LCD TV开关电源解决方案

【摘要】随着电源能效规范标准逐渐提高，LCD TV 开关电源也需要不断提升能效。为此，提出了从PFC 预调节器、主DC/DC 级到待机转换器的解决方案。详细地说明了基于NCP165 4的PFC 预调节器解决方案、基于ICE2QS02G 的准谐振反激式主DC/DC 级解决方案以及基于ICE3BR4765J 的反激式待机转换器解决方案。系统性能的测试结果说明解决方案是合理的。

　　1 引言：

　　目前， 在全球范围内，LCD TV 凭借其技术性能先进、外型美观时尚、工作稳定、可靠性高等优点正迅速走进家庭。预计在未来几年，LCD TV 将是数字电视时代的主流产品。随着LCD TV 应用越来越广泛，对电能的消耗也越来越大，节能环保压力剧增。因此，提高LCD TV 开关电源能效的需求越来越迫切。为此，世界上多个政府机构和行业组织纷纷针对不同尺寸的电视机制定了全新的功耗规范，如美国的“能源之星3.0”标准和德国的“蓝色天使”标准，以此来提高电能的使用效率，降低电能消耗。笔者将探讨如何优化PFC 级、主DC/DC 级和待机转换器的设计方案， 以便更好地提高LCD TV 开关电源的能效，满足全新的功耗规范标准。

　　2 液晶电视电源管理系统结构：

　　要提高LCD TV 开关电源的能效，很重要的方面是针对液晶电视电源管理系统的结构，分析功率损耗的来源，有针对性地采取措施来降低能耗。

　　通常液晶电视电源管理系统由电源单元、DC/AC 逆变器、信号处理系统这3 部分组成， 其典型结构如图1所示。电源单元由PFC 预调节器、主DC/DC 级和待机转换器组成，用于将交流输入电压（85~265 V）转换成较低的直流输出电压（24 V，12 V，5 V 和3.3 V），其中主DC/DC 级输出的24 V 或12 V 直流电压用于为背光逆变器和信号处理系统供电， 待机转换器输出的5 V 或3.3 V直流电压为待机部件和微控制器供电。DC/AC 逆变器负责将24 V 或12 V 直流电压转换成高交流电压（例如1 200 V 交流电压），为背光灯供电。信号处理系统用于控制和处理声音与图像信号。

　　根据安森美半导体有限公司（简称“安森美”）测算，LCD TV 开关电源的PFC 级损耗和主DC/DC 级损耗为LCD TV 开关电源的主要损耗， 其中PFC 级损耗约占电源总损耗的40%， 主DC/DC 级损耗约占电源总损耗的60%。为此，笔者将优化PFC 级和主DC/DC 级的设计，以降低二者的功耗，同时进行待机转换器的设计，以满足开关电源待机功耗应低于1 W 的全新功耗规范标准要求。

　　3 PFC 预调节器解决方案：

　　为了降低PFC 级的功耗， 实现PFC 级的能效提升目标，需要考虑拓扑结构和PFC 控制器的工作模式。从设计的复杂程度和电源解决方案的总成本等方面考虑，最佳解决方案是：拓扑结构为Boost 升压结构，PFC 控制器的工作模式为连续导通（CCM）模式。针对CCM 工作模式，PFC 控制器可选择安森美或英飞凌科技股份公司（简称“英飞凌”）提供的解决方案，均能使功率因数高于93%，满足ICE61000-3-2 标准要求。但是，若综合考虑性价比、可靠性和高功率因数等多种因素，选择安森美推出的PFC 控制器NCP165 4是更合理的解决方案。采用该控制器只需极少的外围元件， 这使得PFC 级的设计更加简洁。这种控制器工作功耗极低，可以满足提升PFC级能效的要求，同时它还具有快速瞬态响应、启动电流和关闭电流极低等特点，具有众多安全保护特性，如浪涌电流检测、过压保护、用于开环检测的欠压检测、软启动、精确的过流限制、真正的过载限制等。总之，它集成了构建紧凑而稳固的PFC 所需的所有特性。除控制器部分外，选择具有低导通电阻和低寄生电容的全新CP 系列Cool-MOS 开关管以及软恢复升压二极管也是提升效率的最佳选择。综上所述，LCD TV 开关电源中的PFC 转换器电路如图2 所示。

　　4 主DC/DC 级解决方案：

　　目前，在提高主DC/DC 级的效率方面，准谐振（QR）模式是最佳解决方案。QR 模式对负载变化的反应快，非常适合负载从最低（甚至为零）变到最大额定功率的情况，它可以实现开关管的零电压开通，从而有效地降低开通时的电流尖峰， 减少开通时电流尖峰引起的EMI 噪声，提高了效率。

　　在QR 理论中，当功率额定值小于200 W 时，建议在DC/DC 级采用准谐振反激式拓扑； 当功率额定值超过200 W，可使用LLC 谐振转换器。但是在实际应用中，为了更好地在性能和成本之间取得平衡，设计者常常采用准谐振反激式变换器配上适当的控制芯片作为主DC/DC 级的首选解决方案。

　　目前， 常用的准谐振反激式变换器控制芯片有安森美的NCP1337、意法半导体公司的L6566、昂宝公司的OB2202 和OB2203 和英飞凌的ICE2QS02G。其中，NCP1337，L6566，OB2202 和OB2203 应用在小功率LCDTV 开关电源中，它们的性价比相仿。而ICE2QS02G 不但可应用于小功率场合，还可以应用于中高功率场合，另外从性价比方面看，它也优于其他几种芯片。为此，在准谐振反激式变换器方案中，笔者选用ICE2QS02G 作为控制芯片。

　　ICE2QS02G 拥有数字降频技术，使得开关频率随着负载的降低而降低，同时在整个负载范围内，控制器能根据负载情况在不同的谷底点导通MOSFET， 使得转换器的开关损耗和传导损耗始终保持平衡， 转换器获得最高运行效率，系统平均效率得到大幅度的提高。此情况下，就可以解决传统的准谐振反激式转换器（仅具备最大频率限制）在自由运行工作时所出现的如下问题：当系统负载在满载范围（50%~70%）时，开关频率将会增大许多，使得设计者必须付出很大的努力来取得成本与优化设计的平衡。此外，ICE2QS02G 还具备多种用户可调的保护功能， 旨在保护系统并使得该IC 适用于不同的应用场合。在故障模式下，例如开环控制回路/过载、输出过压和变压器绕组短路等， 该器件将切换至自动重启模式或栓锁模式。通过采用逐周期峰值电流限制和折返校正等方法，可降低变压器尺寸，优化次级二极管的电流等级，从而提高设计的成本效率。