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

В ЖК мониторах для подсветки 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 ремонтов 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, 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, +5В, из которого уже и будет формироваться импульсное напряжение для ламп подсветки.

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.

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. 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.

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

- Преобразователь Ройера (Royer);

- Двухтактный преобразователь (Push-Pull);

- Полумостовой преобразователь (Half Bridge);

- Мостовой преобразователь (Full Bridge).

Каждый из представленных вариантов преобразователя имеет свои достоинства и недостатки.

Анализ данных 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.