中心議題：

• 背景光光源CCFL與LED比較
• 用於背景光轉換器的變壓器
• 變頻控製係統

解決方案：

• LED各方向發光不均勻
• 白色LED的壽命比較短
• 壓電變壓器(PZT)為CCFL提供新的優勢

最近，PDA
、互聯網手持設備和筆記本電腦等便攜設備的發展速度非常快，這進一步提高了市場對小尺寸冷陰極熒光燈(CCFL)背景光轉換器的需求。通常
，在這些應用中使用一個降壓轉換器後接一個推挽逆變器(Royer逆變器)的方法
，但在便攜應用中這種方法效率低
，並且由於它本質上是一個兩級方案，所使用的元件數量也比較多。

傳統上
，CCFL所需要的高運行電壓和高激發電壓是由高匝數比繞線式磁性變壓器來提供。壓電變壓器(PZT)的最新進展為背景光應用提供了許多潛在的優勢
，包括效率更高、體積更小
、電磁噪聲更低、可得到的激發電壓更高
、不可燃和正弦運行等。

本文討論了一種基於壓電變壓器的高效背景光供電解決方案
，它采用UCC3977(推挽控製器)和鬆下壓電變壓器EFTU11RoMX50和EFTU18R0Mx50。

背景光光源

CCFL通常作為筆記本電腦和便攜電子設備的彩色液晶顯示(LCD)的背景光源，CCFL是目前最高效的顯示器背景照明光源。由於運行CCFL需要高交流電壓，所以需要高壓DC/AC逆變器。基於PZT的逆變器可以提供正弦輸出電壓，這非常有助於減小RF輻射。RF輻射可能幹擾其它電子設備
，並可能降低整個係統的運行效率。另外
，基於PZT的逆變器所產生的正弦激勵還可以在CCFL中產生最優的電流到光的轉換效率。CCFL的工作電壓比其它光源的電壓要高很多，通常需要300到800伏交流電(取決於燈的長度)

，但整體功耗非常低。

最近出現了一種非常明亮的白光輻射二極管(LED)。在LCD顯示器、蜂窩電話和PDA應用中，它是CCFL的一個強勁的競爭對手。但是，當使用白光LED作為顯示器的背景光時需要注意以下問題:

a.幾乎所有的LED製造商都以新燭光(cd)為單位給出光強度。通常這個值都非常高，但它表示的是在最亮方向的數據。視角和LCD的亮度通常成反比，由於LCD總的光輸出覆蓋更大的範圍，在任何給定的方向，視角越寬則亮度越低。相同光通量輸出的一係列LED通常按不同的截麵和光強度出售。在20度視角光強度可能達到6.4cd，在70度視角可能有0.48cd，而在160度視角光強度可能幾乎為零。由於照明一致性對舒適感和視覺性能非常重要
，所以
，為在顯示器上提供一致的照明，需要多個LCD以串聯或並聯方式連接起來。

b.這些白色LED的壽命比較短。在運行大約1000小時之後
，它們將變黃並在一定程度上變暗，這對彩色顯示器來說是不能接受的。當然，在超過LED額定電流條件下運行還將加速這個過程。

c.由於LED基本上屬於電流驅動器件

，如果這些LED不能良好地分享電流，可能會引起顯示器局部的光線不均衡。在這種情況下
，可以對每個LED都加上均衡電阻
，但這將降低整個係統的效率。

d.還有一個主要的缺點是成本高，其批量售價每支2.3美元起，比相同亮度的單隻CCFL貴。

當使用這些作為光源時

，需要考慮的是你要用它做什麼。如果你關心的隻是燈的點亮度
，那麼應考慮峰值光強度；如果你需要光的擴散效果，選擇合適的輸出截麵則非常重要
；在需要對較大的顯示麵積提供照明或液晶顯示器的背景照明
，以及需要燈具有長使用壽命時，小型CCFL是優選方案。
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用於背景光轉換器的變壓器

磁性變壓器和壓電變壓器的發展使我們可以構造出高效
、小體積轉換器。變壓器的選擇取決於多種因素，其中包括成本、體積和效率。例如，同PZT變壓器相比，在一個給定的功率水平
，磁性變壓器可能更厚
、更重且效率更低，但它具有成本低
，而且可以在更寬的負載條件下工作的優點。PZT變壓器具有固有的正弦運行特性、高激發電壓
、不可燃和無電磁噪聲的優點。磁性變壓器和壓電變壓器的比較見表1所示。


陶瓷壓電變壓器是在1956年由C.A.Rosen最(zui)先(xian)提(ti)出(chu)。與(yu)依(yi)賴(lai)於(yu)電(dian)磁(ci)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)的(de)磁(ci)性(xing)變(bian)壓(ya)器(qi)不(bu)同(tong)，壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)把(ba)電(dian)動(dong)勢(shi)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)機(ji)械(xie)能(neng)。電(dian)能(neng)到(dao)機(ji)械(xie)能(neng)的(de)轉(zhuan)換(huan)稱(cheng)為(wei)逆(ni)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)

，而(er)機(ji)械(xie)能(neng)到(dao)電(dian)能(neng)的(de)轉(zhuan)換(huan)稱(cheng)為(wei)正(zheng)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)。

PZT變壓器的材料和工藝決定了它們的的工作特性，而每一個製造商都有它們獨特的材料和結構層的“配方”，製造PZT的常用材料是鋯酸鉛和鈦酸鉛。單層PZT成本較低並易於製造但電壓增益比較小(典型值為5~10)，並可能需要一個升壓磁性變壓器才能使燈具運行。多層PZT的設計製造難度更大，但具有更高的電壓增益(20~70)。

圖1為一個用於CCFL供電的典型長模式PZT。該壓電變壓器包含一些用於能量轉換的長方形壓電陶瓷層，還帶有一對初級電極(用於輸入)和一對次級電極(用於輸出)。輸shu入ru到dao初chu級ji電dian極ji的de電dian信xin號hao以yi壓ya電dian方fang式shi轉zhuan換huan成cheng機ji械xie震zhen動dong，這zhe些xie機ji械xie震zhen動dong傳chuan送song到dao陶tao瓷ci層ceng的de次ci級ji，在zai那na裏li機ji械xie震zhen動dong以yi壓ya電dian方fang式shi轉zhuan換huan成cheng一yi個ge高gao電dian平ping輸shu出chu。整zheng個ge轉zhuan換huan過guo程cheng隻zhi消xiao耗hao很hen少shao的de能neng量liang。


要預測PZT在係統中的性能，有必要建立它的電路模型。圖1所示的電路模型通常用於描述長模式PZT在基本諧振頻率附近的性能。許多PZT製造商都基於在各種頻率和輸出負載下的測量結果提供該模型的元件值，具體元件值取決於PZT的構造。初級電極的多層結構和材料電介質常數形成了一個大的主級輸入電容(Cinput)。由於次級的單層結構和主級電極和次級電極之間的距離

，輸出電容要小很多。

圖3顯示了鬆下1.8WPZT(元件型號為EFTU11R8MX50)增益(Voutput/in)相對於輸出負載和頻率的特性關係曲線。這個PZT對圖2等效電路的等效元件值分別為：Cinput=61.6nF，Coutput=11.4pF，n=35，串聯RLC=(0.66Ω

，0.934mH，2.79nF)。如圖3所示，在無負載條件下陶瓷變壓器提供高Q值zhi和he增zeng益yi，並bing產chan生sheng高gao激ji發fa電dian勢shi。一yi旦dan熒ying光guang燈deng激ji發fa之zhi後hou

，變bian壓ya器qi則ze帶dai有you了le負fu載zai。負fu載zai引yin起qi變bian壓ya器qi增zeng益yi下xia降jiang和he諧xie振zhen頻pin率lv移yi動dong。為wei實shi現xian在zai一yi個ge單dan向xiang控kong製zhi電dian路lu下xia激ji發fa並bing運yun行xing熒ying光guang燈deng，壓ya電dian變bian壓ya器qi通tong常chang工gong作zuo在zai諧xie振zhen峰feng的de右you側ce。



變頻控製係統

圖4給出了一個基於PZT的背景光轉換器的簡化功能圖。PZT由(you)一(yi)個(ge)幅(fu)度(du)正(zheng)比(bi)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)諧(xie)振(zhen)功(gong)率(lv)級(ji)驅(qu)動(dong)，它(ta)提(ti)供(gong)驅(qu)動(dong)熒(ying)光(guang)燈(deng)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)電(dian)壓(ya)增(zeng)益(yi)。圍(wei)繞(rao)著(zhe)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)形(xing)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)控(kong)製(zhi)環(huan)，誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)把(ba)平(ping)均(jun)熒(ying)光(guang)燈(deng)電(dian)流(liu)同(tong)參(can)考(kao)信(xin)號(hao)(REF)相比較
，以便於對熒光燈的光強度進行調節。控製電壓Vc驅動用來確定諧振功率級的運行頻率的壓控振蕩器(VCO)。


VCO的頻率範圍必須包含PZT的激發和運行頻率。降低這個可編程的頻率範圍可以改善反饋回路的控製響應。例如
，圖5中的PZT所使用的頻率範圍為100kHz。為保證控製回路一直在PZT諧振峰的右側工作，PZT的增益必須保證在最小的輸入電壓下仍具有足夠高的熒光燈電壓。[page]

電源拓撲

一個以諧振推挽拓撲控製壓電變壓器的電路如圖5所示。這個拓撲使用了兩個標準電感(L1和L2)，通過UCC3977控製器和MOSFETS1和S2，這兩個電感在50%的占空比產生180度的相移。這個推挽電路優點是可以提供從直流輸入電壓到壓電變壓器初級的電壓增益，並通過這兩個電感和PZT初級電容之間的LC關係實現諧振。


與磁性變壓器電路不同

，基於PZT的電路使用頻率而不是占空比來控製熒光燈電流。UCC3977包含一個在COMP和OSC引腳之間形成的可編程的VCO，該VCO用來設定該係統的工作頻率範圍(它必須包含PZT的激發和工作頻率)，熒光燈電流可以在FB引腳進行測量並由PZT的增益/頻率的特性進行控製(參見圖3)。為保證控製回路一直工作在諧振峰的右側，PZT的增益必須在最小輸入電壓下提供足夠高的熒光燈電壓。

MOSFETS1和S2以50%的占空比被驅動產生相移。電感L1和L2同PZT初級電容諧振，在S1的漏極和S2的漏極形成了半正弦波形。在PZT的初級兩端所得到的電壓波形接近正弦。由於陶瓷變壓器的高Q值
，熒光燈電壓是正弦的，在這個應用中大約為300V。

為實現零電壓切換，漏極電壓必須在下一個切換周期以前回零，這要求LC諧振頻率要大於切換頻率。滿足這個條件的最大電感可以從下式得到：

公式1


其中Cp是PZT的主級電容。
采用推挽拓撲結構、額定功率分別為1W和1.8W的多層PZT驅動一個300伏熒光燈

，在電流為3mA時
，在較低的輸入電壓範圍內效率超過87%。在高輸入電壓範圍，由於PZT增益降低而導致效率下降。

以(yi)線(xian)性(xing)方(fang)式(shi)降(jiang)低(di)熒(ying)光(guang)燈(deng)的(de)電(dian)流(liu)來(lai)調(tiao)光(guang)將(jiang)導(dao)致(zhi)效(xiao)率(lv)下(xia)降(jiang)。由(you)於(yu)係(xi)統(tong)在(zai)低(di)於(yu)最(zui)優(you)增(zeng)益(yi)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)運(yun)行(xing)，壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)電(dian)路(lu)的(de)光(guang)負(fu)載(zai)效(xiao)率(lv)降(jiang)低(di)。使(shi)用(yong)脈(mai)衝(chong)調(tiao)光(guang)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)改(gai)善(shan)效(xiao)率(lv)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)以(yi)高(gao)於(yu)肉(rou)眼(yan)能(neng)察(cha)覺(jiao)的(de)頻(pin)率(lv)(>100Hz)通過調製占空比的通斷來控製熒光燈的平均電流
，從而使熒光燈一直在全電流下工作。

圖6顯示了基於壓電變壓器電路的脈衝調光波形。一個外部驅動信號(曲線4)用來給定工作周期和脈衝串的頻率，在本例中，在50%的工作周期脈衝串的頻率為100Hz。曲線1是反饋網絡的COMP引腳的信號，用來設定工作頻率。熒光燈電壓如曲線3所(suo)示(shi)。這(zhe)些(xie)圖(tu)片(pian)是(shi)使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)示(shi)波(bo)器(qi)得(de)到(dao)，所(suo)以(yi)存(cun)在(zai)混(hun)迭(die)現(xian)象(xiang)。熒(ying)光(guang)燈(deng)的(de)激(ji)發(fa)電(dian)壓(ya)幾(ji)乎(hu)檢(jian)測(ce)不(bu)到(dao)，因(yin)為(wei)燈(deng)已(yi)經(jing)是(shi)熱(re)的(de)並(bing)從(cong)前(qian)麵(mian)的(de)脈(mai)衝(chong)串(chuan)周(zhou)期(qi)運(yun)行(xing)過(guo)來(lai)。



本文給出了壓電變壓器用於背景光轉換器時作為升壓變壓器使用的特性，討論了可以滿足CCFL熒光燈高壓需求的壓電變壓器的工作原理，給出了一個使用UCC3977的基於PZT的高效背景光供電方案。由於基於PZTdebeijingguangzhuanhuanqidexiezhengonglvdianlukeyitigongzhengxiandianya，congertigaoleguangdianxiaolv，yingguangdengdeliangdukeyicaiyongxianxinghuomaichongtiaoguangjishujinxingkongzhi。zhengtixiaolv(可以達到86%以上)的提高延長了電池供電係統的運行時間。