1 引言

目前，在全球范圍內(nèi)，LCD TV憑借其技術(shù)性能先進(jìn)、外型美觀時(shí)尚、工作穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正迅速走進(jìn)家庭。預(yù)計(jì)在未來幾年。LCD’rv將是數(shù)字電視時(shí)代的主流產(chǎn)品。隨著LCD Tv應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)電能的消耗也越來越大，節(jié)能環(huán)保壓力劇增。因此，提高LCD Tv開關(guān)電源能效的需求越來越迫切。為此，世界上多個(gè)政府機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織紛紛針對(duì)不同尺寸的電視機(jī)制定了全新的功耗規(guī)范，如美國(guó)的“能源之星3．0”標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)的“藍(lán)色天使”標(biāo)準(zhǔn)，以此來提高電能的使用效率，降低電能消耗fIY。筆者將探討如何優(yōu)化PFC級(jí)、主DC／DC級(jí)和待機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案，以便更好地提高LCD TV開關(guān)電源的能效，滿足全新的功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2 液晶電視電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要提高LCD Tv開關(guān)電源的能效．很重要的方面是針對(duì)液晶電視電源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析功率損耗的來源，有針對(duì)性地采取措施來降低能耗。通常液晶電視電源管理系統(tǒng)由電源單元、DC／AC逆變器、信號(hào)處理系統(tǒng)這3部分組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。電源單元由PFC預(yù)調(diào)節(jié)器、主DC／DC級(jí)和待機(jī)轉(zhuǎn)換器組成．用于將交流輸入電壓(85～265 V)轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓(24 V，12 V，5 V和3．3 V)，其中主DC／DC級(jí)輸出的24 V或12 V直流電壓用于為背光逆變器和信號(hào)處理系統(tǒng)供電．待機(jī)轉(zhuǎn)換器輸出的5 V或3．3 V
直流電壓為待機(jī)部件和微控制器供電。DC／AC逆變器負(fù)責(zé)將24 V或12 V直流電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓(例如1 200 V交流電壓)，為背光燈供電。信號(hào)處理系統(tǒng)用于控制和處理聲音與圖像信號(hào)。

LCD rⅣ開關(guān)電源的PFC級(jí)損耗和主DC／DC級(jí)損耗為L(zhǎng)CD Tv開關(guān)電源的主要損耗，其中PFC級(jí)損耗約占電源總損耗的40％．主DC／DC級(jí)損耗約占電源總損耗的60％m。為此，筆者將優(yōu)化PFC級(jí)和主DC／DC級(jí)的設(shè)計(jì)，以降低二者的功耗，同時(shí)進(jìn)行待機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。以滿
足開關(guān)電源待機(jī)功耗應(yīng)低于1 W的全新功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

【摘要】隨著電源能效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，LCD Tv開關(guān)電源也需要不斷提升能效。為此，提出了從PFC預(yù)調(diào)節(jié)器、主DC／DC級(jí)到待機(jī)轉(zhuǎn)換器的解決方案。詳細(xì)地說明了基于NCPl654的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案、基于ICE2QS02G的準(zhǔn)諧振反激式主DC／DC級(jí)解決方案以及基于ICE3BR4765J的反激式待機(jī)轉(zhuǎn)換器解決方案。系統(tǒng)性能的測(cè)評(píng)結(jié)果說明解決方案是合理的。

【關(guān)鍵詞】解決方案；PFC預(yù)調(diào)節(jié)器；主DC／DC級(jí)；待機(jī)轉(zhuǎn)換器

1 引言

目前，在全球范圍內(nèi)，LCD TV憑借其技術(shù)性能先進(jìn)、外型美觀時(shí)尚、工作穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正迅速走進(jìn)家庭。預(yù)計(jì)在未來幾年。LCD’rv將是數(shù)字電視時(shí)代的主流產(chǎn)品。隨著LCD Tv應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)電能的消耗也越來越大，節(jié)能環(huán)保壓力劇增。因此，提高LCD Tv開關(guān)電源能效的需求越來越迫切。為此，世界上多個(gè)政府機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織紛紛針對(duì)不同尺寸的電視機(jī)制定了全新的功耗規(guī)范，如美國(guó)的“能源之星3．0”標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)的“藍(lán)色天使”標(biāo)準(zhǔn)，以此來提高電能的使用效率，降低電能消耗fIY。筆者將探討如何優(yōu)化PFC級(jí)、主DC／DC級(jí)和待機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案，以便更好地提高LCD TV開關(guān)電源的能效，滿足全新的功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2 液晶電視電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要提高LCD Tv開關(guān)電源的能效．很重要的方面是針對(duì)液晶電視電源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析功率損耗的來源，有針對(duì)性地采取措施來降低能耗。通常液晶電視電源管理系統(tǒng)由電源單元、DC／AC逆變器、信號(hào)處理系統(tǒng)這3部分組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。電源單元由PFC預(yù)調(diào)節(jié)器、主DC／DC級(jí)和待機(jī)轉(zhuǎn)換器組成．用于將交流輸入電壓(85～265 V)轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓(24 V，12 V，5 V和3．3 V)，其中主DC／DC級(jí)輸出的24 V或12 V直流電壓用于為背光逆變器和信號(hào)處理系統(tǒng)供電．待機(jī)轉(zhuǎn)換器輸出的5 V或3．3 V
直流電壓為待機(jī)部件和微控制器供電。DC／AC逆變器負(fù)責(zé)將24 V或12 V直流電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓(例如1 200 V交流電壓)，為背光燈供電。信號(hào)處理系統(tǒng)用于控制和處理聲音與圖像信號(hào)。

LCD rⅣ開關(guān)電源的PFC級(jí)損耗和主DC／DC級(jí)損耗為L(zhǎng)CD Tv開關(guān)電源的主要損耗，其中PFC級(jí)損耗約占電源總損耗的40％．主DC／DC級(jí)損耗約占電源總損耗的60％m。為此，筆者將優(yōu)化PFC級(jí)和主DC／DC級(jí)的設(shè)計(jì)，以降低二者的功耗，同時(shí)進(jìn)行待機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。以滿
足開關(guān)電源待機(jī)功耗應(yīng)低于1 W的全新功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 PFC預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案

為了降低PFC級(jí)的功耗。實(shí)現(xiàn)PFC級(jí)的能效提升目標(biāo)，需要考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和PFC控制器的工作模式。從設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和電源解決方案的總成本等方面考慮，最佳解決方案是：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Boost升壓結(jié)構(gòu)，PFC控制器的工作模式為連續(xù)導(dǎo)通(CCM)模式。針對(duì)CCM工作模式。PFC控制器可選擇安森美或英飛凌科技股份公司(簡(jiǎn)稱“英飛凌”)提供的解決方案，均能使功率因數(shù)高于93％。滿足ICE61000—3—2標(biāo)準(zhǔn)要求。但是，若綜合考慮性價(jià)比、可靠性和高功率因數(shù)等多種因素，選擇安森美
推出的PFC控制器NCPl654是更合理的解決方案。采用該控制器只需極少的外圍元件．這使得PFC級(jí)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔。這種控制器工作功耗極低?？梢詽M足提升PFC級(jí)能效的要求，同時(shí)它還具有快速瞬態(tài)響應(yīng)、啟動(dòng)電流和關(guān)閉電流極低等特點(diǎn)，具有眾多安全保護(hù)特性，如浪涌電流檢測(cè)、過壓保護(hù)、用于開環(huán)檢測(cè)的欠壓檢測(cè)、軟啟動(dòng)、精確的過流限制、真正的過載限制等翻?？傊?，它集成了構(gòu)建緊湊而穩(wěn)固的PFC所需的所有特性。除控制器部分外，選擇具有低導(dǎo)通電阻和低寄生電容的全新CP系列C001．MOS開關(guān)管以及軟恢復(fù)升壓二極管也是提升效率的最佳選擇。綜上所述。LCD Tv開關(guān)電源中的PFC轉(zhuǎn)換器電路如圖2所示。

4、主DC／DC級(jí)解決方案

目前，在提高主DC／DC級(jí)的效率方面，準(zhǔn)諧振(QR)模式是最佳解決方案。QR模式對(duì)負(fù)載變化的反應(yīng)快，非常適合負(fù)載從最低(甚至為零)變到最大額定功率的情況，它可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，從而有效地降低開通時(shí)的電流尖峰．減少開通時(shí)電流尖峰引起的EMI噪聲，提高了效率。

在QR理論中，當(dāng)功率額定值小于200 W時(shí)，建議在DC／DC級(jí)采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)洌寒?dāng)功率額定值超過200 W．可使用LLC諧振轉(zhuǎn)換器。但是在實(shí)際應(yīng)用中，為了更好地在性能和成本之間取得平衡．設(shè)計(jì)者常常采用準(zhǔn)諧振反激式變換器配上適當(dāng)?shù)目刂菩酒鳛橹鱀C，
DC級(jí)的首選解決方案。目前。常用的準(zhǔn)諧振反激式變換器控制芯片有安森美的NCPl337、意法半導(dǎo)體公司的L6566、昂寶公司的OB2202和OB2203和英飛凌的ICE2QS02G。其中，NCPl337，I石566，082202和OB2203應(yīng)用在小功率LCDTV開關(guān)電源中，它們的性價(jià)比相仿。而ICE2QS02G不但可應(yīng)用于小功率場(chǎng)合，還可以應(yīng)用于中高功率場(chǎng)合．另外從性價(jià)比方面看，它也優(yōu)于其他幾種芯片。為此，在準(zhǔn)諧
振反激式變換器方案中，筆者選用ICE2QS02G作為控制芯片。

ICE2QS02G擁有數(shù)字降頻技術(shù)．使得開關(guān)頻率隨著負(fù)載的降低而降低，同時(shí)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，控制器能根據(jù)負(fù)載情況在不同的谷底點(diǎn)導(dǎo)通MOSFET．使得轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗始終保持平衡．轉(zhuǎn)換器獲得最高運(yùn)行效率，系統(tǒng)平均效率得到大幅度的提高[41。此情況下，就可以解決傳統(tǒng)的準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器(僅具備最大頻率限制)在自由運(yùn)行工作時(shí)所出現(xiàn)的如下問題：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載在滿載范圍(50％一70％)時(shí)，開關(guān)頻率將會(huì)增大許多，使得設(shè)計(jì)者必須付出很大的努力來取得成本與優(yōu)化設(shè)計(jì)=的平衡。此外，ICE2QS02G還具備多種用戶可調(diào)的保護(hù)功能，旨在保護(hù)系統(tǒng)并使得該IC適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。在故障模式下，例如開環(huán)控制回路／過載、輸出過壓和變壓器繞組短路等。該器件將切換至自動(dòng)重啟模式或栓鎖模式。通過采用逐周期峰值電流限制和折返校正等方法，可降低變壓器尺寸，優(yōu)化次級(jí)二極管的電流等級(jí)，從而提高設(shè)計(jì)的成本效率。綜上所述。主DC／DC級(jí)采用準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器以及對(duì)應(yīng)的控制芯片ICE2QS02G是很好的解決方案。另外，在準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器中選用高壓MOSFET開關(guān)管(例如全新的800 V CoolMOS C3系列開關(guān)管)。可以降低主傳導(dǎo)損耗和MOSFET的導(dǎo)通損耗．可使效率再提高1％～3％。很好地改善了主DC／DC級(jí)的效率。

5待機(jī)轉(zhuǎn)換器解決方案

在全新的功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下．要求LCD TV開關(guān)電源待機(jī)功耗應(yīng)低于1 W。在此情況下．輸出功率很低甚至為零，系統(tǒng)的輸出電流接近于零．MOSFET和二極管的導(dǎo)通損耗以及鐵芯損耗可以忽略．二次測(cè)二極管的關(guān)斷損耗、MOSFET的開啟損耗也可以忽略．待機(jī)狀態(tài)下的主要損耗是MOSFET關(guān)斷損耗和啟動(dòng)電阻損耗。因此，降低這兩方面的損耗是降低待機(jī)功耗和設(shè)計(jì)待機(jī)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵點(diǎn)。目前，設(shè)計(jì)者的首選解決方案是：設(shè)計(jì)獨(dú)立的待機(jī)轉(zhuǎn)化器。在降低關(guān)斷損耗方圖3推薦的LCD Tv開關(guān)電源解決方案框圖面．由于關(guān)斷損耗與開關(guān)頻率成比例，因而頻率越低損耗越小。然而，從開關(guān)電源基本原理可知：在正常工作模式下。需要利用高頻來減小變壓器和濾波器等器件的尺寸．而在待機(jī)模式下，低頻率有利于減小損耗。所以在待機(jī)轉(zhuǎn)換器解決方案中應(yīng)選用具有自動(dòng)降頻技術(shù)的集成功率IC。在一般的負(fù)載范圍。IC工作在高頻．當(dāng)輸出功率下降到某一特定閾值時(shí)，IC將會(huì)自動(dòng)減小開關(guān)頻率。在“自動(dòng)降頻技術(shù)”方面．目前較為普遍的有脈沖跳
躍模式、突變模式及非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)變等方式。在這些方式中，以英飛凌推出的主動(dòng)突變模式性能最優(yōu)越，該模式能在系統(tǒng)結(jié)束待機(jī)時(shí)保持輸出調(diào)節(jié)并為負(fù)載波動(dòng)做好準(zhǔn)備閣。從這方面考慮，再結(jié)合設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和成本等因素．待機(jī)轉(zhuǎn)換器選擇英飛凌最新推出的ICE3BR4765J是很好的解決方案。ICE3BR4765J具備獨(dú)有的主動(dòng)突變模式，加上還應(yīng)用了Bi—CMOS生產(chǎn)制程，使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了
一個(gè)極低的待機(jī)功耗．例如可實(shí)現(xiàn)在12 W／5 V的產(chǎn)品上僅有25 mW的待機(jī)功耗嘲。ICE3BR4765J在固定的開關(guān)頻率上，加入了±4％的頻率抖動(dòng)功能，使整體EMI水平降低，從而減小用戶對(duì)額外的濾波器的要求和生產(chǎn)成本。ICE3BR4765J內(nèi)部集成了650 V的啟動(dòng)單元，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)置，從而降低了系統(tǒng)成本[Sl。綜合以上分析．優(yōu)化的待機(jī)轉(zhuǎn)換器方案是：獨(dú)立設(shè)計(jì)反激式待機(jī)轉(zhuǎn)換器．并采用英飛凌最新推出的集成功率IC芯片ICE3BR4765J?；谏鲜鯬FC級(jí)、主DC／DC級(jí)和待機(jī)轉(zhuǎn)換器的解決方案，可設(shè)計(jì)出圖3所示的LCD’Ⅳ開關(guān)電源解決方案.

6,系統(tǒng)性能分析

在上述電源解決方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一款LCD Tv開關(guān)電源，其技術(shù)指標(biāo)如下：1)輸入電壓為交流；2)輸入頻率為47，63 Hz；3)輸入諧波符合一3—2標(biāo)準(zhǔn)；4)正常運(yùn)行時(shí)主DC，DC級(jí)輸出為24 V／6 A,正常運(yùn)行時(shí)待機(jī)輸出為；5)待機(jī)運(yùn)行在5 V／0．1 A輸出條件下引腳功耗小于l W。在上述技術(shù)指標(biāo)下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試。圖為在滿載條件下系統(tǒng)輸入功率因數(shù)與輸入線路電壓的對(duì)比情況。

由圖4可看出．不同輸入線路電壓條件下。功率因數(shù)均高于94％，系統(tǒng)具有很高的功率因數(shù)。圖5為在不同負(fù)載和線路電壓條件下的系統(tǒng)待機(jī)功耗。由圖5可看出，待機(jī)時(shí)系統(tǒng)輸入功率很低。滿足“能源之星3．0”的要求。圖6為在額定線路輸入電壓條件下．不同負(fù)載情況的系統(tǒng)效率。由圖6可看出，系統(tǒng)滿負(fù)載效率超過87％。系統(tǒng)平均效率較高。

7 小結(jié)

LCD Tv開關(guān)電源所面臨的能效挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)峻。要迎接這些挑戰(zhàn)．可采用有源PFC預(yù)調(diào)節(jié)器、準(zhǔn)諧振反激式主DC／DC轉(zhuǎn)換器和獨(dú)立的反激式待機(jī)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的解決方案。在解決方案中，選用安森美推出的PFC控制器NCPl654、英飛凌推出的準(zhǔn)諧振反激式控制器ICE2QS02G、集成功率芯片ICE3BR4765J和CoolMOS開關(guān)管，可使設(shè)計(jì)具有良好的性價(jià)比。