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采用全橋解決方案實現冷陰極熒光燈驅動
摘要: 今天,冷陰極熒光燈CCFL被用于各種應用,如筆記本電腦、顯示器、電視等各種應用,它們的功能是給顯示器提供背光,以及調節顯示器的亮度。
Abstract:
Key words :

  今天,冷陰極熒光燈CCFL被用于各種應用,如筆記本電腦、顯示器、電視等各種應用,它們的功能是給顯示器提供背光,以及調節顯示器的亮度。
采用<a class=全橋解決方案的典型CCFL應用電路圖" border="0" height="433" hspace="5" src="http://files.chinaaet.com/images/20100812/542d8c81-78ba-4ff1-b5f7-ba9dfb6388f2.jpg" vspace="5" width="550" />  CCFL 應用電路可以驅動匹配的熒光燈,在基于全橋轉換器或ROYER拓撲的交流直流逆向轉換器內能夠見到這種應用。
  燈管的數量可以是1、2、4或6支,輸出功率范圍是2W到24W。交直流逆向轉換器能夠把輸入的直流低電壓轉換成交流高壓輸出,以驅動熒光燈。CCFL的電源電壓通常是12V直流電壓,但是在全橋解決方案中,電壓范圍可以是8V~24V。
  以電壓源配置的全橋解決方案基本上是由四個位于橋內的功率MOSFET晶體管組成,上橋臂晶體管是P溝道型晶體管,而位于下橋臂的MOSFET是N溝道型晶體管。一般情況下,同一個封裝集成一對互補性功率MOSFET晶體管(位于同一列的N型和P型晶體管)。圖1所示是一個含有這些元件的典型的應用電路示意圖。
  從圖1中不難看出,CCFL應用電路包括功率MOSFET晶體管橋(由U1和U2元件組成)、T1變壓器(提高從一次側到二次側的輸入交流電壓)、輸出電路(由一個6W燈管和一個串聯電容C4組成)和反饋電路(由R4電阻和C18電容組成)。此外,圖1還描述了CCFL驅動器和驅動器工作所需的電路。Vdd 和GND是驅動器的供給端,P1、P2、N1和N2是功率晶體管的柵極控制器。采用全橋解決方案的應用塊圖在突發模式部分,調光器(dimmer)是連接外部微調電容器的端子。通過產生恒定的基準電壓,微調電容器可以調節熒光燈的亮度,同時,連接Cosc引腳的電容器產生一個低頻固定的鋸齒信號。輸出突發模式端子連接FB引腳,連接軟啟動端子的電容器用于調整變壓器二次側繞組電壓,以便使燈管軟啟動,同時,連接在點火時間端子的電容器用于確定燈管的導通時間。在據齒信號形電路部分,C32和R32分別是用于確定燈的頻率和功率MOSFET晶體管開關頻率的電容器和電阻器。在燈啟動期間,R33電阻器開始動作,提高燈的頻率和晶體管的開關頻率,以升高燈管的端子之間的電壓,直到燈管開始點火為止。 輸入允許(input enable) 端子通過電阻R12和電容C21連接到小信號晶體管;Q4驅動 Q3的基極,這個系統作用于輸入允許(input enable) 端子,使得這個應用可以啟用或禁用。最后,過壓保護端子通過C17、R11和D2連接到C5~C6電容隔離系統,這個系統可以監視二次繞組電壓,如果電壓高于基準值,這個系統就會將過壓降低。簡單框圖見圖2。

  全橋拓撲:相移控制器介紹
  圖 3 首先幫助我們了解了一個典型的全橋拓撲的工作原理,然后是相移控制器模式的工作過程。
  在圖3中,為了簡便我們的研究,全橋內的功率MOSFET管都分別被視為開關S1、S2、S3和S4,開關S2和S3都位于上橋臂,S1和S4都位于下橋臂。位于同一列的開關(S1和S3,S2和S4) 不能同時接通,以防止短路情況發生;在相移控制操作模式下,位于同一列的開關可以同時開或關。針對熒光燈和變壓器的等效電路,圖3還描述了CCFL應用中的全橋逆變器的典型負載。在圖3所示的情況中,S2和S1是通態,而S3和S4是斷態,因此,電流經過相同的開關和負載;然后,S2和S1關斷, S3和 S4 導通,電流改變方向,見圖4。

全橋拓撲典型工作條件 全橋拓撲S3和S4通態時的典型操作情況

  針對全橋逆變器的典型工作模式,我們在圖5中給出了相應的等效電路,其中,輸入信號是一個方波信號(K是變壓器的匝比,Lm是變壓器一次側固有電感,Rlamp是燈管通態時的電阻。)
全橋逆變器在典型工作模式下的等效電路  在一個全橋逆變器的典型工作模式下,電路中的電流只與輸出負載有關,不能進行亮度控制操作。而且,傳入燈管的功率達到最大值。
  為了在一個采用全橋拓撲的CFFL應用中進行燈的亮度控制,必須采用相移控制系統(見圖5)。
  在一個全橋逆變器的典型工作模式下,只能進行第1階段和第3階段;然而在相移控制模式下,還能進行第2階段和第4階段。在第2階段和第4階段時,負載的端子短路,沒有功率從網絡流入燈管;在第4階段時,電流連續流經負載和S1、S4開關,或者在第2階段時,電流連續流經負載和S2、S3開關。第1階段和第3階段的時長相同,第2階段和第4階段的時長相同。這四個階段的時長總合等于輸入信號的時長,當第2階段和第4階段的時長增加時,第1階段和第3階段的時長也會增加,結果,燈管的功率和亮度也會增強。如果第1階段和第3階段的時長等于零,沒有功率從網絡流入燈管,燈管關斷。針對相移控制系統,我們在圖6中給出了相應的等效電路,其中,輸入信號是一個特殊的方波信號。

相移控制模式全橋逆變器

  “ton-t step1” 是第1階段的時長, “ton-t step3” 是第3階段的時長, 

在相移控制模式下的輸入信號“toff-t step 2” 是第2階段的時長, “toff-t step 4” 是第4階段的時長; T 是信號的時長 。在第1階段和第3階段時,網絡給負載供電,這兩個階段的時間叫做ton。在第2和第4階段,網絡沒有給負載供電,這兩個階段的時間叫做 toff.; d 是工作比,它用ton占T的百分比表示。提高第1階段和第3階段的時長,d的百分比也隨著提高,反之亦然。
  只有參考圖7和圖8,才能理解這個系統為什么叫做相移控制。
  圖7標出了一個全橋逆變器的典型工作模式,在這種情況下,只進行第1和第3階段操作。當S1關斷時,S2也關斷,而S3和S4導通,因為它們的漏源極的電壓為零;S1和S2的漏源極的電壓為12V網絡電壓。針對通態S1和S2的時長,可以做出相同的考慮。
  為了實現相移控制系統,S1和S3的相位都是固定的,S2和S4的相位發生變化,如圖8所示,在兩個串聯開關之間,相位轉換是固定的,具體變化跟燈亮度有關。

全橋逆變器的典型工作模式 為了實現相移控制系統,S1和S3的相位都是固定的,S2和S4的相位發生變化,在兩個串聯開關之間,相位轉換是固定的,具體變化跟燈亮度有關
實際應用等效電路 STS3C3F30L

  在間隔1時,進行第4階段,因為S1和S4關斷,S2和S3導通;在間隔2時,進行第3階段,因為S1和S2關斷,S3和S4導通;在間隔3時,進行第2階段,因為S1和S4導通,S2和S3關斷;最后,在間隔4時,進行第1階段,因為S1和S2導通,S3和S4關斷;

STS3C3F30L STS3C3F30L

 

STS3C3F30L STS3C3F30L

STS3C3F30L

 

   使用STS3C3F30L器件的CFFL應用實例
  本章將討論一個使用全橋拓撲和STS3C3F30L器件的CFFL應用實例,實際應用的電路示意圖與圖4完全相同,燈是一個6W熒光燈,如圖10所示。
  下圖所示是STS3C3F30L器件內部的P溝道和N溝道晶體管的波形圖。

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