磁性變壓器工作原理簡(jiǎn)介
高頻磁性變壓器由一個(gè)公共鐵氧體磁芯和繞在其上的多個(gè)線圈組成。能量轉(zhuǎn)換發(fā)生在介于磁通量和磁場(chǎng)之間的磁芯中。該能量交換也是電流與電壓的積分函數(shù)：
能量=∫I Vdt=∫H dB
可用磁芯中磁通密度變化和場(chǎng)強(qiáng)來(lái)表達(dá)；亦可用線圈中的電流、電壓和時(shí)間變化來(lái)表達(dá)。
磁通密度(B)與伏特-秒成正比，與磁芯的橫截面積和線圈匝數(shù)成反比。根據(jù)法拉第定律可計(jì)算出：
B≈V(N Acore 頻率)
場(chǎng)強(qiáng)(H)與電流和匝數(shù)成正比，而與線圈長(zhǎng)度成反比。根據(jù)安培定律，可以將其表達(dá)為：
H≈N I/Lpath
磁通密度和場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系由磁芯的磁導(dǎo)率決定：
=B/H
變壓器的電壓增益可以通過(guò)次級(jí)線圈和初級(jí)線圈之間的匝數(shù)比N2/N1來(lái)確定，而變壓器的電流增益也同N1/N2有關(guān)。
在設(shè)計(jì)用于CCFL電路的變壓器時(shí)，初級(jí)匝數(shù)由變壓器的初級(jí)和外部電容形成的諧振電路所需要的電感來(lái)決定。次級(jí)的匝數(shù)應(yīng)保證可以向熒光燈提供足夠高的啟動(dòng)電壓。次級(jí)的高匝數(shù)通常需要在磁芯有一個(gè)大的窗口面積。由于在初、次級(jí)間的高壓占空隔離要求，CCFL變壓器的漏電感通常比較高。因?yàn)檫@個(gè)變壓器被用于正弦波，所以其漏電感只減少有效匝數(shù)比，而不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)尖峰。同磁性變壓器相關(guān)的其它問(wèn)題還包括需要屏蔽的雜散磁場(chǎng)，以及在故障情況下次級(jí)電壓失控時(shí)產(chǎn)生的電弧電勢(shì)。
壓電變壓器工作原理
同磁性變壓器依賴于電磁能量轉(zhuǎn)換不同，壓電變壓器通過(guò)機(jī)械力交換電動(dòng)勢(shì)。加在輸入電壓電極上的交流電壓引起厚度方向上的機(jī)械擴(kuò)張和壓縮。在初級(jí)上的這個(gè)位移被轉(zhuǎn)換成縱向或長(zhǎng)度方向上的力。
在多個(gè)駐波頻率(n)上發(fā)生的機(jī)械諧振頻率可表示為變壓器長(zhǎng)度和材料伸縮速度(V)的函數(shù)：
f n=n /(2 長(zhǎng)度)
電壓增益是PZT材料系數(shù)g( )、初級(jí)的層數(shù)、材料的厚度和整個(gè)長(zhǎng)度的函數(shù)：
V(增益)=(長(zhǎng)度 層數(shù)/厚度) g( )
在輸出一端的電極用來(lái)恢復(fù)次級(jí)放大的電動(dòng)勢(shì)。為了預(yù)測(cè)系統(tǒng)中PZT的性能，有必要建立一個(gè)電路模型。圖2所示的電路模型通常用于描述單一諧振頻率附近的PZT行為。許多PZT制造商都基于在各種頻率和輸出負(fù)載下的測(cè)量結(jié)果提供該模型的元件值。
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初級(jí)電極的多層構(gòu)造和材料電介質(zhì)常數(shù)形成了一個(gè)大的初級(jí)輸入電容(Cinput)。由于初級(jí)電極和次級(jí)電極之間的位置關(guān)系，輸出電容則要小的多。PZT的機(jī)械諧振頻率( 0)同材料的彈性(Y)、密度( )和長(zhǎng)度成比例關(guān)系：
0 ∝(1/長(zhǎng)度) √ (Y/ )
在單一諧振頻率附近的機(jī)械壓電增益可以用RLC串聯(lián)電路建模，其等效電路模型如圖2所示；針對(duì)具有如下值的PZT，圖3描述了的其增益相對(duì)于輸出負(fù)載和頻率的特性關(guān)系曲線：
Cinput = 0.2 F, COUT = 30 pF, n = 30, 串聯(lián)RLC參數(shù)分別為2 、1 mH和6 Nf，如圖3所示，在輕負(fù)載和無(wú)負(fù)載條件下，陶瓷變壓器提供高Q值和高增益，并產(chǎn)生高激發(fā)電勢(shì)。一旦熒光燈被激發(fā)之后，變壓器則帶有負(fù)載，隨之引起變壓器增益下降和諧振頻率漂移。不同于磁性變壓器，由于PZT變壓器帶負(fù)載時(shí)有唯一的增益特性，不需要在變壓器次級(jí)和熒光燈之間加入鎮(zhèn)流元件。
使用電流反饋推挽拓?fù)溥\(yùn)行磁性變壓器
如圖4所示，通常使用饋流式推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)向基于磁性變壓器的CCFL電路供電。在保持熒光燈正弦工作的同時(shí)，這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容許寬廣的輸入電壓范圍和調(diào)光范圍。這個(gè)轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)諧振推挽級(jí)、一個(gè)源于PWM降壓電路的控制級(jí)和一個(gè)高壓次級(jí)。推挽級(jí)包含三極管Q2和Q3，它們負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)中心抽頭變壓器T1。通過(guò)變壓器上的一個(gè)輔助繞組驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)三極管在50%的工作周期產(chǎn)生180 相移。T1的主電感和一個(gè)低漏外部諧振電容(C4)構(gòu)成了一個(gè)諧振電路。這個(gè)諧振電路向變壓器的初級(jí)提供一個(gè)正弦電壓并設(shè)定該系統(tǒng)的工作頻率。
包含Q1、D1和L1的降壓級(jí)(buck stage)向主級(jí)諧振電路饋入一個(gè)直流電流。UCC3973使推挽級(jí)與降壓級(jí)的頻率(buck frequence)同步以防止發(fā)生拍頻現(xiàn)象。L1中的直流電流由Q1的工作周期進(jìn)行控制。降壓級(jí)的工作周期由反饋網(wǎng)絡(luò)(在FB和COMP引入)來(lái)確定，反饋網(wǎng)絡(luò)用于調(diào)節(jié)熒光燈的電流(反饋信號(hào)在R4兩端測(cè)得)。
T1次級(jí)上的高壓用于啟動(dòng)和運(yùn)行熒光燈。由于啟動(dòng)或激發(fā)電壓高于工作電壓，為使變壓器次級(jí)和熒光燈有不同的電壓，需要加入一個(gè)高壓電容(C5)。這個(gè)電容也作為處理熒光燈非線性調(diào)光特性的鎮(zhèn)流元件來(lái)使用。變壓器的次級(jí)可以使用高漏電感來(lái)設(shè)計(jì)，并允許取消鎮(zhèn)流電容。
采用饋壓式推挽拓?fù)溥\(yùn)行PZT
圖5是一個(gè)用于在諧振推挽拓?fù)渲锌刂茐弘娮儔浩鞯碾娐�。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電感(L1和L2) 驅(qū)動(dòng)UCC3977控制器和MOSFET N1和N2，使之在50%工作周期產(chǎn)生180 相移。這個(gè)推挽電路具有在直流輸入電壓和壓電變壓器主級(jí)之間提供電壓增益的優(yōu)點(diǎn)。諧振是通過(guò)這兩個(gè)電感和PZT的主級(jí)電容之間的LC關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
不像前面討論過(guò)的磁性變壓器電路，基于PZT的電路使用頻率，而不是工作周期來(lái)控制熒光燈電流。UCC3977帶有一個(gè)在COMP引腳和OSC引腳之間形成的可編程電壓控制振蕩器(VCO)。這個(gè)VCO用于設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行頻率范圍，這個(gè)頻率范圍必須把PZT的激發(fā)頻率和正常工作頻率包括在內(nèi)。熒光燈電流在FB引腳測(cè)量，并通過(guò)PZT的增益對(duì)頻率的特性曲線進(jìn)行控制(見圖3)。PZT的增益必須能夠在最小輸入電壓的情況下提供足夠高的熒光燈電壓，以保證控制回路總是工作在諧振的正確一邊。
推挽電路的工作波形如圖6所示。MOSFET N1和N2在50%工作周期被驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生相移(見圖6曲線2)。電感L1和L2同PZT主級(jí)電容發(fā)生諧振，在N1(曲線1)和S2(曲線4)的漏極形成半正弦波。在PZT初級(jí)兩端所得到的電壓接近于正弦。熒光燈電壓在這個(gè)應(yīng)用中接近600伏。由于陶瓷變壓器具有高Q值，所以熒光燈電壓是正弦波。為實(shí)現(xiàn)零電壓切換，漏極電壓在下一個(gè)切換周期以前必須回零。這要求LC諧振頻率必須高于切換頻率。滿足這個(gè)條件的最大電感可以從下面公式得到：
L<1/(4 f f Cp)
當(dāng)驅(qū)動(dòng)600伏熒光燈電路時(shí)，一個(gè)具有推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多層PZT(額定功率為3瓦)效率曲線。在低輸入電壓時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率高于85%；在高輸入電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換效率隨PZT增益下降而下降。
采用脈沖調(diào)光技術(shù)
對(duì)磁性和壓電變壓器來(lái)說(shuō)，通過(guò)線性減小熒光燈電流的方法來(lái)調(diào)光將降低工作效率。在磁性變壓器電路中，由于在諧振電路中的循環(huán)電流所產(chǎn)生的損耗同流過(guò)熒光燈的電流無(wú)關(guān)并保持常數(shù)，所以在輕負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)換效率下降。在PZT電路中，由于在輕負(fù)載情況下系統(tǒng)運(yùn)行在低于最優(yōu)增益的狀態(tài)，所以輕負(fù)載轉(zhuǎn)換效率也將下降。這兩個(gè)電路的輕負(fù)載效率都可以使用脈沖調(diào)光技術(shù)來(lái)提高。這個(gè)方法以高于肉眼所能感覺到的頻率(>100 Hz)通過(guò)調(diào)制工作周期的開/關(guān)控制平均熒光燈電流，使熒光燈以滿負(fù)載電流工作。
基于PZT的背景光電路的脈沖調(diào)光波型如圖7所示�；诖抛儔浩鞯碾娐返拿}沖調(diào)光波型與此類似。一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)(曲線2)用于控制脈沖串的工作周期和頻率(本例中，在50%工作周期時(shí)頻率為125Hz)。曲線1顯示的是其中一個(gè)MOSFET的柵極信號(hào)；而曲線3顯示的是反饋網(wǎng)絡(luò)(用于設(shè)置工作頻率)的COMP引腳的信號(hào)。曲線4為熒光燈電壓。這些畫面是由數(shù)字示波器獲得的，所以有混迭現(xiàn)象。熒光燈的激發(fā)電壓幾乎檢測(cè)不到，這是因?yàn)闊晒鉄羰菬岬�，并且工作在從前的脈沖串周期。
結(jié)論
本文闡述了可作為便攜應(yīng)用背景光源的冷陰極熒光燈。針對(duì)這些燈的高壓要求，本文探討了兩種類型變壓器(磁性和壓電)的工作原理。在特別應(yīng)用中變壓器的選擇取決于效率、尺寸和成本等因素。對(duì)于這兩種變壓器形式，本文還給出了通過(guò)提供正弦工作提高光效率的諧振功率電路。熒光燈的亮度可以通過(guò)線性或脈沖調(diào)光技術(shù)進(jìn)行控制。無(wú)論使用那一種變壓器形式，都可以達(dá)到80%以上的轉(zhuǎn)換效率，從而提高電池供電系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。