LCD TV 開關(guān)電源解決方案

  【摘要】隨著電源能效規(guī)范標(biāo)準逐漸提高，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 級到待機轉(zhuǎn)換器的解決方案。詳細地說明了基于NCP165 4 的PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案、基于ICE2QS02G 的準諧振反激式主DC/DC 級解決方案以及基于ICE3BR4765J 的反激式待機轉(zhuǎn)換器解決方案。系統(tǒng)性能的測試結(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、外型美觀時尚、工作穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點正迅速走進家庭。預(yù)計在未來幾年，LCD TV 將是數(shù)字電視時代的主流產(chǎn)品。隨著LCD TV 應(yīng)用越來越廣泛，對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，世界上多個政府機構(gòu)和行業(yè)組織紛紛針對不同尺寸的電視機制定了全新的功耗規(guī)范，如美國的“能源之星3.0”標(biāo)準和德國的“藍色天使”標(biāo)準，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、主DC/DC 級和待機轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方案， 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。

　　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 級和待機轉(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 級輸出的24 V 或12 V 直流電壓用于為背光逆變器和信號處理系統(tǒng)供電， 待機轉(zhuǎn)換器輸出的5 V 或3.3 V直流電壓為待機部件和微控制器供電。DC/AC 逆變器負責(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。信號處理系統(tǒng)用于控制和處理聲音與圖像信號。

　　根據(jù)安森美半導(dǎo)體有限公司（簡稱“安森美”）測算，LCD TV 開關(guān)電源的PFC 級損耗和主DC/DC 級損耗為LCD TV 開關(guān)電源的主要損耗， 其中PFC 級損耗約占電源總損耗的40%， 主DC/DC 級損耗約占電源總損耗的60%。為此，筆者將優(yōu)化PFC 級和主DC/DC 級的設(shè)計，以降低二者的功耗，同時進行待機轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，以滿足開關(guān)電源待機功耗應(yīng)低于1 W 的全新功耗規(guī)范標(biāo)準要求。

　　3 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案：

　　為了降低PFC 級的功耗， 實現(xiàn)PFC 級的能效提升目標(biāo)，需要考慮拓撲結(jié)構(gòu)和PFC 控制器的工作模式。從設(shè)計的復(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：拓撲結(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)準要求。但是，若綜合考慮性價比、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 級的設(shè)計更加簡潔。這種控制器工作功耗極低，可以滿足提升PFC級能效的要求，同時它還具有快速瞬態(tài)響應(yīng)、啟動電流和關(guān)閉電流極低等特點，具有眾多安全保護特性，如浪涌電流檢測、過壓保護、用于開環(huán)檢測的欠壓檢測、軟啟動、精確的過流限制、真正的過載限制等。總之，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。[!--empirenews.page--]

　　4 主DC/DC 級解決方案：

　　目前，在提高主DC/DC 級的效率方面，準諧振（QR）模式是最佳解決方案。QR 模式對負載變化的反應(yīng)快，非常適合負載從最低（甚至為零）變到最大額定功率的情況，它可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，從而有效地降低開通時的電流尖峰， 減少開通時電流尖峰引起的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，建議在DC/DC 級采用準諧振反激式拓撲； 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)計者常常采用準諧振反激式變換器配上適當(dāng)?shù)目刂菩酒鳛橹鱀C/DC 級的首選解決方案。

　　目前， 常用的準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，它們的性價比相仿。而ICE2QS02G 不但可應(yīng)用于小功率場合，還可以應(yīng)用于中高功率場合，另外從性價比方面看，它也優(yōu)于其他幾種芯片。為此，在準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)頻率隨著負載的降低而降低，同時在整個負載范圍內(nèi)，控制器能根據(jù)負載情況在不同的谷底點導(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)的準諧振反激式轉(zhuǎn)換器（僅具備最大頻率限制）在自由運行工作時所出現(xiàn)的如下問題：當(dāng)系統(tǒng)負載在滿載范圍（50%~70%）時，開關(guān)頻率將會增大許多，使得設(shè)計者必須付出很大的努力來取得成本與優(yōu)化設(shè)計的平衡。此外，ICE2QS02G 還具備多種用戶可調(diào)的保護功能， 旨在保護系統(tǒng)并使得該IC 適用于不同的應(yīng)用場合。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)化次級二極管的電流等級，從而提高設(shè)計的成本效率。

　　綜上所述，主DC/DC 級采用準諧振反激式轉(zhuǎn)換器以及對應(yīng)的控制芯片ICE2QS02G 是很好的解決方案。另外，在準諧振反激式轉(zhuǎn)換器中選用高壓MOSFET 開關(guān)管（例如全新的800 V CoolMOS C3 系列開關(guān)管）， 可以降低主傳導(dǎo)損耗和MOSFET 的導(dǎo)通損耗，可使效率再提高1%～3%，很好地改善了主DC/DC 級的效率。

　　5 待機轉(zhuǎn)換器解決方案：

　　在全新的功耗規(guī)范標(biāo)準下， 要求LCD TV 開關(guān)電源待機功耗應(yīng)低于1 W。在此情況下，輸出功率很低甚至為零，系統(tǒng)的輸出電流接近于零，MOSFET 和二極管的導(dǎo)通損耗以及鐵芯損耗可以忽略， 二次測二極管的關(guān)斷損耗、MOSFET 的開啟損耗也可以忽略， 待機狀態(tài)下的主要損耗是MOSFET 關(guān)斷損耗和啟動電阻損耗。因此，降低這兩方面的損耗是降低待機功耗和設(shè)計待機轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵點。目前，設(shè)計者的首選解決方案是：設(shè)計獨立的待機轉(zhuǎn)換器，在待機轉(zhuǎn)換器中采用固定頻率反激式拓撲結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制芯片。

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　　在降低啟動電阻損耗方面，傳統(tǒng)的方法多為降低啟動電流同時增大啟動電阻， 但實踐證明該方法的功效不明顯。為此，英飛凌提出了用一個開關(guān)電路替代電阻的方法，在啟動過程中，啟動電路開通，而當(dāng)IC 被激活后，啟動電路關(guān)閉。實踐證明該方法可消除啟動電阻的損耗。英飛凌的CoolSET F3 芯片就集成了這樣的電路以降低電源的損耗。

　　在降低MOSFET 關(guān)斷損耗方面， 由于MOSFET 關(guān)斷損耗與開關(guān)頻率成比例，因而頻率越低損耗越小。然而，從開關(guān)電源基本原理可知：在正常工作模式下，需要利用高頻來減小變壓器和濾波器等器件的尺寸， 而在待機模式下，低頻率有利于減小損耗。所以在待機轉(zhuǎn)換器解決方案中應(yīng)選用具有自動降頻技術(shù)的集成功率IC。在一般的負載范圍，IC 工作在高頻， 當(dāng)輸出功率下降到某一特定閾值時，IC 將會自動減小開關(guān)頻率。

　在“自動降頻技術(shù)”方面，目前較為普遍的有脈沖跳躍模式、突變模式及非導(dǎo)通時間調(diào)變等方式。在這些方式中，以英飛凌推出的主動突變模式性能最優(yōu)越，該模式能在系統(tǒng)結(jié)束待機時保持輸出調(diào)節(jié)并為負載波動做好準備。從這方面考慮，再結(jié)合設(shè)計的復(fù)雜程度和成本等因素，待機轉(zhuǎn)換器選擇英飛凌最新推出的ICE3BR4765J是很好的解決方案。ICE3BR4765J 具備獨有的主動突變模式，加上還應(yīng)用了Bi-CMOS 生產(chǎn)制程，使產(chǎn)品實現(xiàn)了一個極低的待機功耗，例如可實現(xiàn)在12 W/5 V 的產(chǎn)品上僅有25 mW 的待機功耗。ICE3BR4765J在固定的開關(guān)頻率上，加入了±4%的頻率抖動功能，使整體EMI 水平降低， 從而減小用戶對額外的濾波器的要求和生產(chǎn)成本。ICE3BR4765J 內(nèi)部集成了650 V 的啟動單元，大大簡化了外圍電路的設(shè)置，從而降低了系統(tǒng)成本。

　　綜合以上分析，優(yōu)化的待機轉(zhuǎn)換器方案是：獨立設(shè)計反激式待機轉(zhuǎn)換器，并采用英飛凌最新推出的集成功率IC 芯片ICE3BR4765J。

　　基于上述PFC 級、主DC/DC 級和待機轉(zhuǎn)換器的解決方案， 可設(shè)計出圖3 所示的LCD TV 開關(guān)電源解決方案框圖。

　　6 系統(tǒng)性能分析：

　　在上述電源解決方案的基礎(chǔ)上設(shè)計出一款LCD TV開關(guān)電源，其技術(shù)指標(biāo)如下：1） 輸入電壓為交流85～265 V；2） 輸入頻率為47～63 Hz；3） 輸入諧波符合EN61000-3-2 標(biāo)準；4） 正常運行時主DC/DC 級輸出為24 V/6 A，12 V/3 A，正常運行時待機輸出為5 V/2 A；5） 待機運行在5 V/0.1 A 輸出條件下引腳功耗小于1 W。[!--empirenews.page--]

　　在上述技術(shù)指標(biāo)下對系統(tǒng)性能進行了測試。圖4 為在滿載條件下系統(tǒng)輸入功率因數(shù)與輸入線路電壓的對比情況。由圖4 可看出，不同輸入線路電壓條件下，功率因數(shù)均高于94%，系統(tǒng)具有很高的功率因數(shù)。圖5 為在不同負載和線路電壓條件下的系統(tǒng)待機功耗。由圖5 可看出，待機時系統(tǒng)輸入功率很低，滿足“能源之星3.0”的要求。圖6 為在額定線路輸入電壓條件下，不同負載情況的系統(tǒng)效率。由圖6 可看出，系統(tǒng)滿負載效率超過87%，系統(tǒng)平均效率較高。

　　7 小結(jié)

　　LCD TV 開關(guān)電源所面臨的能效挑戰(zhàn)越來越嚴峻。要迎接這些挑戰(zhàn)，可采用有源PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器、準諧振反激式主DC/DC 轉(zhuǎn)換器和獨立的反激式待機轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的解決方案。在解決方案中， 選用安森美推出的PFC控制器NCP1*、英飛凌推出的準諧振反激式控制器ICE2QS02G、集成功率芯片ICE3BR4765J 和CoolMOS 開關(guān)管，可使設(shè)計具有良好的性價比。