中心議題：
- CCFL背光技術及驅動電路分析
- LED背光技術及驅動電路分析
- 為CCFL和LED背光供電需考慮的因素
解決方案：
- CCFL和LED的散熱、調光控制和輸入電壓考慮
- PWM調光解決方案
典型的LCD背光可以是1個或多個冷陰極熒光燈(CCFL)，或是一組發(fā)光二極管(LED)陣列。圖1分別給出了采用這兩種技術的一個例子。背光圖像的質量在很大程度上取決于背光驅動器。在本文中，我們將討論有助于CCFL和LED發(fā)展的一些注意事項，以及如何為這兩種背光供電。
CCFL的總體考慮
CCFL背光是最常見的背光技術，被用于5.7至23英寸或更大尺寸的顯示器中。在整個顯示器背板上，可以沿LCD邊緣或均勻間隔地安裝1到24個或更多個電燈。
通常，通過調節(jié)CCFL電流或電燈的占空比來控制亮度。最基本的驅動器是由5至48V直流電供電的DC-AC逆變器。
LED總體考慮
LED已被廣泛用于小型顯示器中。對于尺寸較大的顯示器，由于CCFL背光的功耗較高，并且在某些情況下含汞量過高，這種技術正開始被LED背光所取代。 LED可以沿著LCD邊緣或在LCD的背面呈點陣排列。LED器件可串聯或并聯排列，這兩種結構將可以提供均勻的LCD照明。LED串可利用每個串中的串聯電阻并聯排列，以提供串-串電流均衡及照明冗余。
CCFL背光通常提供的是白光，而LED背光既可以提供白光，也可以提供紅光、綠光及藍光的混合。LED在正向偏置時發(fā)光。為保證顯示質量，需要采用恒流驅動器來補償LED電壓降及溫度變化的影響，從而確保穩(wěn)定的光輸出。
與CCFL不同，LED背光不需要很高的交流電壓，因此也就不需要逆變器。最基本的LED驅動器由5至48V的直流電供電，并采用DC-DC升壓電路來為驅動LED串的恒流驅動器提供電壓。
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CCFL驅動電路
逆變器電路可以分為兩組：輸出功率較低的一組采用功率晶體管作為初級電路開關器件，而輸出功率較高的一組則采用FET。
變壓器對輸入電壓進行升壓。在設計電路時需要考慮功率、銅損耗及磁芯材料。
圖2詳細展示了一類CCFL驅動器。鎮(zhèn)流(或次級)電容C2由次級到初級反向工作，可降低CCFL啟動和輸出電流開始增大時CCFL上的電壓。啟動電壓(VS)、CCFL上的電壓降(VR)以及次級電容上的電壓降(VC)這三者之間的關系為VS2=VR2 + VC2。次級電容值取決于輸出電流和輸出頻率。增大電容值可增加輸出電流并降低頻率。
在初級電路中，一旦次級負載、次級電容和變壓器初級/次級繞組匝數確定下來，電容C1便可對逆變器輸出電流值及輸出工作頻率進行微調。C1可提供輸出電流及頻率，這些值由次級電路上的元件來決定。
基極限流電阻R1可支持足夠大的晶體管基極電流，以保證晶體管的飽和。同時，當晶體管變換初級繞組時，扼流電路可減小輸入電流中的紋波。扼流電路也可延長逆變器導通時的電流上升時間。其目的是減小峰值浪涌電流，并扼制來自扼流電路的可聽噪聲。
要對電感、物理尺寸、飽和電流、IR損耗及功耗作出折衷，這使得在選擇電感器時面臨著挑戰(zhàn)。請注意：在低占空周期下，輸入電流上升時間較長會降低脈寬調制 (PWM)調光的效果。此外，不仔細選擇扼流電路會導致處于上升的輸入電流波形出現鞍形或更糟糕的情況，而這將影響低占空比PWM調光及CCFL的啟動。
所有大功率輸出逆變器或具備板上調光功能的逆變器都應該采用輸入旁路電容，以減少輸入電壓紋波。如果未采用這些電容，那么當每次逆變器功率器件開關時，產生的電流增加值將導致輸入電壓降低。
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LED驅動器電路
圖3中的設計顯示了一個恒流斬波驅動器，它可為用于提供LCD側背光的LED串提供帶有10%紋波電流的直流電流。直通開關器件P溝道FET可為LED串提供電流，并與電感器、感測電阻及升壓器件一起產生斬波電流及頻率。
DC-DC升壓變換器是一個閉環(huán)升壓電源，它提供了足夠的電壓(至少2V的余量)來驅動流向LED串的電流。圖中A部分顯示了一個比較器及構成正向滯后電路的相關電阻。圖中將感測電阻上的電壓與一個已知參考值作比較。圖中B部分給出了另一個比較器和用于緩沖A部分輸出相關電阻，以確保正確的滯后處理并驅動直通器件。
圖中C部分提供LED開/關及調光控制。+ENABLE輸入控制背光的開/關，+PW脈寬調節(jié)斬波驅動器的導通與截止，以實現調光。該設計可以實現得相當緊湊(見圖4)。
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散熱考慮
LCD工作時的環(huán)境溫度是背光驅動器設計人員需要考慮的一個關鍵因素。CCFL啟動或起始電壓與溫度成反比。圖5a顯示了CCFL起始電壓與溫度之間的典型關系，圖5b則展示了與電燈電流增大相關的CCFL亮度變化曲線。
CCFL達到規(guī)定亮度所需的時間也與溫度成反比。對于要求亮度快速增加的任務關鍵型應用，可能需要逆變器在短時間內提供較高的升壓電流，以增強CCFL的預熱性能，并加快達到所要求亮度的時間。不過，雖然較高的CCFL電流有利于燈的預熱，但持續(xù)的高電流會使燈處于飽和狀態(tài)，這還會導致亮度下降以及燈的溫度上升，同時縮短燈的壽命。對于大多數CCFL而言，燈的額定電流應在3mA～8mA(均方根)的范圍內。
LED背光對低溫不敏感。低溫下LED電氣特性及導通時間的微小變化無需對驅動器設計作任何特殊考慮。
高溫也會影響驅動器的設計。實際上，高溫對CCFL驅動器功能和可靠性的影響比其它所有變化因素都要顯著。
對CCFL驅動器來說，變壓器中銅和磁芯的損耗可能會構成一個很大的熱源。變壓器通常工作在超過現場環(huán)境溫度約30°C的溫度下。通過調整CCFL的驅動器設計，可以將銅和磁芯的損耗降至最低，從而維持電路中的電壓和電流值。
高溫對LED背光而言也很重要。不過，此時考慮的重點是LED自身的溫度，而不是驅動元件的溫度。近年來LED技術、封裝及材料的進步極大地提高了LED 亮度。LED背光的難點將是如何將LED器件自身的熱量散發(fā)出去，然后散發(fā)顯示裝置上的熱量。設計的關鍵是保持LED結溫低于100°C以確保可靠性。
調光控制
要求寬亮度范圍的LCD應用正日益增長。驅動器必須能夠分別為明視及夜視提供高亮度和低亮度。亮度控制必須在這一寬范圍內平滑變化，并且不產生閃爍。
CCFL背光的模擬調光是通過調節(jié)驅動器輸出電流來改變燈的亮度，可實現約為30%滿亮度的粗調，但這無法為大多數應用提供足夠的動態(tài)范圍。此外，模擬調光會增加振蕩器晶體管負擔并降低逆變器的可靠性。
PWM調光極大地改善了調光控制。在這種類型的調光控制中，CCFL或LED以固定頻率脈沖導通和截止，并通過調節(jié)占空比改變亮度。通常，在100至 500Hz頻率之間調節(jié)CCFL背光。CCFL背光(帶有4個或更多燈)的低亮度控制可通過選擇性控制技術來提高，利用這一技術，燈會隨著亮度的降低而依次熄滅。
此外，調節(jié)LED背光的最佳方法是利用PWM調光。采用LED背光可獲得更寬的調光率，因為LED的基本開關時間可以以納秒度量，而CCFL則需以毫秒度量。
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輸入電壓
雖然應用可以支持5至48V的直流電，但流經大多數LCD背光驅動器的為12V直流輸入。CCFL控制環(huán)可能為開環(huán)或閉環(huán)。開環(huán)設計需要穩(wěn)壓輸入電源，因為起始電壓和輸出電流隨輸入電壓而變化。閉環(huán)CCFL驅動器在整個輸入電壓范圍內都可以提供恒定的起始電壓和電流。因此，閉環(huán)在不需要對輸入進行穩(wěn)壓的應用中更受歡迎，通常電池供電應用就屬于這一類。
對于LED驅動器而言，VCC必須大于為LED串和感測電阻供電所需的最小值。DC-DC升壓變換器必須采用閉環(huán)控制，以便在無負載或滿負載條件下都能提供相對穩(wěn)定的VCC。
雖然LCD的CCFL背光與LED背光之間有很多顯著差異，但驅動器設計人員必須遵從某些相似性和基本原理，包括考慮背光的環(huán)境溫度，還應特別注意CCFL的低溫情況及LED的高溫情況。
由于高壓問題，CCFL背光所面臨的關鍵挑戰(zhàn)涉及CCFL封裝及驅動器布局；由于熱管理，LED背光面臨的關鍵挑戰(zhàn)則圍繞負載器件的封裝。與模擬調光不同，上述兩種技術都可很好地利用PWM。本文雖然重點討論一些主要的考慮，但其它因素(如專用要求、成本控制、可制造性及可靠性)在優(yōu)化驅動器設計時也必須考慮。
另外的一些設計經驗
散熱考慮：環(huán)境溫度是背光驅動性的設計中一個重要的考慮因素。CCFL啟動關閉電壓與溫度成反比。CCFL達到指定的亮度需要的時間也與溫度成反比。另一方面， LED背光對低溫不敏感。
調光：使用調節(jié)驅動器輸出電流來改變燈的亮度的CCFL背光模擬調光，可實現粗調至滿亮度的約30%——這對大多數應用需要的動態(tài)范圍不夠。PWM調光極大地改善了調光控制。這種類型的調光中，CCFL或LED以固定頻率脈沖導通和截止，通過調節(jié)占空比改變亮度。
輸入電壓：大多數LCD背光驅動器工作在12V直流輸入，雖然應用范圍可能是5到48V直流。CCFL控制環(huán)可以是開環(huán)，這時需要穩(wěn)定輸入源，也可以是閉環(huán)，在整個輸入電壓范圍都可提供恒定的起始電壓和電流。對LED驅動器，VCC必須大于LED串和檢測電阻所需電源最小值。
