LCD TV中的電源轉換鏈與開(kāi)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(kāi)通世界上首個(gè)公共電視廣播以來(lái)，電視機技術(shù)已取得了長(cháng)足的發(fā)展：從BBC于1953年首先開(kāi)通彩色電視廣播，到日本NHK于1981年進(jìn)行首例高清電視(HDTV)系統演示等，不一而足。當前，世界各國紛紛采取行動(dòng)，以將TV信號從模擬傳輸升級至具備更高質(zhì)量的數字制式。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(gè)老式大盒子面前(看電視節目)的方式已經(jīng)變得落伍。對于電視行業(yè)來(lái)說(shuō)，新技術(shù)的發(fā)展，正催生著(zhù)無(wú)窮的機遇”。這是美國《新聞周刊》2005年6月份所描述的一個(gè)景象。推動(dòng)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(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)：

● 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換鏈

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

● 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(huì )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。

● 傳統上消費者會(huì )將電視擺放在客廳，電視機機身的噪聲傳播開(kāi)來(lái)，可能會(huì )釀成一個(gè)問(wèn)題。如果在電視機設計中增添冷卻風(fēng)扇，可能不會(huì )受到消費者歡迎。

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

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

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(gè)數值低于大多數諧波含量標準對功耗的要求，因此無(wú)須使用功率因數校正(PFC)技術(shù)。在這種情況下，通常使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源(SMPS)。在正常模式下，開(kāi)關(guān)電源必須輸出額定功率，而在待機模式下，開(kāi)關(guān)電源必須擁有較高的能效。

市場(chǎng)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部作為開(kāi)放式電源。這種電源必須滿(mǎn)足待機能耗要求，并且在有源模式運作下的能效較高，從而減少面板內的發(fā)熱量。

在使用內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構。轉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(shí)實(shí)現較高能效，關(guān)鍵就在于要采用能夠根據負載狀況調整工作模式的智能開(kāi)關(guān)電源控制器。

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

● 跳過(guò)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(shí)進(jìn)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，這種應用應該遵從歐盟IEC1000-3-2 D類(lèi)標準或類(lèi)似區域性諧波含量標準。在這里，功率因數校正(PFC)技術(shù)也開(kāi)始應用；而且，由于主電源必須進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現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(jìn)行限制。在這種功率級別，臨界導電模式(CRM) PFC是應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?xún)r(jià)比并且可靠的解決方案。

圖2 NCP1351-輸出功率減小時(shí)，開(kāi)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換鏈。

第一種方法包含兩個(gè)電源(如圖3所示)。其中一個(gè)開(kāi)關(guān)電源采用的是反激式拓撲，專(zhuān)門(mén)用于背光，可為面板提供24 V@5A的輸出功率；另一個(gè)開(kāi)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(gè)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構

第二種電源轉換鏈只包含一個(gè)主開(kāi)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。此外，它還包含另一個(gè)專(zhuān)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。

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

這種方法有一個(gè)顯著(zhù)的好處，就是優(yōu)化了待機能耗，因為在這個(gè)模式下，主開(kāi)關(guān)電源器件與PFC的功能會(huì )被關(guān)閉。

這兩種方法中，采用雙開(kāi)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(kāi)關(guān)反激轉換器。
● 消除了對背光進(jìn)行數字調光過(guò)程中滋生的交互穩壓隱憂(yōu)，避免了這個(gè)過(guò)程中負載變化過(guò)大的問(wèn)題。
● 面向不需要執行IEC諧波兼容規范的美國/北美地區的產(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(lái)需要采用不同的背光技術(shù)，如EEFL、FEL和LED等，CAVIO電源可以簡(jiǎn)化演進(jìn)過(guò)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(gè)功率等級，可以考慮三種備選拓撲，分別是臨界導電模式(CRM)、固定頻率非連續導電模式(FF DCM)和連續導電模式(CCM)。

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

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

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(chǎng)，有兩種架構：

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

雖然雙開(kāi)關(guān)電源架構擁有明顯優(yōu)勢，但在高達200W的功率范圍下，設計人員必須考慮到輕載性能變得越來(lái)越重要，因為CAVIO的功率容量增加了。不僅如此，采用反激等傳統拓撲能夠實(shí)現的功率密度在這里則成為一個(gè)問(wèn)題。其他能夠提高能效、減小尺寸和改善交互調節狀況的拓撲必須予以考慮。例如，大多數設計人員已經(jīng)選擇半橋諧振LLC解決方案來(lái)實(shí)現這些性能改善目標。

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(gè)功率等級，連續導電模式(CCM)拓撲對PFC而言最為適用。此外，最少需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源來(lái)滿(mǎn)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(gè)功率等級，傳統的反激拓撲不再適用，設計人員必須考慮新的拓撲，如單/雙開(kāi)關(guān)前向拓撲或半橋拓撲。這兩種拓撲都需要在連續導電模式下工作，而該模式會(huì )導致出現硬開(kāi)關(guān)和EMI信號挑戰，以及滋生在緊湊型消費導向應用中不受歡迎的電磁問(wèn)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(kāi)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(huì )引導設計人員采用半橋諧振LLC，而后者是諧振轉換器系列中的一員。半橋諧振LLC的優(yōu)勢體現在：

● 基于完整負載范圍的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)：在零漏極電壓條件下進(jìn)行開(kāi)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(kāi)關(guān)條件下。
● 低關(guān)斷電流：開(kāi)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(jìn)行零電流關(guān)斷：當轉換器工作在滿(mǎn)載條件下時(shí)，輸出整流器會(huì )在零電流時(shí)關(guān)斷，從而減少EMI信號問(wèn)題。
● 無(wú)需增加元件數量：元件數量基本上與傳統半橋拓撲相當。
● 良好的交互調節功能：盡管事實(shí)上采用單個(gè)開(kāi)關(guān)電源器件來(lái)同時(shí)為面板提供24V電壓和為CAVIO板提供12V電壓，但背光的數字調光并不會(huì )與兩路輸出電壓的調制產(chǎn)生干擾。

在這個(gè)功率等級，最常見(jiàn)的電源轉換鏈包含一個(gè)主開(kāi)關(guān)電源及一個(gè)待機專(zhuān)用開(kāi)關(guān)電源，其中主開(kāi)關(guān)電源采用半橋諧振拓撲，能夠同時(shí)輸出24V和12V電壓。

圖6所示為該諧振轉換器的結構。一個(gè)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(guò)采用壓控振蕩器(VCO)來(lái)調節頻率，反饋回路能夠根據功率需求來(lái)調節輸出等級。

圖6 諧振轉換器的結構示意圖

圖7 LLC諧振轉換器的補充示意圖

圖8 半橋LLC波形

該諧振電路由電容Cs，以及兩個(gè)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(huì )構成一個(gè)諧振點(diǎn)。這個(gè)電感上的負載產(chǎn)生的反射要么會(huì )令諧振點(diǎn)從電路上消失(在大負載電流條件下，Lm會(huì )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(huì )使其在輕載條件下繼續與串聯(lián)電感Ls串聯(lián)。其結果是，根據負載條件的不同，諧振頻率會(huì )在最小與最大之間變動(dòng)。

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(diǎn)相當遠。但在高功率條件下，控制回路會(huì )降低開(kāi)關(guān)頻率，并會(huì )采用其中某個(gè)諧振頻率來(lái)為負載提供必需的電流。

結論

平板電視電源轉換鏈的設計需要考慮諸多的挑戰和相互沖突的設計折中，才能設計出無(wú)需有源冷卻的高性?xún)r(jià)比、高能效、小巧纖薄的解決方案。此外，為了滿(mǎn)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(shí)要求無(wú)須對每款電源進(jìn)行重新設計。系統設計和IC制造商已經(jīng)合作起來(lái)探尋最佳的設計折中組合。如今，我們需要集中力量開(kāi)發(fā)下一代的LCD TV，令面板背光子系統能夠直接從功率因數轉換段供電。