端輸入額定電壓和電流時，即在冷陰極熒光燈的二電極上施加了數(shù)佰伏的電壓和50KHZ頻率及額定毫安的高頻電流。這時在二電極上產(chǎn)生了熱量發(fā)射出大量電子，在二電極之間形成的電場作用下電子撞擊氣體分子使分子電離產(chǎn)生更多的離子和電子，這樣快速增長使氣體很快完全電離。同時，電極的發(fā)熱和電離的離子和電子在高頻電場中加熱使?水銀迅速氣化，水銀蒸氣濃度達(dá)到飽和，電子、離子與水銀蒸氣的碰撞機(jī)率越來越大，產(chǎn)生的紫外線強(qiáng)度逐漸增大并達(dá)到飽和，紫外線照射到熒光層時使熒光層發(fā)出一定色溫的可見光，這樣冷陰極熒光燈就開始正常地工作了。雖然這個發(fā)光的過程較復(fù)雜，但這過程的時間從幾毫秒到幾秒鐘就全部完成了。

CCFL的結(jié)構(gòu)如上圖所示。CCFL玻璃管內(nèi)充有汞和惰性氣體(氖-氬混合氣體)，內(nèi)壁涂了一層三基色(RGB)熒光粉。CCFL陰極形狀為中空筒狀，由鎳、鉬等金屬材料制成，筒內(nèi)壁涂有發(fā)光材料。根據(jù)需要，CCFL可以做成不同的形狀，如下圖所示。在CCFL兩端加一高壓時，管內(nèi)氣體電離發(fā)出波長為253.7nm的紫外線，被管內(nèi)壁上的熒光粉所吸收，轉(zhuǎn)換為可見光{波長為400~7OOnm)后被輻射出來。

2、CCFL的主要特性

由于CCFL管徑很細(xì)，而且長度較短(為十幾到幾十個厘米)，工作電流很小，通常為3~8mA。但是，CCFL的工作電壓卻較高，達(dá)250~6OOV(有效值)，為熒光燈工作電壓的數(shù)倍乃至近10倍。CCFL的觸發(fā)啟動電壓至少是其工作電壓的1.5倍，通常為600~l500V{有效值)。

CCFL的優(yōu)點是電氣與光學(xué)特性較穩(wěn)定，壽命長(達(dá)15~2Okh)，耐震動，耐沖擊(大于1O0g)，耐點滅性強(qiáng)(達(dá)10萬次)。但是，由于LCD面板較大，所需CCFL燈管較多，驅(qū)動燈管的逆變器數(shù)量也較多，在整機(jī)中所占成本份額較大。由于CCFL含有汞，從環(huán)保性來看，不符合歐盟關(guān)于限制有害物質(zhì)的RoHS指令和關(guān)于報廢電子電氣設(shè)備的Weee指令規(guī)定，而LED則不存在這方面的問題。

二、CCFL電子驅(qū)動電路及其控制器IC

CCFL電子驅(qū)動器也稱CCFL電子變壓器或電子鎮(zhèn)流器。無論是交流市電供電(如220V/50Hz)還是低壓直流供電(范圍為3~3OV(的CCFL驅(qū)動電路，其核心是一個DC/AC高頻逆變器{輸出頻率為20~1OOkHz)。為滿足CCFL啟動和工作電壓要求，CCFL逆變器輸出均連接一個高頻升壓變壓器，升壓比往往達(dá)60~lOO。在CCFL作為LCD背光源應(yīng)用時，其驅(qū)動電路必須具備模擬尤其是數(shù)控可調(diào)光功能。CCFL驅(qū)動電路均采用控制器IC。依據(jù)CCFL控制器，CCFL驅(qū)動電路分為半橋、全橋和推挽三種類型，并且以后兩種為主。

1、半橋驅(qū)動電路目前CCFL半橋控制器IC僅有MAX8729、UCC3976和UBA2070等幾種。半橋拓樸結(jié)構(gòu)需要兩個功率開關(guān)(多為MOSFET)，電路效率較高。飛利浦半導(dǎo)體的UBA2070適用于高達(dá)277V的交流供電。CCFL半橋驅(qū)動電路如上圖所示。圖中，Q1和Q2為半橋開關(guān);RT與CT用作設(shè)置開關(guān)頻率：T1為升壓變壓器，T1升壓比(即次級與初級繞組之間的匝數(shù)比)為N;C1為隔直流電容，C2為T1次級并聯(lián)電容。上圖所示電路的諧振槽路等效電路如下圖所示。其中人為T1次級繞組漏感，C1為反射到次級的串聯(lián)電容，RL為CCFL燈管的等效電阻，方波AC信號源代表半橋功率級。

根據(jù)上圖所示的等效電路，可以理解CCFL觸發(fā)啟動電壓的產(chǎn)生。在CCFL未被觸發(fā)之前，其阻值無窮大，諧振槽路為并聯(lián)拓樸，諧振頻率FP由L、C1和C2共同決定

逆變器像一個電壓源，在諧振時在燈管兩端產(chǎn)生一個約IOOOV的高壓使燈管電離而導(dǎo)通。一旦燈被點亮，CCFL電阻值急劇下降，逆變器接近于在串聯(lián)諧振模式操作，像一個電流源。電路串聯(lián)諧振頻率fs由L和C1決定

2、全橋驅(qū)動電路

CCFL全橋驅(qū)動器IC大多為一個通道，代表性產(chǎn)品有美信公司的MAX8709(QFN28封裝)、MAX8722A(QSOP24封裝)、MAX8751(QPN32封裝)、MAX8759(QFN32封裝)和飛兆半導(dǎo)體的FAN7310(SSOP20封裝)等。這些控制IC帶有模擬和數(shù)字PWM(DPWM)調(diào)光及負(fù)載開路與短路等保護(hù)功能。

CCFL全橋驅(qū)動電路需用4個功率開關(guān)，輸出功率比半橋大1倍。上圖所示為采用MAX8722A的CCFL全橋驅(qū)動電路。該電路的工作原理與半橋電路幾乎完全相同。變壓器T1匝數(shù)比為1：93，CCFL燈電流為6mA，觸發(fā)電壓為l600V，工作電壓為650V。電路DC輸入電壓Vin為8~24V，DPWM頻率fdpwm為209Hz(由引腳FREQ上電阻R6設(shè)定)。當(dāng)在IC引腳5(CNTL)加一個O~2V的調(diào)光控制電壓時，可以調(diào)節(jié)燈亮度，調(diào)光范圍為10%~1OO%。MAX8722A也可利用DPWM方法實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。MAX8722A提供T1次級過電流保護(hù)、次級電壓限制、燈開路保護(hù)和初級過電流保護(hù)。R1用作傳感燈電流，電容分壓器C3/C4用作檢測T1次級電壓，R3用作感測T1次級電流。

事實上，上圖所示電路通過兩個初級并聯(lián)的變壓器，可以驅(qū)動兩支CCFL燈管。在有些應(yīng)用中，變壓器次級也可以并聯(lián)兩支CCFL燈。

3、推挽驅(qū)動電路 CCFL推挽式驅(qū)動電路需要兩個功率開關(guān)，變壓器初級帶中心抽頭的電路如上圖所示。其中，CO1和CO2組成電容分壓器，用作感測T1次過電壓，R5用作感測燈電流。DS3984有4個通道，每個通道通過變壓器初級并聯(lián)可驅(qū)動4支CCFL燈。

上圖所示為采用MAX1610的推挽式諧振CCFL驅(qū)動電路。其中，T1(初級)、C1、Q1和Q2組成振蕩電路，振蕩頻率由諧振腔電容C1、T1初級繞組電感值(LP=44μH)和T1次級反射到初級的電感量決定。T1初次級繞組匝數(shù)比為1：67，T1次級電路為;孚動供電結(jié)構(gòu)(CCFL無接地端)。MAXl610采用16引腳SO封裝，得用內(nèi)部5比特的增/減計數(shù)器完成CCFL的調(diào)光。R1用作檢測振蕩器電流，D1、R3與R4組成燈開路檢測電路。