本論文針對液晶螢幕背光源所使用之冷陰極燈管與變頻器搭配時，調整全橋式(Full Bridge)變頻諧振電路之串聯電容(Cs)與並聯電容(Cp)電容值的搭配，提升變頻器之效率，並實際調整串聯電容(Cs)與並聯電容(Cp)電容值，測試變頻器效率提升數據與波形，並加入環境光源感測器(Ambient Light Sensor, ALS)，使變頻器能隨環境光源自動調光，達到節省筆記型電腦上電池能量的消耗，延長筆記型電腦電池的使用時間。

For the module of Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) and inverter using full bridge resonant in LCD backlight, the values of capacitors Cs and Cp of inverter are adjusted to get the actual data. It is proved that the work efficiency of inverter can be improved by adjusting the value of capacitors Cs and Cp. By adding the Ambient Light Sensor (ALS), the brightness of the screen of notebook PCs could be automatically adjusted with the change of environment by inverter, so as to reduce the wastage of the battery and extend it's lifetime.

第一章 緒論..............................................................................1
1.1 光的涵義.........................................................................................................1
1.2 冷陰極燈管與變頻器.....................................................................................2
1.3 論文架構.........................................................................................................2
第二章 背光源的構造..............................................................3
2.1 側光式(Edge light type)背光源的構造.........................................................3
2.2 直下式(Direct light type)背光源的構造.......................................................5
2.3.1 發光源冷陰極燈管..................................................................................7
2.3.2 導光板(Light Guide Plate) ........................................................................8
2.3.3 擴散片(Diffuser) .......................................................................................9
2.3.4 集光片(Brightness Enhancement Film, BEF).......................................... 10
2.3.5 反射片(Reflector ..................................................................................... 11
第三章 冷陰極燈管電氣特性與調光方式............................12
3.1 冷陰極燈管發光原理...................................................................................12
3.2 湯生雪崩原理...............................................................................................14
3.3 冷陰極燈管電氣特性...................................................................................15
3.3.1 溫度因素................................................................................................. 15
3.3.2 燈管內氣體壓力不足............................................................................ 16
3.3.3 螢光體黑化............................................................................................. 16
3.3.4 電壓與電流因素..................................................................................... 16
3.3.5 冷陰極燈管負電阻特性........................................................................ 17
3.3.6 冷陰極燈管燈管長度與管電壓關係................................................... 18
3.3.7 冷陰極燈管管徑Φ 與輝度關係......................................................... 18
3.3.8 變頻器驅動冷陰極燈管管電流波形條件:......................................... 19
3.3.9 變頻器驅動冷陰極燈管時的漏電流................................................... 20
3.4 冷陰極燈管驅動與調光方式.......................................................................21
3.4.1 冷陰極燈管的調光方式: ....................................................................... 21
第四章 變頻器工作原理........................................................28
4.1 變頻器基本電路架構..................................................................................28
4.1.1 變頻器之功能........................................................................................ 28
4.1.2 變頻器之電路方塊圖........................................................................... 29
4.1.3 Ambient Light Sensor (CM3200) IC 控制電路...................................... 30
IV
4.1.4 MP1255 調光IC 調光控制電路............................................................ 31
4.1.5 MP1028 驅動IC 驅動電路.................................................................... 32
4.1.6 變頻器設計時需注意的項目............................................................... 33
4.2 變頻器驅動方式介紹..................................................................................36
4.2.1 Class E 諧振式架構................................................................................ 36
4.2.2 推挽式(Push Pull)架構.......................................................................... 37
4.2.3 半橋式(Half Bridge)架構...................................................................... 38
4.2.4 全橋式(Full Bridge)架構....................................................................... 39
4.2.5 綜合以上討論四種驅動電路參數分析比較表................................. 40
4.3 變頻器全橋(Full Bridge)電路....................................................................41
4.4 變頻器全橋(Full Bridge)工作原理............................................................42
4.4.1 全橋電路動作(一)................................................................................. 42
4.4.2 全橋電路動作(二)................................................................................. 43
4.4.3 全橋電路動作(三)................................................................................. 44
4.4.4 全橋電路動作(四)................................................................................. 45
4.5 變頻器諧振電路(Resonant operation) ......................................................46
4.5.1 串聯諧振電路(SLR) ............................................................................... 46
4.5.2 並聯諧振電路(PLR) ............................................................................... 48
4.5.3 串並聯諧振電路(SPLR) ....................................................................... 50
4.6 變頻與定頻諧振的特性...............................................................................52
4.7 影響諧振電路的因素...................................................................................53
4.7.1 串聯電容(Cs)的影響............................................................................. 53
4.7.2 並聯電容(Cp)的影響............................................................................ 53
4.7.3 變壓器匝數比的影響............................................................................ 54
4.7.4 冷陰極燈管漏電流的影響.................................................................... 54
4.7.5 影響諧振電路的因素彙整.................................................................... 54
4.8 變壓器(Transformer)基本工作原理...........................................................55
4.8.1 理想變壓器............................................................................................. 57
4.8.2 實際變壓器............................................................................................. 58
4.8.3 變壓器的匝數比與電壓、電流的關係............................................... 59
第五章 變頻器控制方法........................................................60
5.1MP1255 調光IC............................................................................................60
5.2MP1028 驅動IC............................................................................................62
5.3 環境光源感測器CM3200 IC ......................................................................65
5.4 SMBUS 變頻器控制架構.............................................................................68
5.4.1 控制電路輸入電壓與調光模式控制部分........................................... 70
5.4.2 控制電路輸出顯示控制部分................................................................ 72
V
5.4.3 控制電路輸出顯示部分........................................................................ 73
5.4.4 SMBUS 變頻器控制電路實體與接法................................................. 74
第六章 變頻器效率提升測試數據........................................75
6.1 變頻器設計時需要考量的參數...................................................................75
6.2 變頻器測試時需要的儀器設備...................................................................75
6.3 漏電流對效率的影響...................................................................................76
6.4 漏電流(Leakage current)量測與計算方法................................................78
6.4.1 電流量測系統與電流鉤棒量測漏電流.............................................. 78
6.4.2 三用電錶量測漏電流........................................................................... 78
6.4.3 直接量測漏電流................................................................................... 79
6.4.4 雜散電容計算方法............................................................................... 79
6.4.5 四種漏電流量測方法比較.................................................................... 81
6.5 單燈管變頻器效率提升的方法...................................................................82
6.6 實驗結果.......................................................................................................82
6.6.1 輸入7.5V 時調整串聯電容(Cs)並聯電容(Cp)對效率提升的變化. 83
6.6.2 輸入14.4V 時調整串聯電容(Cs)並聯電容(Cp)對效率提升的變化86
6.6.3 輸入21V 時調整串聯電容(Cs)並聯電容(Cp)對效率提升的變化.. 88
6.6.4 串聯電容(Cs)並聯電容(Cp)對效率提升的結論................................ 90
第七章 結論............................................................................91
參考文獻 93

圖 目 錄
圖2.1 側光式筆記型電腦背光的構造。................................................ 3
圖2.2 側光式監視器背光的構造。........................................................ 4
圖2.3 直下式液晶電視背光的構造。.................................................... 5
圖2.4 背光源光學構造。......................................................................... 6
圖2.5 背光源光學路徑。......................................................................... 6
圖2.6 冷陰極燈管構造。......................................................................... 7
圖2.7 冷陰極燈管實體。......................................................................... 7
圖2.8 導光板光學特性。......................................................................... 8
圖2.9 導光板之網點(Pattern)。................................................................ 8
圖2.10 擴散片的結構。............................................................................ 9
圖2.11 集光片結構。...............................................................................10
圖2.12 反射片結構。...............................................................................11
圖3.1 冷陰極燈管驅動原理。................................................................12
圖3.2 冷陰極燈管氣體放電流程[1]。...................................................13
圖3.3 湯生雪崩過程[1]。........................................................................14
圖3.4 冷陰極燈管發光強度與環境溫度曲線。..................................15
圖3.5 燈管電流不對稱之波形。............................................................16
圖3.6 管電壓與管電流關係曲線。.......................................................17
圖3.7 冷陰極燈管等效電路。................................................................17
圖3.8 燈管長度與管電壓關係曲線(威力盟)。....................................18
圖3.9 燈管管徑與輝度關係曲線(威力盟)。........................................18
圖3.10 變頻器驅動冷陰極燈管管電流波形條件。............................19
圖3.11 冷陰極燈管漏電流示意圖。.....................................................20
圖3.12 Continuous mode(振幅)調光波形。............................................21
圖3.13 Burst mode 調光波形。...............................................................22
圖3.14 SMBUS mode 調光方塊圖。......................................................24
圖3.15 ALS mode 系統調光方塊圖。....................................................26
圖3.16 Light sensor Capella(CM3200)IC 特性曲線[4]。......................26
圖3.17 PWM mode 調光方塊圖。..........................................................27
圖4.1 直流轉換交流方塊圖。................................................................28
圖4.2 變頻器電路動作方塊圖。............................................................29
圖4.3 Ambient Light Sensor (CM3200) IC 之控制電路[4]。................30
圖4.4 MP1255 調光IC 之調光控制電路[3]。......................................31
圖4.5 MP1028 驅動IC 之驅動電路[5]。...............................................32
圖4.6 Class E 諧振式驅動。....................................................................36
圖4.7 推挽式(Push Pull)驅動。...............................................................37
圖4.8 半橋式驅動之基本架構。............................................................38
V
圖4.9 全橋式(Full Bridge)驅動。............................................................39
圖4.10 MP1028 驅動IC 內部全橋驅動電路。.....................................41
圖4.11 全橋電路動作(一)。....................................................................42
圖4.12 全橋電路動作(二)。....................................................................43
圖4.13 全橋電路動作(三)。....................................................................44
圖4.14 全橋電路動作(四)。....................................................................45
圖4.15 串聯諧振電路...............................................................................46
圖4.16 串聯諧振電路之波德圖。..........................................................47
圖4.17 並聯諧振電路。...........................................................................48
圖4.18 並聯諧振電路之波德圖。..........................................................49
圖4.19 串並聯諧振電路。......................................................................50
圖4.20 串並聯諧振電路之波德圖。.....................................................51
圖4.21 變頻與定頻諧振點。..................................................................52
圖4.22 變壓器模型。...............................................................................55
圖4.23 變壓器等效電路。......................................................................55
圖4.24 理想變壓器之相位角。..............................................................57
圖4.25 實際變壓器相位角。..................................................................58
圖5.1 MP1255 調光IC 腳位圖[3]。.......................................................60
圖5.2 MP1255 調光IC 控制分位[3]。...................................................61
圖5.3 MP1028 驅動IC 腳位圖[5]。.......................................................62
圖5.4 MP1028 驅動IC 內部方塊圖[5]。...............................................64
圖5.5 CM3200 IC 內部方塊圖[4]。.......................................................65
圖5.6 CM3200 IC 可感應之波長[4]。....................................................66
圖5.7 CM3200 IC 特性曲線[4]。............................................................66
圖5.8 CM3200 IC 量測架構。.................................................................67
圖5.9 CM3200 IC 實測曲線。.................................................................67
圖5.10 SMBUS 變頻器控制架構。........................................................68
圖5.11 模擬筆記型電腦系統之控制電路實體圖。............................69
圖5.12 輸入電壓與調光模式控制部分。.............................................71
圖5.13 輸出顯示控制部分。..................................................................72
圖5.14 輸出顯示部分。...........................................................................73
圖5.15 SMBUS 變頻器控制電路實體與接法。.................................74
圖6.1 冷陰極燈管與鄰近導體(燈罩)距離。........................................76
圖6.2 冷陰極燈管漏電流的產生。.......................................................77
圖6.3 使用電流量測系統與電流鉤棒量測漏電流方塊圖。.............78
圖6.4 使用三用電表量測漏電流方塊圖。...........................................78
圖6.5 直接量測漏電流圖示。................................................................79
圖6.6 冷陰極燈管負載模型。................................................................79
圖6.7 冷陰極燈管管電流波形與管電壓波形相位差。.....................80
圖6.8 輸入7.5V 時調整Cs 與Cp 對效率提升的變化曲線。...........83
圖6.9 輸入7.5V 且Cs=270P 與Cp=10p 時之管電流與管電壓波形。
.............................................................................................................84
圖6.10 輸入7.5V 且Cs=270P 與Cp=10p 時之最小管電流與管電...84
圖6.11 輸入7.5V 且Cs=300P 與Cp=6p 時之管電流NG 波形。......85
圖6.12 輸入14.4V 時調整Cs 與Cp 對效率提升的變化曲線。.......86
圖6.13 輸入14.4V 且Cs=270P 與Cp=10p 時之管電流與管電壓波
形。.....................................................................................................87
圖6.14 輸入14.4V 且Cs=270P 與Cp=10p 時之最小管電流與管電.87
圖6.15 輸入21V 時調整Cs 與Cp 對效率提升的變化曲線。..........88
圖6.16 輸入21V 且Cs=270P 與Cp=10p 時之管電流與管電壓波形。
.............................................................................................................89
圖6.17 輸入21V 且Cs=270P 與Cp=10p 時之最小管電流與管電....89
表 目 錄
表4.1 四種驅動電路參數分析比較表[1],[6]。.....................................40
表4.2 影響諧振電路(Resonant operation)的因素[5]。..........................54
表5.1 MP1255 調光IC 腳位定義[3]。...................................................61
表5.2 MP1028 驅動IC 腳位定義[5]。...................................................63
表5.3 筆記型電腦輸出控制分位。.......................................................69
表6.1 變頻器設計時需要考量的參數。...............................................75
表6.2 變頻器測試時需要的儀器設備。...............................................75

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