單片機CCFL控制器改善大屏幕LCD TV的圖像質量

雖然LCD背光有多種方式，例如LED、EL、CCFL等，但對于大尺寸LCD屏來說，由于CCFL發光效率高而成為主流背光光源。傳統的LCD屏主要用于筆記本電腦或臺式電腦，背光組件在有一定亮度的前提下，還要尺寸小和重量輕等，大多采用側面背光方式(CCFL燈管安裝在屏的二邊或四周，通過導光板將光漫射到整個屏幕后面);而LCD TV特別是大尺寸LCD TV，由于對顯示亮度(450cd/m2)、視角廣角(170%26;#176;)、圖像對比度(500：1)等有更高的要求，因而需要采用光源利用率更高的垂直背光技術。

1 垂直背光 垂直背光，顧名思義，是將CCFL燈管直接安裝在LCD屏后面，并利用全反射膜將發散到其他方向的光線反射到屏幕發光面，以提高光源到利用率。雖然垂直背光解決了大屏幕LCD TV的亮度、視角廣度等問題，但由于主要是靠增加燈管數目實現的，燈管數目從幾只到幾十只不等，因而存在以下問題： (1)均勻度較低，這主要是因為燈管數目較多所致，結果使屏幕出現明暗條紋，如果各燈管亮度不一致，現象更明顯。 (2)屏幕色差，燈管數目多雖然提升了亮度和輝度，但也使背光組件的發熱量增大，而液晶分子由于對溫度敏感度高，易造成高溫下屏幕色彩異常;除此之外，CCFL燈管本身在高溫下的壽命也會縮短。 有鑒于此，設計CCFL逆變電源時需要仔細控制每只燈管的電流，以保證亮度一致，在燈管確定的情況下盡量提高逆變電源的轉換效率以減小發熱量。 圖2 2 多路CCFL控制器 為了降低成本，一些CCFL逆變電源采用圖1所示的方案。它對于燈管數目較少且采用側面背光方式的小屏幕LCD不失為一種低成本、小尺寸優選方案，通過導光極的漫射作用可消除燈管亮度不一致的缺陷，由于燈管少(2～4只)，全橋電路中流過MOSFET的電流也不太大，對變換器效率影響也小。 對于大尺寸LCD TV，為了增加亮度，提高對比度，燈管數量大大增加，有時可能達到30多只，如果采用上述電路，每只燈管的亮度難以通過外部參數控制，會出現嚴重的條紋干擾現象。不僅如此，由于此時橋路電流很大，將使導通損耗(I2%26;#215;RON)隨著燈管數量而急劇增大，比如16只燈管的導通損耗將是2只燈管的64倍;燈管為32只時，其損耗將為2只燈管的256倍，為單只燈管的1024倍，導致嚴重的發現現象，使背光組件的溫度急劇上升，會引起LCD色彩異常，還會導致CCFL燈管壽命縮短。當然可以采用多個1拖2或1拖4的方案來大大減輕發熱量，但條紋干擾仍然存在，而且由于每個電源模塊的差異，還將引入塊狀干擾。 3 單片多路CCFL控制器 針對上述問題，DALLAS/MAXIM公司推出了DS3998型高密度單片CCFL控制器，它集成了8個CCFL控制器，分別對8只CCFL燈管的電流進行監控，使8只燈管的電流基本一致，從而實現亮度均勻控制，消除屏幕條紋現象。如圖2所示，由于每只燈管有獨立的驅動和控制回路，從而避免了圖1所示電路因其中一只發生故障而導致多只燈管不亮，便于快速維修;另外，由于每個推挽電路僅驅動一只燈管，流過的電流小，MOSFET的導通損耗很小，也避免了發熱問題，而成本僅稍微增加(一對小功率MOSFET)。DS3998不僅很好地解決了背光源亮度的均勻性和發熱問題，還帶來以下額外好處： (1)通道相位控制技術降低AC/DC的電流沖擊 與圖1所示方案或多個獨立控制的逆變電源不同，集成了通道相位控制功能，如圖3所示，每個通道的MOSFET柵極導通時間在8個通道間平均分配，降低了沖擊電流并簡化了AC/DC的設計要求，減小發熱元件的散熱面積，縮小體積，降低電源成本。

(2)E2PROM寄存器與2線串行接口 DS3988采用標準的2線串行接口與片內的E2PROM配置寄存器及用戶存儲區進行通信。配置寄存器包括4個軟啟動特片寄存器與2個控制寄存器(CR1/2)，使用戶可以自定義DS3988的參數，如軟啟動斜率、燈管與調光頻率源、故障監測選項及通道使能/禁用。8字節非易失的用戶存儲區用來存儲產品數據，如日期編碼、序列號或產品標識號，這為產品生產調試或維護帶來極大方便。 (3)通過簡單的級聯支持更多的燈管控制 DS3998的燈管頻率有二種配置選項。DS3988作為燈管主機時，設定CR1中的LFSS=0，選擇板上振蕩器，并通過LOSC輸入端的外部電阻器來設定頻率(40kHz～80kHz)。在這種情況下，燈管頻率信號從LSYNC I/O引腳輸出，為其他燈管從機DS3988提供同步信號。作為燈管從機時，通過設定CR1中的LFSS=1，禁用LOSC輸入，這時必須向LSYNC I/O提供外部的40kHz～80kHz時鐘信號。該信號可以從燈管主機DS3988的LSYNC I/O獲得，也可以從其他信號源獲得。因此，多個DS3988很容易實現超過8只燈管的大屏幕LCD背光控制。 (4)精確的燈管亮度控制 DS3988使用數字脈寬調制((DPWM)信號(22.5Hz～440Hz)提供高效率和精確的燈管調用。如圖4所示，在DPWM周期的高電平階段，以選定的燈管頻率驅動燈管(40kHz～80kHz)。由于在這段時間里燈管頻率突現，因此將這一時間段被稱為“突發”階段。在DPWM周期的低電平階段，控制器禁止MOSFET柵極驅動，所以燈管不被驅動，這時電流不再流經燈管，但時間很短，不會使燈管出現完全的離子退激。調光通過調節(也就是調制)突發階段的占空比來實現遞增與遞減。由于其DPWM信號產生了多種方式，因此為應用提供了很大的靈活性。軟啟動特性進一步降低了輸入電源的電流沖擊。

4 結束語 與小屏幕液晶顯示器比較，大屏幕液晶電視對顯示器亮度、視角廣度和顯示對比度提出了更高的要求，因此需要采用垂直背光技術，同時大量增加CCFL燈管以滿足要求。DS3998是針對該應用專門開發的高密度單片集成CCFL控制器，很好地解決了多燈管LCD屏幕條紋干擾及高發熱導致的色度異常問題，改善了視頻圖像的質量，其多相位導通控制功能還降低了AC/DC電源的設計要求，減小了電源體積。