Схемотехника DC/AC-конверторов питания ламп задней подсветки ЖК панелей

В ЖК мониторах для подсветки традиционно используются люминесцентные лампы с холодным катодом (далее - CCFL - cold cathode fluorescent lamp). Они питаются от DC/AC-конвертора (далее - инвертор), формирующего из низкого нестабилизированного постоянного напряжения 7...20 В высокое стабилизированное переменное 500...800 В/50...75 кГц. Эти узлы потребляют от 30 до 50 % всей энергии, потребляемой монитором. По этой причине, подтвержденной практикой сервисных центров, инвертор является источником большинства неисправностей ЖК мониторов. Все это приводит к необходимости крайне серьезного отношения со стороны разработчиков инверторов к выбору его схемотехники, а также используемой элементной базы. На сегодняшний день существует несколько основных вариантов топологии инверторов, о чем и рассказывается в данном обзоре.

Топологии инверторов питания ламп подсветки

Разработчики, как правило, используют два базовых варианта топологии инверторов питания ламп задней подсветки - двухступенчатую и одноступенчатую. Рассмотрим эти варианты подробнее.

Двухступенчатая топология подразумевает наличие в составе инвертора так называемого DC/DC-преобразователя (рис. 1), конвертирующего входное постоянное напряжение питания инвертора, которое зачастую является нестабилизированным, в стабилизированное напряжение с фиксированным уровнем. Так, например, в мониторах, блок питания которых реализован в виде внешнего сетевого адаптера, входное напряжение инвертора может иметь слишком широкий диапазон значений 7...20 В, что определяется величиной и стабильностью сетевого переменного напряжения. Это может стать причиной нестабильной яркости изображения. Использование же DC/DC-преобразователя позволяет получить стабильное фиксированное напряжение, например, +5 В, из которого уже и будет формироваться импульсное напряжение для ламп подсветки.

Рис. 1. Двухступенчатая топология инвертора с AC/DC-преобразователем

Таким образом, применение двухступенчатой топологии инвертора способно повысить стабильность яркости изображения. Но у двухступенчатой топологии имеется один серьезный недостаток - значительно большее потребление энергии и большие потери мощности в DC/DC-преобразователе. В последнее время разработчики, по возможности, стараются отказываться от такой топологии инверторов. Если же говорить о ЖК дисплеях, применяемых в ноутбуках, где экономия энергии имеет первоочередное значение, то данная схемотехника инверторов практически не используется.

Структурная схема инвертора с двухступенчатой топологией представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема инвертора, выполненного по двухступенчатой топологии

Примечание. DC/DC-преобразователь традиционно представляет собой импульсный регулятор напряжения, обеспечивающий стабилизацию выходных напряжений методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для управления таким импульсным регулятором в состав инвертора вводится управляющая микросхема - ШИМ контроллер, которая кроме стабилизации выходного напряжения DC/DC-преобразователя может выполнять и другие функции, например, токовую защиту, регулировку яркости ламп и т.д.

Одноступенчатая топология подразумевает наличие в составе инвертора только одного импульсного преобразователя (рис. 3). Входное постоянное напряжение преобразуется в высокочастотное импульсное напряжение, которым питаются лампы задней подсветки. Стабильность яркости в этом случае обеспечивается методом ШИМ. Энергетические характеристики данного варианта топологии гораздо лучше, и инвертор имеет более высокий КПД. Кроме того, стоимость одноступенчатой схемы гораздо ниже, так как отпадает необходимость в использовании достаточно мощного и дорогого ключевого транзистора в составе DC/DC-преобразователя. Все это в совокупности способствует более широкому применению в современных ЖК дисплеях инверторов с одноступенчатой топологией.

Рис. 3. Одноступенчатая топология инвертора

Структурная схема инвертора с одноступенчатой топологией представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема инвертора с одноступенчатой топологией

В рамках двух рассмотренных топологий существует еще четыре варианта схемотехники импульсных преобразователей:

- Преобразователь Ройера (Royer) (рис. 5).

- Двухтактный преобразователь (Push-Pull) (рис.6).

- Полумостовой преобразователь (Half Bridge) (рис. 7).

- Мостовой преобразователь (Full Bridge) (рис. 8).

Рис. 5. Преобразователь Ройера (Royer)

Рис. 6. Двухтактный преобразователь (Push-Pull)

Рис. 7. Полумостовой преобразователь (Half Bridge)

Рис. 8. Мостовой преобразователь (Full Bridge)

Каждый из представленных вариантов преобразователя имеет свои достоинства и недостатки, которые отражены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнение различных топологий импульсных преобразователей

Примечание.Крест-фактор нагрузки - показатель, характеризующий способность источника электроэнергии питать нелинейную нагрузку, потребляющую импульсный ток. Он равен отношению амплитуды импульсного тока в нелинейной нагрузке к амплитуде тока гармонической формы при эквивалентной потребляемой мощности.

Анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что наиболее предпочтительным вариантом схемотехники инвертора является мостовая схема, которая, наряду с прочими преимуществами, имеет наилучшее значение КПД, что обусловлено следующими особенностями:

- в схеме минимизированы скачки тока и напряжения за счет применения в качестве ключей МОП транзисторов, имеющих малое сопротивление открытого канала и, как результат, малые потери мощности;

- на вторичных обмотках импульсного трансформатора всегда формируется синусоидальное напряжение правильной формы во всем диапазоне входных напряжений, что является результатом симметричного (двунаправленного) тока в первичной обмотке;

- коэффициент передачи трансформатора имеет максимальное значение, что является результатом более низкого значения тока первичной обмотки и высокого значения КПД.

Именно мостовая схема инвертора рекомендована группой VESA Inverter SIG для применения в ноутбуках. Естественно,что мостовой вариант преобразователя, являясь наиболее экономичным и надежным, все чаще используется и в инверторах обычных ЖК мониторов.

Примечание. Группа VESA Inverter SIG, действующая в рамках ассоциации VESA, занимается вопросами стандартизации инверторов задней подсветки.

Прежде чем переходить к рассмотрению особенностей различных вариантов схемотехники инверторов, обсудим общие вопросы, связанные с их функционированием. Представленные ниже общие рекомендации к схемотехнике инверторов выработаны группой VESA Inverter SIG. Все эти рекомендации ориентированы, в первую очередь, на инверторы ноутбуков.

Итак, основной функцией инверторов является преобразование напряжения постоянного тока в импульсное высокочастотное и высоковольтное напряжение, прикладываемое непосредственно к лампам CCFL. Для надежного функционирования инверторов необходимо наличие определенного набора различных защит от аварийных режимов работы. Кроме того, для обеспечения регулировки яркости изображения в инверторе должна быть предусмотрена возможность изменения тока ламп.

Рекомендации группы VESA Inverter SIG по защите инверторов

Инверторы питания CCFL-ламп задней подсветки должны иметь, как минимум, следующий набор встроенных защит от аварийного функционирования:

- Защиту от обрыва ламп. Если цепь одной из ламп обрывается, то инвертор должен иметь возможность регулировать напряжение на остальных лампах в течение заданного периода времени, после чего должен выключиться.

- Защиту от короткого замыкания в лампе. Инвертор не должен работать, когда лампа CCFL оказывается закороченной.

- Защиту от короткого замыкания в цепи. В соответствии с международными требованиями (стандарт UL1950) ток вторичной стороны инвертора при коротком замыкании не должен превышать величины 0,7 x Freq (мА), где Freq - частота выходного напряжения (кГц).

- Защиту от превышения тока через ключевые транзисторы инвертора. В рекомендациях группы VESA Inverter SIG указывается, что от превышения тока должен быть защищен каждый МОП-транзистор первичной части мостового инвертора. При неисправностях и ошибках управляющей логики инвертора возможна ситуация, при которой МОП-транзисторы первичной части могут самопроизвольно открываться. Это может стать причиной коротких замыканий в первичной части, т.е. может стать причиной "выгорания"транзисторов и других неисправностей. Поэтому управляющие каскады инвертора должны быть построены таким образом, чтобы исключать появление таких ситуаций.

Регулировка яркости

Регулировку яркости ламп задней подсветки в различных документах обозначают Dimming (затемнение, уменьшение яркости). Производители инверторов реализуют ее различными методами, однако, на этот счет также имеются вполне определенные рекомендации группы VESA Inverter SIG, а именно, рекомендуется два варианта регулировки яркости ламп:

- аналоговый;

- импульсный.

Аналоговая регулировка подразумевает, что на вход инвертора подается напряжение постоянного тока, величина которого изменяется управляющим микроконтроллером, когда пользователь регулирует яркость. Диапазон изменения яркости в этом случае может достигать соотношения 3:1. Рекомендуется использовать так называемую "отрицательную полярность" управляющего сигнала. Это означает, что управляющее напряжение величиной 2 В соответствует минимальной яркости изображения, а нулевое напряжение - максимальной.

Импульсная регулировка подразумевает, что на вход инвертора подаются импульсы, длительность которых изменяется при регулировке яркости, т.е. для регулировки используется метод широтноимпульсной модуляции. Этот метод позволяет регулировать яркость ламп в диапазоне 10...100 %. В случае импульсной регулировки яркости также рекомендуется использовать "отрицательную полярность" импульсов. Это означает, что если вместо импульсов управляющий сигнал будет представлять собой постоянное напряжение величиной, например, 2 В, то это будет соответствовать 10% значению яркости, а нулевой уровень управляющего сигнала - 100% значению яркости. Промежуточные значения яркости определяются соотношением высокого и низкого уровней импульсного сигнала, т.е. его скважностью (см. рис. 3). Рекомендуемая частота управляющего импульсного сигнала должна составлять 200 Гц, хотя разработчики инверторов могут использовать и другие значения частоты - единицы или даже десятки кГц. Кроме того, для "интеллектуальных" инверторов может предусматриваться возможность программирования этой частоты, т.е. управляющую микросхему инвертора программируют под параметры входного импульсного регулирующего сигнала.

Также в составе инвертора должна быть предусмотрена функция программного отключения (Soft-Off) и включения (Soft-On) для предотвращения слышимых звуковых колебаний во время проведения регулировки.

Электрические характеристики

Стандартизации подверглись и электрические характеристики инверторов, но эта часть рекомендаций, кстати сказать, является наиболее понятной в стремлении к унификации инверторов. Итак, современный инвертор питания CCFL-ламп задней подсветки, удовлетворяющий стандартам и рекомендациям VESA Inverter SIG, должен иметь электрические характеристики и параметры, приведенные в таблице 2.

Таблица 2. Рекомендуемые электрические характеристики и параметры инверторов

Соединительные разъемы

Соединительные разъемы на плате инвертора также должны быть достаточно унифицированными. Согласно предложениям инициативной группы, на плате инвертора должны быть два типа разъемов:

- разъем для соединения главной платы и платы инвертора;

- разъем для подключения CCFL-ламп.

На разъеме для соединения инвертора с главной платой должны быть представлены следующие сигналы:

- VIN, входное питающее напряжение постоянного тока;

- GND, "земля";

- ENABLE, сигнал разрешения работы инвертора (включение/выключение);

- ABRGT, аналоговый сигнал регулировки яркости;

- PWMBRGT, импульсный ШИМ сигнал регулировки яркости.

Несколько слов по сигналам регулировки яркости. Дело в том, что яркость регулируется либо аналоговым, либо импульсным методом (об этом рассказывалось выше), поэтому на разъеме конкретного инвертора присутствует только один из этих сигналов: либо ABRGT, либо PWMBRGT - в зависимости от того, какой метод регулировки выбран производителем инвертора. Таким образом, главный соединительный разъем инвертора в наиболее оптимальной конфигурации может быть 4-контактным. Однако реальное количество контактов разъема определяется производителем.

Управляющие микросхемы

Группой VESA Inverter SIG разработаны и некоторые рекомендации по микросхемам, применяемым в инверторах задней подсветки. Как мы видели во всем представленном ранее материале, в составе инвертора можно выделить важнейшие "активные" элементы - управляющую микросхему (контроллер)и силовые транзисторные ключи.

Микросхемы, которые использовались в инверторах, выпускавшихся еще несколько лет назад, являлись зачастую микросхемами общего применения (т.е. эти микросхемы применяются не только в ЖК мониторах, но и в любом другом оборудовании, имеющем импульсный источник питания или импульсный регулятор напряжения). Однако те требования, которые предъявляются к современным инверторам задней подсветки, привели к разработке нового класса интегральных микросхем - контроллеров задней подсветки (Back Light Controller).

Итак, разработчики стандарта рекомендуют применять в инверторах полностью интегрированные микросхемы, которые содержат и ШИМ контроллер, и все силовые MOSFET-транзисторы. Кроме того, такая микросхема должна осуществлять абсолютно все необходимые защиты и иметь встроенный модуль регулировки яркости. Применение подобных контроллеров позволит минимизировать размеры инвертора, уменьшить количество компонентов, снизить длину и площадь дорожек печатного монтажа, а это, в свою очередь, позволит упростить электромагнитную защиту. В итоге, все это приведет к снижению стоимости инверторов и возрастанию их надежности.

Полностью интегрированные контроллеры (включая силовые транзисторы) рекомендуется использовать в ЖК матрицах с размером до 17 дюймов. Такие микросхемы характеризуются следующими особенностями:

- наличием четырех встроенных MOSFET-транзисторов;

- поддержкой аналоговой и импульсной регулировок яркости;

- поддержкой программного включения/выключения инвертора;

- наличием защиты от обрыва в цепи ламп;

- наличием защиты от короткого замыкания ламп;

- наличием защиты от короткого замыкания во вторичной цепи импульсного трансформатора;

- наличием таймера ошибки;

- наличием схемы частотной синхронизации;

- наличием встроенного генератора.

В рекомендациях даже указывается, что оптимальной конструкцией такой микросхемы является 20-выводный корпус типа TSSOP

Для ЖК матриц размером более 17 дюймов предлагается использовать несколько другие микросхемы контроллеров.Такие микросхемы должны формировать на своем выходе сигналы, управляющие внешними MOSFET-транзисторами. Выходные каскады микросхемы должны быть выполнены по мостовой схеме, реализованной на четырех N-канальных МОП-транзисторах.

В более поздних рекомендациях группы VESA Inverter SIG появляются уже такие интересные предложения по микросхемам контроллеров задней подсветки, как необходимость использовать цифровые интерфейсы для передачи данных. Использование этих интерфейсов позволит программировать работу контроллеров задней подсветки, а также получать от них диагностическую информацию. В качестве интерфейсов для связи с контроллерами задней подсветки предлагается использовать I²C или SMBus.

Автор: Виктор Ткаченко (г. Пенза)

Источник: Ремонт и сервис