投影系統中的電源設計優(yōu)化體現在高強度放電 (HID) 或 LED 要求、功率因數校正以及能效方面。

TI 開(kāi)發(fā)的數字光投影儀 (DLP) 顯示技術(shù)采用光半導體來(lái)進(jìn)行數字化光處理。DLP 芯片作為一款純數字器件，能夠為大量產(chǎn)品提供高品質(zhì)的圖片，其中所涉及的產(chǎn)品包括大屏幕數字 HDTV、商用/家用或適合專(zhuān)業(yè)場(chǎng)所的投影儀以及數字影院。由于光源（其可能為高強度放電燈泡或 LED 陣列）的不同而造成對電源的要求各異，并且在功率因數校正 (PFC) 和能效方面也提出了基于標準的要求，因此這些應用就提出了一些獨特的電源設計挑戰。

為了滿(mǎn)足這些電源要求，設計人員需要了解 DLP 芯片的基本工作原理以及在應用中用于提供電力的一些選項。

DLP 工作原理

DLP 芯片是一種復雜的電燈開(kāi)關(guān)，其中內含一個(gè)由多達 200 萬(wàn)個(gè)安裝在鉸鏈上的微鏡所組成的矩形陣列，每個(gè)微鏡的尺寸為 16 微米×16 微米。當 DLP 芯片與數字視頻或圖形信號、光源和投影鏡頭相互協(xié)調工作時(shí)，其鏡面就會(huì )將純數字圖像反射到屏幕或其他表面上。

DLP 芯片的每個(gè)微鏡都安裝使它們在 DLP 投影系統（打開(kāi)時(shí)）中或遠離投影系統（關(guān)閉時(shí)）時(shí)都能對著(zhù)光源傾斜的微型鉸鏈上，從而使投影表面上的像素或明或暗。輸入半導體的位流圖像編碼可指令每個(gè)微鏡進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，其速度可高達每秒幾千次。當微鏡開(kāi)啟時(shí)的頻率大于關(guān)閉時(shí)的頻率時(shí)，它就會(huì )反射淺灰色的像素；而當微鏡關(guān)閉時(shí)的頻率更高一些時(shí)，則會(huì )反射深灰色的像素。這樣一來(lái)，DLP 投影系統中的微鏡就能反射高達 1024 級灰度梯度的像素，以便將輸入 DLP 芯片的視頻或圖形信號轉化為一個(gè)非常復雜的灰度級圖像。

DLP 投影系統中的燈泡所產(chǎn)生的白光會(huì )在其傳輸到 DLP 芯片的表面時(shí)通過(guò)一個(gè)紅、綠和藍三色彩色圖像濾波器。在通過(guò)該濾波器之后，彩色光隨后將按順序落到 DLP 芯片上以形成一個(gè)具有多達 1670 萬(wàn)色的圖像。某些 DLP 投影系統包含了一個(gè)可投射出多達 35 萬(wàn)億色的三芯片架構。

每個(gè)微鏡的開(kāi)關(guān)狀態(tài)會(huì )與這三種基本的構建色塊進(jìn)行相互協(xié)調。例如，負責投射紫色像素的微鏡將只反射紅色和藍色的光到投影表面。隨后，我們的眼睛會(huì )將這些快速地交替閃爍的顏色混合起來(lái)，于是在投射的圖像中就可看到預期的色調（請參見(jiàn)圖 1）。

圖 1 DLP 芯片中的大量微鏡將光反射到屏幕上以實(shí)現高分辨率圖像

DLP 系統供電

圖 2 顯示了一款典型 DLP HDTV 電源系統的結構圖，其供給的總功率可達 200W。因為這些產(chǎn)品專(zhuān)供歐洲市場(chǎng)，因此通常還需要提供 PFC 電路以滿(mǎn)足他們的諧波要求。PFC 電路可提供穩定的 400V 電壓，用于為燈泡、低壓邏輯和模擬電路供電。此外，在關(guān)閉期間還有一個(gè)可供給較小持續負載的備用電源。通常，此備用電源應為節能型或綠色環(huán)保電源。為了符合“能源之星”標準，在無(wú)負載的情況下，該電源所消耗的輸入功率必須要低于 0.5W。

圖 2 鎮流器是 HID TV 的最大負載

采用 LED 作為光源是另一個(gè)可直接影響到 DLP 產(chǎn)品電源設計的趨勢。除了無(wú)需鎮流器之外，LED 還帶來(lái)了更長(cháng)的燈泡使用壽命和更高的光效，并且還去除了彩色圖像濾波器。LED 為生成質(zhì)量極佳的圖像提供了一系列全新的可能性。顏色分塊不再依賴(lài)于彩色圖像濾波器設計和旋轉速度，這樣就能獲得更多的混頻選項并通過(guò)電流電平管理來(lái)提供更快的開(kāi)關(guān)切換速度和強度控制。LED 光引擎的小尺寸設計在便攜式產(chǎn)品也是一個(gè)很明顯的優(yōu)勢。

圖 3 顯示了 LED 投影儀的電源結構圖。和 DLP LED HDTV 非常類(lèi)似，它也提供了一個(gè)備用電源、PFC 電路、主電源和 LED 電源。在此結構圖中，LED 是由其中一個(gè)主電源輸出來(lái)驅動(dòng)的。備用的電路結構則通過(guò) PFC 的 400V 輸出為 LED 驅動(dòng)器供電。盡管這些電源在結構圖中看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際上它們都有其各自的設計挑戰。

圖 3 LED 省去了便攜式投影儀中的 HID 燈

轉移模式還是連續導電模式？

在采用 HID 燈和鎮流器的 DLP 應用中，必須要在使用轉移模式 PFC 還是連續導電模式 (CCM) PFC 之間做出決定。兩種拓撲結構均為非隔離型升壓轉換器，這種轉換器可從全波整流的 AC 線(xiàn)路輸入生成穩定的 400V DC 輸出。除了生成一個(gè) DC 電壓之外，PFC 還會(huì )迫使線(xiàn)路電流（即 PFC 升壓電感中的電流）在波形和相位上順從輸入電壓。這樣就減少了線(xiàn)路頻率諧波并提高了功率因數。

連續導電模式 (CCM) 和轉移模式控制之間的差異如圖 4 所示。一款采用 CCM 的 PFC 會(huì )使用固定頻率的 PWM 來(lái)調節電感中的平均電流。因此，PFC MOSFET 就必須在電流仍流經(jīng)電感和二極管時(shí)保持開(kāi)啟狀態(tài)，這樣就會(huì )導致較高的開(kāi)關(guān)和逆向恢復損耗。超快二極管雖然會(huì )使成本有所增加，但通常將其用于 CCM PFC 中以降低逆向恢復損耗。

圖 4 轉移模式控制 PFC 消除了逆向恢復損耗

相反，轉移模式 PFC 可調節電感的峰值電流，并在下一脈沖開(kāi)始之前一直等待，直到電感電流歸零為止。這樣就顯著(zhù)降低了逆向恢復和開(kāi)啟損耗，但同時(shí)也會(huì )導致更高的峰值電流。高峰值電流可導致在 PFC 電感中出現鄰近損耗和一個(gè)相當大的 EMI 濾波器。此外，轉移模式開(kāi)關(guān)頻率為可變量，這就使 EMI 濾波器設計變得更加復雜。

與 CCM 控制器相比，轉移模式控制器更簡(jiǎn)單且更便宜。如表中所示，典型的經(jīng)驗法則是采用轉移模式來(lái)實(shí)現低于 200W 的輸出功率，采用 CCM 模式來(lái)實(shí)現高于 200W 的輸出功率。

鎮流器供電

當 TV 中的燈光來(lái)自于 HID 燈時(shí)，就需要使用電子鎮流器來(lái)控制 HID 燈。HID 燈由兩個(gè)位于高壓充氣燈泡中的相反電極所組成。高壓氣必須被擊穿以便電流在燈中流動(dòng)，并隨后利用高壓電路所產(chǎn)生的 30kV 脈沖在燈泡的氣體內部形成一個(gè)電弧。在把間隙擊穿之后，它就具有大約 40V 幾乎恒壓的特性。由于燈泡中的氣體變熱而使得壓力增大，于是電壓就會(huì )發(fā)生短暫的改變。當電極末端受到侵蝕且間隙長(cháng)度增加時(shí)，電壓也會(huì )出現長(cháng)時(shí)間的變化。此時(shí)，電子鎮流器必須要對燈泡的功率進(jìn)行調節以保持燈輸出長(cháng)時(shí)間穩定。

如圖 5 所示，必須將多個(gè)保護特性?xún)戎糜?HID 鎮流器電源之中。一旦將點(diǎn)火器點(diǎn)燃，即會(huì )做出燈是否能保持電弧持續不變的決定。如果不能，則會(huì )增加一個(gè)計數器，并做出是否重試點(diǎn)火的決定。如果存在持續電弧，就么就會(huì )限制鎮流器電源的功率并隨即監控輸出電壓。如果電壓監控器感應到由于燈老化或開(kāi)路而導致的過(guò)壓狀態(tài)，那么就會(huì )禁用電源。最后，就留下許多常規事務(wù)需要處理，并對燈的預熱和冷卻進(jìn)行控制，如果電源進(jìn)入了待機模式則還必須禁用 PFC。滿(mǎn)足了上面這些開(kāi)銷(xiāo)，微控制器就能成為適合電源全面控制和故障監控的最佳選擇，并且對于電源的 PWM 部分而言也是切實(shí)可行的。

圖 5 HID 鎮壓流器采用了一個(gè)控制算法來(lái)監控燈的多種故障

節能

根據節能計劃和電視類(lèi)型的不同，全球范圍內的待機功耗要求介于 1W 到 15W 之間不等。例如，為了獲得 EPA 的“能源之星”認證，數字電視在待機模式下其功耗必須要低于 3W。

降低待機功耗的一種顯著(zhù)方式是最小化待機模式時(shí)系統所需的功耗。遺憾的是，通常電源設計人員會(huì )對此束手無(wú)策，并且他們還得承受不得不從有限的輸入功率預算中提供大約 300 mW 的負擔。雖然這可能看上去很容易實(shí)現，但 PFC 和 250W 的主電源通常會(huì )在無(wú)負載運行時(shí)耗用足夠多的功率，從而造成遠高于可接受限值的損耗。因此，在待機期間禁用所有未使用的電源（包括 PFC）是非常有必要的。一般情況下，這可通過(guò)柵極控制至電源控制器的偏置電源來(lái)實(shí)現。

幸運的是，IC 廠(chǎng)商已注意到高效率輕負載控制器的必要性，并且現在提供了專(zhuān)門(mén)針對這些應用而設計的控制器。圖 6 顯示了 PFC 和綠色環(huán)保模式反向轉換器待機電源的示例。該電路采用了節能的 UCC28600 來(lái)最小化待機模式下的功耗。UCC28600 能夠在輕負載時(shí)進(jìn)入猝發(fā)模式運行，并提供一個(gè)信號以禁用至 PFC 控制器的偏置電源。

圖 6 UCC28600 控制器（其實(shí)施了一個(gè)反向轉換器作為待機電源）在提供一個(gè)信號以禁用至 PFC 控制器的偏置電源的同時(shí)在輕負載時(shí)進(jìn)入了猝發(fā)模式

圖 6 中所顯示的電路足以將待機功耗降至 3W 以下，但是不足以獲得低于 1W 的輸入功率。PFC 控制器需要電阻分壓器來(lái)感應 AC 線(xiàn)路電壓和 PFC 輸出電壓。這些電阻器很輕松地就能耗散超過(guò) 200mW 的功率。此外，PFC 輸出電容器的漏電流也可導致另外 200mW 不必要的損耗。將這些損耗加到一起就能使待機損耗遠高于可接受的限值。在這些情況下，可能就需要使用繼電器來(lái)斷開(kāi)至 PFC 和所有下行轉換器的 AC 電源。該繼電器可與專(zhuān)用的待機電源配合使用。此外，當系統處于待機模式時(shí)，只要該繼電器不需要顯著(zhù)的偏置電源，它就可以為固態(tài)型繼電器。

利用 LED 降低功耗

最基本的 LED 光引擎由紅色、綠色和藍色 LED 組成，這些 LED 會(huì )在模仿彩色圖像濾波器旋轉的負載占空比和頻率下進(jìn)行脈沖啟動(dòng)和停止運行。每個(gè)顏色的單獨開(kāi)/關(guān)信號將從微處理器發(fā)送到 LED 驅動(dòng)器，并且每個(gè)顏色的強度也會(huì )通過(guò)光學(xué)傳感器反饋給微處理器。為了獲得適當的顏色平衡，微處理器會(huì )向 LED 驅動(dòng)器發(fā)送信號以調節各個(gè) LED 中的電流。

圖 7 顯示了一個(gè)便攜式 DLP 投影儀 LED 驅動(dòng)器電路的示例。在該電路中，TPS40071 控制器用于控制同步降壓功率級，該功率級在 LED 開(kāi)啟時(shí)作為電流源運行，而在 LED 關(guān)閉時(shí)則作為電壓源運行。從微處理器發(fā)出的 LED 開(kāi)/關(guān)信號通過(guò)打開(kāi) FET Q1 并將開(kāi)關(guān) S1 移至向下的位置（這樣可提供電流反饋信號）即可開(kāi)啟 LED。而當 LED 關(guān)閉時(shí)，S1 將返回至向上的位置，這樣就允許 TPS40071 調節驅動(dòng)器的輸出電壓。通過(guò)改變由微處理器發(fā)送的 10kHz 數字脈沖序列的脈沖寬度，即可對 LED 電流進(jìn)行控制。PWM 信號在完成濾波后將被加到 TPS40071 的反饋引腳中。

在圖 7 中，專(zhuān)門(mén)設計了 R1 和 R2 的電阻分壓器，以便 LED 處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的穩定電壓能夠完美匹配 LED 處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)的正向壓降。這不僅可保持TPS40071 內部誤差放大器的輸出在兩種狀態(tài)下都處于幾乎相同的電平，而且還最小化了在 LED 開(kāi)啟時(shí) LED 電流的上升時(shí)間。由于快速的電流上升時(shí)間可在投影燈的數字控制方面提供更高的靈活性，因此這就顯得非常重要。

圖 7 驅動(dòng) LED 需要有精確的時(shí)序、占空比以及振幅控制

圖 8 中的波形顯示了轉換期間的輸出電壓和 LED 電流。對于這些波形而言，LED 驅動(dòng)器將為兩個(gè)串聯(lián)的 1A 綠色 LED 供電。同步降壓電流源大約為 100kHz 的帶寬有助于最小化電流的上升時(shí)間。

圖 8 具有寬帶寬的降壓穩壓器為 LED 供電

DLP 之外的優(yōu)勢

與任何獨特的產(chǎn)品一樣，DLP 技術(shù)也給設計人員帶來(lái)了一些需要解決的新問(wèn)題。但是這些問(wèn)題為組件的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了靈感，這可能會(huì )使其他應用受益匪淺并滿(mǎn)足 DLP 系統的要求。

目前已開(kāi)發(fā)出了如先前所述的控制器來(lái)為 HID 燈供電。因為該控制器要求在綠色環(huán)保模式下運行，因此就需要開(kāi)發(fā)出可關(guān)斷部分電源系統的變頻控制系統。

與此同時(shí)，LED 在推進(jìn)快速轉換率電源發(fā)展的同時(shí)也為 DLP 投影儀帶來(lái)了更高的可靠性。最后，PFC 級中對轉移模式控制的需求還使電路的成本和尺寸都有所降低。