LCD TV開關(guān)電源解決方案
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【摘要】隨著電源能效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高,LCD TV 開關(guān)電源也需要不斷提升能效。為此,提出了從PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器、主DC/DC 級(jí)到待機(jī)轉(zhuǎn)換器的解決方案。詳細(xì)地說明了基于NCP165 4的PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案、基于ICE2QS02G 的準(zhǔn)諧振反激式主DC/DC 級(jí)解決方案以及基于ICE3BR4765J 的反激式待機(jī)轉(zhuǎn)換器解決方案。系統(tǒng)性能的測(cè)試結(jié)果說明解決方案是合理的。
1 引言:
目前, 在全球范圍內(nèi),LCD TV 憑借其技術(shù)性能先進(jìn)、外型美觀時(shí)尚、工作穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正迅速走進(jìn)家庭。預(yù)計(jì)在未來幾年,LCD TV 將是數(shù)字電視時(shí)代的主流產(chǎn)品。隨著LCD TV 應(yīng)用越來越廣泛,對(duì)電能的消耗也越來越大,節(jié)能環(huán)保壓力劇增。因此,提高LCD TV 開關(guān)電源能效的需求越來越迫切。為此,世界上多個(gè)政府機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織紛紛針對(duì)不同尺寸的電視機(jī)制定了全新的功耗規(guī)范,如美國(guó)的“能源之星3.0”標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)的“藍(lán)色天使”標(biāo)準(zhǔn),以此來提高電能的使用效率,降低電能消耗。筆者將探討如何優(yōu)化PFC 級(jí)、主DC/DC 級(jí)和待機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案, 以便更好地提高LCD TV 開關(guān)電源的能效,滿足全新的功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
2 液晶電視電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu):
要提高LCD TV 開關(guān)電源的能效,很重要的方面是針對(duì)液晶電視電源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),分析功率損耗的來源,有針對(duì)性地采取措施來降低能耗。
通常液晶電視電源管理系統(tǒng)由電源單元、DC/AC 逆變器、信號(hào)處理系統(tǒng)這3 部分組成, 其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。電源單元由PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器、主DC/DC 級(jí)和待機(jī)轉(zhuǎn)換器組成,用于將交流輸入電壓(85~265 V)轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓(24 V,12 V,5 V 和3.3 V),其中主DC/DC 級(jí)輸出的24 V 或12 V 直流電壓用于為背光逆變器和信號(hào)處理系統(tǒng)供電, 待機(jī)轉(zhuǎn)換器輸出的5 V 或3.3 V直流電壓為待機(jī)部件和微控制器供電。DC/AC 逆變器負(fù)責(zé)將24 V 或12 V 直流電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓(例如1 200 V 交流電壓),為背光燈供電。信號(hào)處理系統(tǒng)用于控制和處理聲音與圖像信號(hào)。
根據(jù)安森美半導(dǎo)體有限公司(簡(jiǎn)稱“安森美”)測(cè)算,LCD TV 開關(guān)電源的PFC 級(jí)損耗和主DC/DC 級(jí)損耗為L(zhǎng)CD TV 開關(guān)電源的主要損耗, 其中PFC 級(jí)損耗約占電源總損耗的40%, 主DC/DC 級(jí)損耗約占電源總損耗的60%。為此,筆者將優(yōu)化PFC 級(jí)和主DC/DC 級(jí)的設(shè)計(jì),以降低二者的功耗,同時(shí)進(jìn)行待機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì),以滿足開關(guān)電源待機(jī)功耗應(yīng)低于1 W 的全新功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。
3 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案:
為了降低PFC 級(jí)的功耗, 實(shí)現(xiàn)PFC 級(jí)的能效提升目標(biāo),需要考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和PFC 控制器的工作模式。從設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和電源解決方案的總成本等方面考慮,最佳解決方案是:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Boost 升壓結(jié)構(gòu),PFC 控制器的工作模式為連續(xù)導(dǎo)通(CCM)模式。針對(duì)CCM 工作模式,PFC 控制器可選擇安森美或英飛凌科技股份公司(簡(jiǎn)稱“英飛凌”)提供的解決方案,均能使功率因數(shù)高于93%,滿足ICE61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)要求。但是,若綜合考慮性價(jià)比、可靠性和高功率因數(shù)等多種因素,選擇安森美推出的PFC 控制器NCP165 4是更合理的解決方案。采用該控制器只需極少的外圍元件, 這使得PFC 級(jí)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔。這種控制器工作功耗極低,可以滿足提升PFC級(jí)能效的要求,同時(shí)它還具有快速瞬態(tài)響應(yīng)、啟動(dòng)電流和關(guān)閉電流極低等特點(diǎn),具有眾多安全保護(hù)特性,如浪涌電流檢測(cè)、過壓保護(hù)、用于開環(huán)檢測(cè)的欠壓檢測(cè)、軟啟動(dòng)、精確的過流限制、真正的過載限制等??傊?,它集成了構(gòu)建緊湊而穩(wěn)固的PFC 所需的所有特性。除控制器部分外,選擇具有低導(dǎo)通電阻和低寄生電容的全新CP 系列Cool-MOS 開關(guān)管以及軟恢復(fù)升壓二極管也是提升效率的最佳選擇。綜上所述,LCD TV 開關(guān)電源中的PFC 轉(zhuǎn)換器電路如圖2 所示。
4 主DC/DC 級(jí)解決方案:
目前,在提高主DC/DC 級(jí)的效率方面,準(zhǔn)諧振(QR)模式是最佳解決方案。QR 模式對(duì)負(fù)載變化的反應(yīng)快,非常適合負(fù)載從最低(甚至為零)變到最大額定功率的情況,它可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通,從而有效地降低開通時(shí)的電流尖峰, 減少開通時(shí)電流尖峰引起的EMI 噪聲,提高了效率。
在QR 理論中,當(dāng)功率額定值小于200 W 時(shí),建議在DC/DC 級(jí)采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)洌?當(dāng)功率額定值超過200 W,可使用LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。但是在實(shí)際應(yīng)用中,為了更好地在性能和成本之間取得平衡,設(shè)計(jì)者常常采用準(zhǔn)諧振反激式變換器配上適當(dāng)?shù)目刂菩酒鳛橹鱀C/DC 級(jí)的首選解決方案。
目前, 常用的準(zhǔn)諧振反激式變換器控制芯片有安森美的NCP1337、意法半導(dǎo)體公司的L6566、昂寶公司的OB2202 和OB2203 和英飛凌的ICE2QS02G。其中,NCP1337,L6566,OB2202 和OB2203 應(yīng)用在小功率LCDTV 開關(guān)電源中,它們的性價(jià)比相仿。而ICE2QS02G 不但可應(yīng)用于小功率場(chǎng)合,還可以應(yīng)用于中高功率場(chǎng)合,另外從性價(jià)比方面看,它也優(yōu)于其他幾種芯片。為此,在準(zhǔn)諧振反激式變換器方案中,筆者選用ICE2QS02G 作為控制芯片。
ICE2QS02G 擁有數(shù)字降頻技術(shù),使得開關(guān)頻率隨著負(fù)載的降低而降低,同時(shí)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi),控制器能根據(jù)負(fù)載情況在不同的谷底點(diǎn)導(dǎo)通MOSFET, 使得轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗始終保持平衡, 轉(zhuǎn)換器獲得最高運(yùn)行效率,系統(tǒng)平均效率得到大幅度的提高。此情況下,就可以解決傳統(tǒng)的準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器(僅具備最大頻率限制)在自由運(yùn)行工作時(shí)所出現(xiàn)的如下問題:當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載在滿載范圍(50%~70%)時(shí),開關(guān)頻率將會(huì)增大許多,使得設(shè)計(jì)者必須付出很大的努力來取得成本與優(yōu)化設(shè)計(jì)的平衡。此外,ICE2QS02G 還具備多種用戶可調(diào)的保護(hù)功能, 旨在保護(hù)系統(tǒng)并使得該IC 適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。在故障模式下,例如開環(huán)控制回路/過載、輸出過壓和變壓器繞組短路等, 該器件將切換至自動(dòng)重啟模式或栓鎖模式。通過采用逐周期峰值電流限制和折返校正等方法,可降低變壓器尺寸,優(yōu)化次級(jí)二極管的電流等級(jí),從而提高設(shè)計(jì)的成本效率。