【摘要】隨著電源能效規(guī)范標準逐漸提高,LCD TV 開關電源也需要不斷提升能效。為此,提出了從PFC 預調(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 開關電源能效的需求越來越迫切。為此,世界上多個政府機構和行業(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”標準和德國的“藍色天使”標準,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)換器的設計方案, 以便更好地提高LCD TV 開關電源的能效,滿足全新的功耗規(guī)范標準。
2 液晶電視電源管理系統(tǒng)結(jié)構:
要提高LCD TV 開關電源的能效,很重要的方面是針對液晶電視電源管理系統(tǒng)的結(jié)構,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)構如圖1所示。電源單元由PFC 預調(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)安森美半導體有限公司(簡稱“安森美”)測算,LCD TV 開關電源的PFC 級損耗和主DC/DC 級損耗為LCD TV 開關電源的主要損耗, 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 級的設計,以降低二者的功耗,同時進行待機轉(zhuǎn)換器的設計,以滿足開關電源待機功耗應低于1 W 的全新功耗規(guī)范標準要求。
3 PFC 預調(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,需要考慮拓撲結(jié)構和PFC 控制器的工作模式。從設計的復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)構為Boost 升壓結(jié)構,PFC 控制器的工作模式為連續(xù)導通(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、啟動電流和關閉電流極低等特點,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??傊?,它集成了構建緊湊而穩(wěn)固的PFC 所需的所有特性。除控制器部分外,選擇具有低導通電阻和低寄生電容的全新CP 系列Cool-MOS 開關管以及軟恢復升壓二極管也是提升效率的最佳選擇。綜上所述,LCD TV 開關電源中的PFC 轉(zhuǎn)換器電路如圖2 所示。
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。但是在實際應用中,為了更好地在性能和成本之間取得平衡,設計者常常采用準諧振反激式變換器配上適當?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 應用在小功率LCDTV 開關電源中,它們的性價比相仿。而ICE2QS02G 不但可應用于小功率場合,還可以應用于中高功率場合,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,使得開關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通MOSFET, 使得轉(zhuǎn)換器的開關損耗和傳導損耗始終保持平衡, 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:當系統(tǒng)負載在滿載范圍(50%~70%)時,開關頻率將會增大許多,使得設計者必須付出很大的努力來取得成本與優(yōu)化設計的平衡。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,從而提高設計的成本效率。