ШИМ контроллер инвертора задней подсветки OZ9938

Количество вновь появляющихся микросхем, специально разработанных для управления инверторами задней подсветки LCD-экранов, постоянно увеличивается. Микросхемы, предназначенные для управления задней подсветкой, образуют уже целый класс микросхем, причем достаточно многочисленный. При всем этом для данного класса микросхем присуще еще и внутреннее деление на отдельные подклассы, отличающиеся областью применения и схемотехникой построенных на их базе инверторов. В этом номере мы даем обзор одного из контроллеров, выпускаемых компанией O2Micro, и предназначенного для управления инвертором, построенным по схеме двухтактного преобразователя. Хочется отметить, что преобразователи этого типа нечасто встречаются в практике, а поэтому вызывают целый ряд вопросов у специалистов сервисных служб.

Двухтактные преобразователи, называемые еще преобразователями Push-Pull (тяни-толкай), не обладают какими-либо серьезными преимуществами перед другими преобразователями, как, впрочем, не имеют они серьезных недостатков. Одним словом – это «середнячки» инверторной схемотехники. Именно потому, что у них нет какого-то одного серьезного преимущества (например, самой низкой стоимости, или самого высокого КПД), их использование не носит массового характера. Тем не менее, элементная база для построения инверторов задней подсветки по схеме двухтактного преобразователя имеется, и одним из таких примеров является контроллер OZ9938.

Напомним, что представляет собой двухтактный преобразователь задней подсветки. Его эквивалентная схема представлена на рис.1.

Рис.1

Преобразователь состоит из следующих основных элементов:

– два силовых ключа – транзисторы Q1и Q2;

– импульсный повышающий трансформатор T1 со средней точкой в первичной обмотке;

– микросхема ШИМ-контроллера.

Транзисторы Q1и Q2 открываются поочередно (в противофазе), в результате чего ток в первичной обмотке протекает то по одному ее плечу, то по другому. При этом во вторичной обмотке трансформатора создается переменная ЭДС, прикладываемая к лампе задней подсветки. Время открытого состояния транзисторов определяет величину ЭДС, наведенной во вторичной обмотке, т.е. регулировкой длительности открывающих импульсов на затворах Q1 и Q2 можно изменять величину напряжения на лампе и регулировать, тем самым, ее яркость. Управление транзисторами осуществляет ШИМ-контроллер, называемый контроллером задней подсветки (BackLight-контроллером). Для стабилизации яркости свечения лампы и защиты от разных аварийных режимов, на вход ШИМ-контроллера подается сигнал обратной связи (FB) пропорциональный величине тока лампы.

Итак, важнейшим элементом двухтактного преобразователя является ШИМ-контроллер, функцией которого является формирование управляющих импульсов для ключевых транзисторов. Современной электронной промышленностью выпускается множество различных контроллеров для управления лампами задней подсветки. При этом тип контроллера и его архитектура определяются схемотехникой инвертора, т.е. для схемы Ройера, двухтактного, полумостового и мостового преобразователя разработаны собственные контроллеры. И вот одним из контроллеров для построения двухтактного преобразователя, является OZ9938.

Особенностями контроллера OZ9938 являются:

– формирование на выходах ШИМ-импульсов положительной полярности;

– работа на фиксированной частоте;

– управление «поджигом» ламп с положительным или отрицательным импедансом;

– наличие встроенной функции «интеллектуального» управления лампами CCFL как в режиме «поджига», так и в режиме нормальной работы;

-наличие встроенной функции защиты от обрыва ламп;

– наличие встроенной защиты от превышения напряжения на лампах;

– наличие оптимизированной функции «мягкого» старта.

Контроллер OZ9938 является контроллером, разработанным для управления лампами CCFL в полногабаритных LCD-дисплеях с количеством ламп от 2 до 6. при этом контроллер обладает хорошими эксплуатационными характеристиками и невысокой стоимостью. Контроллер позволяет преобразовать нерегулируемое постоянное напряжение в близкое к синусоидальному напряжение на лампе. На выходе контролера формируется два управляющих сигнала, обеспечивающих подобное преобразование. Микросхема OZ9938 выпускается в 16- контактном корпусе (рис.2) типа SOIC или DIP.

Рис.2

Назначение сигналов микросхемы описывается в табл.1, а ее основные электрические характеристики – в табл.2.

Таблица 1

Блок-схема контроллера OZ9938 представлена на рис.3.Рассмотрим принципы функционирования этого контроллера.

Рис.3

Таблица 2

Запуск

Для включения микросхемы используется сигнал ENA (конт.10), установка которого в высокий уровень (более 2В) приводит к ее запуску. Если напряжение на контакте ENA становится менее 1В, микросхема выключается.

Soft Start

Для обеспечения функции мягкого старта (Soft Start), в микросхеме OZ9938 используется патентованная фирменная технология, разработанная компанией O2Micro. Эта технология, называемая multi-task (многофункциональная, многозадачная), подразумевает, что функция мягкого старта комбинируется с функцией компенсирующей петли, что позволяет обеспечить наилучшие значения пусковых характеристик. Эти функции обеспечиваются внешним конденсатором, подключаемым к контакту SSTCMP (конт.12). В момент запуска внутренний источник тока обеспечивает заряд этого конденсатора. По мере заряда конденсатора постепенно растет и мощность, потребляемая трансформатором, а, следовательно, и мощность нагрузки. Все это приводит к уменьшению пусковых токов и повышению надежности функционирования ламп CCFL.

Процесс «поджига» лампы

В момент, когда питающее напряжение OZ9938 превысит порог включения, микросхема позволяет активизировать внутренний таймер «поджига». При этом в период «поджига» лампы задающий генератор контроллер работает на частоте, вычисляемой по формуле (1):

Процесс «поджига» лампы контролируется микросхемой OZ9938 для того, чтобы гарантировать подачу на лампы соответствующего напряжения в течение определенного периода времени. Такой контроль должен гарантировать включение лампы и при этом защитить инвертор при неисправностях во вторичной части трансформатора. Напряжение на вторичной стороне трансформатора контролируется за счет сигнала обратной связи, подаваемого на вход VSEN (конт.6). Если напряжение на контакте VSEN достигает уровня примерно 3.0В, то контроллер начинает регулировать выходное напряжение трансформатора путем изменения длительности выходных импульсов. Появление напряжения величиной около 3.0В на контакте VSEN означает, что лампа «зажглась», т.е. что прочес «поджига» завершился успешно. Время «поджига» ограничивается внешним конденсатором, подключаемым к выводу TIMER (конт.3). Пока конденсатор заряжается и пока напряжение на нем не достигнет величины 3.0В, длится период «поджига». Длительность периода «поджига» определяется с учетом следующей зависимости (2):

Если же лампа не зажглась в течение периода «поджига», т.е. напряжение на контакте VSEN не достигло значения 3.0В к тому времени, когда на контакте TIMER напряжение уже стало равным 3.0В, микросхема OZ9938 выключается, и при этом состояние блокировки защелкивается. Для перезапуска контроллера и продолжения работы после такой блокировки, необходимо выключить и затем снова подать питающее напряжение VDDA, или сбросить и снова установить сигнал ENA.

Период нормальной работы

После включения лампы, через нее начинает протекать ток, величина которого контролируется через контакт ISEN (конт.5). Если напряжение на выводе ISEN становится больше 0.7В, то ШИМ-контроллер входит в режим нормальной работы. В этом режиме величина среднего тока лампы регулируется за счет изменения длительности рабочего времени импульсов, формируемых на выходе контроллера (DRV1 и DRV2). Частота задающего генератора на этапе нормальной работы определяется номиналами резистора и конденсатора, подключенных к выводу CT (конт.13), и эта частота рассчитывается по формуле (3):

Постоянство рабочей частоты позволяет уменьшить явление интерференции между инвертором и LCD-панелью, характерное для инверторов с изменяемой частотой генерации. На контакте СT формируется пилообразное напряжение амплитудой 2В.

Защита от обрыва ламп

Если во время нормальной работы инвертора, цепь протекания тока лампы CCFL вдруг прерывается, то на выводе SSTCMP (конт.12) начинает резко расти напряжение. И когда это напряжение достигнет величины 2.5В, внутренний источник тока начнет зарядку внешнего конденсатора, подключенного к выводу TIMER (конт.3). И вот в момент, когда напряжение на выводке TIMER достигнет величины примерно 3.0В, выходы контроллера блокируются и это состояние защелкивается. Для перезапуска контроллера и продолжения работы после такой блокировки, необходимо выключить и затем снова подать питающее напряжение VDDA, или сбросить и снова установить сигнал ENA.

Временная задержка при срабатывании защиты позволяет избежать блокировки контроллера при скачках питающего напряжения VIN, а также при использовании ламп с положительной характеристикой импеданса.

Длительность задержки при срабатывании защиты от обрыва ламп определяется с учетом следующей зависимости (4):

Защита от превышения напряжения и превышения тока

Состояния превышения напряжения и превышения тока контролируются через вход VSEN (конт.6). Если во время нормальной работы инвертора, цепь протекания тока лампы CCFL вдруг прерывается, то напряжение контакта VSEN начинает возрастать. Когда это напряжение сравняется с напряжением на контакте OVPT (конт.7), начинается регулировка длительности рабочего цикла выходных импульсов и активируется таймер защиты (см. предыдущий раздел). Уровень напряжения OVPT задается разработчиком схемы с помощью внешних резистивных делителей, и он должен быть менее 3.0В. Это напряжения задает общий порог срабатывания защиты и является индивидуальным для каждой схемы. Дальнейшая блокировка и выход из состояния блокировки происходит точно так же, как это было для защиты от обрыва ламп.

Регулировка яркости

Регулировка яркости в OZ9938 может осуществляться одним из трех способов:

– аналоговым;

– внутренним низкочастотным ШИМ;

– внешним ШИМ.

Аналоговая регулировка активируется, если ко входу LCT (конт.11) прикладывается сигнал высокого уровня (более 3В). В этом случае аналоговый сигнал постоянного тока величиной от 0.5В до 1.25В, приложенный ко входу DIM (конт.4), управляет величиной тока через CCFL-лампу.

Внутренняя низкочастотная ШИМ-регулировка используется в случае, если ко входу LCT подключаются внешний резистор и внешний конденсатор. В результате, на контакте LCT начинает генерироваться низкочастотное пилообразное напряжение амплитудой около 1.5В, частота которого определяется формулой (5):

Полученное пилообразное напряжение сравнивается внутренним ШИМ-компаратором с аналоговым напряжением контакта DIM. В результате, внутри OZ9938 формируются положительные импульсы с изменяющейся длительностью рабочего цикла. Длительность рабочего цикла (duty cycle) равна примерно 100%, если напряжение на входе DIM выше 1.5В, и это соответствует максимальной яркости лампы. Если же величина входного сигнала DIM менее 0.1В, то длительность рабочего цикла равна практически 0%, что соответствует темному экрану LCD-панели.

Внешняя ШИМ-регулировка яркости используется, если на контакте LCT устанавливается постоянноt напряжение величиной от 0.5В до 1.0В. Такое смещение создается из напряжения VDDA с помощью внешнего резистивного делителя. В случае внешней импульсной регулировки яркости, ШИМ-импульсы, формируемые главным микропроцессором монитора напрямую прикладываются ко входу DIM (конт.4).