Мікросхема OZ960 – контролер для інверторів ламп CCFL

У сучасних рідкокристалічних моніторах використовуються сотні різних мікросхем, які є контролерами для керування інверторами заднього підсвічування. І така різноманітність елементної бази пояснюється кількома принципами. В даний час для побудови інверторів використовується декілька варіантів схемотехніки: схема Ройєра, двотактна схема, мостовий та напівмостовий перетворювачі. Для кожної топології виробники елементної бази розробляють свій клас мікросхем оптимізованих під управління відповідною схемою. А якщо врахувати, що виробників елементної бази десятки, то ми й отримуємо неймовірно широкий спектр мікросхем, що використовуються. Така велика різноманітність елементної бази передбачає наявність у сервісного інженера широкого кругозору і наявність достовірної інформації про мікросхеми, що використовуються. У даній публікації ви знайдете не тільки опис популярної мікросхеми, але й розповідь про деякі особливості функціонування ламп CCFL та інверторів заднього підсвічування.

Однією з найпоширеніших мікросхем, що використовувалися для виробництва інверторів заднього підсвічування (Back Light Invertеr), є OZ960, яка випускається фірмою O2Micro. В даний час все більшою популярністю користується бруківка топологія інвертора, так як вона має цілу низку істотних переваг. Саме для інверторів бруківки топології розроблена мікросхема OZ960, яку можна зустріти в інверторах моніторів таких виробників, як LG, Samsung, Sony, Rover, Philips.

Особливості 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 Варіанти трансформаторів для інверторів

Мостовий інвертор, як зазначалося, дозволяє забезпечити найкращі енергетичні характеристики інвертора. Крім того, імпульсні трансформатори, які можна застосовувати в інверторах у разі використання OZ960 не повинні містити специфікованого зазору, тобто. можна використовувати трансформатори без проміжків. Таким чином, трансформатори стають простими, дешевими та надійними, що, звичайно ж, позитивно позначається на загальній вартості інвертора, а також дозволяє розробникам дуже гнучко підходити до проектування інвертора. Робота мікросхеми на частоті, що перевищує резонансну частоту високодобротного паралельного резонансного контуру, дозволяє забезпечити якісну форму напруги та струму на лампах CCFL. Використання бруківки топології дозволяє застосовувати імпульсні трансформатори з двома обмотками, причому первинна обмотка не повинна бути обмоткою із середньою точкою (трансформатори, у яких є обмотка із середньою точкою, важкі для розрахунку, складні у виробництві і є більш дорогими). Таким чином, застосування в інверторі бруківки топології та мікросхеми OZ960 є сучасним та ефективним рішенням.

Мікросхема OZ960 випускається у 20-контактному корпусі типу SOP, SSOP або DIP. Опис контактів мікросхеми у табл.1, а функціональна блок-схема представлена на рис.2.

Таблиця 1. Опис контактів контролера заднього підсвічування OZ960

Рис.2 Внутрішня архітектура контролера OZ960

Функціонування OZ960

Щоб добре зрозуміти принцип функціонування мікросхеми, розберемо її окремі функціональні вузли.

Схема керування «підпалом» лампи

Усі флуоресцентні лампи, у тому числі і лампи з холодним катодом (CCFL), для свого включення вимагають подачі на катоди підвищеної напруги в початковий час. Це дозволяє «пробити» повітряний шар, що розділяє катоди та створити електричну дугу. Цей процес часто називають «підпалом» лампи. Після «підпалу» лампи, необхідно лише підтримувати її свічення, прикладаючи до її катодів знижену напругу. Підвищена напруга, що підпалює, повинна впливати на лампу протягом певного періоду часу.

Величина «підпалювальної» напруги і час «запалювання» залежать від багатьох факторів: довжини та діаметра лампи, конструкції та форми лампи, конструкції модуля ламп, зовнішньої температури. Особливістю OZ960 є те, що мікросхема дозволяє дуже гнучко підходити до процесу запалювання лампи і за допомогою зовнішніх елементів дозволяє його програмувати.

Час «підпалювання» визначається ємністю конденсатора, що підключається до контакту CTIMR (конт.1). Приблизно вважатимуться, що час «підпалювання» (у секундах) дорівнює ємності конденсатора (мкФ). Часовий конденсатор заряджається внутрішнім джерелом струму 3 мкА. Після запуску ламп та початку їх нормального функціонування, конденсатор повертається у вихідний (не заряджений) стан.

Зміна напруги під час запалювання здійснюється мікросхемою OZ960 за рахунок збільшення частоти генерації інвертора. Частота роботи інвертора визначається частотою внутрішнього генератора OZ960, тобто. номіналами резистора RT, підключеного до конт.17, і конденсатора CT, підключеного до конт.18. Зміна номіналу цих елементів дозволить змінити частоту інвертора. У OZ960 передбачено зміну номіналу лише резистора RT. У момент «запалювання» лампи еквівалентний опір RT зменшується за рахунок підключення додаткового резистора паралельно резистору RT. Додатковий резистор (RT1) включається між контактами RT і RT1 і приєднується до землі внутрішнім транзистором мікросхеми (рис.3). Змінюючи опір резистора RT1 можна регулювати напругу «запалювання» (чим менше опір, тим вища напруга).

 Рис.3 Формирование времни «поджига»

генератор, Що Задає

Частота генератора, що задає, визначається номіналами конденсатора CT і резистора RT і обчислюється за формулою (1). Генератор визначає частоту імпульсів на виходах PDR_A, NDR_B, PDR_C, NDR_D.

Схема запуску

Запуск мікросхеми здійснюється установкою контакту ENA (конт.13) напруги понад 1.5В.

М'який старт

Функція м'якого старту, що забезпечує плавне наростання тривалості імпульсів на виходах мікросхеми і тим самим полегшує режим запуску інвертора, забезпечується зовнішнім конденсатором, що підключається до контакту SST. Тривалість періоду м'якого старту залежить від тривалості періоду «паління» і визначається ємністю конденсатора SST. Найбільш типовим значенням ємності цього конденсатора є 0.47 мкф.

Захист від обриву ламп

Захист від обриву ламп функціонує і в період «запалювання», і під час нормальної роботи ламп. Під час періоду «запалювання» захист від обриву здійснюється шляхом контролю напруги на вході OVP та потенціалу на контакті CTIMR, що виключає помилкові спрацьовування захисту на початковому етапі роботи. Якщо обрив лампи фіксується під час нормальної роботи, мікросхема вимикається. Захист від урвища є тригерной, тобто. після її спрацювання повторний запуск схеми можливий лише після вимкнення живлення.

Підсилювач помилки

Струм ламп CCFL, а значить і їхня яскравість, регулюється за допомогою підсилювача помилки, який порівнює вхідний сигнал зворотного зв'язку на контакті FB (конт.9) з опорною напругою 1.25В. Сигнал зворотного зв'язку знімається з струмового датчика лампи (резистор з невеликим опором ланцюга ламп).

Контролер імпульсного режиму

Цим модулем здійснюється формування сигналу для регулювання яскравості ламп методом переривчастого регулювання (Burst Diming). Як відомо, імпульсне регулювання яскравості Burst Diming дозволяє забезпечити ширший діапазон (від 0% до 100%), тоді як аналогове регулювання (регулювання струмом лампи) дозволяє змінювати яскравість в діапазоні до 33%. Для забезпечення Burst Diming до складу контролера входить генератор, що задає, формує пилкоподібну напругу на контакті LCT (конт.15). Верхній та нижній рівні «пилки» мають значення відповідно 3В та 1В. Частота генератора визначається за такою формулою (2).

Пилоподібна напруга з виходу генератора подається на вхід ШІМ-компаратора, а на інший вхід компаратора подається аналогова напруга контакту DIM. В результаті на виході компаратора (тобто на контакті LPWM) формуються прямокутні імпульси, тривалість яких змінюється пропорційно до рівня аналогового сигналу. Принцип перетворення аналогового сигналу імпульсний пояснюється на рис.4 і рис.5. Отримані імпульси далі прикладаються до контакту зворотного зв'язку (контакту FB), що дозволяє регулювати величину струму ламп CCFL.

Рис.4 Принцип формування імпульсного сигналу LPWM

Рис.5 Принцип зміни ширини імпульсів LPWM

Вихідні драйвери

Чотири вихідні драйвери забезпечують формування чотирьох вихідних імпульсних сигналів (PDR_A, NDR_B, PDR_C, NDR_D). Вихідні драйвери працюють таким чином, щоб ключі, що відповідають виходам A та B, а також ключі, що відповідають виходам C та D, не спрацьовували одночасно. Це можливо за рахунок того, що драйвери містять два NMOS-транзистори і два PMOS-транзистори. Логіка управління зовнішніми силовими транзисторами така, що під час першого такт активні імпульси повинні формуватися одночасно контакті A і D, а під час другого такту – одночасно контактах B і C. Тривалість імпульсів на вихідних контактах обернено пропорційна рівню сигналу FB.

Внутрішні транзистори вихідних драйверів у відкритому стані мають деякий кінцевий опір. Опір відкритих внутрішніх NMOS-транзисторів (висновки NDR) становить 14 Ом, а PMOS-транзисторів (висновки PDR) – 27 Ом.

Рис.6 Приклад схеми інвертора з контролером OZ960  (збільшити)

Один із варіантів практичного використання мікросхеми OZ960 представлений на рис.6. Представлена схема повністю не використовує функціональні можливості контролера OZ960. Зокрема, не використовуються такі функції, як захист від перевищення напруги (OVP), та зміна напруги для запалювання лампи. В іншому ж представлена схема дає цілком ясне уявлення про те, як виглядає мостовий інвертор, керований мікросхемою OZ960. Після того, як ми докладно розібрали принцип функціонування мікросхеми, пояснення до представленої схеми, на наш погляд, будуть зайвими.

Основні параметри та характеристики мікросхеми OZ960 наводяться в табл.2.

Таблиця 2. Характеристики OZ960