陳秋麟臺灣大學：電子工程學研究所林柏丞Lin, Po-ChenPo-ChenLin2007-11-272018-07-102007-11-272018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/57490背光源系統是液晶平面電視中非常重要的部份，背光源的能源消耗佔了整體液晶電視能源消耗的大部分，隨著平面電視尺寸越大，背光源系統的能量消耗越多，因此將壓電變壓器利用在背光源系統中將可追求更好的能源效率使用，藉以提升整體平面顯示器產業的技術水準。 壓電變壓器是高效率的電能轉換元件，它不但具有更高的安全性而且有更低的電磁波干擾，在體積上還有比傳統電磁式變壓器更薄型化的優勢。但是壓電變壓器的增益在共振頻率才會達到最高的升壓比與效率，所以工作頻率的維持是操作壓電變壓器的重要因素。 本論文針對壓電變壓器在液晶電視背光源系統中的應用進行探討，主要針對壓電變壓器輸出電流與輸入電壓相位差與頻率及增益的關係提出一種相位控制的方式，利用輸出電流相位作為回授控制的訊號以達成壓電變壓器工作頻率的維持，並且以設計的相位控制電路來進行壓電變壓器點亮冷陰極管與外部電極冷陰極管的實驗。The backlight system is one of the most important parts in the liquid crystal display (LCD) TV. It consumes most of the power of the whole TV system. Furthermore, the power dissipated by the backlight system increases as the size of the LCD increases. To achieve higher power efficiency, piezoelectric transformers are utilized in the backlight systems. A piezoelectric transformer can be a high-efficiency power converter. Compared with a traditional electromagnetic transformer, it has many advantages such as higher safety, lower electromagnetic interference (EMI) and smaller volume. However, a piezoelectric transformer has the highest efficiency and the highest voltage gain only when it is operated around its resonant frequency. As a result, it is very important to maintain the operating frequency of a piezoelectric transformer. This thesis is focused on the application of the piezoelectric transformer in the LCD TV backlight system. The relations between the phase difference of the input voltage and the output current, operating frequency, and voltage gain are discussed. A phase control strategy is also proposed. The control strategy uses the phase of the output current as the feedback signal to maintain the operating frequency of the piezoelectric transformer. We implement the designed phase controlled circuit with piezoelectric transformer to ignite the CCFL and the EEFL.目錄 第一章 緒論 1.1 研究背景與動機………………………………………………1 1.2 內容簡介………………………………………………………3 第二章 背光源系統 2.1 背光源…………………………………………………………4 2.2 背光反流器……………………………………………………7 第三章 壓電變壓器簡介 3.1 壓電變壓器發展…………………………………………….10 3.2 壓電變壓器特性…………………………………………….13 3.3 相關專利…………………………………………………...14 3.4 壓電變壓器等效電路……………………………………….18 第四章 相位控制電路 4.1 系統架構…………………………………………………….21 4.2 壓控變頻與參考訊號產生器……………………………...23 4.3 可調式相位差……………………………………………...26 4.4 相位檢測電路……………………………………………...28 4.5 電荷幫浦……………………………………………….....29 4.6 高壓驅動方式與半橋式輸出……………………………….31 4.7 啟動方式…………………………………………………….32 第五章 實驗測量與系統規劃 5.1 Rosen壓電變壓器等效電路模擬……………………………35 5.2 用壓電變壓器點不同長度燈管實驗……………………….37 5.3 同一燈管 不同輸入電壓實驗………………………………46 5.4 壓電變壓器輸出端燈管並聯電阻的實驗………………….49 5.5 利用相位控制方式來點亮EEFL實驗……………………...54 5.6 系統規劃…………………………………………………….56 第六章 6.1 結論………………………………………………………….60 6.2 未來展望…………………………………………………….61 圖目錄 圖 2.1.1 冷陰極管結構圖…………………………………………4 圖 2.1.2 冷陰極管原理圖…………………………………………5 圖 2.1.3 冷陰極管電壓電流曲線示意圖…………………………5 圖 2.1.4 燈管亮度與電流示意圖…………………………………6 圖 2.2.1 推挽式反流器……………………………………………7 圖 2.2.2 全橋反流器………………………………………………8 圖 2.2.3 半橋壓電式反流器………………………………………9 圖 3.1.1 Rosen 型壓電變壓器示意圖………………………….10 圖 3.1.2 Rosen 型壓電變壓器………………………………….11 圖 3.1.3 三階橫向模態變壓器示意圖………………………… 11 圖 3.1.4 中央驅動半波長型變壓器示意圖…………………….12 圖 3.2.1 壓電變壓器頻率響應………………………………….14 圖 3.4.1 簡化壓電變壓器RLC示意圖…………………………..18 圖 3.4.2 Rosen 壓電變壓器等效電路………………………...18 圖 3.4.3 不同輸出負載對效率及增益圖……………………….19 圖 3.4.4 效率與相位差關係圖………………………………….20 圖 4.1.1 實驗架構……………………………………………….21 圖 4.2.1 壓控震盪與參考訊號產生器………………………...23 圖 4.2.2 壓控震盪器架構...............................24 圖 4.2.3 壓控震盪器函數圖…………………………………….24 圖 4.2.4 系統波形圖…………………………………………….25 圖 4.3.1 可調式相位差電路結構……………………………….26 圖 4.3.2 系統波形示意圖……………………………………….27 圖 4.4.1 相位檢測電路………………………………………….28 圖 4.5.1 (a)第一型電荷幫浦 (b) 第二型電荷幫浦………….29 圖 4.5.2 使用第一型電荷幫浦的相位檢測電路輸入電壓…….30 圖 4.5.3 使用第二型電荷幫浦的相位檢測電路輸入電壓…….30 圖 4.6.1 高壓驅動方式與半橋式輸出………………………… 31 圖 4.7.1 第一型電荷幫浦啟動狀態示意圖…………………….32 圖 4.7.2 系統波形圖…………………………………………….32 圖 4.7.3 第二型電荷幫浦啟動狀態示意圖…………………….33 圖 4.7.4 系統電路……………………………………………….34 圖 5.1.1 壓電變壓器等效電路圖……………………………….35 圖 5.1.2 負載對相位差模擬…………………………………….36 圖 5.1.3 負載對相位…………………………………………….36 圖 5.2.1 實驗架構圖…………………………………………….37 圖 5.2.2 相位差100°時燈管電流圖…………………………....39 圖 5.2.3 相位差 85°時燈管電流圖………………………………39 圖 5.2.4 相位差60°時燈管電流圖……………………………….40 圖 5.2.5 壓電變壓器點30cm CCFL 實驗圖……………………..40 圖 5.2.6 相位差85°時燈管電流圖……………………………….41 圖 5.2.7 相位差70°時燈管電流圖……………………………….41 圖 5.2.8 相位差50°時燈管電流圖……………………………….42 圖 5.2.9 相位差35°時燈管電流圖……………………………….42 圖 5.2.10 相位差-30°時燈管電流圖……………………………..43 圖 5.2.11 壓電變壓器點30cm CCFL 實驗圖…………………....43 圖 5.2.12 相位差50°時燈管電流圖…………………….........44 圖 5.2.13 相位差85°時燈管電流圖……………………………...44 圖 5.2.14 相位差90°時燈管電流圖……………………………...45 圖 5.3.1 輸入電壓為90V 燈管電流與輸入電壓圖……………..47 圖 5.3.2 輸入電壓為100V 燈管電流與輸入電壓圖…………….47 圖 5.3.3 輸入電壓為110V 燈管電流與輸入電壓圖…………….48 圖 5.4.1 10cmCCFL並聯6.8MΩ電阻的燈管電流和輸出電壓…...50 圖 5.4.2 10cmCCFL並聯6.8MΩ電阻的燈管電流和輸入電壓…...50 圖 5.4.3 10cmCCFL並聯6.8MΩ電阻的輸出電壓和輸入電壓…...51 圖 5.4.4 10cmCCFL燈管電流和燈管跨壓………………………..51 圖 5.4.5 10cmCCFL燈管電流和輸入電壓………………………..52 圖 5.4.6 10cmCCFL輸入電壓和燈管跨壓………………………..52 圖 5.5.1 利用相位控制方式來點亮EEFL實驗圖………………..54 圖 5.5.2 EEFL燈管電流與輸入電壓……………………………..55 圖 5.6.1 相位差與增益對頻率……………………………………56 圖 5.6.2 系統規劃1……………………………………………….58 圖 5.6.3 系統規劃2……………………………………………… 59 表目錄 表3.3.1 .2001-2003美國專利形態…………………………………15 表3.3.2 .2001-2003各國企業擁有專利數…………………………15 表5.2.1 .不同長度燈管最大電流時相位差……………………….45 表5.3.1 .不同輸入電壓實驗……………………………………….48 表5.4.1 .並聯6.8MΩ電阻對輸出端相位影響…………………....531151658 bytesapplication/pdfen-US壓電變壓器背光反流器相位控制PiezoelectricInverterPhase Controlledthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/57490/1/ntu-94-R92943107-1.pdf