引言
相對于CRT電視，中等尺寸和大尺寸平板液晶電視的功耗要高很多。這增加了液晶電視使用成本，限制了液晶電視的普及。能源之星3.0針對不同尺寸的電視機制定了全新的功耗規(guī)范。待機輸入功耗， 輸入諧波和平均效率也必須符合這些規(guī)定。例如，表1所示為不同尺寸電視機在開機模式下的功耗要求。因此，要想滿足該要求，必須利用高效率開關電源。除開機功耗外，在待機模式下，輸入功率應低于1W。待機功率要求是開關電源 設計者面臨的又一挑戰(zhàn)。此外，大多數(shù)尺寸的電視機的輸入功率高于75W，因此需要功率因數(shù)校正（PFC）電路以符合ICE61000-3-2標準要求。要獲得高效率和高功率因數(shù)，需要采用有源PFC調(diào)節(jié)器。總之，典型的液晶電視開關電源通常由待機功率轉換器、PFC預調(diào)節(jié)器和主轉換器構成。本文將探討如何應對不同功率級的挑戰(zhàn)。
表1 不同尺寸電視機的平均開機功率水平要求
功率級
PFC預調(diào)節(jié)器
升壓轉換器是應用最為廣泛的拓撲。對于傳統(tǒng)的PFC CCM解決方案而言，需要采用兩個控制回路（電流回路與電壓回路）?？刂齐娐份^為復雜，同時采樣輸入電壓信號也將額外增加待機損耗。為了解決這些問題，采用8管腳CCM PFC、ICE2PCS02G，控制器可降低設計難度。采用該控制器只需連接少數(shù)器件，這使PFC級的設計變得輕而易舉。這種IC采用BiCMOS工藝制成，因此輸出電壓采樣管腳的輸入阻抗非常高。例如，采用6 MΩ電阻分壓器，待機模式下功耗僅為27mW。這有助于滿足待機功率要求。除控制器部分外，具備最低導通電阻和較低寄生電容的全新CP系列 CoolMOS也是提升效率的最佳選擇。液晶電視開關電源中典型的PFC轉換器電路如圖1所示。
|
可視屏幕對角線尺寸（英寸）
|
寬高比
|
可視屏幕尺寸（英寸）
|
屏幕區(qū)尺寸（英寸）2
|
最大開機功率（W）
|
|
|
480行垂直分辨率
|
768或1080行垂直分辨率
|
||||
|
20
|
16:9
|
17.4*9.8
|
170.5
|
45
|
66
|
|
32
|
16:9
|
27.9*15.7
|
438
|
78
|
120
|
|
42
|
16:9
|
36.6*20.6
|
754.0
|
115
|
208
|
|
50
|
16:9
|
43.6*24.5
|
1068.2
|
153
|
318
|
|
60
|
16:9
|
52.3*29.4
|
1537.2
|
210
|
391
|
圖1采用 ICE2PCS02G和 IPA60R199CP的PFC預調(diào)節(jié)器應用電路
主功率級
就液晶電視而言，典型輸入電壓為24V的背光單元消耗絕大部分功率。對于這些輸出功率范圍為60W~180W，輸入電壓為400V的應用而言，準諧振（谷值開關）反激式轉換器是非常經(jīng)濟合算的解決方案。相對于硬開關反激式轉換器，它具備更出色的效率和EMI性能。
對于未加限頻電路，自由運行的準諧振反激式轉換器而言，如果系統(tǒng)的工作負載在50% 至70%之間（測量開機功耗的負載范圍），開關頻率就會增大許多。大多數(shù)情況下，這需要設計者付出更大的努力和成本來優(yōu)化設計。英飛凌準諧振控制器 ICE2QS02G采用標準數(shù)字降頻模式，有效解決了此問題。根據(jù)負載情況，IC將在不同的谷值點開通MOSFET。例如，在滿負載條件下，轉換器將在第一谷值點運行，提供最大功率，如果負載降至70%時，轉換器將在第二或第三谷值點運行。在這種情況下，轉換器的開關損耗和傳導損耗始終保持平衡，轉換器獲得最高的運行效率。明MOSFET在第一谷值點和第七谷值點導通。
（a）在第一谷值點完成谷值開關
（b）在第七谷值點完成谷值開關
改善主功率級效率的另一個可行辦法是采用高壓MOSFET。對于準諧振反激式轉換器，高壓MOSFET允許存在高反射電壓，因此降低了MOSFET的導通損耗。此外，采用高壓MOSFET還可降低主傳導損耗。例如，800V CoolMOS® C3 或全新900V CoolMOS可使效率再提高1%~3%。這出色平衡了成本和效率。
待機轉換器
在這種功率水平，需要獨立的待機轉換器。采用集成功率IC和固定頻率反激式轉換器是當前最經(jīng)濟實惠的解決方案。除成本以外，待機功耗是最大難點。
液晶電視SMPS待機功耗應低于1W。在這種情況下，系統(tǒng)的輸出功率約為0.5W（來自待機轉換器）。PFC預調(diào)節(jié)器和主功率級關閉。因此，改善待機能效的關鍵點包括待機轉換器效率、二次側功率損耗和母線電壓采樣功率損耗。
為改善待機轉換器的轉換效率，降低平均開關頻率至關重要。不過，要想在系統(tǒng)結束待機時保持輸出調(diào)節(jié)并為負載波動做好準備，需主動進行控制。英飛凌CoolSET F3R產(chǎn)品具備獨有的主動突發(fā)模式，可實現(xiàn)超低的待機功耗。圖所示為主動突發(fā)模式的工作原理。
圖3 英飛凌CoolSET主動突發(fā)模式工作原理
其工作原理是，如果反饋信號水平降至突發(fā)進入閾值（FB1）以下，并持續(xù)一段時間，控制IC進入主動突發(fā)模式。這時開關脈沖停止，輸出電壓則會降低，然后反饋電壓升高。當它升到突發(fā)開始水平（FB3），開關脈沖恢復。在處于突發(fā)模式期間，輸出會升高 ，反饋電壓開始降低。當它降到突發(fā)結束水平（FB2），開關脈沖再次停止。這種突發(fā)交替性結束開始，構成主動突發(fā)模式。如果負載由輕載提高至重載，反饋電壓值將開始提高。如果反饋電壓水平超過突發(fā)退出閾值（FB4），IC將離開主動突發(fā)模式。屏蔽時間和其他2個閾值（FB1和FB4）可有效降低錯誤觸發(fā)突發(fā)模式的幾率。最后，如果IC進入主動突發(fā)模式，最大峰值電流閾值將降至原始值的三分之一或四分之一。這可大大降低變壓器電流噪音。
除了待機轉換效率，還可降低輸出電壓、主總線和輸入電壓感測功率損耗。例如，在主功率級的輸入電壓采樣部分采用4MΩ電阻分壓器。
系統(tǒng)性能
表1 推薦解決方案的技術規(guī)格
|
輸入電壓
|
85Vac~265Vac
|
|
|
輸入頻率
|
47Hz – 63 Hz
|
|
|
輸入諧波
|
符合 EN61000-3-2 標準
|
|
|
正常運行
|
主轉換器輸出
|
24 V / 6 A
|
|
12 V / 3 A
|
||
|
輔轉換器輸出
|
5 V / 2 A
|
|
|
待機運行
|
在5 V / 0.1 A輸出條件下，管腳小于< 1W
|
|
|
電路板尺寸
|
231mm χ 170mm χ 30mm
|
|
在額定線路輸入電壓條件下，不同負載情況下的系統(tǒng)效率。在110Vac條件下，滿負載效率超過87%。此外，平均效率保持在較高水平（30%負載之后）。
結語
液晶電視的高功耗給SMPS的設計造成很多困難。此外，各種不同規(guī)格的要求使設計難上加難。對于中小尺寸液晶電視而言，有源PFC預調(diào)節(jié)器、準諧振反激式轉換器和固定頻率反激式轉換器的結合應用是非常經(jīng)濟有效的解決方案。在這個解決方案中，英飛凌提供的控制器IC、集成功率IC和CoolMOS可使設計變得輕而易舉，同時具備出類拔萃的性能。
下載文檔
