液晶電視綠色電源解決方案

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(guān)電源。除開機功耗外，在待機模式下，輸入功率應(yīng)低于1W。待機功率要求是開關(guān)電源 設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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?？傊?，典型的液晶電視開關(guān)電源通常由待機功率轉(zhuǎn)換器、PFC預(yù)調(diào)節(jié)器和主轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。本文將探討如何應(yīng)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(yù)調(diào)節(jié)器

升壓轉(zhuǎn)換器是應(yīng)用最為廣泛的拓?fù)洹τ趥鹘y(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）。控制電路較為復(fù)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(shè)計難度。采用該控制器只需連接少數(shù)器件，這使PFC級的設(shè)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(dǎo)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(guān)電源中典型的PFC轉(zhuǎn)換器電路如圖1所示。
 

圖1采用 ICE2PCS02G和 IPA60R199CP的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器應(yīng)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(yīng)用而言，準(zhǔn)諧振（谷值開關(guān)）反激式轉(zhuǎn)換器是非常經(jīng)濟合算的解決方案。相對于硬開關(guān)反激式轉(zhuǎn)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(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器而言，如果系統(tǒng)的工作負(fù)載在50% 至70%之間（測量開機功耗的負(fù)載范圍），開關(guān)頻率就會增大許多。大多數(shù)情況下，這需要設(shè)計者付出更大的努力和成本來優(yōu)化設(shè)計。英飛凌準(zhǔn)諧振控制器 ICE2QS02G采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字降頻模式，有效解決了此問題。根據(jù)負(fù)載情況，IC將在不同的谷值點開通MOSFET。例如，在滿負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換器將在第一谷值點運行，提供最大功率，如果負(fù)載降至70%時，轉(zhuǎn)換器將在第二或第三谷值點運行。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗始終保持平衡，轉(zhuǎn)換器獲得最高的運行效率。明MOSFET在第一谷值點和第七谷值點導(dǎo)通。
（a）在第一谷值點完成谷值開關(guān)
   
（b）在第七谷值點完成谷值開關(guān)
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(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器，高壓MOSFET允許存在高反射電壓，因此降低了MOSFET的導(dǎo)通損耗。此外，采用高壓MOSFET還可降低主傳導(dǎo)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(zhuǎn)換器

在這種功率水平，需要獨立的待機轉(zhuǎn)換器。采用集成功率IC和固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器是當(dāng)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(yīng)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(zhuǎn)換器）。PFC預(yù)調(diào)節(jié)器和主功率級關(guān)閉。因此，改善待機能效的關(guān)鍵點包括待機轉(zhuǎn)換器效率、二次側(cè)功率損耗和母線電壓采樣功率損耗。

為改善待機轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，降低平均開關(guān)頻率至關(guān)重要。不過，要想在系統(tǒng)結(jié)束待機時保持輸出調(diào)節(jié)并為負(fù)載波動做好準(zhǔn)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(guān)脈沖停止，輸出電壓則會降低，然后反饋電壓升高。當(dāng)它升到突發(fā)開始水平（FB3），開關(guān)脈沖恢復(fù)。在處于突發(fā)模式期間，輸出會升高 ，反饋電壓開始降低。當(dāng)它降到突發(fā)結(jié)束水平（FB2），開關(guān)脈沖再次停止。這種突發(fā)交替性結(jié)束開始，構(gòu)成主動突發(fā)模式。如果負(fù)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(zhuǎn)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(shù)規(guī)格

在額定線路輸入電壓條件下，不同負(fù)載情況下的系統(tǒng)效率。在110Vac條件下，滿負(fù)載效率超過87%。此外，平均效率保持在較高水平（30%負(fù)載之后）。

結(jié)語

液晶電視的高功耗給SMPS的設(shè)計造成很多困難。此外，各種不同規(guī)格的要求使設(shè)計難上加難。對于中小尺寸液晶電視而言，有源PFC預(yù)調(diào)節(jié)器、準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器和固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器的結(jié)合應(yīng)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(shè)計變得輕而易舉，同時具備出類拔萃的性能。