陳秋麟臺灣大學：電子工程學研究所黃朝巖Huang, Chao -YenChao -YenHuang2007-11-272018-07-102007-11-272018-07-102004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/57439本文採用含壓電變壓器之半橋式共振反流器，文中針對縮小反流器系統之體積、提高電路轉換效率及背光反流器系統必v型系統晶片規劃，進行研究探討。 壓電變壓器有著體積小，效率高、無線圈和無電磁干擾的優點，所以是一個非常引人注意的材料。 以定頻控制和相位控制為基礎的控制方式被用來控制壓電式背光換流器系統在本文中被提及。此種控制方式可是壓電變壓器永遠被操作在共振頻率上不受製程和溫度變異的影響。 最後，壓電變壓器之半橋式共振反流器的系統控制晶片的系統控制電路被規劃及設計。A half-bridge inverter with a cascading piezoelectric transformer (PT) is designed for cold cathode fluorescent lamps (CCFLs). The circuit systems are selected to achieve (1) smaller volume, (2) higher efficiency, and (3) backlight inverter power system on a chip (Power SOC) futurely. A piezoelectric transformer is very attractive material since it has many advantages, low profile , high efficiency , no windings , and no electromagnetic noise. A control strategy for piezoelectric transformer backlight inverter based on a constant frequency control and phase control is presented. The control always tracks piezoelectric transformer resonance frequency, independently of process variation and temperature variation. Finally, a control chip circuit for half-bridge inverter with a cascading piezoelectric transformer is planned and designed.目錄 第一章 序論………………………………………………………………………1 1.1研究背景與動機……………………………………………………………1 1.2論文架構……………………………………………………………………8 第二章 液晶顯示器背光系統……………………………………………………9 2.1冷陰極管特性…………………………………………………………… 11 2.2電磁變壓器反流器……………………………………………………… 13 2.3電磁變壓器反流器……………………………………………………….15 2.4壓電變壓器反流器……………………………………………………….23 第三章 驅動壓電變壓器的控制方式……………………………………………28 3.1定頻控制………………………………………………………………….28 3.2變頻控制………………………………………………………………….29 3.3相位控制……………………………………………………………………30 3.4混合控制………………………………………………………………….32 第四章 壓電式半橋共振反流器…………………………………………………36 4.1含濾波器之電流操作模式……………………………………………….36 4.2不含濾波器之電流操作模式…………………………………………….42 第五章 控制晶片設計……………………………………………………………49 5.1晶片系統操作…………………………………………………………….49 5.2啟動器…………………………………………………………………….57 5.3振盪器…………………………………………………………………….63 5.4追頻器…………………………………………………………………….84 5.5調光器…………………………………………………………………….90 5.6保護器…………………………………………………………………….95 5.7驅動器…………………………………………………………………….99 第六章 結論…………………………………………………………………….102 6.1 總結………………………………………………………………………102 6.2 未來發展方向……………………………………………………………102 圖目錄 圖1.1.1傳統兩級式液晶顯示器背光反流器系統架構…………………………….2 圖1.1.2半橋式串聯共振反流器系統架構………………………………………….3 圖1.1.3 壓電式半橋串聯共振反流器系統架構………………………………….3 圖1.1.4 調頻回授控制系統……………………………………………………….5 圖1.1.5 積體型化直流/交流轉換器系統………………………………………..7 圖2 液晶顯示器系統架構…………………………………………………………9 圖2.1.1 冷陰極管電壓電流特性曲線…………………………………………..11 圖2.1.2 冷陰極管 亮度-操作電流 特性曲線………………………………….12 圖2.1.3 冷陰極管 亮度-操作頻率 特性曲線………………………………...12 圖2.2.1 推挽式反流器系統架構………………………………………………..13 圖2.2.2 全橋式反流器系統架構………………………………………………..14 圖2.3.1 體積小、效率高………………………………………………………..15 圖2.3.2 羅森型壓電變壓器…………………………………………………….17 圖2.3.3 三階橫向模態型壓電變壓器………………………………………….17 圖2.3.4 交替極性型…………………………………………………………….18 圖2.3.5 羅森型壓電變壓器震動模式………………………………………….19 圖2.3.6 羅森型壓電變壓器震動模式………………………………………...19 圖2.3.7 正壓電效應……………………………………………………………..20 圖2.3.8 反壓電效應……………………………………………………………..20 圖2.3.9 壓電變壓器的等效電路(一) …………………………………………..21 圖2.3.10 壓電變壓器的等效電路(二) ………………………………………….22 圖2.4.1 壓電式返馳式反流器系統架構……………………………………….23 圖2.4.2 壓電式電流潰入推挽反流器系統架構……………………………….24 圖2.4.3 壓電式推挽式反流器系統架構……………………………………….25 圖2.4.4 壓電型半橋共振反流器系統架構(含電感) ………………………….26 圖2.4.5 壓電式半橋共振反流器系統架構(無電感) ………………………….27 圖3.1 定頻控制系統方塊圖……………………………………………………..28 圖3.2 壓電式背光反流器冷陰極管的輸出電流控制方法方塊圖……………..29 圖3.3 直流/直流轉換器使用壓電變壓器的控制策略………………………….31 圖3.4.1 壓電型轉換器的脈波寬度調變和脈波頻率調變控制系統方塊圖…..33 圖3.4.2 脈波寬度調變和脈波頻率調變控制電路……………………………..34 圖3.4.3 脈波寬度調變和脈波頻率調變控制電路的時序圖………………….35 圖4.1.1 壓電式半橋共振反流器(含電感)系統等效電路圖………………….36 圖4.1.2 壓電式半橋共振反流器(含電感)之主要波形圖………………………39 圖4.1.3 狀態一之等效電路圖………………………………………………….40 圖4.1.4 狀態二之等效電路圖……………………………………………………40 圖4.1.5 狀態三之等效電路圖………………………………………………….41 圖4.1.6 狀態四之等效電路圖……………………………………………………41 圖4.2.1 壓電式半橋共振反流器(無電感)系統之等效電路圖……………….42 圖4.2.2 壓電式半橋共振反流器(無電感)之主要波形圖………………………45 圖4.2.3 狀態一之等效電路圖…………………………………………………..46 圖4.2.4 狀態二之等效電路圖……………………………………………………46 圖4.2.5 狀態三之等效電路圖………………………………………………….47 圖4.2.6 狀態四之等效電路圖……………………………………………………47 圖4.2.7 狀態五之等效電路圖……………………………………………………48 圖5.1.1 壓電式半橋共振換流器的控制晶片系統…………………………….49 圖5.1.2 啟動器………………………………………………………………….50 圖5.1.3 VA電壓波形圖………………………………………………………….50 圖5.1.4 振盪器………………………………………………………………….51 圖5.1.5 振盪器輸出頻率對時間圖…………………………………………….51 圖5.1.6 追頻器………………………………………………………………….52 圖5.1.7 追頻器頻率對時間圖………………………………………………….52 圖5.1.8 調光器………………………………………………………………….53 圖5.1.9 責任週期對冷陰極管的電流圖……………………………………….54 圖5.1.10 保護器…………………………………………………………………55 圖5.1.11 驅動器………………………………………………………………….56 圖5.1.12 振盪器輸出電壓為準提升……………………………………………56 圖5.2.1 低電壓保護器………………………………………………………….57 圖5.2.2 低電壓保護器狀態一操作…………………………………………….58 圖5.2.3 低電壓保護器狀態二操作…………………………………………….59 圖5.2.4 低電壓保護器狀態三操作…………………………………………….60 圖5.2.5 低電壓保護器狀態四操作…………………………………………….61 圖5.2.6 低電壓保護器模擬結果……………………………………………….62 圖5.3.1 振盪器………………………………………………………………….63 圖5.3.2 掃頻振盪器…………………………………………………………….64 圖5.3.3 壓控震盪器…………………………………………………………….65 圖5.3.4 掃頻震盪器的頻率對時間圖………………………………………….66 圖5.3.5 壓控振盪器的頻率對時間圖………………………………………….66 圖5.3.6 掃頻振盪器…………………………………………………………….68 圖5.3.7 掃頻振盪器操作原理………………………………………………….69 圖5.3.8 電流源CS1電流值模擬結果…………………………………………..70 圖5.3.9 A點電壓模擬結果………………………………………………………70 圖5.3.10 電流源CS2電流值模擬結果………………………………………….71 圖5.3.11 電流源CS2電流值與A點電壓值關係模擬結果…………………….71 圖5.3.12 電流源CS3電流值模擬結果………………………………………….72 圖5.3.13 電流源CS5電流值模擬結果………………………………………….72 圖5.3.14 V點電壓模擬結果…………………………………………………….73 圖5.3.15 VA點電壓模擬結果…………………………………………………..73 圖5.3.16 VB點電壓模擬結果………………………………………………….74 圖5.3.16 VB點電壓模擬結果………………………………………………….74 圖5.3.18 電晶體(I160)電流模擬結果………………………………………….75 圖5.3.19 G點電壓模擬結果…………………………………………………….75 圖5.3.20 Q點電壓模擬結果…………………………………………………….76 圖5.3.20 Q點電壓模擬結果…………………………………………………….76 圖5.3.22 初始頻率延遲時間所造成的誤差……………………………………78 圖5.3.23 正常操作頻率延遲時間所造成的誤差………………………………78 圖5.3.24 振盪器中電阻R3阻值和正常操作頻率Fope頻率大小的關係…….79 圖5.3.25 電容C1容值和掃頻時間Ti大小的關係圖………………………….80 圖5.3.26電阻R2阻值和最大操作頻率Fmax頻率大小的關係圖……………….81 圖5.3.27 壓控振盪器原理………………………………………………………82 圖5.3.28 壓控振盪器的控制電壓(V點電壓)和正常操作頻率的關係圖…….83 圖5.4.1 相位檢測器電路………………………………………………………….84 圖5.4.2 相位檢測器波形圖………………………………………………………86 圖5.4.3 電荷喞喞器……………………………………………………………….87 圖5.4.4 相位檢測器模擬結果…………………………………………………….88 圖5.4.5 二階低通濾波器………………………………………………………89 圖5.5.1 調光器…………………………………………………………………….90 圖5.5.2 調光器…………………………………………………………………….92 圖5.5.3 調光器操作時序圖……………………………………………………….93 圖5.5.4 調光器模擬結果………………………………………………………….94 圖5.6.1 保護器…………………………………………………………………….95 圖5.6.2 保護器操作狀態一……………………………………………………….96 圖5.6.3 驅動器操作狀態二……………………………………………………….97 圖5.6.4 保護器模擬結果………………………………………………………….98 圖 5.7.1驅動器…………………………………………………………………….99 圖 5.7.3驅動器操作狀態二………………………………………………………100 圖 5.7.4驅動器模擬結果…………………………………………………………1012025187 bytesapplication/pdfen-US壓電變壓器定頻控制相位控制冷陰極螢光燈Cold Cathode Fluorescent LampCCFLphase controlconstant frequency controlpiezoelectric transformer[SDGs]SDG3thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/57439/1/ntu-93-R91943043-1.pdf