大型面板光源的並聯點燈系統
「ZAULaS」

日立Ferrite電子㈱ 山本 陽一※
youichi yamamoto

※日立Ferrite電子㈱　技術開発部
〒689-1121 鳥取県鳥取市南栄町26-1
電話 0857(53)6464

１．前言

　　近來隨著液晶電視的需求的急速增加，使用在液晶面板上的大型燈管和用於點亮面板所需的Inverter電路系統之需求也同樣地在急速增加當中。但是，Inverter電路系統目前仍然存有一些問題需要在技術水準上加以突破以滿足市場需求。
　　為了滿足這些市場需求，我們認為有開發新系統的必要，並對目前市面上的多燈管用的Inverter電路系統來進行全面性的革新。因此我們著眼在開發出和先前完全不同的冷陰極管的並聯點燈系統之提案。

２．大型面板光源用的Inverter電路之現況


図１ 集極諧振型回路


図２ 他激諧振型回路


図３ 多数の他励諧振型回路
　　現行冷陰極管(CCFL)的點燈電路，也就是在Inverter電路系統，市場上分成兩種，一種是採用傳統上使用的集極諧振型(集極諧振型Royer)電路，另一種則是採用高效率的他激型諧振型電路。 雖然集極諧振型(集極諧振型Royer)電路成本較為低廉，但其效率不佳，而且容易發熱(圖1)。另一方面，他激型諧振型電路的成本較高，但是具備有高效率與高性能的優點(圖2)。另外，雖然使用壓電陶瓷進行昇壓的壓電型構造能具備有很高的效率，但因成本太高，要達到普及並不容易。這些Inverter電路技術都是應用在筆記型電腦上所發展出來的技術。
　　但是由於在大型面板光源上需使用較多的冷陰極管，因此要將這些燈管並聯點燈就成為了我們的新挑戰(圖3)。大型面板光源用的Inverter電路是直接引用如上述得自於發展在筆記型電腦上的Inverter電路技術，為了要能夠點燈(亮)很多的冷陰極管，我們僅可能將冷陰在Inverter電路上進行排列。如此Inverter電路的規模將會變大，因此我們需要對Inverter電路系統來進行根本性的改革。 特別是由於流通在各冷陰極管內的電流之均一性會對背光燈管的壽命造成很大的影響，因此不得不對每一個燈管附加上高效率的他激諧振型電路的控制用IC以進行燈管內的電流控制，如此卻造成了非常不經濟的消耗，因此Inverter電路的成本問題是現今非常重要的課題。
３．冷陰極管的並聯點燈

　　能夠針對這些問題來提供劃時代的解決辦法的，就是ZAULaS (Zip as Uni- Lamp System)。在大型面板光源上使用了很多的冷陰極管，但是由於冷陰極管無法並聯點燈，因此以往這些個別的冷陰極管都還要附加個別的電子安定器Inverter電路。單純地僅將這些燈管並聯連接的話是無法將之點亮的。這是因為冷陰極管的特性是負電阻，換句話說，在電壓-電流的特性上，冷陰極管具有電流增加愈多，電壓卻下降愈多之特性，若進行並聯連接的話，電流將只會集中在一支被並聯連接的冷陰極管之中，而其他的冷陰極管都不會被點亮。
　　因此，一般會在昇壓變壓器和冷陰極管之間配置適當的電抗(Reactance)來充分地提昇冷陰極管的負電阻以使冷陰極管和電抗的合成阻抗(Impedance)轉變為正電阻的狀態，之後再以並聯連接以進行並聯點亮(圖1)。這些電抗被稱為安定器(Ballast)。但是這些並聯點亮的方式，由於要自L或C對冷陰極管串聯電抗，因此所必要的放電電壓也就不得不提高。
　　例如以圖1為例，冷陰極管的管電壓(定常放電電壓)約700V，再加上安定器的電壓合起來就有1500V以上，需要非常高的電壓。在大型面板光源上使用的冷陰極管，也可達到1600V之定常放電電壓，如果再加上安定器的電抗的話，就會超過2KV。
　　以往的Inverter電路均使用這樣的電抗電路為主流，但是在筆記型電腦所用的Inverter電路的低電壓要求下，這樣的高電壓將造成很嚴重的問題。因為會帶給提供高電壓的捲線變壓器很大的負擔，因此此點常常是造成變壓器二次捲線側的老化或層間短路(layer short)之主要原因之一。
　　因此近年來急速增加他激型諧振型電路的採用(圖2)。籍由對洩漏磁束型昇壓變壓器的洩漏電感(Inductance)和二次側容量進行諧振而得到較高的變換效率，將洩漏磁束型變壓器的洩漏電感作為安定器的電抗來加以利用，使放電管的電流安定化。因為這種方式加諸於變壓器的二次卷線之電壓會和冷陰極管的電壓均等，因而加諸於變壓器的二次捲線之電壓會變低，層間短路等問題也會變少。
　從前關於液晶背光板之故障多以在Inverter電路發生的問題為主，因為他激型諧振型方式的普及，自開始採用本方式的1996年左右後，Inverter電路產生的故障就迅速地變少了，而在近來要優先解決的問題反而是冷陰極管的壽命問題。
　　雖然他激型諧振型電路具備了這麼多的優點，但是在這樣的他激型諧振型電路中，每1支冷陰極管就需要有1個洩漏磁束型變壓器和控制電路來配合，為此要應用在大型液晶背光上的電路規模便成為一個大問題(圖3)。但是為了要使液晶電視能夠如同家電製品般地深入到各個家庭當中，機件壽命也是非常重要的課題，最少必須保證能使用6萬個小時以上。因此即使有成本價格的問題，也不得不採用這種多數的他激型諧振型電路。

４．由ZAULaS產生的均等分流電路

　　因此我們重新檢視這種點燈電路，並開發出謀求全面改革的ZAULaS的Current Distributor (電流均等分配模組)如(照片1)。ZAULaS是由好幾個電流變壓器所積集而成的，其中一個電流變壓器稱為cell，可將2支冷陰極管並聯點亮。若要用最簡單的線條模形來說明其原理的話，請參考圖4。
　　但是更進一步分析，你可以發現上述的模型並不完全，實際的ZAULaS是由更加非線性的模型模擬(simulation)來進行的最適用於小型化之設計。圖5是實際上把冷陰極管組裝到背光板時的電流-電壓特性表，但是僅由單體冷陰極管所測得知的特性和實際上把冷陰極管組裝入背光板時由於會受到近接導體的影響而有很大的變化。
　　ZAULaS的設計著眼於這樣的特性變化，籍由冷陰極管的負性電阻之特性管理，保證能夠得到最佳的分流特性。因此，ZAULaS一定會要求背光板製造商提供電流-電壓特性的資料，希望各背光板製造商或液晶製造商能理解。
写真１　ZAULaS の電流均等分配模組


図４ 従来理論による分流原理


図５　冷陰極管（CCFL）電流電圧特性を
管理した新たな分流原理


図６ 分流回路の構成
ZAULaS的Current Distributor (電流均等分配module)將這些cell積集成金字塔狀，實現了多燈點亮電路(圖6)。籍由這些cell的組合，則不論對幾支冷陰極管，都可以自由地進行均等分流。圖中是8燈、10燈、12燈、16燈的分流器模組。


図７ ZAULaSの構成


５．ZAULaS的效果

　　籍由ZAULaS的採用，使用多燈之Inverter電路的構成會變得非常簡單(圖7、照片2)。就像是將多數的冷陰極管集合成一束大電力的冷陰極管(Zip as Uni- Lamp)，然後您只需要使用一個他激型諧振型電路就可以將之驅動的道理一樣。所以您能同時大幅度地降低成本並改善效率。
　　對於20英吋12燈的背光板確認ZAULaS的效果如下表所示。可以確認出12燈的管電流的上下變化即使最大也能控制在3%以內的良好成績(表1)。

表１

管電流（単位mA）
Lamp1

Lamp2

Lamp3

Lamp4

Lamp5

Lamp6

Lamp7

Lamp8

Lamp9

Lamp10

Lamp11

Lamp12

6.95

7.01

7.11

6.91

6.92

6.95

7.02

7.03

6.91

7.03

7.11

7.05







照片2  簡素化されたInverter電路
　　此值的精度比起很多使用控制IC來進行管電流回歸時，並聯連接數個Inverter電路之冷陰極管(±5%左右)還要高。與IC控制進行比較下，使用IC控制的管電流的上下變化的精度主要是依回歸阻抗的值之誤差來決定。因為通常以5%為準，所以誤差約在5%左右。
　　另一方面，像ZAULaS這樣高精度的分流特性，是依電流變壓器的性質而定。所謂變壓器，各卷線的電抗【電感】的絕對值精度雖然不佳，但是它有卷線間的相對低誤差的性質。ZAULaS的分流電路模組能充分活用變壓器的這種特性。而且ZAULaS的發熱量非常小，因此不會造成損害效率的因素。因此，Inverter電路系統全體的效率主要依據昇壓變壓器的損失而定，而且這個昇壓電路電力特別集中的緣故，所以特別推薦使用採用效率高的他激型諧振型電路。採用了他激型諧振型電路時，其系統整體的效率將變得非常高，因此可以造就一個幾乎不會發熱的Inverter電路系統。
　　再加上獨立組成的分配器模組，背光上的配置(layout)可以如照片2所示來將分配器安排至冷陰極管的電極附近。關於電流的均等分配，如果能安排到冷陰極管的電極旁邊將會有不錯的效果，和配置在遠離冷陰極管的位置比較之下，將會有非常顯示的效果。這是因為在Inverter電路到冷陰極管間的配線很容易受到寄生容量影響。以往的Inverter電路可以常看到像這樣很長的配線。而ZAULaS將電流的均等分配模組配置到冷陰極管的電極旁邊，因此可以減少受到寄生容量的影響。
　　我們期望將來能夠將這些電流的均等分配模組改進成為背光系統的一部份以便能夠置入背光板的框體中。如果能實現這樣的構造的話，那麼大型液晶用背光上的燈管數不論有多少，都將不會對Inverter電路的構成造成影響，背光板也可以如同一個大電力的冷陰極管一樣來進行等價處理，而且廠商僅需對我們提出作為綜和特性的電流-電壓特性規格即可。
　　ZAULaS的電流的均等分配模組，可以保證各冷陰極管的燈管電流可恒定地呈現出均等分配的狀態一直到壽命結束為止。因此，以往在多燈用背光Inverter系統的最終組裝製程就可以不需再進行管電流的調整過程，這也是相當大的改革之一。

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