LCDTV開(kāi)關(guān)電源解決實(shí)施方案

1、LCD TV開(kāi)關(guān)電源解決方案來(lái)源：維庫(kù)作者：【摘要】隨著電源能效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，LCD TV開(kāi) 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(shuō)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(shuō)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(lái)幾年，LCD TV將是數(shù)字電視時(shí)代的主流產(chǎn)品。 隨著L

2、CD TV應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)電能的消耗也越來(lái)越大， 節(jié)能環(huán)保壓力劇增。因此，提高 LCD TV開(kāi)關(guān)電源能效的需 求越來(lái)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(lái)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LCDTV開(kāi)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(kāi)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(lái)源，有針 對(duì)性地采取措施來(lái)降低能耗。通

3、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（85265 V ）轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電 壓（24 V，12 V，5 V和口 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)。AC 8526

4、5 VPFC挾調(diào)節(jié)器IX： 24 V/DC 400 V 主 DC/ iDC 12 V TDC 級(jí)!黑母*信號(hào)處理耘 :DC 5 V/1血：3.3 VDC/AC趙變器符機(jī)轉(zhuǎn)換器待機(jī)微控制器圖1液聶電複電源管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)根據(jù)安森美半導(dǎo)體有限公司（簡(jiǎn)稱 安森美”測(cè)算，LCDTV開(kāi)關(guān)電源的PFC級(jí)損耗和主DC/DC 級(jí)損耗為L(zhǎng)CD TV 開(kāi)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(kāi)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

5、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P

6、FC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(guò)壓保護(hù)、用于開(kāi)環(huán)檢測(cè)的欠壓檢測(cè)、軟啟動(dòng)、 精確的過(guò)流限制、真正的過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源中的PFC轉(zhuǎn)換器電路如圖2所示2采用NCF1654的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器應(yīng)用電路4主DC/DC級(jí)解決方案:目前，在提高主DC/DC級(jí)的效

7、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(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，從而有效地降低開(kāi)通時(shí)的電流尖 峰，減少開(kāi)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)?；?dāng)功率額定值超過(guò) 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?DC/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

8、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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)損 耗和傳導(dǎo)損耗始終保

9、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(wèn)題：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載在滿載范圍（50%70%） 時(shí)，開(kāi)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(lái)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(kāi)環(huán)控制回路 /過(guò)載、 輸出過(guò)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(guò)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

10、高設(shè)計(jì)的成本效率。綜上所述，主DC/DC級(jí)米用準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器以 及對(duì)應(yīng)的控制芯片ICE2QS02G是很好的解決方案。另外， 在準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器中選用高壓 MOSFET開(kāi)關(guān)管（例如全 新的800 V CoolMOS C3系列開(kāi)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(jí)的效率。5待機(jī)轉(zhuǎn)換器解決方案：在全新的功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下，要求LCD TV開(kāi)關(guān)電源 待機(jī)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(cè)二極管的關(guān)斷損耗、MOSFET 的開(kāi)啟損耗

11、也可以忽略， 待機(jī)狀態(tài)下的主要損耗是 MOSFET 關(guān)斷損耗和啟動(dòng)電阻損耗。因此，降低這兩方面的損耗是降低 待機(jī)功耗和設(shè)計(jì)待機(jī)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵點(diǎn)。目前，設(shè)計(jì)者的首選解 決方案是：設(shè)計(jì)獨(dú)立的待機(jī)轉(zhuǎn)換器，在待機(jī)轉(zhuǎn)換器中采用固定 頻率反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制芯片。在降低啟動(dòng)電阻損耗方面，傳統(tǒng)的方法多為降低啟動(dòng)電流 同時(shí)增大啟動(dòng)電阻， 但實(shí)踐證明該方法的功效不明顯。為此, 英飛凌提出了用一個(gè)開(kāi)關(guān)電路替代電阻的方法，在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電路開(kāi)通，而當(dāng)IC被激活后，啟動(dòng)電路關(guān)閉。實(shí)踐 證明該方法可消除啟動(dòng)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

12、損耗方面，由于MOSFET關(guān)斷損耗與開(kāi)關(guān)頻率成比例，因而頻率越低損耗越小。然而，從 開(kāi)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(lái) 減小變壓器和濾波器等器件的尺寸，而在待機(jī)模式下，低頻率有利于減小損耗。所以在待機(jī)轉(zhuǎn)換器解決方案中應(yīng)選用具有 自動(dòng)降頻技術(shù)的集成功率IC。在一般的負(fù)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(shí)，IC將會(huì)自動(dòng)減 小開(kāi)關(guān)頻率。在自動(dòng)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(shí)間調(diào)變等方式。在這些方式中，以英 飛凌推出的主動(dòng)突變模式性能最優(yōu)越，該模式能在系統(tǒng)結(jié)束待 機(jī)時(shí)保持輸出調(diào)節(jié)并為負(fù)載波動(dòng)做好準(zhǔn)備。從這方面考慮，再 結(jié)合設(shè)計(jì)的

13、復(fù)雜程度和成本等因素，待機(jī)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(dú)有的主動(dòng)突變模式，加上還應(yīng)用了 Bi-CMOS生產(chǎn)制 程，使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了一個(gè)極低的待機(jī)功耗，例如可實(shí)現(xiàn)在12 W/5 V的產(chǎn)品上僅有25 mW 的待機(jī)功耗。ICE3BR4765J在固定 的開(kāi)關(guān)頻率上，加入了 4%的頻率抖動(dòng)功能，使整體EMI水 平降低，從而減小用戶對(duì)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(dòng)單元，大大簡(jiǎn)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(jī)轉(zhuǎn)換器方案是：獨(dú)立設(shè)計(jì) 反激式待機(jī)轉(zhuǎn)換器，并采用英飛凌

14、最新推出的集成功率IC芯 片 ICE3BR4765J?；谏鲜鯬FC級(jí)、主DC/DC級(jí)和待機(jī)轉(zhuǎn)換器的解決 方案，可設(shè)計(jì)出圖3所示的LCD TV開(kāi)關(guān)電源解決方案框 圖。TYYYY卄EMiaasn n n n)C 2+ v ft 出療諧握反激式HlIT光逆變器)控制器0JC 12 輸出CE2QS02G jU U V U倩號(hào)處理U CoolMOSCJ SPA11N3OC3J1訂1CE3BR4765J反激式帰機(jī)桂換器準(zhǔn)諧振反滋戌升壓PFC控制器NCP1654U LT Un n nDC 5 V輸出待機(jī) 部件價(jià)控制器)|乍制2口丨軟撰復(fù)二按借M5R8&0GI*MM0S*CPA6CRIWft 3雀菲的龐D

15、TV卄關(guān)電糠鮮決方集框團(tuán)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(jì)出一款 LCD TV開(kāi) 關(guān)電源，其技術(shù)指標(biāo)如下：1）輸入電壓為交流85265 V ;2）輸入頻率為4763 Hz ;3）輸入諧波符合EN61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)；4）正常運(yùn)行時(shí)主DC/DC 級(jí)輸出為24 V/6 A , 12 V/3 A，正常運(yùn)行時(shí)待機(jī)輸出為5 V/2 A ; 5）待機(jī)運(yùn)行在5 V/0.1 A輸出條件下引腳功耗小于1 W。在上述技術(shù)指標(biāo)下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)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(duì)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(fù)載和線路電壓條 件下的系統(tǒng)待機(jī)功耗。由圖5可看出，待機(jī)時(shí)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(fù)載情況的系統(tǒng)效率。由圖6可看出，系統(tǒng)滿負(fù)載效率超過(guò)87%，系統(tǒng)平均效率較高。3.000()0.920 0(198()()0.970 00.960 0D.94O 0線路交流電圧八S5 IW1602202650.930 00.990 U系統(tǒng)輸人川弓T絞與旳誨電壓對(duì)比情況fl 4000 90() ROO 700 00() 500400300200 100X5 100 115 】和 145 160