液晶電視綠色電源解決方案
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引言
本文引用地址：http://www.104case.com/article/168478.htm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機模式下的功耗要求。因此，要想滿足該要求，必須利用高效率開關電源。除開機功耗外，在待機模式下，輸入功率應低于1W。待機功率要求是開關電源 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。總之，典型的液晶電視開關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，需要采用兩個控制回路（電流回路與電壓回路）。控制電路較為復雜，同時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。液晶電視開關電源中典型的PFC轉換器電路如圖1所示。
可視屏幕對角線尺寸（英寸） | 寬高比 | 可視屏幕尺寸（英寸） | 屏幕區尺寸（英寸）2 | 最大開機功率（W） | |
480行垂直分辨率 | 768或1080行垂直分辨率 | ||||
20 | 16:9 | 17.4*9.8 | 170.5 | 45 | 66 |
32 | 16:9 | 27.9*15.7 | 438 | 78 | 120 |
42 | 16:9 | 36.6*20.6 | 754.0 | 115 | 208 |
50 | 16:9 | 43.6*24.5 | 1068.2 | 153 | 318 |
60 | 16:9 | 52.3*29.4 | 1537.2 | 210 | 391 |
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（谷值開關）反激式轉換器是非常經濟合算的解決方案。相對于硬開關反激式轉換器，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（測量開機功耗的負載范圍），開關頻率就會增大許多。大多數情況下，這需要設計者付出更大的努力和成本來優化設計。英飛凌準諧振控制器 ICE2QS02G采用標準數字降頻模式，有效解決了此問題。根據負載情況，IC將在不同的谷值點開通MOSFET。例如，在滿負載條件下，轉換器將在第一谷值點運行，提供最大功率，如果負載降至70%時，轉換器將在第二或第三谷值點運行。在這種情況下，轉換器的開關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在第一谷值點和第七谷值點導通。
（a）在第一谷值點完成谷值開關
（b）在第七谷值點完成谷值開關
改善主功率級效率的另一個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濟實惠的解決方案。除成本以外，待機功耗是最大難點。
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（來自待機轉換器）。PFC預調節器和主功率級關閉。因此，改善待機能效的關鍵點包括待機轉換器效率、二次側功率損耗和母線電壓采樣功率損耗。
為改善待機轉換器的轉換效率，降低平均開關頻率至關重要。不過，要想在系統結束待機時保持輸出調節并為負載波動做好準備，需主動進行控制。英飛凌CoolSET F3R產品具備獨有的主動突發模式，可實現超低的待機功耗。圖所示為主動突發模式的工作原理。
圖3 英飛凌CoolSET主動突發模式工作原理
其工作原理是，如果反饋信號水平降至突發進入閾值（FB1）以下，并持續一段時間，控制IC進入主動突發模式。這時開關脈沖停止，輸出電壓則會降低，然后反饋電壓升高。當它升到突發開始水平（FB3），開關脈沖恢復。在處于突發模式期間，輸出會升高 ，反饋電壓開始降低。當它降到突發結束水平（FB2），開關脈沖再次停止。這種突發交替性結束開始，構成主動突發模式。如果負載由輕載提高至重載，反饋電壓值將開始提高。如果反饋電壓水平超過突發退出閾值（FB4），IC將離開主動突發模式。屏蔽時間和其他2個閾值（FB1和FB4）可有效降低錯誤觸發突發模式的幾率。最后，如果IC進入主動突發模式，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規格
輸入電壓 | 85Vac~265Vac | |
輸入頻率 | 47Hz – 63 Hz | |
輸入諧波 | 符合 EN61000-3-2 標準 | |
正常運行 | 主轉換器輸出 | 24 V / 6 A |
12 V / 3 A | ||
輔轉換器輸出 | 5 V / 2 A | |
待機運行 | 在5 V / 0.1 A輸出條件下，管腳小于 1W | |
電路板尺寸 | 231mm χ 170mm χ 30mm | |
在額定線路輸入電壓條件下，不同負載情況下的系統效率。在110Vac條件下，滿負載效率超過87%。此外，平均效率保持在較高水平（30%負載之后）。
結語
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濟有效的解決方案。在這個解決方案中，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，同時具備出類拔萃的性能。
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