TWI327301B - Push-pull driver with null-short feature - Google Patents

Description

1327301 , ^ ( 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明主要是關於一種在背光系統（back 1 ight system) 中提供螢光燈電力的驅動電路，尤其是關於一種兼有推拉 開關拓撲（pull-push switching topology)和全橋 (f u 11 -br i dge )開關拓撲兩種優點的驅動電路。 【先前技術】 在液晶顯示器（Liquid Crystal Display, LCD)的應用 中’背光用來照亮螢幕’使之明顯可見。一些傳統的換流 器（invert er)拓撲（如主動式前置钳位（active ci amyng forward)、移相式（phase-shifted)全橋、諧振式 (resonant)全橋、不對稱半橋及推拉式等等）可促進零電 壓或零電流切換，以最小化切換壓力和損失。在這些傳統 的換流器拓撲中，全橋拓撲和推拉拓撲因其能產生對稱的 燈電流波形而被接受用於冷陰極螢光燈（c〇ld Cath〇de 鲁Flu〇rescent Ump，CCFL)換流器的應用β 對於冷陰極營光燈（(m)換流器的應用，傳統的全橋拓 撲和傳統的推拉拓撲分财其優m㈣全橋拓撲能 二時控制電路的性能。例如，當未將驅動電壓加到初級線 = (pnmary Wlnding)時，可將一短路電路跨接在傳統全 二拓，^壓H的初級傳統的全橋拓撲有利於將儲 中Μ μ㈣在變㈣或電感器_電容器（或儲能槽）電路 相反的 傳統的推拉拓撲有時會放 鬆對電路性能的直接 94124826 5 控制。例如，當驅動雷懕勻古 拓撲的變壓的、&始 σ ,初級線圈時，傳統推拉 個開St 圈可在正負電源的範圍內產生- 傳統的推拉拓撲允許儲 月b電路巾的能署、、φ ^而丨，， ίαΓ τ J 1»f 』月匕里凜漏回到初級線圈電 穿過連接初級線圈的開關電晶體的電壓’：？ 梦而庙儲存和損失的循環重複發生。 :而，傳統的推拉拓撲較傳統的全橋拓撲需要較少 :制：號广在電力(p〇wer)傳遞路徑中引入較少的電 力扣失，並具有較少的元件。 -方面’傳統的全橋拓撲通常具有更複雜的驅動電路 和較低的功率效率。例如，傳統的全橋拓撲要驅動一套上 開關和#下開關。而上開關和下開關通常係使用不同大 小的閘極驅動控制訊號之位準。另外，上開_啟動電阻 (〇n-reslstanCe)在電力傳遞路徑中顯示的電力損失為 【發明内容】 本發明的一個實施例提出一種兼有傳統的全橋拓撲和 傳統的推拉拓撲兩種優點的無短路結構的驅動器。例如， 無紐路結構的推拉式驅動器在沒有驅動電壓作用（或電力 /又有傳遞到負載）時，無須複雜的驅動控制訊號或在電力 傳遞路徑中引入額外的電力損失也能恢復對電路行為的 控制。無短路結構的推拉式驅動器在實現傳統的全橋拓撲 的優點的同時，有利地允許使用推拉式控制器來維持傳統 的推拉拓撲的優點。換句話說，推拉式控制器出現在變壓 94124826 1327301 器中，而其在具有無短路結構的推拉式驅動器的次級 (secondary)線圈猶如是一全橋式控制器。 、‘本發明之一實施例’推拉式驅動器（或換流器）包括一個 變壓器，其具有三組初級線圈和四個半導體開關（或開關 電晶體）。變壓器和半導體開關均以推拉式開關拓撲排 .列。例h，第-半導體開關連接在第一組初級線圈的第一 接線端（terminal)和參考節點之間。第二半導體開關連接 在第二組初級線圈的第二接線端和參考節點之間。一個電 源（或電壓源）連接在第一組初級線圈的第二接線端和第 二組初級線圈的第一接線端之間。在實施例中，一個電流 回饋電路（如感測電阻）連接在參考節點與接地之間，以檢 測第一和第二組初級線圈的電流大小。 第一和第二組初級線圈以交替的極性（或相位）將電力 傳遞到連接且跨接在變壓器的次級線圈上的負載（如 燈）。例如，第一半導體開關和第二半導體開關交替地（或 φ週期地）導通以產生一個交流（Ac)訊號穿過變壓器的次級 線圈。當第一半導體開關啟動時，電力以第一極性傳遞到 負載’而當第一半導體開關啟動時，電力以第二極性（或 相反）傳遞到負载。在實施例中，該負載包括至少一用於 背後照明一顯示面板（如液晶顯示器）的螢光燈（或冷陰極 螢光燈）。 第三半導體開關和第四半導體開關分別連接在第三組 初級線圈的相反接線端和共用電壓（或校準電壓）之間。當 第一和第二半導體開關都不啟動（或關閉）時，第三和第四 94124826 7 1327301 半導體開關才啟動（或開啟）^因此，當未傳遞電力到負載 寺第二組初級線圈被組態成短路。將第三組初級線圈短 路有利於保持（或實質上維持）變壓器核心的通量（flux) 狀態和使損失減到最少（或提高電力效率）。 在實施例中，三組初級線圈都是三線繞法（tri_fUar windings)或並排繞接在繞線筒（b〇bbin)的單層。第一和 第二組初級線圈的匝數實質上相等。第一和第二組初級線 圈為一個初級線圈的一部分，該初級線圈具有一中心分接 頭（center-tap)用以與電源相連接，以及相反的接線端用 以分別與第一半導體開關和第二半導體開關相連。在實施 例中，二組初級線圈具有實質上相等的匝數（如17)。 在：施例中，第一和第二半導體開關是N型電晶體(如 N型％效應電晶體或雙極性結面電晶體），而第三和第四 2體開關則是P型電晶體。這四個半導體開關能有利地 被輸出兩個驅動訊號的推拉式控制器控制。例如，第一驅 =號控制第一和第三半導體開關，而第二驅動訊號則控 制第一和第四半導體開關。 為，本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易 τ下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明 如下。 【實施方式】 圖1係說明一個益短路紝谨的妞 例。推加h A 式驅動器的實施 拉式驅動器（或換流器）包括一個 變壓器1 ηη目士杜 文！态1UU，而該 〇/、有第一組初級線圈104、第二組初級線圈102 94124826 1327301

和第二組初級線圈1 〇6。第二組初級線圈丨〇2的第一接線 端和第一組初級線圈1〇4的第二接線端共同連接到一個 電源VS1上。燈負載110連接且跨接在變壓器1〇〇的次級 線圈108上。燈負載110包括一或多個在液晶顯示器應用 令背光系統的冷陰極螢光燈。 推拉式驅動器亦包括四個連接到變壓器1〇〇的半導體 開關（或開關電晶體）112、114、116、118。這四個半導體

開關112、114、116、118可以是Ρ型或^^型電晶體（如雙 極性接面電晶體或場效應電晶體）。在如圖丨所示的實施 例中，第一和第二半導體開關112、114是Ν型金屬氧化 物半導體場效應電晶體（N—M0SFETs)，而第三和第四半導 體開關116、118則是p型金屬氧化物半導體場效應電晶 體（P-MOSFETs)。第一和第二半導體開關112、114能減少 電力在傳遞到燈負載11〇中的損失。儘管p_M〇SFETs能用 $實現使第一和第二半導體開關112、114, N_M〇SFETs通 常有較低的啟動電阻而減少電力損失。第三和第四半導體 開關116、118是用於導通磁化電流而未用於減少電力損 失。 、 第一半導體開關（Q1) 112具有一個連接到第一組初級線 圈10 4之第一接線端的沒極接線端和一個連接到來考節 點的源極接線端。第二半導體開關（Q2)U4具有一個連^ 到第二組初級線圈1〇2的第二接線端的汲極接線端和一 個連接到參考節點的源極接線端。在如圖丨所示的實施例 中’ 一個感測電阻（RS)120接在參考節點和接地之 、 94124826 9 1327301 檢測級線圈104和第二組初級線圈1〇2之電流的大 ㈣1:的導：開關⑽)116具有一個連接到第三組初級 2 106的第一接線端的汲極接線端和 電壓⑽）的源極接線端。第四半導體開關（Q4)ii8 = :個連接到第三組初級線圈1G6的第二接線端的沒極接 線端和一個連接到共用電壓的源極接線端。 .第一驅動訊號A係連接到第一半導體開關112和第三半 導體開關116的閘極接線端。第二驅動訊號B係連接到第 二半導體開關114和第四半導體開關118的閘極接線端。 第一驅動訊號和第二驅動訊號週期性地作用而產生一個 驅動燈負載110的交流訊號（如燈訊號）。例如，第一驅動 訊號啟動（或高邏輯）一第一持續時間以打開第一半導體 開關112。當第一半導體開關112被打開時，電流通過第 一組初級線圈104，而相應的電流以第一方向（或極性）通 過次級線圈108。第二驅動訊號啟動一第二持續時間以打 開第二半導體開關114。當第二半導體開關丨14被打開 時’電流通過第二組初級線圈1 〇 2，而相應的電流以第二 方向通過次級線圈108。 第一驅動訊號和第二驅動訊號的啟動狀態不會重疊。當 第一驅動訊號不啟動（或低邏輯）時，第三半導體開關1 i 6 啟動（或開啟），將第三組初級線圈106的第一接線端連接 到共用電壓。當第二驅動訊號不啟動時，第四半導體開關 118啟動，將第三組初級線圈106的第二接線端連接到共 用電壓。因此，當第一和第二驅動訊號同時不啟動時，第 94124826 10 1327301 三組初級線圈106被有效地短路而導通磁化電流。將第三 組初級線目106短路有利於保持(或實質上維持)突狀： 時變壓器核心的通量狀態，此時，I 二〜 曰钕& A 無。冊疋弟一 +導體開關 运疋第一半導體開關114都不啟動而不將電力（或能 量脈衝）傳遞到燈負載11Ge將第三組初級線目⑽在零 狀態時紐路有利於將損失減到最少以及提高電力效率。儘 管圖1所示的實施例係使用兩個由驅動訊號A、B控制的 半導體開Μ 116、118來使第三組初級線圈1G6短路，但 疋其他架構也可能使第三組初級線圈1〇6在零狀態時短 路。 〜 第一組初級線圈1 〇4和第二組初級線圈i 〇2的匝數實質 上相等，第三組初級線圈1〇6用來導通磁化電流且可有任 意的匝數。在實施例中，這三組初級線圈2 〇2、工〇4、^ 都是二線繞法或並排繞接在繞線筒的單層，其匝數實質上 相等（如17)。第一和第二組初級線圈（或電力線圈）丨〇4、 春102可以是具有中心分接頭且與電源相連接的初級線圈的 一部分，初級線圈的相反接線端分別與第一半導體開關 U 2和第二半導體開關114相連。該電源可以是一個具有 一定幅值範圍（如1〇〜2〇伏）的直流電壓源（如電池）。 圖2係說明另一個無短路結構且連接到一個推拉式控 制器200的推拉式驅動器的實施例。圖2所示的推拉式驅 動器實質上與圖1中的推拉式驅動器相似，只是額外具有 一過遽電阻（R2)2〇2、一過濾電容（C1)2〇4和該推拉式控 制器200 °其中變魘器100和初級線圈102、104、1〇6連 94124826 1327301 接至半導體開關112、114、116、118的方式與圖1中的 實施例相同。然而，初級線圈1〇2、1〇4、1〇6中，第一組 初級線圈104和第二組初級線圈i 〇2被晝成顯示有申心分 接頭的初級線圈。 過;慮電阻2 0 2係連接到參考節點與過據電容2 〇 4的第一 接線端之間。過濾電容204的第二接線端與地相連。跨接 於過濾電容204兩端的電壓係提供至推拉式控制器2〇〇的 電流感測輸入端（CS+，CS-)。過濾電容204兩端的電壓係 提供一個表示第一和第二組初級線圈丨〇4、丨〇2傳導的平 均電流的大小之指示，用來控制傳遞到燈負載11〇的電力 (或燈負載110的亮度）。例如，第一和第二驅動訊號啟動 2時間可以延長以增加燈負載110的電力（或亮度）或是 縮短以減少燈負載11 0的電力。推拉式控制器2〇〇輸出兩 個與第一驅動訊號和第二驅動訊號相對應的閘極驅動控 制訊號（Aout，Bout)。在實施例中，推拉式控制器2〇〇被 個與共用電壓VS2的電壓值（如1〇伏）實質上相等的校 準電壓V i η驅動。 以上所描述的無短路結構的推拉式驅動器可改善電力 政率，延長電池壽命，而且省下電路板空間作為其他用途 (如％境的光控制）。與傳統的推拉拓撲相似，閘極驅動控 制訊號係簡單的且在電力傳遞路徑_出現一個半導體開 (如個N型金屬氧化物半導體場效應電晶體丁) 。、力率損失與傳統的全橋拓撲相似，當未加電力到變壓 态上時，將一短路電路跨接在變壓器的初級線圈上，將可 94124826 12 保存儲存在變壓 和第1道辨 何譜振儲能電路令的能量。在第一 2+導體開關112、114都^啟 = 推拉式驅動器的推拉式 無路、、、。構的 100的直接抑刹制裔200有利於維持對變壓器 "。換έ之，無短路結構的推拉式驅動考允 泎推拉式控制器200對 ^允 全橋式控制器。 “益100的核心和次級側充當是 定發7已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 m2，均㈣此技藝者，在不麟本發明之精神和 把圍内’當可作些許之更動與潤飾，因 圍當視後附之中請專利範圍所㈣者為準。之保4乾 【圖式簡單說明】 圖1係說明-個無短路結構的推拉式驅動器的實施例。 圖2係說明另-個無短路結構且連接到一個推拉式控 制益的推拉式驅動1§的實施例。 【主要元件符號說明】 10 0 :變壓器 1〇2(17Τ):第二組初級線圈 104(17Τ):第一組初級線圈 106(17Τ):第三組初級線圈 108U360T)):次級線圈 110 :燈負載 112(Q1):第一半導體開關 114(Q2):第二半導體開關 116Q3):第三半導體開關 94124826 13 1327301 , ( 118(Q4):第四半導體開關 120(RS):感測電阻 202(R2):過濾電阻 204 (C1):過濾電容 200 :推拉式控制器 VS1 :電源 VS2 :共用電壓 A :第一驅動訊號 B :第二驅動訊號

Aout :第一閘極驅動控制訊號

Bout :第二閘極驅動控制訊號 VIN :校準電壓 CS+、cs_:電流感應輸入端 94124826 14

Claims (1)

1. ^27301

   、申請專利範圍： 1 · 一種推拉式換流器，包括： 具有三組初級線 變壓器 _ ^ 1 、一八、’八'囤，具中第 一和第二組初級線圈以交互的極性將電力傳遞給連接且 跨接在次級線圈的負載，而第三組初級線圈在未將 遞給負载時被短路； ' 山第一半導體開關，連接在第一組初級線圈的第一接線

   端和一參考節點之間，其中第一組初級線圈的第二接線端 連接到一電源，當第一半導體開關啟動時，電力以^ 性傳遞到該負載； ° 山一第二半導體開關，連接在第二組初級線圈的第二接線 端和一參考節點之間，其中第二組初級線圈的第一接. 連接到一電源，當第二半導體開關啟動時，電力以第二極 性傳遞到該負載；以及 ° 第四半導體開關，分別接到第 弟三半導體開關和 _、、且初級線圈的相反接線端和一共用電壓之間，當第一和第 動 二半導體開關都不啟動時，該第三和第四半導體開關才啟 〇 * 2·如申π專利範圍第丨項之推拉式換流器，其中第一和 第二組初級線圈為-個初級線圈的—部分，該初級線圈且 有-中心分接頭以與電源相連接，以及相反的接線端以分 別與第-半導體開關和第二半導體開關相連。 、3.如中請專利範圍第！項之推拉式換流器，其㈣三組 初級線圈具有實質上相等的匝數。 94124826 15 1327301 4·如申睛專利範圍第1項之推拉式換流器，其中該三組 初級線圈是三線繞法的。 5·如I請專利範圍第丨項之推拉式換流器，其中該負載 包括至ν —用於背後照明一顯示面板的冷陰極螢光燈。 6·如申請專利範圍第1項之推拉式換流器，其中該第-半V體開關和第—半導體開關是ν型電晶體，而第三半導 體開關和第四半導體開關則是ρ型電晶體。 7:如申請專利範圍第1項之推拉式換流器，更包括-組 態成用以輸出第一驅動訊號和第二驅動訊號的控制器，其 中，第驅動訊號控制第—半導體開關和第三半導體開 關’而第二驅動訊號則控制第二半導體開關 開關。 丁 π瓶 ==專利範圍第1項之推拉式換流器，更包括一連 >考即點與接地之間的電流回饋電路。 接=1!專利範圍第1項之推拉式換流器，更包括-連 接，參考郎點與接地之間的感測電阻。 包=·:種具有無短路結構的推拉式換流器之操作方法， 提供一電源至變壓考 和第二組初級線圈的第—的接第;::門級線第二接線端 跨接在變壓器的錢線=“之間’其中燈負載連接且 :動二一：關電晶體’將電力以第-極性傳遞到該燈 第，接線端開關電晶體係連接到第-組初級線圈的 94124826 1327301 啟動一第二開關電晶體，將電力以第二極性傳遞到該燈 負載，其中該第二開關電晶體連接到變壓器的第二組初級 線圈的第二接線端；以及 啟動一第二開關電晶體和一第四開關電晶體，使該第三 紕初級線圈在該第一開關電晶體和第二開關電晶體皆未 啟動的情況下被短路。 11. 如申明專利範圍第1 0項之具有無短路結構的推拉 式換流器之操作方法，其中該第一組初級線圈和第二組初 級線圈具有實質上相等的匝數。 12. 如申請專利範圍第10項之具有無短路結構的推拉 式換流器之操作方法，其中該變壓器的三組初級線圈並排 地繞接在一繞線筒的單層。 13_如申請專利範圍第10項之具有無短路結構的推拉 式換流器之操作方法，其中該燈負載包括一或多個用於背 後照明一液晶顯示器的螢光燈。 • 14_如申請專利範圍第10項之操作無短路結構的推拉 式換流器之操作方法，其中該第一開關電晶體和第二開關 電晶體是N型場效應電晶體，而該第三開關電晶體和第四 開關電晶體則是p型場效應電晶體。 15. 如申請專利範圍第1 〇項之具有無短路結構的推拉 式換流器之操作方法，其中該第一開關電晶體和第三開關 電晶體係由一第一控制訊號啟動’而該第二開關電晶體和 第四開關電晶體則係由一第二控制訊號啟動。 16. —種推拉式換流器，包括： 94124826 17 ϊ ( f 用於在變壓器的一第一組初級線圈中以第一極性週 期性傳導電力的手段； 用於在》亥d I器的一第=組初級線圈中以第二極性週 / 11傳‘電力的手段，其中由第-組初級線圈和第二組初 及、泉圈傳導的電力以交替的極性傳遞至連接在該變壓器 的-欠級線圈上的燈；以及 用於使η亥變壓器的一第三組初級線圈在未傳遞電力至 燈的情況下被短路的手段。 17. 如申清專利範圍第16項之推拉式換流器，其中該第 、、且初級線圈傳導的電力由一第一訊號控制’第二組初級 、、4圈傳‘的電力由—第二訊號控制，而第三組初級線圈的 短路則由該第一和第二訊號控制。 18. 如申請專利範圍第16項之推拉式換流器，更包括用 於在該第一組初級線圈和第二組初級線圈中感測電流位 準的手段。 19. 如申請專利範圍第16項之推拉式換流器其中該燈 係視覺顯示器的背光系統中的一部分。 一20.如申請專利範圍第16項之推拉式換流器，其中該第 一、第二和第三組初級線圈各具有實質上等於17的匝數。 94124826 18