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

冷陰極熒光燈英文名Cold Cathode Fluorescent Lamps，簡(jiǎn)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(dòng)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(zhǎng)的特點(diǎn)，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(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。盡管在大尺寸LCD背光應(yīng)用中，CCFL將會(huì)遇到LED的競(jìng)爭(zhēng)，但近期因LED價(jià)格居高不下，并且數(shù)十個(gè)乃至數(shù)百個(gè)LED在一起用作背光燈時(shí)發(fā)光亮度不均勻問題也成為一個(gè)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(huì)被LED所取代。

一、CCFL的結(jié)構(gòu)及其主要特點(diǎn)

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(diǎn)燈回路(逆變器)的輸出端，并在點(diǎn)燈回路輸入端輸入額定電壓和電流時(shí)，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(shí)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(chǎng)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(zhǎng)使氣體很快完全電離。同時(shí)，電極的發(fā)熱和電離的離子和電子在高頻電場(chǎng)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(shí)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(gè)發(fā)光的過程較復(fù)雜，但這過程的時(shí)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(shí)，管內(nèi)氣體電離發(fā)出波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度較短(為十幾到幾十個(gè)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(dòng)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(diǎn)是電氣與光學(xué)特性較穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)(達(dá)15~2Okh)，耐震動(dòng)，耐沖擊(大于1O0g)，耐點(diǎn)滅性強(qiáng)(達(dá)10萬(wàn)次)。但是，由于LCD面板較大，所需CCFL燈管較多，驅(qū)動(dòng)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(bào)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(dòng)電路及其控制器IC

CCFL電子驅(qū)動(dòng)器也稱CCFL電子變壓器或電子鎮(zhèn)流器。無(wú)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(dòng)電路，其核心是一個(gè)DC/AC高頻逆變器{輸出頻率為20~1OOkHz)。為滿足CCFL啟動(dòng)和工作電壓要求，CCFL逆變器輸出均連接一個(gè)高頻升壓變壓器，升壓比往往達(dá)60~lOO。在CCFL作為L(zhǎng)CD背光源應(yīng)用時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電路必須具備模擬尤其是數(shù)控可調(diào)光功能。CCFL驅(qū)動(dòng)電路均采用控制器IC。依據(jù)CCFL控制器，CCFL驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(jí)與初級(jí)繞組之間的匝數(shù)比)為N;C1為隔直流電容，C2為T1次級(jí)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(jí)繞組漏感，C1為反射到次級(jí)的串聯(lián)電容，RL為CCFL燈管的等效電阻，方波AC信號(hào)源代表半橋功率級(jí)。

根據(jù)上圖所示的等效電路，可以理解CCFL觸發(fā)啟動(dòng)電壓的產(chǎn)生。在CCFL未被觸發(fā)之前，其阻值無(wú)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(gè)電壓源，在諧振時(shí)在燈管兩端產(chǎn)生一個(gè)約IOOOV的高壓使燈管電離而導(dǎo)通。一旦燈被點(diǎn)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(gè)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(dòng)電路

CCFL全橋驅(qū)動(dòng)器IC大多為一個(gè)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(dòng)電路需用4個(gè)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(dòng)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(gè)O~2V的調(diào)光控制電壓時(shí)，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(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。MAX8722A提供T1次級(jí)過電流保護(hù)、次級(jí)電壓限制、燈開路保護(hù)和初級(jí)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(cè)T1次級(jí)電壓，R3用作感測(cè)T1次級(jí)電流。

事實(shí)上，上圖所示電路通過兩個(gè)初級(jí)并聯(lián)的變壓器，可以驅(qū)動(dòng)兩支CCFL燈管。在有些應(yīng)用中，變壓器次級(jí)也可以并聯(lián)兩支CCFL燈。

3、推挽驅(qū)動(dòng)電路 CCFL推挽式驅(qū)動(dòng)電路需要兩個(gè)功率開關(guān)，變壓器初級(jí)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(cè)T1次過電壓，R5用作感測(cè)燈電流。DS3984有4個(gè)通道，每個(gè)通道通過變壓器初級(jí)并聯(lián)可驅(qū)動(dòng)4支CCFL燈。

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