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液晶电视电源管理系统 更新时间:2011-05-28 09:50

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目前, 在全球范围内,LCD TV 凭借其技术性能先进、外型美观时尚、工作稳定、可靠性高等优点正迅速走进家庭。预计在未来几年,LCD TV 将是数字电视时代的主流产品。随着LCD TV 应用越来越广泛,对电能的消耗也越来越大,节能环保压力剧增。因此,提高LCD TV 开关电源能效的需求越来越迫切。为此,世界上多个政府机构和行业组织纷纷针对不同尺寸的电视机制定了全新的功耗规范,如美国的“能源之星3.0”标准和德国的“蓝色天使”标准,以此来提高电能的使用效率,降低电能消耗。笔者将探讨如何优化PFC 级、主DC/DC 级和待机转换器的设计方案, 以便更好地提高LCD TV 开关电源的能效,满足全新的功耗规范标准。

液晶电视电源管理系统结构

  • 要提高LCD TV的能效,很重要的方面是针对液晶电视管理系统的结构,分析功率损耗的来源,有针对性地采取措施来降低能耗。

    通常液晶电视电源管理系统由电源单元、DC/AC 逆变器、信号处理系统这3 部分组成, 其典型结构如图1所示。电源单元由PFC 预调节器、主DC/DC 级和待机转换器组成,用于将交流输入电压(85~265 V)转换成较低的直流输出电压(24 V,12 V,5 V 和3.3 V),其中主DC/DC 级输出的24 V 或12 V 直流电压用于为背光逆变器和信号处理系统供电, 待机转换器输出的5 V 或3.3 V直流电压为待机部件和微控制器供电。DC/AC 逆变器负责将24 V 或12 V 直流电压转换成高交流电压(例如1 200 V 交流电压),为背光灯供电。信号处理系统用于控制和处理声音与图像信号。

液晶电视电源管理系统PFC 预调节器

  • 为了降低PFC 级的功耗, 实现PFC 级的能效提升目标,需要考虑拓扑结构和PFC 控制器的工作模式。从设计的复杂程度和的总成本等方面考虑,最佳是:拓扑结构为Boost 升压结构,PFC 控制器的工作模式为连续导通(CCM)模式。针对CCM 工作模式,PFC 控制器可选择安森美或英飞凌科技股份公司(简称“英飞凌”)提供的解决方案,均能使功率因数高于93%,满足ICE61000-3-2 标准要求。但是,若综合考虑性价比、可靠性和高功率因数等多种因素,选择安森美推出的PFC 控制器NCP165 4是更合理的解决方案。采用该控制器只需极少的外围元件, 这使得PFC 级的设计更加简洁。这种控制器工作功耗极低,可以满足提升PFC级能效的要求,同时它还具有快速瞬态响应、启动电流和关闭电流极低等特点,具有众多安全保护特性,如浪涌电流检测、过压保护、用于开环检测的欠压检测、软启动、精确的过流限制、真正的过载限制等。总之,它集成了构建紧凑而稳固的PFC 所需的所有特性。除控制器部分外,选择具有低导通电阻和低寄生电容的全新CP 系列Cool-MOS 开关管以及软恢复升压二极管也是提升效率的最佳选择。

待机转换器

  • 在全新的功耗规范标准下, 要求LCD TV 开关电源待机功耗应低于1 W。在此情况下,输出功率很低甚至为零,系统的输出电流接近于零,MOSFET 和二极管的导通损耗以及铁芯损耗可以忽略, 二次测二极管的关断损耗、MOSFET 的开启损耗也可以忽略, 待机状态下的主要损耗是MOSFET 关断损耗和启动电阻损耗。因此,降低这两方面的损耗是降低待机功耗和设计待机转换器的关键点。目前,设计者的首选解决方案是:设计独立的待机转换器,在待机转换器中采用固定频率反激式拓扑结构及其相应的控制芯片。

    在降低启动电阻损耗方面,传统的方法多为降低启动电流同时增大启动电阻, 但实践证明该方法的功效不明显。为此,英飞凌提出了用一个开关电路替代电阻的方法,在启动过程中,启动电路开通,而当IC 被激活后,启动电路关闭。实践证明该方法可消除启动电阻的损耗。英飞凌的CoolSET F3 芯片就集成了这样的电路以降低电源的损耗。

    在降低MOSFET 关断损耗方面, 由于MOSFET 关断损耗与开关频率成比例,因而频率越低损耗越小。然而,从开关电源基本原理可知:在正常工作模式下,需要利用高频来减小变压器和滤波器等器件的尺寸, 而在待机模式下,低频率有利于减小损耗。所以在待机转换器解决方案中应选用具有自动降频技术的集成功率IC。在一般的负载范围,IC 工作在高频, 当输出功率下降到某一特定阈值时,IC 将会自动减小开关频率。

    在“自动降频技术”方面,目前较为普遍的有脉冲跳跃模式、突变模式及非导通时间调变等方式。在这些方式中,以英飞凌推出的主动突变模式性能最优越,该模式能在系统结束待机时保持输出调节并为负载波动做好准备。从这方面考虑,再结合设计的复杂程度和成本等因素,待机转换器选择英飞凌最新推出的ICE3BR4765J是很好的解决方案。ICE3BR4765J 具备独有的主动突变模式,加上还应用了Bi-CMOS 生产制程,使产品实现了一个极低的待机功耗,例如可实现在12 W/5 V 的产品上仅有25 mW 的待机功耗。ICE3BR4765J在固定的开关频率上,加入了±4%的频率抖动功能,使整体EMI 水平降低, 从而减小用户对额外的滤波器的要求和生产成本。ICE3BR4765J 内部集成了650 V 的启动单元,大大简化了外围电路的设置,从而降低了系统成本。

    综合以上分析,优化的待机转换器方案是:独立设计反激式待机转换器,并采用英飞凌最新推出的集成功率IC 芯片ICE3BR4765J。

液晶电视电源管理系统性能

  • 在上述电源解决方案的基础上设计出一款LCD TV开关电源,其技术指标如下:1) 输入电压为交流85~265 V;2) 输入频率为47~63 Hz;3) 输入谐波符合EN61000-3-2 标准;4) 正常运行时主DC/DC 级输出为24 V/6 A,12 V/3 A,正常运行时待机输出为5 V/2 A;5) 待机运行在5 V/0.1 A 输出条件下引脚功耗小于1 W。

    在上述技术指标下对系统性能进行了测试。图4 为在满载条件下系统输入功率因数与输入线路电压的对比情况。由图4 可看出,不同输入线路电压条件下,功率因数均高于94%,系统具有很高的功率因数。在不同负载和线路电压条件下的系统待机功耗。

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