LCD TV中的電源應(yīng)用方案

LCD TV電源架構(gòu)的介紹

圖1所示為LCD TV的電源架構(gòu)，圖中架構(gòu)的輸入電壓為90-265V，輸入頻率從47Hz到63Hz，經(jīng)過調(diào)試整流后會經(jīng)過PFC架構(gòu)，由于本文主要針對MOS，因此圖中沒有表示出調(diào)試整流部分。PFC根據(jù)所使用的IC選擇采用DCM或者CCM。從PFC出來后有一個PWM，如果輸出功率小于65W，則PWM端采用Flyback或QR模式?，F(xiàn)在LCD TV常用的是半橋共振和LLC架構(gòu)。5V一側(cè)有備用電源，目前LCD TV的備用電源通常采用的是IC綁定MOS。所不同的是逆變器部分，傳統(tǒng)輸出是24V，此處采用的則是LIPS架構(gòu)，并從PFC端將400V電壓直接加到此處。電壓從24V增加到400V的好處是：電流相對變小，因此效率更好；而且24V逆變器采用的是全橋式架構(gòu)，需4個MOS，而如果采用LIPS架構(gòu)則采用半橋架構(gòu)，只需要兩個MOS，隨著MOS量的減少，成本也隨之降低。

圖2所示為一個實際的TV板。從圖1的電源架構(gòu)角度看，該電路板中有兩個STEP EMI內(nèi)核，圖中標(biāo)記了紅色的部分有一個PFC MOSFET，目前Vishay主推IRFP27N60KPBF，PWM的MOSFET采用的是半橋LLC架構(gòu)，這一部分用500V MOS即可，該電路板使用的是IRFB840APBF。此外還有3組輸出，即5V、12V和24V，以及一個5V的備用電源。

拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

PFC即Power Factor Correction，是一個升壓式架構(gòu)。當(dāng)PFC控制器的電源大于70W小于200W時，通常會采用DCM結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)電壓比較高，通常需要選擇600或650V的MOS。當(dāng)電源大于200W時，通常采用CCM結(jié)構(gòu)。對于一次側(cè)PWM拓撲架構(gòu)，如圖3所示，一般采用的是Flyback架構(gòu)。電源為65W或90W以下的適配器會采用Flyback架構(gòu)，26"和32"電視也可能采用Flyback架構(gòu)。半橋結(jié)構(gòu)需要兩個MOS，而全橋結(jié)構(gòu)需要4個MOS。其實半橋和全橋式架構(gòu)比較適用于大電源中。目前廣為接受的TV電源主要是LLC架構(gòu)，是由兩個MOS Q1和Q2串聯(lián)Cr、Lr和Lm，以及一個變壓器組成，如圖3中右下圖所示。還有一些情況采用Forward和Double Forward構(gòu)架，由于Forward電壓非常大，可能達到900-1000V，因此電壓選擇要謹慎。而對于Double Forward而言，500V電壓足矣。

零電壓切換

由于共振切換方式中電壓電流交叉面積變小，相對開關(guān)損耗變小，效率變高，溫度降低，因此通常采用共振切換的方式，目前最常用的是零電壓切換。由于采用LC架構(gòu)，其共振頻率為 f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}，當(dāng)操作頻率大于共振頻率時，則操作在ZVS（零電壓切換）架構(gòu)上。從圖4中可以看到，當(dāng)電流增加時電壓為零，電壓增加時電流為零。只有在電流減小電壓增加的瞬間才有小小的切換損耗，而大部分時間無損耗，相對于共振損耗來講，這種情況損耗更小，因此ZVS架構(gòu)效率更好。

LLC共振轉(zhuǎn)換器

圖5所示為半橋共振LLC共振轉(zhuǎn)換器，這種架構(gòu)根據(jù) f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}計算出共振頻率的第一個點和第二個點。一般情況下希望將LLC共振設(shè)計在ZVS區(qū)域內(nèi)。如果在ZCS區(qū)域內(nèi)損耗比較大，只需將開關(guān)頻率設(shè)計成大于共振頻率即可實現(xiàn)。圖5中右上角的圖表示了開關(guān)頻率隨著電壓增益變換關(guān)系圖。共振LLC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于LCD TV時的優(yōu)點有：

1）高效率：初級MOS零電壓切換幾乎沒有損耗，而且次級整流二極管為ZCS切換，損耗較少，因此整體效率得到提升；
2）高電源密度；
3）良好的EMI（低dV/dt和dI/dt）；
4）更好的交叉調(diào)整率；
5）較低的輸出紋波噪聲；
6）低熱擾動
7）節(jié)約成本

LLC拓撲的工作原理

圖6所示為LLC拓撲的工作原理。可以看到左邊為兩個MOS（高壓MOS和低壓MOS）串聯(lián)兩個電感，一個電容和一個變壓器。二次側(cè)部分有兩個整流二極管，為非同步整流方式。圖的右側(cè)為電流與電壓變化分段示意圖。在T0-T1階段，兩個MOS沒有導(dǎo)通，電流通過MOS的二極管逆流回去；在T1-T2階段，高壓側(cè)MOS導(dǎo)通，電流從VDC流到地，在二次側(cè)部分的二極管導(dǎo)通；T2-T3唯一改變的是二次側(cè)的二極管關(guān)斷，電流從Vout流出，兩邊為隔離狀態(tài)，高壓側(cè)MOS還是導(dǎo)通，低壓側(cè)MOS還是關(guān)閉的；T3-T4階段高壓MOS關(guān)掉，低壓MOS沒有導(dǎo)通，但是電流通過低壓側(cè)MOS的二極管，二次側(cè)的二極管也導(dǎo)通；T4-T5階段低壓MOS完全導(dǎo)通，二次側(cè)的二極管也完全導(dǎo)通；T5-T6階段二次側(cè)二極管關(guān)斷，低壓MOS導(dǎo)通。

Vishay目前擁有的LCD TV電源的產(chǎn)品

Vishay目前主推的LCD TV高壓MOS為Gen6，是一種比較新的技術(shù)，以6"晶圓制造，其中包括K-Series與L-Series，可以從器件命名的最后一個字母看到。K-Series比較適用于PFC AC/DC SMPS以及電機驅(qū)動，或者硬開關(guān)全橋的初級開關(guān)、半橋、正向式轉(zhuǎn)換器等。L-Series很適合AC/DC SMPS ZVS全橋中的初級開關(guān)。圖7和圖8列出了1M的電壓產(chǎn)品。

應(yīng)用實例

圖9所示為一個采用LLC的LCD TV應(yīng)用，其中用紅色圈起來的部分為針對PFC的MOS和半橋共振的MOS所推薦的型號。在半橋共振部分，實際應(yīng)用中選擇500V的MOS即可。