Микросхема OZ960 – контроллер для инверторов ламп CCFL

В современных жидкокристаллических мониторах используются сотни различных микросхем, являющихся контроллерами для управления инверторами задней подсветки. И такое разнообразие элементной базы объясняется несколькими принципами. В настоящее время для построения инверторов используется нескольких вариантов схемотехники: схема Ройера, двухтактная схема, мостовой и полумостовой преобразователи. Для каждой топологии производители элементной базы разрабатывают свой класс микросхем, оптимизированных под управление соответствующей схемой. А если учесть, что производителей элементной базы десятки, то мы и получаем невероятно широкий спектр используемых микросхем. Такое большое разнообразие элементной базы предполагает наличие у сервисного инженера широкого кругозора и наличие достоверной информации об используемых микросхемах. В данной публикации вы найдете не только описание популярной микросхемы, но и рассказ о некоторых особенностях функционирования ламп CCFL и инверторов задней подсветки.

Одной из самых распространенных микросхем, использовавшихся для производства инверторов задней подсветки (Back Light Invertеr), является OZ960, которая выпускается фирмой O2Micro.Этот производитель предлагает функционально законченную линейку контроллеров, предназначенных для управления инверторами CCFL-ламп с самой различной топологией. В настоящее время все большей популярностью пользуется мостовая топология инвертора, так как она обладает целым рядом существенных преимуществ. Именно для инверторов мостовой топологии разработана микросхема OZ960, которую можно встретить в инверторах мониторов таких производителей, как LG, Samsung, Sony, Rover, Philips.

Особенности OZ960

– предназначена для разработки инверторов с широким диапазон входного питающего напряжения (от 8 до 20В);

– имеет встроенные цепи «интеллектуального» управления как для режима «поджига» лампы, так и для режима нормальной работы;

– применение микросхемы снижает количество внешних электронных компонентов инвертора, а также уменьшает размер печатной платы примерно на 30% (по сравнению с традиционными разработками);

– обеспечивает высокий КПД инвертора – до 85%, в то время как обычным значением КПД является 70%;

– предназначена для применения в инверторах с мостовой топологией (с переходом напряжения через ноль);

– имеет встроенные защиты от превышения напряжения на лампах и от обрыва ламп;

– имеет встроенную схему импульсного управления яркостью ламп, которая позволяет обеспечить широкий диапазон регулировки яркости лампы (от 10% до 100%);

– позволяет управлять сразу несколькими лампами;

– позволяет использовать при производстве инверторов простые и надежные трансформаторы с двумя обмотками (рис.1);

– функционирование на фиксированной частоте предотвращает явление интерференции с LCD-матрицей, что позволяет избегать образования муара;

– малое потребление энергии в режиме ожидания.

Рис.1 Варианты трансформаторов для инверторов

Мостовой инвертор, как уже отмечалось, позволяет обеспечить наилучшие энергетические характеристики инвертора. Кроме того, импульсные трансформаторы, которые можно применять в инверторах в случае использования OZ960, не должны содержать специфицированного зазора, т.е. можно использовать трансформаторы без зазоров. Таким образом, трансформаторы становятся простыми, дешевыми и надежными, что, конечно же, положительно сказывается на общей стоимости инвертора, а также позволяет разработчикам очень гибко подходить к проектированию инвертора. Работа микросхемы на частоте, превышающей резонансную частоту высокодобротного параллельного резонансного контура, позволяет обеспечить качественную форму напряжения и тока на лампах CCFL. Использование мостовой топологии позволяет применять импульсные трансформаторы с двумя обмотками, причем первичная обмотка не должна быть обмоткой со средней точкой (трансформаторы, у которых имеется обмотка со средней точкой, трудны для расчета, сложны в производстве и являются более дорогими). Таким образом, применение в инверторе мостовой топологии и микросхемы OZ960 является современным и эффективным решением.

Микросхема OZ960 выпускается в 20-контактном корпусе типа SOP, SSOP или DIP. Описание контактов микросхемы рассматривается в табл.1, а функциональная блок-схема представлена на рис.2.

Таблица 1. Описание контактов контроллера задней подсветки OZ960

Рис.2  Внутренняя архитектура контроллера OZ960

Функционирование OZ960

Для того чтобы хорошо понять принцип функционирования микросхемы, разберем ее отдельные функциональные узлы.

Схема управления «поджигом» лампы

Все флуоресцентные лампы, в том числе и лампы с холодным катодом (CCFL), для своего включения требуют подачи на катоды повышенного напряжения в первоначальный момент времени. Это позволяет «пробить» воздушный слой, разделяющий катоды и создать электрическую дугу. Этот процесс часто называют «поджигом» лампы. После «поджига» лампы, необходимо только лишь поддерживать ее свечение, прикладывая к ее катодам пониженное напряжение. Повышенное «поджигающее» напряжение должно воздействовать на лампу в течение определенного периода времени.

Величина «поджигающего» напряжения и время «поджига» зависят от многих факторов: длины и диаметра лампы, конструкции и формы лампы, конструкции модуля ламп, внешней температуры. Особенностью OZ960 является то, что микросхема позволяет очень гибко подходить к процессу «поджигания» лампы и с помощью внешних элементов позволяет его программировать.

Время «поджигания» определяется емкостью конденсатора подключаемого к контакту CTIMR (конт.1). Приближенно можно считать, что время «поджигания» (в секундах) равно емкости конденсатора (в мкФ). Времязадающий конденсатор заряжается внутренним источником тока 3 мкА. После запуска ламп и начала их нормального функционирования, конденсатор возвращается в исходное (не заряженное) состояние.

Изменение напряжения во время «поджига» осуществляется микросхемой OZ960 за счет увеличения частоты генерации инвертора. Частота работы инвертора определяется частотой внутреннего генератора OZ960, т.е. номиналами резистора RT, подключенного к конт.17, и конденсатора CT, подключенного к конт.18. Изменение номинала этих элементов позволит изменить и частоту инвертора. В OZ960 предусмотрено изменение номинала только резистора RT. В момент «поджига» лампы, эквивалентное сопротивление RT уменьшается за счет подключения дополнительного резистора параллельно резистору RT. Дополнительный резистор (RT1) включается между контактами RT и RT1 и подсоединяется к «земле» внутренним транзистором микросхемы (рис.3). Изменяя сопротивление резистора RT1 можно регулировать напряжение «поджига» (чем меньше сопротивление, тем выше напряжение).

 Рис.3 Формирование времни “поджига”

Задающий генератор

Частота задающего генератора определяется номиналами конденсатора CT и резистора RT и вычисляется по формуле (1). Генератор задает частоту импульсов на выходах PDR_A, NDR_B, PDR_C, NDR_D.

Схема запуска

Запуск микросхемы осуществляется установкой на контакте ENA (конт.13) напряжения более 1.5В.

Мягкий старт

Функция мягкого старта, обеспечивающая плавное нарастание длительности импульсов на выходах микросхемы и, тем самым, облегчающая режим запуска инвертора, обеспечивается внешним конденсатором, подключаемым к контакту SST. Длительность периода мягкого старта не зависит от длительности периода «поджига» и определяется емкостью конденсатора SST. Наиболее типовым значением емкости этого конденсатора является 0.47 мкФ.

Защита от обрыва ламп

Защита от обрыва ламп функционирует и в период «поджига», и в во время нормальной работы ламп. Во время периода «поджига», защита от обрыва осуществляется путем контроля напряжения на входе OVP и потенциала на контакте CTIMR, что исключает ложные срабатывания защиты на начальном этапе работы. Если обрыв лампы фиксируется во время нормальной работы, то микросхема выключается. Защита от обрыва является триггерной, т.е. после ее срабатывания повторный запуск схемы возможен только после выключения питания.

Усилитель ошибки

Ток ламп CCFL, а значит и их яркость, регулируется с помощью усилителя ошибки, который сравнивает входной сигнал обратной связи на контакте FB (конт.9) с опорным напряжением 1.25В. Сигнал обратной связи снимается с токового датчика лампы (резистор с небольшим сопротивлением в цепи ламп).

Контроллер импульсного режима

Этим модулем осуществляется формирование сигнала для регулировки яркости ламп методом прерывистой регулировки (Burst Diming). Как известно, импульсная регулировка яркости Burst Diming позволяет обеспечить более широкий диапазон (от 0% до 100%), в то время как аналоговая регулировка (регулировка током лампы) позволяет изменять яркость в диапазоне до 33%. Для обеспечения Burst Diming в состав контроллера входит задающий генератор, формирующий пилообразное напряжение на контакте LCT (конт.15). Верхний и нижний уровни «пилы» имеют значения соответственно 3В и 1В. Частота генератора определяется по формуле (2).

Пилообразное напряжение с выхода генератора подается на вход ШИМ-компаратора, а на другой вход компаратора подается аналоговое напряжение с контакта DIM. В результате, на выходе компаратора (т.е. на контакте LPWM) формируются прямоугольные импульсы, длительность которых изменяется пропорционально уровню аналогового сигнала. Принцип преобразования аналогового сигнала в импульсный поясняется на рис.4 и рис.5. Полученные импульсы далее прикладываются к контакту обратной связи (контакту FB), что и позволяет регулировать величину тока ламп CCFL.

Рис.4  Принцип формирования импульсного сигнала LPWM

Рис.5 Принцип изменения ширины импульсов LPWM

Выходные драйверы

Четыре выходных драйвера обеспечивают формирование четырех выходных импульсных сигналов (PDR_A, NDR_B, PDR_C, NDR_D). Выходные драйверы работают таким образом, чтобы ключи, соответствующие выходам A и B, а также ключи, соответствующие выходам C и D, не срабатывали одновременно. Это возможно за счет того, что драйверы содержат два NMOS-транзистора и два PMOS-транзистора. Логика управления внешними силовыми транзисторами такова, что во время первого такт активные импульсы должны формироваться одновременно на контакте A и D, а во время второго такта – одновременно на контактах B и C. Длительность импульсов на выходных контактах обратно пропорциональна уровню сигнала FB.

Внутренние транзисторы выходных драйверов в открытом состоянии имеют некоторое конечное сопротивление. Сопротивление открытых внутренних NMOS-транзисторов (выводы NDR) составляет 14 Ом, а PMOS-транзисторов (выводы PDR) – 27 Ом.

Рис.6  Пример схемы инвертора с контроллером OZ960  (увеличить)

Один из вариантов практического использования микросхемы OZ960 представлен на рис.6. Представленная схема не полностью использует функциональные возможности контроллера OZ960. В частности, не используются такие функции, как защита от превышения напряжения (OVP), и изменение напряжения для «поджига» лампы. В остальном же, представленная схема дает вполне ясное представление о том, как выглядит мостовой инвертор, управляемый микросхемой OZ960. После того, как мы достаточно подробно разобрали принцип функционирования микросхемы, пояснения к представленной схеме, на наш взгляд, будут лишними.

Основные параметры и характеристики микросхемы OZ960 приводятся в табл.2.

Таблица 2. Характеристики OZ960