CCFL的工作原理及电子驱动电路解析

冷阴极荧光灯英文名Cold Cathode Fluorescent Lamps，简称CCFL。这类灯的管径为1.8mm 3.0mm，普遍采用三基色荧光粉，通常采用Ni 、Ta 、Zr等金属作为冷阴极，在高的启动电压下形成辉光放电使灯管工作冷阴极荧光灯具有体积小、亮度高、寿命长的特点，但工作前需要预热。该类光源已经广泛应用于液晶显示器，液晶电视机的背光源中。随着背光照明在办公用笔记本电脑和家用电器如电视机、数码相机、摄像机等中的应用与日俱增，高亮度的冷阴极超细管径荧光灯为此应运而生。

虽然在电话、手机、PDA和数码棺机等便携式电子产品小尺寸彩屏中的背光照明早已是LED一统天下，但在笔记本电脑、LCD彩电、LCD监视机等大尺寸LCD的背光照明中，CCFL却独领风骚。尽管在大尺寸LCD背光应用中，CCFL将会遇到LED的竞争，但近期因LED价格居高不下，并且数十个乃至数百个LED在一起用作背光灯时发光亮度不均匀问题也成为一个准入的技术门槛。因此CCFL的统治地位在今后几年中不会被LED所取代。

一、CCFL的结构及其主要特点

1、CCFL的结构与工作原理

CCFL类似于霓虹灯，阴极为冷阴极，管径很细（仅约2~8mm），发光原理与荧光灯基本相同。当在合格的冷阴极荧光灯二电极上接入点灯回路（逆变器）的输出端，并在点灯回路输入端输入额定电压和电流时，即在冷阴极荧光灯的二电极上施加了数佰伏的电压和50KHZ频率及额定毫安的高频电流。这时在二电极上产生了热量发射出大量电子，在二电极之间形成的电场作用下电子撞击气体分子使分子电离产生更多的离子和电子，这样快速增长使气体很快完全电离。同时，电极的发热和电离的离子和电子在高频电场中加热使 水银迅速气化，水银蒸气浓度达到饱和，电子、离子与水银蒸气的碰撞机率越来越大，产生的紫外线强度逐渐增大并达到饱和，紫外线照射到荧光层时使荧光层发出一定色温的可见光，这样冷阴极荧光灯就开始正常地工作了。虽然这个发光的过程较复杂，但这过程的时间从几毫秒到几秒钟就全部完成了。

CCFL的结构如上图所示。CCFL玻璃管内充有汞和惰性气体（氖-氩混合气体），内壁涂了一层三基色（RGB）荧光粉。CCFL阴极形状为中空筒状，由镍、钼等金属材料制成，筒内壁涂有发光材料。根据需要，CCFL可以做成不同的形状，如下图所示。在CCFL两端加一高压时，管内气体电离发出波长为253.7nm的紫外线，被管内壁上的荧光粉所吸收，转换为可见光{波长为400~7OOnm）后被辐射出来。

2、CCFL的主要特性

由于CCFL管径很细，而且长度较短（为十几到几十个厘米），工作电流很小，通常为3~8mA。但是，CCFL的工作电压却较高，达250~6OOV（有效值），为荧光灯工作电压的数倍乃至近10倍。CCFL的触发启动电压至少是其工作电压的1.5倍，通常为600~l500V{有效值）。

CCFL的优点是电气与光学特性较稳定，寿命长（达15~2Okh），耐震动，耐冲击（大于1O0g），耐点灭性强（达10万次）。但是，由于LCD面板较大，所需CCFL灯管较多，驱动灯管的逆变器数量也较多，在整机中所占成本份额较大。由于CCFL含有汞，从环保性来看，不符合欧盟关于限制有害物质的RoHS指令和关于报废电子电气设备的Weee指令规定，而LED则不存在这方面的问题。

二、CCFL电子驱动电路及其控制器IC

CCFL电子驱动器也称CCFL电子变压器或电子镇流器。无论是交流市电供电（如220V/50Hz）还是低压直流供电（范围为3~3OV（的CCFL驱动电路，其核心是一个DC/AC高频逆变器{输出频率为20~1OOkHz）。为满足CCFL启动和工作电压要求，CCFL逆变器输出均连接一个高频升压变压器，升压比往往达60~lOO。在CCFL作为LCD背光源应用时，其驱动电路必须具备模拟尤其是数控可调光功能。CCFL驱动电路均采用控制器IC。依据CCFL控制器，CCFL驱动电路分为半桥、全桥和推挽三种类型，并且以后两种为主。

1、半桥驱动电路目前CCFL半桥控制器IC仅有MAX8729、UCC3976和UBA2070等几种。半桥拓朴结构需要两个功率开关（多为MOSFET），电路效率较高。飞利浦半导体的UBA2070适用于高达277V的交流供电。CCFL半桥驱动电路如上图所示。图中，Q1和Q2为半桥开关；RT与CT用作设置开关频率：T1为升压变压器，T1升压比（即次级与初级绕组之间的匝数比）为N；C1为隔直流电容，C2为T1次级并联电容。上图所示电路的谐振槽路等效电路如下图所示。其中人为T1次级绕组漏感，C1为反射到次级的串联电容，RL为CCFL灯管的等效电阻，方波AC信号源代表半桥功率级。

根据上图所示的等效电路，可以理解CCFL触发启动电压的产生。在CCFL未被触发之前，其阻值无穷大，谐振槽路为并联拓朴，谐振频率FP由L、C1和C2共同决定 

逆变器像一个电压源，在谐振时在灯管两端产生一个约IOOOV的高压使灯管电离而导通。一旦灯被点亮，CCFL电阻值急剧下降，逆变器接近于在串联谐振模式操作，像一个电流源。电路串联谐振频率fs由L和C1决定

2、全桥驱动电路

CCFL全桥驱动器IC大多为一个通道，代表性产品有美信公司的MAX8709（QFN28封装）、MAX8722A（QSOP24封装）、MAX8751（QPN32封装）、MAX8759（QFN32封装）和飞兆半导体的FAN7310（SSOP20封装）等。这些控制IC带有模拟和数字PWM（DPWM）调光及负载开路与短路等保护功能。

CCFL全桥驱动电路需用4个功率开关，输出功率比半桥大1倍。上图所示为采用MAX8722A的CCFL全桥驱动电路。该电路的工作原理与半桥电路几乎完全相同。变压器T1匝数比为1：93，CCFL灯电流为6mA，触发电压为l600V，工作电压为650V。电路DC输入电压Vin为8~24V，DPWM频率fdpwm为209Hz（由引脚FREQ上电阻R6设定）。当在IC引脚5（CNTL）加一个O~2V的调光控制电压时，可以调节灯亮度，调光范围为10%~1OO%。MAX8722A也可利用DPWM方法实现数字调光。MAX8722A提供T1次级过电流保护、次级电压限制、灯开路保护和初级过电流保护。R1用作传感灯电流，电容分压器C3/C4用作检测T1次级电压，R3用作感测T1次级电流。

事实上，上图所示电路通过两个初级并联的变压器，可以驱动两支CCFL灯管。在有些应用中，变压器次级也可以并联两支CCFL灯。

3、推挽驱动电路 CCFL推挽式驱动电路需要两个功率开关，变压器初级带中心抽头的电路如上图所示。其中，CO1和CO2组成电容分压器，用作感测T1次过电压，R5用作感测灯电流。DS3984有4个通道，每个通道通过变压器初级并联可驱动4支CCFL灯。

上图所示为采用MAX1610的推挽式谐振CCFL驱动电路。其中，T1（初级）、C1、Q1和Q2组成振荡电路，振荡频率由谐振腔电容C1、T1初级绕组电感值（LP=44μH）和T1次级反射到初级的电感量决定。T1初次级绕组匝数比为1：67，T1次级电路为；孚动供电结构（CCFL无接地端）。MAXl610采用16引脚SO封装，得用内部5比特的增/减计数器完成CCFL的调光。R1用作检测振荡器电流，D1、R3与R4组成灯开路检测电路。