32英寸及更大尺寸的主流液晶電視電源要求產(chǎn)生多個電壓軌來為音頻、背光及信號處理等不同系統(tǒng)模塊供電。其中，信號處理板上使用本地線性及DC-DC轉(zhuǎn)換器來提供不同的低壓軌。對于制造商而言，通常使用通用電源，支持90至265 Vac電壓。這就使基于特定電視尺寸的單個電源設(shè)計能夠用于一系列的不同型號，滿足不同區(qū)域市場需求，簡化物流及降低開發(fā)成本。
如果某型號液晶電視面對全球市場且其功率高于75 W，就需要遵從歐洲有關(guān)減少諧波的IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，從而需要使用有源功率因數(shù)校正器。通常來說，液晶電視內(nèi)最耗電的子系統(tǒng)是背光模塊。當(dāng)今的大多數(shù)液晶電視使用冷陰極熒光管(CCFL)陣列作為背光源。這些燈管需要采用交流高電壓驅(qū)動，而且需要對燈管電流進行穩(wěn)流。傳統(tǒng)上逆變器是一個單獨模塊，采用額定電壓為24 V的直流電源供電。在這種途徑下，背光要求與LCD面板相關(guān)聯(lián)，而且一個電源設(shè)計能夠用于多個不同供應(yīng)商提供的面板，從而簡化了液晶電視設(shè)計，但這種途徑效率較低，而且增加了額外的電源部分（指24V輸出）。例如，液晶電視的交流輸入電壓在PFC段被升壓至400 Vdc，然后又采用諧振(LLC)半橋轉(zhuǎn)換為24 Vdc。此24 Vdc然后提供給逆變器模塊，從直流低壓轉(zhuǎn)換為高于1,000 V的交流高壓以驅(qū)動CCFL燈。這種多段轉(zhuǎn)換流程產(chǎn)生較大損耗，并會增加系統(tǒng)成本。
本參考設(shè)計中使用的高壓LIPS(HV-LIPS)架構(gòu)旨在消除400 Vdc至24 Vdc轉(zhuǎn)換段，直接從高壓功率因數(shù)校正(PFC)輸入段為逆變器供電，從而改善系統(tǒng)總效率。這要求以高壓直接變換的方式在液晶電視內(nèi)融合傳統(tǒng)電源功能，優(yōu)化總體系統(tǒng)方案。
傳統(tǒng)上，全球眾多志愿性及規(guī)范機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)都著眼于降低電子產(chǎn)品的待機能耗，美國、歐盟等地的眾多國際規(guī)范對電視產(chǎn)品的待機能耗要求為1 W，而中國中標(biāo)認(rèn)證中心(CSC)要求為3 W。而隨著液晶電視尺寸越來越大，其能耗也越來越高。由于液晶電視市場份額越來越大，規(guī)范機構(gòu)也越來越關(guān)注平板電視工作狀態(tài)下的能耗對電網(wǎng)的累積影響。如“能源之星”發(fā)布了電視產(chǎn)品第3版工作能耗要求(見表1)。
表1，“能源之星”3.0版電視規(guī)范對工作模式的能耗要求
關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)
輸入電壓：通用輸入85-265 Vac, 47-63 Hz
系統(tǒng)電源
•有源功率因數(shù)校正(Active PFC)，符合IEC61000-3-2規(guī)范
•最大穩(wěn)態(tài)能耗50 W，峰值60 W
•12 V / 4 A峰值
•5 V / 2.5 A峰值
•24 V – MOSFE門驅(qū)動偏置
•能夠靈活修改，支持其它電壓/電流配置
•50 mW負(fù)載時，待機輸入能耗(Pin) < 400 mW (5 V@10 mA)
逆變器電源
•支持100 W功率
•啟動電壓(Strike voltage) > 1,500 Vac，工作電壓> 800 Vac
•固定頻率逆變器，可在40-80 kHz范圍調(diào)節(jié)
•支持?jǐn)?shù)字及模擬調(diào)光
•能夠同步至視頻時鐘源
PFC段設(shè)計
高壓LIPS架構(gòu)的核心就是有源PFC前端升壓段。首先，對于輸入功率高于75 W的電源而言，它使設(shè)計符合IEC61000-3-2規(guī)范的諧波含量要求。其次，它為逆變器段提供經(jīng)過穩(wěn)壓的400 Vdc高壓。除了為背光供電，PFC段還提供電能給隔離型反激開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，此反激轉(zhuǎn)換器提供所有需要的電源，為執(zhí)行液晶電視內(nèi)的控制、接口、信號處理及音頻放大等功能的數(shù)字及模擬電路供電。根據(jù)液晶電視特性集及功能的不同，這個模塊的功率可能介于30至60 W之間。為了簡化設(shè)計，及降低這個電源轉(zhuǎn)換段的總體復(fù)雜度，本參考設(shè)計選用了安森美半導(dǎo)體專有的高能效反激控制器NCP1351，此器件使大多數(shù)液晶電視應(yīng)用無需專用的待機電源。選擇NCP1351是因為它采用準(zhǔn)諧振固定導(dǎo)通時間(FON)控制原理，在負(fù)載要求變小時降低反激轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。兩個(置于次級端的)額外開關(guān)會在待機模式斷開主電源負(fù)載，從而免除待機模式下的寄生損耗。
PFC段所采用的PFC控制器是安森美半導(dǎo)體的NCP1606B，此控制器設(shè)計用于工作在可變頻率臨界導(dǎo)電模式(CrM)，是150 W功率(<180 W)應(yīng)用的最適合方案。有關(guān)此PFC段的電磁干擾(EMI)設(shè)計、具體控制途徑、詳細設(shè)計過程及測試結(jié)果等更多信息，可參見參考資料[1]。
用于控制、信號及音頻功能的反激轉(zhuǎn)換器段
由于采用專門的直流-交流(DC-AC)轉(zhuǎn)換器來為CCFL燈供電，反激開關(guān)電源用于為控制、信號處理及音頻放大等功能的模擬及數(shù)字模塊供電。由于要求的總功率有限(<60 W)，有可能考慮反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶有待機模式，卻無需專 用待機開關(guān)電源，這提高了解決方案的總體性價比。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，需要在輕載條件下能提供高能效的控制器架構(gòu)。
此反激變換器使用了NCP1351 PWM控制器，主要是用于功率低于60 W的離線反激電源。NCP1351采用準(zhǔn)固定導(dǎo)通時間技術(shù)，不同負(fù)載和不同輸入電壓對應(yīng)不同的關(guān)閉時間，負(fù)載變輕時降低其開關(guān)頻率，同時降低開關(guān)損耗。因此，使用這種方案的電源自然地提供極小的待機功率，并且優(yōu)化其它負(fù)載條件下的能效。隨著頻率的下降，峰值電流逐漸降低至最大峰值電流的約30%，防止變壓器機械工作共振。可聽噪聲的風(fēng)險也大幅消除，同時還獲得良好的待機能耗性能。
由于PWM控制器工作在準(zhǔn)固定導(dǎo)通時間，開關(guān)頻率隨著負(fù)載而變化。在輕載條件下，此反激轉(zhuǎn)換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)。負(fù)載增加時，頻率也隨之增加，直到控制器進入連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)，而CCM優(yōu)化用于提供極高的效率。
另外，在液晶電視應(yīng)用中，實現(xiàn)良好的交叉穩(wěn)壓是一項設(shè)計挑戰(zhàn)，因為容限非常嚴(yán)格(通常為±5%)，且由于音頻放大的大動態(tài)范圍，以及信號處理電源負(fù)載根據(jù)輸入視頻源的不同而變化，動態(tài)工作可能大范圍地變化。本參考設(shè)計基準(zhǔn)型(SMPS1)的典型輸出電壓及負(fù)載范圍是：
•+5 V：0至2.5 A
•+12 V：0至4 A
為了改善總體交叉穩(wěn)壓性能，+5 V二極管連接至繞組的地(GND)，而+12 V繞組在5 V繞組之上。而在待機模式下，開關(guān)電源的頻率工作在聲頻范圍。因此，根據(jù)變壓器構(gòu)造及機械設(shè)計的不同，有可能出現(xiàn)一些可聽見的噪聲。大多數(shù)人最敏感的頻率范圍是7至13 kHz范圍。本專用參考設(shè)計應(yīng)用于50至75 mW的額定待機負(fù)載，故待機時的頻率小于5 kHz。
本參考設(shè)計提供充足的靈活性，配合多種輸出配置，而只須對BOM作簡單調(diào)整。NCP1351B反激設(shè)計能夠靈活的支持多達4個獨特電壓輸出。本參考設(shè)計所使用的標(biāo)準(zhǔn)配置(SMPS1)擁有5 Vdc和12 Vdc輸入，以及24 Vdc電壓輸出。表2中列出了多種可選配置，能夠用于配合不同的電源機制。
表2，反激轉(zhuǎn)換器段標(biāo)準(zhǔn)及可選輸出電壓配置
高壓背光逆變器電源段
1) 半橋與全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較
高壓逆變器能夠采用半橋或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)。決定采用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要考慮多項因素。與半橋結(jié)構(gòu)引比，全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有眾多優(yōu)勢，如固定工作頻率時零電壓開關(guān)(ZVS)、降低EMI及功率損耗、減輕MOSFET開關(guān)應(yīng)力及減少散熱等。此外，在全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，由于控制器工作在固定頻率，有可能將開關(guān)頻率與視頻頻率同步，避免任何可能的背光子系統(tǒng)干擾影響視頻圖像。
2) LX6503背光控制器
本參考設(shè)計采用了Microsemi的LX6503背光控制器。LX6503是一款高性能CCFL控制器，旨在用于液晶電視及其它多燈LCD顯示系統(tǒng)。它經(jīng)過了特別優(yōu)化，是用于高壓逆變器架構(gòu)的一種高性價比解決方案。這控制器提供一對推挽式(push-pull) PWM驅(qū)動信號，在增加簡單的外部電路的情況下，具有足夠的能力驅(qū)動推挽式半橋或全橋CCFL逆變器。
3) CCFL驅(qū)動及電流平衡
必須仔細考慮CCFL燈啟動及電流平衡，從而擁有可靠的背光系統(tǒng)。本參考設(shè)計中使用的JIN平衡器(balancer)解決方案能夠提供極佳的燈電流平衡功能，同時還結(jié)合頻率掃描(frequency sweeping)j啟動技術(shù) ，確保可靠的燈啟動。JIN平衡器基于平衡變壓器的電磁耦合原理，產(chǎn)生額外的校正電壓給燈，從而均衡燈電流。這平衡器網(wǎng)絡(luò)的基本配置如圖1所示。平衡器次級繞組的串行回路均衡了初級端電流，并提供燈電路之間的耦合機制。有了這樣的耦合機制，如果其中某個燈未啟動，已經(jīng)啟動的燈的能量將自動耦合至未啟動燈電路的初級繞組，從而增加燈電壓，幫助其啟動。如圖1所示，平衡器網(wǎng)絡(luò)的繞線配置是一致的，而不管燈數(shù)量是多少。此外，一種類型的平衡器變壓器能夠適應(yīng)幾乎所有燈尺寸。這些特性使JIN平衡器解決方案能夠非常靈活地用于CCFL逆變器應(yīng)用。
圖1，JIN平衡器網(wǎng)絡(luò)的基本配置及波形圖。
32英寸液晶電視背光子系統(tǒng)的典型配置是：
•12個燈
•所有燈一起連接至共用地
•系統(tǒng)電流感測在地線上
•所有燈采用單輸出高壓變壓器“同相(in phase)”驅(qū)動
總體能效性能及應(yīng)用優(yōu)勢
本參考設(shè)計的重點在于以高能效的架構(gòu)提供極佳的參數(shù)性能，這架構(gòu)在所有電源轉(zhuǎn)換段的工作損耗都較低。下面的表3中介紹了一些典型的性能數(shù)據(jù)，其中反激及PFC段的負(fù)載為不同測試負(fù)載條件下的負(fù)載。逆變器能效為估計值，因為直接在高壓燈上精確地測量輸出功率非常困難，而且精度不夠高。在典型負(fù)載條件下，PFC在完整線路輸入范圍下的能效高于95%，反激轉(zhuǎn)換器在37 W典型負(fù)載配置下的峰值能效為78%。顧及根據(jù)所采用的交 叉穩(wěn)壓技術(shù)的不同5 V和12 V輸出上出現(xiàn)的額外損耗，這個數(shù)值可謂相當(dāng)不錯。逆變器的能效得到的優(yōu)化，這要歸因于全橋零電壓開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將開關(guān)損耗減至最小。支撐它的一項論據(jù)是這樣的事實：全橋MOSFET使用表面貼裝DPAK器件，不需要任何額外散熱片。
表3，安森美半導(dǎo)體高壓LIPS液晶電視電源參考設(shè)計的總體能效性能。
總的來看，安森美半導(dǎo)體這款32英寸高壓LIPS液晶電視電源參考設(shè)計采用優(yōu)化的架構(gòu)，具有極高的能效及極低的待機能耗，符合各種能效規(guī)范的工作能效、最大工作能效及待機能耗要求。本參考設(shè)計的功能框圖如圖2所示。
圖2，安森美半導(dǎo)體32英寸高壓LIPS液晶電視電源參考設(shè)計功能框圖
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體這款GreenPoint參考設(shè)計支持新興的高壓LIPS架構(gòu)，直接從PFC段而非傳統(tǒng)的24 V為逆變器供電，從而省下一個從PFC段到24 V的完整電源轉(zhuǎn)換部分。此外，這參考設(shè)計采用了高能效專有架構(gòu)的NCP1351反激控制器，免除了與專用待機電源相關(guān)的需求及開銷，從而進一步簡化了解決方案。這款參考設(shè)計中展示的架構(gòu)具有高度的靈活性，支持多種電壓/電流配置，而只需對原理圖及所用元件作出極小改動。最后，因為使用了采用零電壓開關(guān)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的先進背光控制器，逆變器電源能夠輕易地擴展，支持高至42英寸的多種液晶電視尺寸。客戶利用這高能效先進參考設(shè)計，可縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市進程。
參考資料
1、HV-LIPS LCD TV Power Supply Documentation Package, ON Semiconductor, http://www.onsemi.cn/pub/Collateral/TND360-D.PDF
2、AC-DC Power Architecture in LCD TV, ON Semiconductor, http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND353-D.PDF