LCD TV中的電源轉(zhuǎn)換鏈與開關(guān)電源拓撲

電視機的升級

自從英國廣播公司(BBC)于1936年在倫敦開通世界上首個公共電視廣播以來，電視機技術(shù)已取得了長足的發(fā)展：從BBC于1953年首先開通彩色電視廣播，到日本NHK于1981年進行首例高清電視(HDTV)系統(tǒng)演示等，不一而足。當前，世界各國紛紛采取行動，以將TV信號從模擬傳輸升級至具備更高質(zhì)量的數(shù)字制式。以美國為例，到2009年2月美國將停止模擬電視信號傳輸。

但是，“在客廳中坐在一個老式大盒子面前(看電視節(jié)目)的方式已經(jīng)變得落伍。對于電視行業(yè)來說，新技術(shù)的發(fā)展，正催生著無窮的機遇”。這是美國《新聞周刊》2005年6月份所描述的一個景象。推動這些機遇的其中一項技術(shù)，就是平板顯示(FPD)。該技術(shù)具有以下兩個顯著特點：

● 支持高達1080p的高清電視(HDTV)
● 屏幕尺寸更大，但總體外形更小

不同尺寸平板電視的電源轉(zhuǎn)換鏈

平板電視與傳統(tǒng)電視很大的一項不同，便是傳統(tǒng)電視所采用的陰極射線管(CRT)被LCD或等離子屏幕取而代之，與之相應(yīng)的是電視機厚度和機體尺寸的大幅降低。但是，我們應(yīng)當注意的是：

● 平板電視消耗的電量相對較高，并且不同尺寸和功能組合的平板電視耗電量也會不同。與CRT電視相比，平板電視平均每立方厘米尺寸所消耗的功率要高出許多。

● 傳統(tǒng)上消費者會將電視擺放在客廳，電視機機身的噪聲傳播開來，可能會釀成一個問題。如果在電視機設(shè)計中增添冷卻風扇，可能不會受到消費者歡迎。

● 在消費電子領(lǐng)域，競爭非常激烈，成本問題非常重要，而目前平板電視的售價相對較高。

在這種情況下，平板電視制造商根據(jù)面板尺寸的不同，應(yīng)用了不同的電源轉(zhuǎn)換鏈，從而優(yōu)化每一款電視機的設(shè)計。

小尺寸：最大為21英寸

這種尺寸的平板電視功耗通常低于70W。這個數(shù)值低于大多數(shù)諧波含量標準對功耗的要求，因此無須使用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)。在這種情況下，通常使用一個開關(guān)電源(SMPS)。在正常模式下，開關(guān)電源必須輸出額定功率，而在待機模式下，開關(guān)電源必須擁有較高的能效。

市場上也有不同的處理方式：如采用外部電源，適配器遵從各種不同標準和行為準則。當然，作為替代之選，電源也可被嵌在電視機內(nèi)部作為開放式電源。這種電源必須滿足待機能耗要求，并且在有源模式運作下的能效較高，從而減少面板內(nèi)的發(fā)熱量。

在使用內(nèi)部電源單元和外部電源單元這兩種方式中，通常都采用到了反激式拓撲結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器既能工作在固定頻率，也能工作在可變頻率(特別是就準諧振模式而言)。

在額定負載和輕載條件下，要同時實現(xiàn)較高能效，關(guān)鍵就在于要采用能夠根據(jù)負載狀況調(diào)整工作模式的智能開關(guān)電源控制器。

針對這種情況，多家半導體公司開發(fā)出了一些備選方案，以安森美公司為例：

● 跳過多余周期方案：固定頻率的如NCP1200/1216/1271，可變頻率的如NCP1207/1337。該方案如圖1所示。

圖1 固定頻率模式下電流最小時進行周期變換

● 頻率反走方案：NCP1351

中等尺寸平板電視：介于26英寸至32英寸之間

對于這種尺寸面板的平板電視而言，功耗大幅增加，最大可達180W。由于輸入功率高于75W，因此，這種應(yīng)用應(yīng)該遵從歐盟IEC1000-3-2 D類標準或類似區(qū)域性諧波含量標準。在這里，功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)也開始應(yīng)用；而且，由于主電源必須進行優(yōu)化，以實現(xiàn)更高的能效和更小的體積。因此，有源PFC能夠發(fā)揮突出作用，對主電源單元輸入電壓的變化進行限制。在這種功率級別，臨界導電模式(CRM) PFC是應(yīng)用得最為廣泛的拓撲。在這方面，安森美半導體公司推出的NCP1606提供了一種具有高性價比并且可靠的解決方案。

圖2 NCP1351-輸出功率減小時，開關(guān)頻率也隨之減小

在這種尺寸范圍面板的平板電視中，常用的有兩種電源轉(zhuǎn)換鏈。

第一種方法包含兩個電源(如圖3所示)。其中一個開關(guān)電源采用的是反激式拓撲，專門用于背光，可為面板提供24 V@5A的輸出功率；另一個開關(guān)電源采用的也是反激式拓撲，負責為控制音視頻輸入輸出信號處理(CAVIO)板供電，可以提供40W@12V的功率(某些條件下電壓為5V)。后者還用于待機模式，在這種模式下，多種嚴格的輕載能效標準可以適用。

圖3 采用了2個反激式電源的26～32英寸面板

圖4 面板尺寸介于26～32英寸之間的平板電視中的電源結(jié)構(gòu)

第二種電源轉(zhuǎn)換鏈只包含一個主開關(guān)電源，可以為面板提供24V的電壓，還可以為CAVIO板提供12V電壓，這里要求的功率將在170W等級內(nèi)。此外，它還包含另一個專用于待機模式的器件，該器件可在正常模式下提供10W功率，而在待機條件下的電流消耗僅為500mA。

為了適應(yīng)更高的輸出功率，主開關(guān)電源的拓撲不應(yīng)該還是單開關(guān)反激，而應(yīng)該采用雙開關(guān)反激，盡管這個區(qū)域也采用了一個半橋諧振LLC。這種拓撲與屏幕尺寸更大的面板共用一個通用拓撲。

這種方法有一個顯著的好處，就是優(yōu)化了待機能耗，因為在這個模式下，主開關(guān)電源器件與PFC的功能會被關(guān)閉。

這兩種方法中，采用雙開關(guān)電源的方法擁有許多優(yōu)勢：

● 功率被予以更好地均衡，從而允許使用單開關(guān)反激轉(zhuǎn)換器。
● 消除了對背光進行數(shù)字調(diào)光過程中滋生的交互穩(wěn)壓隱憂，避免了這個過程中負載變化過大的問題。
● 面向不需要執(zhí)行IEC諧波兼容規(guī)范的美國/北美地區(qū)的產(chǎn)品型號中，更易于移除PFC級。
● 解耦源自CAVIO電源的面板功率。如果未來需要采用不同的背光技術(shù)，如EEFL、FEL和LED等，CAVIO電源可以簡化演進過程。

較大尺寸平板電視：37英寸

這種尺寸的LCD TV功耗最高達220W。在這種情況下，必須使用PFC技術(shù)，并強烈推薦使用有源PFC。在這個功率等級，可以考慮三種備選拓撲，分別是臨界導電模式(CRM)、固定頻率非連續(xù)導電模式(FF DCM)和連續(xù)導電模式(CCM)。

NCP1605中采用了固定頻率非連續(xù)導電模式。這種模式結(jié)合了臨界導電模式的一些優(yōu)點，如從輸入正弦電壓的頂端開始減小峰值電流，還結(jié)合了固定頻率解決方案的長處，也就是當輸入電壓通過零電壓時可對開關(guān)頻率進行鉗位，從而可對EMI信號進行更好的控制。

圖5 NCP1605結(jié)合了固定頻率非連續(xù)導電模式和臨界導電模式的優(yōu)點

在CCM模式下工作的緊湊型8引腳PFC控制器近期已經(jīng)推出，如安森美半導體推出的NCP1653和NCP1654器件。

與尺寸介于26～32英寸之間的面板相似，在37英寸面板市場，有兩種架構(gòu)：

● 雙開關(guān)電源架構(gòu)：其中一個開關(guān)電源專用于背光，另一個電源器件專用于CAVIO板，并支持待機模式。
● 單一主開關(guān)電源架構(gòu)：主開關(guān)電源提供24V和12V電壓，另加一個專用的待機開關(guān)電源。在待機模式下，主開關(guān)電源被切斷。

雖然雙開關(guān)電源架構(gòu)擁有明顯優(yōu)勢，但在高達200W的功率范圍下，設(shè)計人員必須考慮到輕載性能變得越來越重要，因為CAVIO的功率容量增加了。不僅如此，采用反激等傳統(tǒng)拓撲能夠?qū)崿F(xiàn)的功率密度在這里則成為一個問題。其他能夠提高能效、減小尺寸和改善交互調(diào)節(jié)狀況的拓撲必須予以考慮。例如，大多數(shù)設(shè)計人員已經(jīng)選擇半橋諧振LLC解決方案來實現(xiàn)這些性能改善目標。

大尺寸平板電視：40英寸及更大尺寸

40/42英寸LCD TV的功耗可能高達300W，46英寸的更是高達330W。在這個功率等級，連續(xù)導電模式(CCM)拓撲對PFC而言最為適用。此外，最少需要兩個開關(guān)電源來滿足背光和信號處理的功率需求，以及遵從待機能耗要求。在這個功率等級，傳統(tǒng)的反激拓撲不再適用，設(shè)計人員必須考慮新的拓撲，如單/雙開關(guān)前向拓撲或半橋拓撲。這兩種拓撲都需要在連續(xù)導電模式下工作，而該模式會導致出現(xiàn)硬開關(guān)和EMI信號挑戰(zhàn)，以及滋生在緊湊型消費導向應(yīng)用中不受歡迎的電磁問題。對于功率等級較低的LCD TV而言，它們通常采用的是準諧振模式，這種模式憑借減小開關(guān)損耗而能夠提高能效。而在功率等級更高的大屏幕平板電視中，采用諧振拓撲的優(yōu)勢十分突出，這種模式會引導設(shè)計人員采用半橋諧振LLC，而后者是諧振轉(zhuǎn)換器系列中的一員。半橋諧振LLC的優(yōu)勢體現(xiàn)在：

● 基于完整負載范圍的零電壓開關(guān)(ZVS)：在零漏極電壓條件下進行開關(guān)切換。通電損耗因此接近于零，與半橋相比EMI信號質(zhì)量更佳，而半橋拓撲是工作在硬開關(guān)條件下。
● 低關(guān)斷電流：開關(guān)在低電流條件下關(guān)斷，因此關(guān)斷損耗也比半橋拓撲更低。
● 副二極管可進行零電流關(guān)斷：當轉(zhuǎn)換器工作在滿載條件下時，輸出整流器會在零電流時關(guān)斷，從而減少EMI信號問題。
● 無需增加元件數(shù)量：元件數(shù)量基本上與傳統(tǒng)半橋拓撲相當。
● 良好的交互調(diào)節(jié)功能：盡管事實上采用單個開關(guān)電源器件來同時為面板提供24V電壓和為CAVIO板提供12V電壓，但背光的數(shù)字調(diào)光并不會與兩路輸出電壓的調(diào)制產(chǎn)生干擾。

在這個功率等級，最常見的電源轉(zhuǎn)換鏈包含一個主開關(guān)電源及一個待機專用開關(guān)電源，其中主開關(guān)電源采用半橋諧振拓撲，能夠同時輸出24V和12V電壓。

圖6所示為該諧振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。一個50%負載周期半橋提供了在零到輸入電壓VIN再到諧振電路之間搖擺的高壓方波。通過采用壓控振蕩器(VCO)來調(diào)節(jié)頻率，反饋回路能夠根據(jù)功率需求來調(diào)節(jié)輸出等級。

圖6 諧振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的補充示意圖

圖8 半橋LLC波形

該諧振電路由電容Cs，以及兩個電感Ls和Lm串聯(lián)組成。其中的Lm電感代表的是變壓器磁化電感，它與Ls和Cs一起，會構(gòu)成一個諧振點。這個電感上的負載產(chǎn)生的反射要么會令諧振點從電路上消失(在大負載電流條件下，Lm會被電阻值較小的、發(fā)生了反射的負載電阻ＲＬ所完全短路)，要么會使其在輕載條件下繼續(xù)與串聯(lián)電感Ls串聯(lián)。其結(jié)果是，根據(jù)負載條件的不同，諧振頻率會在最小與最大之間變動。

工作頻率取決于功率需求。在低功率條件下，工作頻率相當之高，且離諧振點相當遠。但在高功率條件下，控制回路會降低開關(guān)頻率，并會采用其中某個諧振頻率來為負載提供必需的電流。

結(jié)論

平板電視電源轉(zhuǎn)換鏈的設(shè)計需要考慮諸多的挑戰(zhàn)和相互沖突的設(shè)計折中，才能設(shè)計出無需有源冷卻的高性價比、高能效、小巧纖薄的解決方案。此外，為了滿足不同消費者的需求，平板電視制造商需要提供眾多不同的功能組合，同時要求無須對每款電源進行重新設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計和IC制造商已經(jīng)合作起來探尋最佳的設(shè)計折中組合。如今，我們需要集中力量開發(fā)下一代的LCD TV，令面板背光子系統(tǒng)能夠直接從功率因數(shù)轉(zhuǎn)換段供電。