驅動電容性耦合螢光燈的系統的製作方法
2023-09-18 20:20:50
專利名稱：驅動電容性耦合螢光燈的系統的製作方法
本公開一般而言涉及照明系統。具體而言，本公開涉及驅動電容性耦合螢光燈的方法和系統。
電容性耦合螢光燈(CCFL)廣泛地應用於背光液晶顯示器(LCD)及其它應用領域。不同的電子驅動器或反相器電路，例如已經設計了電流饋送推挽、電壓饋送推挽、有源箝位回掃、和電壓饋送半橋反相器電路用以運行高工作頻率的CCFL燈。典型的頻率範圍是20kHz和100kHz。以這種方式將高頻電壓施加到放電容器內的放電空間或者形成放電的CCFL管中。
為了提高CCFL的照度，提高充入放電容器或者管中稀有氣體的氣壓。提高稀有氣體的氣壓之後，如果不提高施加到CCFL上的電壓和此電壓的高頻，放電所需的電流會不足。因此為了提高CCFL的照度或燈功率，不僅必須提高稀有氣體的氣壓，而且必須提高施加到CCFL上的電壓和電流。但是，所提高施加電壓時，在放電容器的外表面存在放電蠕變的危險，這會導致CCFL的絕緣擊穿。
為了克服常規CCFL的缺點，設計了一種電容性耦合的螢光燈，其中採用圓柱形陶瓷管或電容性耦合結構替代傳統的陰極(包括二個被比較重鍍鎳並呈V字形的矩形鐵片)。通常，所述圓柱形陶瓷管的內直徑為2.5mm，外直徑為3.5mm，長度為10mm。這種陶瓷管以一定的介電常數和幾何形狀與燈的正極柱有效地構成了的串聯電容。電容與頻率無關。通過選用適當的材料和結構，可以設計這種串聯電容使電子驅動器受益。
由於陰極的改進顯著提高了燈電流，而不必提高充入氣體的壓力和燈上所施加地電壓。實際上，與常規CCFL相比，為傳送相同的燈功率，施加到電容性耦合的螢光燈的電壓低於施加到常規CCFL的電壓。
另外，作為效果，大大降低了等效的燈阻抗。例如，在電容性耦合螢光燈的優選設計中，燈電壓為450V，在50kHz頻率的燈電流為20mA。所以與常規CCFL的約為115千歐姆的燈阻抗相比其燈阻抗約為22.5千歐姆。因此，電容性耦合螢光燈克服了現有技術的相關問題，並且提供了若干優於常規CCFL的優點。
如上所述，利用電子驅動器或反相器電路來運行CCFL。在
圖1的電路中，該反相器電路具有帶LC共振迴路的電壓饋送半橋式結構。共振電感器為Lr。共振電容器由等效屏蔽寄生電容和變壓器T1的等效輸出繞組間電容構成。CCFL由其等效電阻Rlp標明。鎮流器電路由一個集成電路(IC)控制。
如圖2所示，一組典型的CCFL結構參數為燈電壓Vlamp為690V；燈電流Ilamp為6mA；等效屏蔽電容Ceq為7pF。另外，一組電路設計值為直流輸入電壓Vin為12V；共振電感器Lr為6.5uH；以及輸出電壓器匝數比為N＝20。
在圖1所示的電路中，可以計算出標稱穩態的燈等效阻抗是115千歐姆。當工作頻率為50kHz時，屏蔽電容的等效阻抗為454.7千歐姆。這種十分相當的阻抗相對於燈電流導致大的通過屏蔽的寄生電容漏電流。因而增大了電路功率損失。更重要的是，難以針對不同類型的監視器設計統一的電子驅動器而不用嚴格強制的燈電流反饋控制。
在大多數所設計的LCD背光反相器中，反相器電路的輸出阻抗受到電路內部結構的限制。為了獲得燈的穩定性，應當對燈進行適當的鎮流。如圖3所示，小直徑CCFL的鎮流線路是通過將小電容與燈進行串聯連接。
圖3所示的串聯電容天然地存在於該電容性耦合螢光燈結構中。對於上述的電容性耦合螢光燈，利用串聯電容，使等效電容Cb位於1.1-1.4nF的範圍。當工作頻率為50kHz時，相應的等效阻抗位於2.89-2.27千歐姆的範圍。在處於頻率範圍為25-100kHz的穩態時，測量出電容性耦合螢光燈的動態負阻抗的範圍是5.0-7.0千歐姆。
由於燈兩端的高的交流電壓(約500V)以及低的輸入直流電壓(約12V)，在大多數LCD監視器應用中，高電壓升壓輸出變壓器是不可避免的。這種高匝數比通常在輸出變壓器的次級側產生高的漏電感，即次級側漏電感。當反相器電路與電容性耦合螢光燈連接時，這種漏電感自然會與鎮流電容器Cb形成串聯共振分支電路，這通常會負面地影響電容性耦合螢光燈的工作。
鎮流電容器Cb的提前量(lead value)取決於燈的類型和工作頻率。在一些商售樣機中，Cb的典型範圍是15-68pF。這種實施方案的缺點在於輸出變壓器通常需要過設計，使得能夠將無功功率傳送到燈/鎮流電容器支路。
相應地，為了減小變壓器尺寸、降低反相器功率損失、改善燈電流波形，需要提供共振電路燈的驅動線路(scheme)，所述線路能夠根據反相器電路類型選擇驅動電容性耦合螢光燈的不同工作點。
按照本公開，提供了一種消除現有技術相關問題的驅動電容性耦合螢光燈的方法和系統。
本公開的方法和系統提供一種共振電路燈的驅動線路用於驅動電容性耦合螢光燈，所述線路降低了寄生電容漏電流，並因此降低了反相器電路的功率損失；它利用次級側的漏電感來補償無功功率使得共振頻率約等於電流源型驅動電路的反相器電路的工作頻率，因而減小了輸出變壓器尺寸、匝數比、和功率損失；並且與接入的鎮流電容器和電壓源型驅動電路的次級側的漏電感構成串聯共振分支電路，使得共振頻率基本上低於反相器電路的工作頻率，並且使燈電流與電流鎮流一起適當地成形，因而降低了輸出變壓器的匝數比。
所公開的系統包括具有圓柱形陶瓷管的電容性耦合螢光燈。所述系統還包括電子驅動器或反相器電路用於驅動燈和用於接收電源電壓的電源節點。所述反相器電路是用於常規CCFL的常規反相器電路，諸如，電流饋送推挽、電壓饋送推挽、有源箝位回掃、和電壓饋送半橋反相器電路。
尤其是本公開提供一種配有電容性耦合螢光燈的電容性耦合螢光燈組件(package)；用於驅動燈的反相器電路；以及用於接收電源電壓的電源節點。由集成電路控制的鎮流器電路可以與所述反相器電路相連以便適當地對燈進行鎮流。
所述電容性耦合螢光燈組件包括共振電路燈驅動線路用於驅動電容性耦合螢光燈。所述驅動線路降低了寄生電容漏電流；利用次級側漏電感對無功功率進行補償以使所述共振頻率大約等於電流源型驅動電路的反相器電路的工作頻率；以及形成了與嵌入的鎮流電容器和電壓源型驅動電路的次級側漏電感相串聯的共振分支電路，使得共振頻率大體上低於反相器電路的工作頻率並且燈電流沿著電流鎮流適當地成形。
參照附圖將對本發明的實施方案進行進一步討論。附圖包括圖1是現有技術的反相器電路的示意圖2是圖1所示反相器電路的燈/屏蔽連接的等效電路圖；圖3是圖1所示反相器電路的鎮流電容器/燈/屏蔽連接的等效電路圖；圖4是電容性耦合螢光燈組件的方框圖，所述組件配有能夠由根據本公開的共振電路燈驅動線路驅動的燈；和圖5的圖表示出了按照本公開的共振電路燈的驅動線路的電容性耦合螢光燈組件的反相器電路的工作頻率範圍。
參照圖4和圖5將對目前所公開的共振電路燈驅動線路的優選的實施方案進行詳細討論，所述驅動線路用於驅動電容性耦合螢光燈組件中的電容性耦合螢光燈。雖然在此所公開的所設計的實施方案用於背光液晶顯示器，但是目前所公開的實施方案還可以用於其它的應用領域。
參照圖4，所示方框圖示出了使用按照本公開的共振電路燈驅動線路的電容性耦合螢光燈。一般來說，標記400的電容性耦合螢光燈組件包括帶有放電容器和圓柱形陶瓷管的電容性耦合螢光燈410。燈組件400還包括用於驅動燈410的電子驅動器或反相器電路420以及用於接收來自電壓源或電源(未示出)的電源電壓的電源節點430。所述電源電壓約為450V。
優選地，反相器電路420提供20kHz和100kHz的驅動信號給電容性耦合螢光燈410。如下文所述，當反相器電路420為電流源驅動型反相器電路時，供應20kHz的驅動信號。如下文所述，當反相器電路420為電壓源驅動型反相器電路時，提供100kHz的驅動信號。
反相器電路420是常規的反相器電路，諸如用於常規CCFL中的電流饋送推挽、電壓饋送推挽、有源箝位回掃、和電壓饋送半橋反相器電路。根據本公開，為了減小變壓器尺寸、反相器電路420的功率損失和改善燈電流波形，應當根據反相器電路的類型選擇不同的工作點。
在電流源驅動型反相器電路中，反相器電路420的輸出阻抗一般非常高。有可能進行直接驅動燈。在這種情況下，將輸出變壓器次級側漏電感和電容性耦合螢光燈410的耦合電容設計成所具有的共振頻率大約等於所述反相器電路的工作頻率。
以這種方式，耦合電容完全由輸出變壓器漏電感補償。實際上，即使該共振頻率與反相器電路的工作頻率不匹配，也將它們的差別維持儘可能小。共振電路燈驅動線路用於使反相器電路工作頻率保持在圖5所示曲線的凹部附近，其中示出了由漏電感和鎮流電容器Cb構成的次級側串聯共振分支電路的輸入阻抗。最好工作頻率為20kHz。
在電壓源驅動型反相器電路的情況下，反相器電路420的輸出阻抗通常不高。直接的燈驅動通常會導致電路的不穩定性。在這種情況下，輸出變壓器次級側漏電感和電容性耦合螢光燈410中的耦合電容用作次級共振分支電路，所述分支電路用於鎮流電容性耦合螢光燈410以及對燈電流成形。
共振電路燈驅動線路用於保持共振頻率基本上低於反相器電路的工作頻率，即共振頻率低於反相器電路的工作頻率。也就是說，反相器電路的工作頻率範圍基本上偏離圖5所示曲線的的凹部。最好，工作頻率為100kHz。以這種方式，耦合電容部分地由輸出變壓器的漏電感來補償。
在背光照明LCD情況下，將燈組件400安裝在配有LCD的系統中，諸如膝上型計算機，電源節點430與電壓或電源相連以提供電源電壓。然後由電源電壓給反相器電路420供電。相應地，反相器電路420利用根據本公開的共振電路燈驅動線路給電容性耦合螢光燈410發送驅動信號來激活燈410以獲得背光照明LCD的照度。
顯然還應提供完全容納燈410和反相器電路420以及部分容納電源節點430的外殼。顯然還提供用於鎮流電容性耦合螢光燈410的鎮流電路並且提供如圖1所示的控制鎮流電路的集成電路。
優選地，反相器電路420選自包括電流饋送推挽、電壓饋送推挽、有源箝位回掃、和電壓饋送半橋反相器電路的組合。
顯而易見可以對在此公開的實施方案進行各種修改，上面的說明不應當是限制性的，而僅僅是作為實施方案的舉例。本領域技術人員在所附權利要求構思和範圍內可以進行改動。
權利要求
1.一種電容性耦合螢光燈組件(400)，該組件包括螢光燈(410)，適用於電容性耦合反相器電路；反相器電路(420)，被配置用於以工作頻率驅動螢光燈(410)，該工作頻率補償螢光燈(410)的耦合電容；和電源節點(430)，用於接收電源電壓。
2.按照權利要求1的燈組件，其中反相器電路(420)被配置用於以大約20kHz或100kHz的工作頻率驅動燈(410)。
3.按照權利要求2的燈組件，其中如果反相器電路(420)是電流源驅動型反相器電路，那麼反相器電路(420)以大約20kHz的工作頻率驅動燈(410)；如果反相器電路(420)是電壓源驅動型反相器電路，那麼反相器電路(420)以大約100kHz的工作頻率驅動燈。
4.按照權利要求1的燈組件，其中反相器電路(420)選自一組包括電流饋送推挽、電壓饋送推挽、有源箝位回掃、和電壓饋送半橋反相器電路，和其它高頻反相器。
5.按照權利要求1的燈組件，其中電容性耦合螢光燈(410)包括放電容器和位於放電容器內的圓柱形陶瓷管。
6.按照權利要求5的燈組件，其中圓柱形陶瓷管(104)的內直徑約為2.5mm，外直徑約為3.5mm，長度約為10mm。
7.按照權利要求1的燈組件，其中電源電壓大約為450V。
8.按照權利要求1的燈組件，其中電容性耦合螢光燈(410)具有的燈電流約為20mA，工作頻率約為50kHz。
9.按照權利要求1的燈組件，其中電容性耦合螢光燈(410)的燈阻抗約為22.5千歐姆。
10.按照權利要求1的燈組件，其中反相器電路是用於鎮流電容性耦合螢光燈(410)的鎮流電路的部分。
11.一種電容性耦合螢光燈組件(400)，該組件包括螢光燈(410)，適用於電容性耦合反相器電路；反相器電路(420)，與螢光燈(410)電容性耦合併被配置用於以工作頻率f驅動電容性耦合的燈(410)，和電源節點(430)，用於接收電源電壓，其特徵在於反相器包括與螢光燈串聯耦合的電感性元件L；和選擇電感性元件的尺寸以使電感性元件L和耦合電容的共振頻率fr範圍，在反相器為電流源驅動型的反相器的情況下選為0.8*f≤fr≤1.2*f，其優選範圍是0.9*f≤fr≤1.1*f；並且在反相器為電壓源驅動型的反相器的情況下選為fr≤0.5*f，其優選範圍是fr≤0.2*f。
12.按照權利要求11的電容性耦合螢光燈組件，其中反相器包括配備有初級繞組和次級繞組的變壓器並且其中由所述變壓器的次級側漏電感形成電感性元件L。
全文摘要
公開了一種具有電容性耦合螢光燈的電容性耦合螢光燈組件，用於驅動燈的反相器電路；和用於接收電源電壓的電源節點。所述電容性耦合螢光燈組件包括共振電路燈驅動線路用於驅動電容性耦合螢光燈。所述驅動線路減小了寄生電容漏電流；利用次級側的漏電感補償無功功率以使共振頻率大約等於電流源型驅動的反相器電路的工作頻率；並且與所嵌入的鎮流電容器和次級側漏電感器形成了電壓源驅動型的驅動電路的串聯共振分支電路，使得共振頻率基本上低於反相器電路的工作頻率並且使燈電流和電流鎮流一起適當地成形。
文檔編號H05B41/24GK1459217SQ02800760
公開日2003年11月26日 申請日期2002年3月11日 優先權日2001年3月22日
發明者G·W·布魯寧, 張勁 申請人:皇家菲利浦電子有限公司