GreenPoint 32英寸高壓LIPS液晶電視電源參考設計

32英寸及更大尺寸的主流液晶電視電源要求產(chǎn)生多個(gè)電壓軌來(lái)為音頻、背光及信號處理等不同系統模塊供電。其中，信號處理板上使用本地線(xiàn)性及DC-DC轉換器來(lái)提供不同的低壓軌。對于制造商而言，通常使用通用電源，支持90至265 Vac電壓。這就使基于特定電視尺寸的單個(gè)電源設計能夠用于一系列的不同型號，滿(mǎn)足不同區域市場(chǎng)需求，簡(jiǎn)化物流及降低開(kāi)發(fā)成本。

如果某型號液晶電視面對全球市場(chǎng)且其功率高于75 W，就需要遵從歐洲有關(guān)減少諧波的IEC61000-3-2標準，從而需要使用有源功率因數校正器。通常來(lái)說(shuō)，液晶電視內最耗電的子系統是背光模塊。當今的大多數液晶電視使用冷陰極熒光管(CCFL)陣列作為背光源。這些燈管需要采用交流高電壓驅動(dòng)，而且需要對燈管電流進(jìn)行穩流。傳統上逆變器是一個(gè)單獨模塊，采用額定電壓為24 V的直流電源供電。在這種途徑下，背光要求與LCD面板相關(guān)聯(lián)，而且一個(gè)電源設計能夠用于多個(gè)不同供應商提供的面板，從而簡(jiǎn)化了液晶電視設計，但這種途徑效率較低，而且增加了額外的電源部分(指24V輸出)。例如，液晶電視的交流輸入電壓在PFC段被升壓至400 Vdc，然后又采用諧振(LLC)半橋轉換為24 Vdc。此24 Vdc然后提供給逆變器模塊，從直流低壓轉換為高于1,000 V的交流高壓以驅動(dòng)CCFL燈。這種多段轉換流程產(chǎn)生較大損耗，并會(huì )增加系統成本。

本參考設計中使用的高壓LIPS(HV-LIPS)架構旨在消除400 Vdc至24 Vdc轉換段，直接從高壓功率因數校正(PFC)輸入段為逆變器供電，從而改善系統總效率。這要求以高壓直接變換的方式在液晶電視內融合傳統電源功能，優(yōu)化總體系統方案。

傳統上，全球眾多志愿性及規范機構的標準都著(zhù)眼于降低電子產(chǎn)品的待機能耗，美國、歐盟等地的眾多國際規范對電視產(chǎn)品的待機能耗要求為1 W，而中國中標認證中心(CSC)要求為3 W。而隨著(zhù)液晶電視尺寸越來(lái)越大，其能耗也越來(lái)越高。由于液晶電視市場(chǎng)份額越來(lái)越大，規范機構也越來(lái)越關(guān)注平板電視工作狀態(tài)下的能耗對電網(wǎng)的累積影響。如“能源之星”發(fā)布了電視產(chǎn)品第3版工作能耗要求(見(jiàn)表1)。

表1：“能源之星”3.0版電視規范對工作模式的能耗要求

關(guān)鍵設計目標

輸入電壓：通用輸入85-265 Vac, 47-63 Hz

系統電源

·有源功率因數校正(Active PFC)，符合IEC61000-3-2規范

·最大穩態(tài)能耗50 W，峰值60 W

·12 V / 4 A峰值

·5 V / 2.5 A峰值

·24 V – MOSFE門(mén)驅動(dòng)偏置

·能夠靈活修改，支持其它電壓/電流配置

·50 mW負載時(shí)，待機輸入能耗(Pin) 400 mW (5 V@10 mA)

逆變器電源

·支持100 W功率

·啟動(dòng)電壓(Strike voltage) > 1,500 Vac，工作電壓> 800 Vac

·固定頻率逆變器，可在40-80 kHz范圍調節

·支持數字及模擬調光

·能夠同步至視頻時(shí)鐘源

PFC段設計

高壓LIPS架構的核心就是有源PFC前端升壓段。首先，對于輸入功率高于75 W的電源而言，它使設計符合IEC61000-3-2規范的諧波含量要求。其次，它為逆變器段提供經(jīng)過(guò)穩壓的400 Vdc高壓。除了為背光供電，PFC段還提供電能給隔離型反激開(kāi)關(guān)電源轉換器，此反激轉換器提供所有需要的電源，為執行液晶電視內的控制、接口、信號處理及音頻放大等功能的數字及模擬電路供電。根據液晶電視特性集及功能的不同，這個(gè)模塊的功率可能介于30至60 W之間。為了簡(jiǎn)化設計，及降低這個(gè)電源轉換段的總體復雜度，本參考設計選用了安森美半導體專(zhuān)有的高能效反激控制器NCP1351，此器件使大多數液晶電視應用無(wú)需專(zhuān)用的待機電源。選擇NCP1351是因為它采用準諧振固定導通時(shí)間(FON)控制原理，在負載要求變小時(shí)降低反激轉換器的開(kāi)關(guān)頻率。兩個(gè)(置于次級端的)額外開(kāi)關(guān)會(huì )在待機模式斷開(kāi)主電源負載，從而免除待機模式下的寄生損耗。

PFC段所采用的PFC控制器是安森美半導體的NCP1606B，此控制器設計用于工作在可變頻率臨界導電模式(CrM)，是150 W功率(180 W)應用的最適合方案。有關(guān)此PFC段的電磁干擾(EMI)設計、具體控制途徑、詳細設計過(guò)程及測試結果等更多信息，可參見(jiàn)參考資料[1]。

用于控制、信號及音頻功能的反激轉換器段

由于采用專(zhuān)門(mén)的直流-交流(DC-AC)轉換器來(lái)為CCFL燈供電，反激開(kāi)關(guān)電源用于為控制、信號處理及音頻放大等功能的模擬及數字模塊供電。由于要求的總功率有限(60 W)，有可能考慮反激拓撲結構，帶有待機模式，卻無(wú)需專(zhuān)用待機開(kāi)關(guān)電源，這提高了解決方案的總體性?xún)r(jià)比。要實(shí)現這個(gè)目標，需要在輕載條件下能提供高能效的控制器架構。

此反激變換器使用了NCP1351 PWM控制器，主要是用于功率低于60 W的離線(xiàn)反激電源。NCP1351采用準固定導通時(shí)間技術(shù)，不同負載和不同輸入電壓對應不同的關(guān)閉時(shí)間，負載變輕時(shí)降低其開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)降低開(kāi)關(guān)損耗。因此，使用這種方案的電源自然地提供極小的待機功率，并且優(yōu)化其它負載條件下的能效。隨著(zhù)頻率的下降，峰值電流逐漸降低至最大峰值電流的約30%，防止變壓器機械工作共振?？陕?tīng)噪聲的風(fēng)險也大幅消除，同時(shí)還獲得良好的待機能耗性能。

由于PWM控制器工作在準固定導通時(shí)間，開(kāi)關(guān)頻率隨著(zhù)負載而變化。在輕載條件下，此反激轉換器工作在不連續導電模式(DCM)。負載增加時(shí)，頻率也隨之增加，直到控制器進(jìn)入連續導電模式(CCM)，而CCM優(yōu)化用于提供極高的效率。

另外，在液晶電視應用中，實(shí)現良好的交叉穩壓是一項設計挑戰，因為容限非常嚴格(通常為±5%)，且由于音頻放大的大動(dòng)態(tài)范圍，以及信號處理電源負載根據輸入視頻源的不同而變化，動(dòng)態(tài)工作可能大范圍地變化。本參考設計基準型(SMPS1)的典型輸出電壓及負載范圍是：

·+5 V：0至2.5 A

·+12 V：0至4 A

為了改善總體交叉穩壓性能，+5 V二極管連接至繞組的地(GND)，而+12 V繞組在5 V繞組之上。而在待機模式下，開(kāi)關(guān)電源的頻率工作在聲頻范圍。因此，根據變壓器構造及機械設計的不同，有可能出現一些可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。大多數人最敏感的頻率范圍是7至13 kHz范圍。本專(zhuān)用參考設計應用于50至75 mW的額定待機負載，故待機時(shí)的頻率小于5 kHz。