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1 使用推挽式串聯諧振換流器之冷陰極管安定器電路 Using ush-ull eries-resonant nverter for Cold-Cathode Fluorescent amp Ballast 趙元鑫 蘇子翔 Yuan-Hsin Chao Tz-hiang u 大華技術學院電機工程系 Department of Electrical Engineering Ta Hwa nstitute of Technology Chunglin,Hsinchu Hsien Taiwan,R.O.C 摘要本文主要目的是介紹一種新型的冷陰極管安定器電路, 其架構是採用推挽式串聯諧振換流器 有別於一般傳統的並聯諧振電路, 由於是電壓源直接驅動, 單級電路便能達成系統的需求, 使得效率及成本可以顯著的提升 文中先說明其工作原理並提出設計準則, 最後使用電路模擬及實作驗證其電路特性 關鍵詞 : 冷陰極管安定器 推挽式串聯諧振換流器 並聯諧振一 前言近年來由於 CD 螢幕 CD TV 與各式可攜式儀表 (ortable nstruments) 的需求量大幅激增, 因此, 對於顯示裝置的尺寸及效能之要求亦隨之提高, 在各種平面顯示器中,CD 配合冷陰極螢光燈 (Cold Cathode Fluorescent amp,ccf) 是目前最佳的組合 [],[3], 除了以冷陰極螢光燈提供 CD 基本所需之背光照明外, 具備調光特性亦是許多實際應用中所極需之功能 現今驅動冷陰極螢光燈的電路架構中推挽式並聯諧振換流器被廣泛地採用 [],[3], 若要達到調光的功能, 則通常需要搭配額外的控制電路 其電路架構如圖 所示, 由於並聯諧 振需要電流源驅動, 因此前級 BUCK 電路主要目的便是產生電流源, 以驅動後級推挽式並聯諧振換流器 但兩級的架構卻使電路的效率降低與成本提高, 另外前後級開關切換有同步的問題也增加電路實現的複雜性 針對上述缺點, 近來 O 公司提出直接驅動電路架構即推挽式串聯諧振換流器, 如圖 所示 由於是電壓源直接驅動, 單級電路便能達成系統的需求, 使得效率及成本可以顯著的提升 本文主要目的便是介紹此種新型的冷陰極管安定器電路, 說明其工作原理並提出設計準則, 期望能更進一步了解其技術特徵所在 3 V Buck tage :: CB CCF C m T Hight Voltage Ouput tage Resonant ush-ull tage 圖 推挽式並聯諧振換流器

2 圖 4 為燈管等效電路, 其中 VF 是燈管在 V 操作範圍內的燈管維持電壓,RF 是燈管點亮 :: C 後的等效負電阻,CF 是燈管內部的雜散電 C CCF 容 m T eries-resonant Hight Voltage Ouput tage ush-ull nverter tage 圖 推挽式串聯諧振換流器二 工作原理 ( 一 ) 冷陰極螢光燈管電氣特性介紹冷陰極螢光燈的管徑通常為 ~6.5mm, 啟動電壓數百伏特甚至達 KV; 燈管工作電流約為 6mA; 工作電壓約為 400~800V, 工作特性視燈管規格而定, 故一般的消耗功率為 ~5Watt 圖 3 是冷陰極螢光燈的電壓 - 電流特性曲線 [] 由圖中可知: 圖 4 冷陰極螢光燈的等效電路 ( 二 ) 推挽式換流器之基本工作原理在圖 5 電路結構中, 電晶體 Q Q 各以小於 50% 之工作週期比 (Duty Cycle) 處於交互導通之狀態, 能量則經由變壓器 T 傳遞至輸出 [],[4], [5] () 當燈管啟動時必須瞬間有一高電壓, 其值約為燈管正常工作電壓的二 三倍, 此即燈管的高壓啟動 () 燈管在一開始呈現正電阻特性, 隨後則轉成負電阻特性 (3) 燈管在額定範圍內工作時燈管電壓幾乎沒有太大的變化, 只有燈管電流有明顯的變化 (4) 燈管在額定範圍內工作時燈管亮度與燈管電流成正比 圖 3 冷陰極螢光燈管的電壓 - 電流特性曲線 圖 5 推挽式換流器之電路其電路的工作原理如下 : 當功率電晶體 Q 導通時, 則一次側繞組 p 就會有電壓降產生, 此電壓乃為輸入端之電壓 ; 在此情況下, 所有繞組之起始端 ( 黑色圓圈標之處 ) 乃為正電位, 此時繞組 p,s, 都會有電壓感應產生 由於 Q 電晶體此時是在不導通之狀態, 所以, 此時在電晶體集極至射極兩端之耐壓就是 p 上之電壓加上輸入電壓 V, 而 p 繞組所感應之電壓就是輸入電壓 V; 因此 Q 耐壓大小就相當於是 V, 也就是在選擇電晶體時, 至少必須能夠承受 倍之輸入電壓才可以, 否則會有燒毀之危險 而在次級繞組中, 由於極性之關係, 電流則呈順時鐘方向流過負

3 載 而負載上的電壓則為 V 當 Q 截止後, 會有一小段時間 Q 亦在截止狀態, 此兩個功率元件都處於截止之情況 所以此時在次級繞組兩端就沒有任何電壓降產生 而在鐵心之磁通密度也沒有任何改變, 也就是說在 Ql Q 處於截止時, 鐵心之磁通密度並不會回到 B-H 曲線的零點, 這也是推挽式轉換器重要特性之一 當 Q Q 處於截止之期間結束之後, 緊接著下來就是功率電晶體 Q 會被導通, 則一次側繞組 p 就會有電壓降產生, 此電壓乃為輸入端之電壓 ; 在此情況下, 所有繞組之起始端 ( 黑色圓圈標之處 ) 乃為負電位, 此時繞組 p,s 都會有電壓感應產生 由於 Q 電晶體此時是在不導通之狀態, 所以, 這個時候在電晶體集極至射極兩端之耐壓就是 p 上之電壓加上輸入電壓 V, 而 p 繞組所感應之電壓就是輸入電壓 V; 因此 Q 耐壓大小就相當於是 V 而在次級繞組中, 由於極性之關係, 電流則呈逆時鐘方向流過負載 而負載上 的輸出電壓則為 V 綜合以上之分析討論, 我們可以將推挽式換流器之優點與缺點分述如下 : () 使用推挽式換流器之缺點就是功率電晶體所需承受之電壓為兩倍輸入電壓才可以, 因此不太適合應用在輸入電壓較高之場合 () 雖然使用兩個功率電晶體, 不過由於其驅動電路之負端可以共地, 因此, 在驅動上較簡單些 (3) 由於在推挽式結構中, 但 OWER MOFET 每半週期內僅有一個動作, 因此變壓器之利用率較低 ( 三 ) 串聯諧振網路之分析圖 6 所示為串聯諧振串並聯負載之基本架構, 其中 R 代表燈管工作時的等效電 阻 VAB 為換流器之輸出電壓 ; C 分別為串聯諧振之電感與電容, C 為安定器電容 [6] 圖 6 串聯諧振串並聯負載串聯諧振串並聯負載的轉移函數為 : Vo( jω) = VAB( jω) 其中 [ + ( Cp/ Cs) ( Cp/ Cs)( ω/ ω ) ] + Qs [ ω/ ω ω / ω] ω = ω = C C ω Qs = = R ω C R () 由於換流器之輸出電壓 VAB 為方波, 因此串聯諧振電路主要目的為一濾波器, 過濾高次諧波使燈管的工作電壓與電流為基本弦波, 如此操作可以延長燈管壽命 C 主要功能為安定器電容與阻隔換流器輸出的直流成分, C 主要功能為決定高頻截止頻率 轉移函數由 MATAB 繪出的圖形如圖 7 所示, 考慮到一般燈管的簡化模型 : 在點亮前 Vo/Vin (db) f(hz) 圖 7 轉移函數圖形 Qs 遞減 3

4 為大電阻, 而點亮後則為小電阻 因 Qs 與負 載 R 成反比, 而 Qs 越小電壓增益越高 因此 符合燈管點亮前高壓與點亮後低壓的需求 而且也降低變壓器的圈數比, 使得一次側的導通損失降低 三 設計準則與設計實例 本章針對整個電路在設計上應有的考量提出設計準則, 包括切換開關之選擇 高壓變壓器 輸出高壓電容 諧振電感 電容等等 以下分別加以說明並提供一設計實例 ( 一 ) 設計準則 () 決定變壓器圈數比 變壓器圈數比由冷陰極螢光燈管之啟動 電壓 Vstart 與最低輸入直流電壓 如下式 : = V,min V, min 決定 π Vstart () 其中 分別為一次側及二次側圈數, 但太大的圈數比會造成較大的電流而增加傳導 損失, 故 的比例只需提供最大燈管啟動電 壓即可 () 決定諧振電感 電容一般而言, 可以設計諧振頻率在燈管的工作頻率 即 f = (3) π C 由上可知, 並非唯一解, 但設計時需考量 C 為變壓器漏感, 因此通常先決定電感值再決定電容值 但因電容與燈管並聯, 所以需考慮耐高壓電容 (3) 決定安定電容 C 在二次側中安定電容與冷陰極管串聯之目的是要確保負載為正阻抗特性 [3] 因此參考圖五, 諧振電感 與安定電容 C 串聯阻抗值必須大於諧振電容 C 與燈管電阻之並聯阻抗值 jω + // R (4) jωc jωc (4) 決定切換功率晶體由推挽式換流器工作原理可知, 功率晶體耐壓為 V 功率晶體電流為 其中 m D = m + (5) V = to + (6) m : 磁化電流 m : 磁化電感 : 變壓器二次側電流 由式可知較低的 值或較大的磁化電感 m 可以降低功率晶體的電流 ( 二 ) 設計實例本文中所採用之實驗燈管為.6Φ(MW), 該燈管之電氣特性以及安定器之規格如下 : 燈管功率 :4.77 W 燈管啟動電壓 :050 Vrms 燈管操作電壓 :796Vrms 燈管電流 :5 ± (ma)rms 有效發光長度 :406mm 安定器輸入電壓 :5VDC 安定器工作頻率 :50KHz () 變壓器之圈數比 由式 () 可得 = 050V 5V π 77 由圈數比 77, 吾人決定變壓器參數如下 : : 匝 :700 匝 4

5 漏感 :0.63H 磁化電感 :55μH () 決定諧振電感 電容 m 諧振頻率設計在燈管的工作頻率為 50KHZ, 諧振電感 為 0.63H, 因此諧振電容 C 由式 (3) 可得 f = = 50Κ π 0.63 C C = pf 考慮現實情況, 決定電容 C 為 50pf, 耐壓 3KV 將實際電容值代入 (3) 式 f = π Κ ( 一 ) 工作週期為 0%: 圖 8 為燈管電流 () 及燈管電壓 (V) 模擬波形, 燈管電流為 6.78mA, 燈管電壓為.03kV V in Volts 6.00K 4.00K.00K -.00K 0 in Amps 30.0M 0.0M -0.00M -30.0M -50.0M 4.48M 4.49M 4.50M 4.5M 4.5M WFM. vs. TME in ecs 圖 8 燈管電流 (ch) 及燈管電壓 (ch) 之模擬波形 圖 9 為燈管電流 () 及燈管電壓 (V) 實作量測波形, 燈管電流為 4.mA, 燈管電壓為 636V 亦符合系統需求 (3) 決定安定電容由式 (4) 安定電容實際取 00pF, 耐壓 3KV 的高壓陶瓷電容, 由於變壓器二次側為高壓, 所以必須選擇耐壓大的電容 (3) 功率電晶體選擇 由於功率電晶體必須承受 倍的輸入電壓, 在本實驗中輸入電壓為 5V, 所以耐壓為 30V 假設功率電晶體工作週期為 0.5, 燈管電流為 5mA, 則其電流由式 (6) 圖 9 燈管電流 (ch) 及燈管電壓 (ch) 之實作波形 ( 二 ) 工作週期為 40%: 圖 0 為電晶體耐壓 VCE VCE 模擬波形 5V Dmax = 0u mA 55u = 0.973A VCE in Volts 60.0 VCE in Volts -0.0 因此, 選擇功率電晶體 RF50, 其耐壓 V, 耐流 3A 五 系統模擬與實作量測本節根據第四節所設計的電路參數值, 利用電路模擬軟體 s-pice 作模擬, 並將其結果 M 4.5M 4.5M 4.53M 4.54M WFM. VCE vs. TME in ecs 圖 0 電晶體耐壓之模擬波形 和實際量測波形做比較 5

6 圖 為電晶體耐壓 VCE VCE 實作量測波形 六 結論本文針對使用推挽式串聯諧振換流器的冷陰極管安定器架構及工作原理作一簡介 由於是電壓源直接驅動, 單級電路便能達成系統的需求, 使得效率及成本可以顯著的提升 諧振電路的高 Q 值可以有效降低變壓器的圈數比, 但從本文模擬及實驗結果可以了解 WM 控制與燈管電流為非線性關係 因此如何設計線性的調光電路, 應是後續值得研究的課題 圖 電晶體耐壓之實作波形 圖 為燈管電流 () 及燈管電壓 (V) 模擬波形, 燈管電流為.3mA, 燈管電壓為 403V V in Volts 6.00K 4.00K.00K -.00K 0 in Amps 30.0M 0.0M -0.00M -30.0M -50.0M 4.48M 4.49M 4.50M 4.5M 4.5M WFM. vs. TME in ecs 圖 燈管電流 (ch) 及燈管電壓 (ch) 之模擬波形 圖 3 為燈管電流 () 及燈管電壓 (V) 實作量測波形, 燈管電流為 5.03mA, 燈管電壓為 494V 七 參考資料 [] 林晉弘, 謝冠群 調光式冷陰極螢光燈電子安定器之初極側充電幫浦式控制器研製 國立台灣科技大學電子工程系, 碩士學位論文 [] Y.. in and A. F. Witulski, Analysis and design of current-fed push-pull resonant inverters-cold cathode fluorescent lamp drivers, EEE-A Conference Record, 996, pp [3] M. Jordan and J. A. O Connor, Resonant fluorescent lamp converter provides efficient and compact solution, EEE-AEC Conferenec Record, 993, pp [4] M. Gulko and. B. Yaakov, Current-so urcing push-pull parallel-resonance inverter (C-R): theory and application as a di scharge lamp driver, EEE Trans. nd. El ectron., vol.4,no.3, pp.85-9,june 994. [5] M. Matsuo, T. uetsugu,. Mori, and. asase, Class DE current-source paralle l resonant inverter, EEE Trans. nd. Ele ctron, vol.46,no., pp.4-48,apr.999. [6] 張英彬, 柯聖浩 : 電子安定器之實作技術, 文京圖書公司,999. 圖 3 燈管電流 (ch) 及燈管電壓 (ch) 之實作波形 6

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