液晶電視綠色電源解決方案

引言

相對于CRT電視，中等尺寸和大尺寸平板液晶電視的功耗要高很多。這增加了液晶電視使用成本，限制了液晶電視的普及。能源之星3.0針對不同尺寸的電視機制定了全新的功耗規范。待機輸入功耗， 輸入諧波和平均效率也必須符合這些規定。例如，表1所示為不同尺寸電視機在開(kāi)機模式下的功耗要求。因此，要想滿(mǎn)足該要求，必須利用高效率開(kāi)關(guān)電源。除開(kāi)機功耗外，在待機模式下，輸入功率應低于1W。待機功率要求是開(kāi)關(guān)電源 設計者面臨的又一挑戰。此外，大多數尺寸的電視機的輸入功率高于75W，因此需要功率因數校正（PFC）電路以符合ICE61000-3-2標準要求。要獲得高效率和高功率因數，需要采用有源PFC調節器?？傊?，典型的液晶電視開(kāi)關(guān)電源通常由待機功率轉換器、PFC預調節器和主轉換器構成。本文將探討如何應對不同功率級的挑戰。
表1 不同尺寸電視機的平均開(kāi)機功率水平要求

功率級

PFC預調節器

升壓轉換器是應用最為廣泛的拓撲。對于傳統的PFC CCM解決方案而言，需要采用兩個(gè)控制回路（電流回路與電壓回路）?？刂齐娐份^為復雜，同時(shí)采樣輸入電壓信號也將額外增加待機損耗。為了解決這些問(wèn)題，采用8管腳CCM PFC、ICE2PCS02G，控制器可降低設計難度。采用該控制器只需連接少數器件，這使PFC級的設計變得輕而易舉。這種IC采用BiCMOS工藝制成，因此輸出電壓采樣管腳的輸入阻抗非常高。例如，采用6 MΩ電阻分壓器，待機模式下功耗僅為27mW。這有助于滿(mǎn)足待機功率要求。除控制器部分外，具備最低導通電阻和較低寄生電容的全新CP系列 CoolMOS也是提升效率的最佳選擇。液晶電視開(kāi)關(guān)電源中典型的PFC轉換器電路如圖1所示。

圖1采用 ICE2PCS02G和 IPA60R199CP的PFC預調節器應用電路
主功率級
就液晶電視而言，典型輸入電壓為24V的背光單元消耗絕大部分功率。對于這些輸出功率范圍為60W~180W，輸入電壓為400V的應用而言，準諧振（谷值開(kāi)關(guān)）反激式轉換器是非常經(jīng)濟合算的解決方案。相對于硬開(kāi)關(guān)反激式轉換器，它具備更出色的效率和EMI性能。
對于未加限頻電路，自由運行的準諧振反激式轉換器而言，如果系統的工作負載在50% 至70%之間（測量開(kāi)機功耗的負載范圍），開(kāi)關(guān)頻率就會(huì )增大許多。大多數情況下，這需要設計者付出更大的努力和成本來(lái)優(yōu)化設計。英飛凌準諧振控制器 ICE2QS02G采用標準數字降頻模式，有效解決了此問(wèn)題。根據負載情況，IC將在不同的谷值點(diǎn)開(kāi)通MOSFET。例如，在滿(mǎn)負載條件下，轉換器將在第一谷值點(diǎn)運行，提供最大功率，如果負載降至70%時(shí)，轉換器將在第二或第三谷值點(diǎn)運行。在這種情況下，轉換器的開(kāi)關(guān)損耗和傳導損耗始終保持平衡，轉換器獲得最高的運行效率。明MOSFET在第一谷值點(diǎn)和第七谷值點(diǎn)導通。
（a）在第一谷值點(diǎn)完成谷值開(kāi)關(guān)

（b）在第七谷值點(diǎn)完成谷值開(kāi)關(guān)
改善主功率級效率的另一個(gè)可行辦法是采用高壓MOSFET。對于準諧振反激式轉換器，高壓MOSFET允許存在高反射電壓，因此降低了MOSFET的導通損耗。此外，采用高壓MOSFET還可降低主傳導損耗。例如，800V CoolMOS® C3 或全新900V CoolMOS可使效率再提高1%~3%。這出色平衡了成本和效率。

待機轉換器

在這種功率水平，需要獨立的待機轉換器。采用集成功率IC和固定頻率反激式轉換器是當前最經(jīng)濟實(shí)惠的解決方案。除成本以外，待機功耗是最大難點(diǎn)。

液晶電視SMPS待機功耗應低于1W。在這種情況下，系統的輸出功率約為0.5W（來(lái)自待機轉換器）。PFC預調節器和主功率級關(guān)閉。因此，改善待機能效的關(guān)鍵點(diǎn)包括待機轉換器效率、二次側功率損耗和母線(xiàn)電壓采樣功率損耗。

為改善待機轉換器的轉換效率，降低平均開(kāi)關(guān)頻率至關(guān)重要。不過(guò)，要想在系統結束待機時(shí)保持輸出調節并為負載波動(dòng)做好準備，需主動(dòng)進(jìn)行控制。英飛凌CoolSET F3R產(chǎn)品具備獨有的主動(dòng)突發(fā)模式，可實(shí)現超低的待機功耗。圖所示為主動(dòng)突發(fā)模式的工作原理。

圖3 英飛凌CoolSET主動(dòng)突發(fā)模式工作原理

其工作原理是，如果反饋信號水平降至突發(fā)進(jìn)入閾值（FB1）以下，并持續一段時(shí)間，控制IC進(jìn)入主動(dòng)突發(fā)模式。這時(shí)開(kāi)關(guān)脈沖停止，輸出電壓則會(huì )降低，然后反饋電壓升高。當它升到突發(fā)開(kāi)始水平（FB3），開(kāi)關(guān)脈沖恢復。在處于突發(fā)模式期間，輸出會(huì )升高 ，反饋電壓開(kāi)始降低。當它降到突發(fā)結束水平（FB2），開(kāi)關(guān)脈沖再次停止。這種突發(fā)交替性結束開(kāi)始，構成主動(dòng)突發(fā)模式。如果負載由輕載提高至重載，反饋電壓值將開(kāi)始提高。如果反饋電壓水平超過(guò)突發(fā)退出閾值（FB4），IC將離開(kāi)主動(dòng)突發(fā)模式。屏蔽時(shí)間和其他2個(gè)閾值（FB1和FB4）可有效降低錯誤觸發(fā)突發(fā)模式的幾率。最后，如果IC進(jìn)入主動(dòng)突發(fā)模式，最大峰值電流閾值將降至原始值的三分之一或四分之一。這可大大降低變壓器電流噪音。

除了待機轉換效率，還可降低輸出電壓、主總線(xiàn)和輸入電壓感測功率損耗。例如，在主功率級的輸入電壓采樣部分采用4MΩ電阻分壓器。

系統性能

表1 推薦解決方案的技術(shù)規格

在額定線(xiàn)路輸入電壓條件下，不同負載情況下的系統效率。在110Vac條件下，滿(mǎn)負載效率超過(guò)87%。此外，平均效率保持在較高水平（30%負載之后）。

結語(yǔ)

液晶電視的高功耗給SMPS的設計造成很多困難。此外，各種不同規格的要求使設計難上加難。對于中小尺寸液晶電視而言，有源PFC預調節器、準諧振反激式轉換器和固定頻率反激式轉換器的結合應用是非常經(jīng)濟有效的解決方案。在這個(gè)解決方案中，英飛凌提供的控制器IC、集成功率IC和CoolMOS可使設計變得輕而易舉，同時(shí)具備出類(lèi)拔萃的性能。