LCD TV中的電源轉(zhuǎn)換鏈與開關(guān)電源拓?fù)?/h1>
電視機(jī)的升級
自從英國廣播公司(BBC)于1936年在倫敦開通世界上首個公共電視廣播以來，電視機(jī)技術(shù)已取得了長足的發(fā)展：從BBC于1953年首先開通彩色電視廣播，到日本NHK于1981年進(jìn)行首例高清電視(HDTV)系統(tǒng)演示等，不一而足。當(dāng)前，世界各國紛紛采取行動，以將TV信號從模擬傳輸升級至具備更高質(zhì)量的數(shù)字制式。以美國為例，到2009年2月美國將停止模擬電視信號傳輸。
但是，“在客廳中坐在一個老式大盒子面前(看電視節(jié)目)的方式已經(jīng)變得落伍。對于電視行業(yè)來說，新技術(shù)的發(fā)展，正催生著無窮的機(jī)遇”。這是美國《新聞周刊》2005年6月份所描述的一個景象。推動這些機(jī)遇的其中一項技術(shù)，就是平板顯示(FPD)。該技術(shù)具有以下兩個顯著特點(diǎn)：
● 支持高達(dá)1080p的高清電視(HDTV)
● 屏幕尺寸更大，但總體外形更小
不同尺寸平板電視的電源轉(zhuǎn)換鏈
平板電視與傳統(tǒng)電視很大的一項不同，便是傳統(tǒng)電視所采用的陰極射線管(CRT)被LCD或等離子屏幕取而代之，與之相應(yīng)的是電視機(jī)厚度和機(jī)體尺寸的大幅降低。但是，我們應(yīng)當(dāng)注意的是：
● 平板電視消耗的電量相對較高，并且不同尺寸和功能組合的平板電視耗電量也會不同。與CRT電視相比，平板電視平均每立方厘米尺寸所消耗的功率要高出許多。
● 傳統(tǒng)上消費(fèi)者會將電視擺放在客廳，電視機(jī)機(jī)身的噪聲傳播開來，可能會釀成一個問題。如果在電視機(jī)設(shè)計中增添冷卻風(fēng)扇，可能不會受到消費(fèi)者歡迎。
● 在消費(fèi)電子領(lǐng)域，競爭非常激烈，成本問題非常重要，而目前平板電視的售價相對較高。
在這種情況下，平板電視制造商根據(jù)面板尺寸的不同，應(yīng)用了不同的電源轉(zhuǎn)換鏈，從而優(yōu)化每一款電視機(jī)的設(shè)計。
小尺寸：最大為21英寸
這種尺寸的平板電視功耗通常低于70W。這個數(shù)值低于大多數(shù)諧波含量標(biāo)準(zhǔn)對功耗的要求，因此無須使用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)。在這種情況下，通常使用一個開關(guān)電源(SMPS)。在正常模式下，開關(guān)電源必須輸出額定功率，而在待機(jī)模式下，開關(guān)電源必須擁有較高的能效。
市場上也有不同的處理方式：如采用外部電源，適配器遵從各種不同標(biāo)準(zhǔn)和行為準(zhǔn)則。當(dāng)然，作為替代之選，電源也可被嵌在電視機(jī)內(nèi)部作為開放式電源。這種電源必須滿足待機(jī)能耗要求，并且在有源模式運(yùn)作下的能效較高，從而減少面板內(nèi)的發(fā)熱量。
在使用內(nèi)部電源單元和外部電源單元這兩種方式中，通常都采用到了反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器既能工作在固定頻率，也能工作在可變頻率(特別是就準(zhǔn)諧振模式而言)。
在額定負(fù)載和輕載條件下，要同時實現(xiàn)較高能效，關(guān)鍵就在于要采用能夠根據(jù)負(fù)載狀況調(diào)整工作模式的智能開關(guān)電源控制器。
針對這種情況，多家半導(dǎo)體公司開發(fā)出了一些備選方案，以安森美公司為例：
● 跳過多余周期方案：固定頻率的如NCP1200/1216/1271，可變頻率的如NCP1207/1337。該方案如圖1所示。
圖1 固定頻率模式下電流最小時進(jìn)行周期變換
● 頻率反走方案：NCP1351
中等尺寸平板電視：介于26英寸至32英寸之間
對于這種尺寸面板的平板電視而言，功耗大幅增加，最大可達(dá)180W。由于輸入功率高于75W，因此，這種應(yīng)用應(yīng)該遵從歐盟IEC1000-3-2 D類標(biāo)準(zhǔn)或類似區(qū)域性諧波含量標(biāo)準(zhǔn)。在這里，功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)也開始應(yīng)用；而且，由于主電源必須進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)更高的能效和更小的體積。因此，有源PFC能夠發(fā)揮突出作用，對主電源單元輸入電壓的變化進(jìn)行限制。在這種功率級別，臨界導(dǎo)電模式(CRM) PFC是應(yīng)用得最為廣泛的拓?fù)?。在這方面，安森美半導(dǎo)體公司推出的NCP1606提供了一種具有高性價比并且可靠的解決方案。
圖2 NCP1351-輸出功率減小時，開關(guān)頻率也隨之減小
在這種尺寸范圍面板的平板電視中，常用的有兩種電源轉(zhuǎn)換鏈。
第一種方法包含兩個電源(如圖3所示)。其中一個開關(guān)電源采用的是反激式拓?fù)洌瑢ｉT用于背光，可為面板提供24 V@5A的輸出功率；另一個開關(guān)電源采用的也是反激式拓?fù)?，?fù)責(zé)為控制音視頻輸入輸出信號處理(CAVIO)板供電，可以提供40W@12V的功率(某些條件下電壓為5V)。后者還用于待機(jī)模式，在這種模式下，多種嚴(yán)格的輕載能效標(biāo)準(zhǔn)可以適用。
圖3 采用了2個反激式電源的26～32英寸面板
圖4 面板尺寸介于26～32英寸之間的平板電視中的電源結(jié)構(gòu)
第二種電源轉(zhuǎn)換鏈只包含一個主開關(guān)電源，可以為面板提供24V的電壓，還可以為CAVIO板提供12V電壓，這里要求的功率將在170W等級內(nèi)。此外，它還包含另一個專用于待機(jī)模式的器件，該器件可在正常模式下提供10W功率，而在待機(jī)條件下的電流消耗僅為500mA。
為了適應(yīng)更高的輸出功率，主開關(guān)電源的拓?fù)洳粦?yīng)該還是單開關(guān)反激，而應(yīng)該采用雙開關(guān)反激，盡管這個區(qū)域也采用了一個半橋諧振LLC。這種拓?fù)渑c屏幕尺寸更大的面板共用一個通用拓?fù)洹?/P>
這種方法有一個顯著的好處，就是優(yōu)化了待機(jī)能耗，因為在這個模式下，主開關(guān)電源器件與PFC的功能會被關(guān)閉。
這兩種方法中，采用雙開關(guān)電源的方法擁有許多優(yōu)勢：
● 功率被予以更好地均衡，從而允許使用單開關(guān)反激轉(zhuǎn)換器。
● 消除了對背光進(jìn)行數(shù)字調(diào)光過程中滋生的交互穩(wěn)壓隱憂，避免了這個過程中負(fù)載變化過大的問題。
● 面向不需要執(zhí)行IEC諧波兼容規(guī)范的美國/北美地區(qū)的產(chǎn)品型號中，更易于移除PFC級。
● 解耦源自CAVIO電源的面板功率。如果未來需要采用不同的背光技術(shù)，如EEFL、FEL和LED等，CAVIO電源可以簡化演進(jìn)過程。
較大尺寸平板電視：37英寸
這種尺寸的LCD TV功耗最高達(dá)220W。在這種情況下，必須使用PFC技術(shù)，并強(qiáng)烈推薦使用有源PFC。在這個功率等級，可以考慮三種備選拓?fù)?，分別是臨界導(dǎo)電模式(CRM)、固定頻率非連續(xù)導(dǎo)電模式(FF DCM)和連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。
NCP1605中采用了固定頻率非連續(xù)導(dǎo)電模式。這種模式結(jié)合了臨界導(dǎo)電模式的一些優(yōu)點(diǎn)，如從輸入正弦電壓的頂端開始減小峰值電流，還結(jié)合了固定頻率解決方案的長處，也就是當(dāng)輸入電壓通過零電壓時可對開關(guān)頻率進(jìn)行鉗位，從而可對EMI信號進(jìn)行更好的控制。
圖5 NCP1605結(jié)合了固定頻率非連續(xù)導(dǎo)電模式和臨界導(dǎo)電模式的優(yōu)點(diǎn)
在CCM模式下工作的緊湊型8引腳PFC控制器近期已經(jīng)推出，如安森美半導(dǎo)體推出的NCP1653和NCP1654器件。
與尺寸介于26～32英寸之間的面板相似，在37英寸面板市場，有兩種架構(gòu)：
● 雙開關(guān)電源架構(gòu)：其中一個開關(guān)電源專用于背光，另一個電源器件專用于CAVIO板，并支持待機(jī)模式。
● 單一主開關(guān)電源架構(gòu)：主開關(guān)電源提供24V和12V電壓，另加一個專用的待機(jī)開關(guān)電源。在待機(jī)模式下，主開關(guān)電源被切斷。
雖然雙開關(guān)電源架構(gòu)擁有明顯優(yōu)勢，但在高達(dá)200W的功率范圍下，設(shè)計人員必須考慮到輕載性能變得越來越重要，因為CAVIO的功率容量增加了。不僅如此，采用反激等傳統(tǒng)拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)的功率密度在這里則成為一個問題。其他能夠提高能效、減小尺寸和改善交互調(diào)節(jié)狀況的拓?fù)浔仨氂枰钥紤]。例如，大多數(shù)設(shè)計人員已經(jīng)選擇半橋諧振LLC解決方案來實現(xiàn)這些性能改善目標(biāo)。
大尺寸平板電視：40英寸及更大尺寸
40/42英寸LCD TV的功耗可能高達(dá)300W，46英寸的更是高達(dá)330W。在這個功率等級，連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)拓?fù)鋵FC而言最為適用。此外，最少需要兩個開關(guān)電源來滿足背光和信號處理的功率需求，以及遵從待機(jī)能耗要求。在這個功率等級，傳統(tǒng)的反激拓?fù)洳辉龠m用，設(shè)計人員必須考慮新的拓?fù)?，如?雙開關(guān)前向拓?fù)浠虬霕蛲負(fù)?。這兩種拓?fù)涠夹枰谶B續(xù)導(dǎo)電模式下工作，而該模式會導(dǎo)致出現(xiàn)硬開關(guān)和EMI信號挑戰(zhàn)，以及滋生在緊湊型消費(fèi)導(dǎo)向應(yīng)用中不受歡迎的電磁問題。對于功率等級較低的LCD TV而言，它們通常采用的是準(zhǔn)諧振模式，這種模式憑借減小開關(guān)損耗而能夠提高能效。而在功率等級更高的大屏幕平板電視中，采用諧振拓?fù)涞膬?yōu)勢十分突出，這種模式會引導(dǎo)設(shè)計人員采用半橋諧振LLC，而后者是諧振轉(zhuǎn)換器系列中的一員。半橋諧振LLC的優(yōu)勢體現(xiàn)在：
● 基于完整負(fù)載范圍的零電壓開關(guān)(ZVS)：在零漏極電壓條件下進(jìn)行開關(guān)切換。通電損耗因此接近于零，與半橋相比EMI信號質(zhì)量更佳，而半橋拓?fù)涫枪ぷ髟谟查_關(guān)條件下。
● 低關(guān)斷電流：開關(guān)在低電流條件下關(guān)斷，因此關(guān)斷損耗也比半橋拓?fù)涓汀?BR>● 副二極管可進(jìn)行零電流關(guān)斷：當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在滿載條件下時，輸出整流器會在零電流時關(guān)斷，從而減少EMI信號問題。
● 無需增加元件數(shù)量：元件數(shù)量基本上與傳統(tǒng)半橋拓?fù)湎喈?dāng)。
● 良好的交互調(diào)節(jié)功能：盡管事實上采用單個開關(guān)電源器件來同時為面板提供24V電壓和為CAVIO板提供12V電壓，但背光的數(shù)字調(diào)光并不會與兩路輸出電壓的調(diào)制產(chǎn)生干擾。
在這個功率等級，最常見的電源轉(zhuǎn)換鏈包含一個主開關(guān)電源及一個待機(jī)專用開關(guān)電源，其中主開關(guān)電源采用半橋諧振拓?fù)?，能夠同時輸出24V和12V電壓。
圖6所示為該諧振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。一個50%負(fù)載周期半橋提供了在零到輸入電壓VIN再到諧振電路之間搖擺的高壓方波。通過采用壓控振蕩器(VCO)來調(diào)節(jié)頻率，反饋回路能夠根據(jù)功率需求來調(diào)節(jié)輸出等級。
圖6 諧振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖
圖7 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)充示意圖
圖8 半橋LLC波形
該諧振電路由電容Cs，以及兩個電感Ls和Lm串聯(lián)組成。其中的Lm電感代表的是變壓器磁化電感，它與Ls和Cs一起，會構(gòu)成一個諧振點(diǎn)。這個電感上的負(fù)載產(chǎn)生的反射要么會令諧振點(diǎn)從電路上消失(在大負(fù)載電流條件下，Lm會被電阻值較小的、發(fā)生了反射的負(fù)載電阻ＲＬ所完全短路)，要么會使其在輕載條件下繼續(xù)與串聯(lián)電感Ls串聯(lián)。其結(jié)果是，根據(jù)負(fù)載條件的不同，諧振頻率會在最小與最大之間變動。
工作頻率取決于功率需求。在低功率條件下，工作頻率相當(dāng)之高，且離諧振點(diǎn)相當(dāng)遠(yuǎn)。但在高功率條件下，控制回路會降低開關(guān)頻率，并會采用其中某個諧振頻率來為負(fù)載提供必需的電流。
結(jié)論
平板電視電源轉(zhuǎn)換鏈的設(shè)計需要考慮諸多的挑戰(zhàn)和相互沖突的設(shè)計折中，才能設(shè)計出無需有源冷卻的高性價比、高能效、小巧纖薄的解決方案。此外，為了滿足不同消費(fèi)者的需求，平板電視制造商需要提供眾多不同的功能組合，同時要求無須對每款電源進(jìn)行重新設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計和IC制造商已經(jīng)合作起來探尋最佳的設(shè)計折中組合。如今，我們需要集中力量開發(fā)下一代的LCD TV，令面板背光子系統(tǒng)能夠直接從功率因數(shù)轉(zhuǎn)換段供電。
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