LCD TV超級(jí)IP應(yīng)用的解決方案

在現(xiàn)今的 LCD TV 逆變器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往希望能找到效率高但成本最低的解決方案。采用傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很難在不增加成本的情況下提高效率。超級(jí)逆變器或高壓逆變器正是針對(duì)這一問(wèn)題的一個(gè)可行的解決方案，因?yàn)檫@些解決方案省掉了主輸出所需要的整流線(xiàn)路。目前有許多不同類(lèi)型的超級(jí) IP 拓?fù)?，本文主要介紹其中一種，如圖 1 所示，適合用于26 英寸 4 U形燈管 LCD TV。

在上圖所示的超IP模塊中，為了提高總體效率并節(jié)省成本，功率級(jí)和逆變器級(jí)都被整合在同一個(gè)級(jí)中。半橋模塊直接由 PFC 380V 輸出的初級(jí)端供電，T2是初級(jí)和次級(jí)間的隔離變壓器。諧振電路由 T2、T3、T4、T5 和 T6 以及 CCFL電容串聯(lián)而成，把方波電壓轉(zhuǎn)換為正弦輸出，以驅(qū)動(dòng)CCFL。

電流平衡
目前，U形燈管為平板供應(yīng)商所普遍采用，以降低成本和功耗，但U形燈管的兩個(gè)接線(xiàn)端 P1 和 P2 都需要工作在很高的電壓之下。不過(guò)，由于不能通過(guò)工作在高壓下的燈管兩端直接串聯(lián)電阻來(lái)檢測(cè)燈管電流，燈管電流的檢測(cè)非常困難。而且，由于燈管電阻的離散性也使控制4個(gè)U形燈管的電流平衡不容易。

逆變器諧振回路包含了一個(gè)逆變器變壓器、變壓器次級(jí)漏感、燈管等效工作電阻和諧振電容，以及燈管寄生電容Clamp。圖2所示為燈管電流值隨頻率變化的關(guān)系曲線(xiàn)。

有趣的是，在圖2中，當(dāng)Rlamp從100K 變化到1M歐姆時(shí)，所有的燈管電流RMS值曲線(xiàn)相交于f0點(diǎn)(諧振點(diǎn))。f0 (諧振點(diǎn))由L3和Clamp、C9 及 C10決定。這意味著如果工作頻率接近f_{0}，就很容易獲得電流平衡。

圖 3 所示為簡(jiǎn)化的逆變器燈管電路，包含了逆變器變壓器漏感、與外部電容并聯(lián)的燈管寄生電容C，以及燈管等效電阻R。 燈管電流傳遞函數(shù) I(R) 表示如下：

I_{R}(ω)=\frac{V_{R}(ω)}{R}=\frac{VS(ω)}{ωL+\frac{R×\frac{1}{jωC}}{R+\frac{1}{jωC}}}×\frac{R×\frac{1}{jωC}}{R+\frac{1}{jωC}}×\frac{1}{R}
=\frac{VS(ω)}{R(1-ω^{2}LC)+jωL} (2.1)
如果ω^{2} LC=1，則I_{R}(ω)=\frac{VS(ω)}{jωL}，與燈管的R值無(wú)關(guān)，我們就獲得一個(gè)恒定電流輸出的逆變器。燈管電流 RMS 值由 Vs、逆變器變壓器泄漏電感L，以及由燈管寄生電容并聯(lián)外接電容共同組成的電容C 決定。此外，我們還知道，若Q=\frac{R}{ω_{0}L}足夠小，則f_{0}=\frac{1}{2π\(zhòng)sqrt{LC}}點(diǎn)附近，不同燈管阻抗的電流曲線(xiàn)靠得越近。

半橋MOSFET開(kāi)關(guān)的特性
另一個(gè)問(wèn)題有關(guān)半橋MOSFET 的導(dǎo)通尖峰。圖4所示為小占空比仿真波形。當(dāng)高端MOSFET(S1)或低端 MOSFET(S2) 導(dǎo)通時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很大的電流尖峰。S1和S2的導(dǎo)通損耗非常大，效率不理想。開(kāi)關(guān)噪聲也是一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼤?huì)降低系統(tǒng)總體可靠性。

首先，假設(shè)半橋負(fù)載是電感性的，電流波形滯后于電壓波形，D6 是高端 MOSFET S1 的體二極管，D7 是低端 MOSFET S2 的體二極管。

t0->t1：在 t<t0 之前，S2 導(dǎo)通，變壓器初級(jí)電流 IR65 為負(fù)；當(dāng) t=t0 時(shí)，S2 斷開(kāi)，電流 IR65 致使 C46 充電，C45 放電，開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn) Vs 電壓被充電至380V+0.7V@t1。

t1->t2：D6開(kāi)始導(dǎo)通，變壓器初級(jí)端電流為380VDC輸入功率充電，電流降至0@t2。
t2->t3：D6斷開(kāi)，C15、TX6 初級(jí)端電感、R65 和 C45/C46 之間的諧振開(kāi)始，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) Vs 電壓減小到負(fù)值，首先使 D7 導(dǎo)通，然后 Vs 電壓變?yōu)檎怠?br />
t3->t4：死區(qū)結(jié)束，高端柵極驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通 MOSFET。MOSFET Ids 出現(xiàn)大電流尖峰。
為了減小電流尖峰，需要把V7 和 V8的導(dǎo)通占空比提高到近 50%，這樣S1 和 S2 就成為零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)，從而可以在半橋開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲得方波電壓。

飛兆半導(dǎo)體可投產(chǎn)的電路板
圖 5 是飛兆半導(dǎo)體針對(duì) 26 英寸 4 U 形燈管 LCD TV 開(kāi)發(fā)的總體解決方案的模塊示意圖。

該電路的主要規(guī)格如下：
· 燈管典型工作電壓：1920VRMS
· 燈管典型工作電流：7.5mARMS
· 燈管啟動(dòng)電壓：3180Vrms@ Ta = 0℃
· 燈管典型工作頻率：56KHz
· 背光典型功耗：54W
· 音頻放大器輸出 12V/3A，USB 輸出 5V/3A
· 待機(jī)功耗 <0.75W@AC240V，對(duì) MCU 為 5V /0.2A
· 燈管開(kāi)路保護(hù)、燈管短路保護(hù)、燈管過(guò)壓保護(hù)
· 電流平衡：<±10%
選擇背光 PWM IC FAN7313 的原因在于能夠利用外部信號(hào)為串并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器提供所有控制功能，如軟啟動(dòng)、燈管開(kāi)路調(diào)節(jié)、燈管開(kāi)路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)、UVLO、以及同步電路。同時(shí)能夠減少外部組件數(shù)，通過(guò)集成降低系統(tǒng)成本，并且支持模擬和間歇調(diào)光兩種工作模式。
FAN7313 為串并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器提供了開(kāi)發(fā)電源電壓所需的全部控制功能。
設(shè)計(jì)步驟
設(shè)置第一級(jí)變壓器T4規(guī)格
T4把初級(jí)端接地與次級(jí)端接地分隔開(kāi)來(lái)，并把380V PFC電壓轉(zhuǎn)換為±80V的交流中壓輸出，作為二級(jí)變壓器的輸入。T4初級(jí)電感應(yīng)該足夠大，以使C50 和 T4初級(jí)諧振頻率比工作頻率56K小得多，從而讓半橋轉(zhuǎn)換器的電感負(fù)載實(shí)現(xiàn)ZVS。
首先，我們選擇C50=0.47μF/400V，設(shè)置 C50 和 T4初級(jí)電感L諧振頻率為7KHz，遠(yuǎn)低于工作頻率56KHz。T4初級(jí)電感為：
L=\frac{1}{(2πf)^{2}C_{50}}=\frac{1}{(2×π×7kHz)^{2}×0.47μf}=1.1MH
選擇T4初級(jí)電感= 1mH，EER28L磁芯，A_{e}=82mm^{2}，T4最小初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)為：
N_{p min}=\frac{V_{in}×?t_{max}}{?B×A_{e}}=\frac{190V×8.9μs}{0.35T×82mm^{2}}=58.9
我們選擇Np=60匝，T4次級(jí)匝數(shù)為：
N_{S}=\frac{N_{P}×V_{S}}{V_{P}}=\frac{60×80V}{190V}=25.2
我們選擇Ns=26匝，則次級(jí)輸出電壓為
V_{S}=\frac{N_{S}×V_{P}}{N_{P}}=\frac{26×190V}{60}=82.3V
設(shè)置第二級(jí)變壓器T5規(guī)格
T5、T6、T7、T8都是相同的變壓器，用以把方電壓轉(zhuǎn)換為平方波電壓，再轉(zhuǎn)換為正弦波輸出，驅(qū)動(dòng)CCFL。
首先，我們?cè)O(shè)置次級(jí)諧振電路頻率f0=65kHz，Q=1，由式(2.2)，泄漏電感為：
L_{l}=\frac{R}{ω_{0}Q}=\frac{256k}{2×π×65kHz×1}=0.627H
選擇L_{l}=0.6H，EEL17 磁芯，A_{e}=22mm^{2}，T5最小初級(jí)匝數(shù)為：
N_{P?min}=\frac{V_{in}×Δt_{max}}{ΔB×A_{e}}=\frac{82×3V×8.9μs}{0.2T×22mm^{2}}=166.4
把T5輸入方波轉(zhuǎn)換為正弦波，正弦波RMS電壓為：
V_{rms}=\frac{\sqrt{2}}{π}V_{in}sin Dπ=\frac{\sqrt{2}}{π}×164×6V×sin\frac{π}{2}=74.1V
根據(jù)式(2.3)，變壓器匝數(shù)比為：
至于最小初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)，最小線(xiàn)圈匝數(shù)比和泄漏電感，我們據(jù)此能夠確定初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)、匝數(shù)比和磁芯間隙，獲得所需的泄漏電感。對(duì)于這一應(yīng)用，初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)為 178T，次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)為 4200T，匝數(shù)比為 23.6。
確定所需的輸出電容C51、C77
假設(shè)每個(gè) U 形燈管的寄生電容為 5pF。每個(gè)寄生電容與一個(gè)輸出電容有效并聯(lián)。輸出電容 C51 為：
我們選擇 C51 和 C77=10pF。
小結(jié)
隨著消費(fèi)者對(duì)高效低成本 LCD TV 的需求不斷增長(zhǎng)，高壓逆變器必需以最低的成本提供高效率。本文探討了創(chuàng)新的解決方案，整合了功率級(jí)和逆變器級(jí)，在 PFC 模塊之后無(wú)需傳統(tǒng)的 DC-DC 模塊。利用這種先進(jìn)的拓?fù)洌?strong>LCD TV 系統(tǒng)的效率和可靠性都得到大幅度提高，同時(shí)又降低了系統(tǒng)總體成本。