1引言：

目前，在全球范圍內(nèi)，LCDTV憑借其技術(shù)性能先進(jìn)、外型美觀時尚、工作穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正迅速走進(jìn)家庭。預(yù)計在未來幾年，LCDTV將是數(shù)字電視時代的主流產(chǎn)品。隨著LCDTV應(yīng)用越來越廣泛，對電能的消耗也越來越大，節(jié)能環(huán)保壓力劇增。因此，提高LCDTV開關(guān)電源能效的需求越來越迫切。為此，世界上多個政府機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織紛紛針對不同尺寸的電視機(jī)制定了全新的功耗規(guī)范，如美國的“能源之星3.0”標(biāo)準(zhǔn)和德國的“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。筆者將探討如何優(yōu)化pFC級、主DC/DC級和待機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法，以便更好地提高LCDTV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LCDTV開關(guān)電源的能效，很重要的方面是針對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級和待機(jī)轉(zhuǎn)換器組成，用于將交流輸入電壓（85~265V）轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓（24V，12V，5V和3.3V），其中主DC/DC級輸出的24V或12V直流電壓用于為背光逆變器和信號處理系統(tǒng)供電，待機(jī)轉(zhuǎn)換器輸出的5V或3.3V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24V或12V直流電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓（例如1200V交流電壓），為背光燈供電。信號處理系統(tǒng)用于控制和處理聲音與圖像信號。

根據(jù)安森美半導(dǎo)體有限公司（簡稱“安森美”）測算，LCDTV開關(guān)電源的pFC級損耗和主DC/DC級損耗為LCDTV開關(guān)電源的重要損耗，其中pFC級損耗約占電源總損耗的40%，主DC/DC級損耗約占電源總損耗的60%。為此，筆者將優(yōu)化pFC級和主DC/DC級的設(shè)計，以降低二者的功耗，同時進(jìn)行待機(jī)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，以滿足開關(guān)電源待機(jī)功耗應(yīng)低于1W的全新功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

3pFC預(yù)調(diào)節(jié)器解決方法：

為了降低pFC級的功耗，實(shí)現(xiàn)pFC級的能效提升目標(biāo)，要考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和pFC控制器的工作模式。從設(shè)計的復(fù)雜程度和電源解決方法的總成本等方面考慮，最佳解決方法是：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持續(xù)導(dǎo)通（CCM）模式。針對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（簡稱“英飛凌”）供應(yīng)的解決方法，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NCp1654是更合理的解決方法。采用該控制器只需極少的外圍元件，這使得pFC級的設(shè)計更加簡潔。這種控制器工作功耗極低，可以滿足提升pFC級能效的要求，同時它還具有快速瞬態(tài)響應(yīng)、啟動電流和關(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、過壓保護(hù)、用于開環(huán)檢測的欠壓檢測、軟啟動、精確的過流限制、真正的過載限制等?？傊闪藰?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Cool-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，LCDTV開關(guān)電源中的pFC轉(zhuǎn)換器電路如圖2所示。

主DC/DC級解決方法#e#

4主DC/DC級解決方法：

目前，在提高主DC/DC級的效率方面，準(zhǔn)諧振（QR）模式是最佳解決方法。QR模式對負(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的電流尖峰，減少開通時電流尖峰引起的EMI噪聲，提高了效率。

在QR理論中，當(dāng)功率額定值小于200W時，建議在DC/DC級采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)?；?dāng)功率額定值超過200W，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級的首選解決方法。

目前，常用的準(zhǔn)諧振反激式變換器控制芯片有安森美的NCp1337、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，NCp1337，L6566，OB2202和OB2203應(yīng)用在小功率LCDTV開關(guān)電源中，它們的性價比相仿。而ICE2QS02G不但可應(yīng)用于小功率場合，還可以應(yīng)用于中高功率場合，另外從性價比方面看，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法中，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，同時在整個負(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。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)行工作時所出現(xiàn)的如下問題：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載在滿載范圍（50%~70%）時，開關(guān)頻率將會增大許多，使得設(shè)計者必須付出很大的努力來取得成本與優(yōu)化設(shè)計的平衡。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)化次級二極管的電流等級，從而提高設(shè)計的成本效率。

綜上所述，主DC/DC級采用準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器以及對應(yīng)的控制芯片ICE2QS02G是很好的解決方法。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800VCoolMOSC3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級的效率。

5待機(jī)轉(zhuǎn)換器解決方法：

在全新的功耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下，要求LCDTV開關(guān)電源待機(jī)功耗應(yīng)低于1W。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)下的重要損耗是MOSFET關(guān)斷損耗和啟動電阻損耗。因此，降低這兩方面的損耗是降低待機(jī)功耗和設(shè)計待機(jī)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵點(diǎn)。目前，設(shè)計者的首選解決方法是：設(shè)計獨(dú)立的待機(jī)轉(zhuǎn)換器，在待機(jī)轉(zhuǎn)換器中采用固定頻率反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制芯片。

在降低啟動電阻損耗方面，傳統(tǒng)的方法多為降低啟動電流同時增大啟動電阻，但實(shí)踐證明該方法的功效不明顯。為此，英飛凌提出了用一個開關(guān)電路替代電阻的方法，在啟動過程中，啟動電路開通，而當(dāng)IC被激活后，啟動電路關(guān)閉。實(shí)踐證明該方法可消除啟動電阻的損耗。英飛凌的CoolSETF3芯片就集成了這樣的電路以降低電源的損耗。

在降低MOSFET關(guān)斷損耗方面，由于MOSFET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，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)換器解決方法中應(yīng)選用具有自動降頻技術(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，IC將會自動減小開關(guān)頻率。

在“自動降頻技術(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)通時間調(diào)變等方式。在這些方式中，以英飛凌推出的主動突變模式性能最優(yōu)越，該模式能在系統(tǒng)結(jié)束待機(jī)時保持輸出調(diào)節(jié)并為負(fù)載波動做好準(zhǔn)備。從這方面考慮，再結(jié)合設(shè)計的復(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是很好的解決方法。ICE3br4765J具備獨(dú)有的主動突變模式，加上還應(yīng)用了Bi-CMOS生產(chǎn)制程，使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了一個極低的待機(jī)功耗，例如可實(shí)現(xiàn)在12W/5V的產(chǎn)品上僅有25mW的待機(jī)功耗。ICE3br4765J在固定的開關(guān)頻率上，加入了±4%的頻率抖動功能，使整體EMI水平降低，從而減小用戶對額外的濾波器的要求和生產(chǎn)成本。ICE3br4765J內(nèi)部集成了650V的啟動單元，大大簡化了外圍電路的設(shè)置，從而降低了系統(tǒng)成本。

綜合以上分析，優(yōu)化的待機(jī)轉(zhuǎn)換器方法是：獨(dú)立設(shè)計反激式待機(jī)轉(zhuǎn)換器，并采用英飛凌最新推出的集成功率IC芯片ICE3br4765J。

基于上述pFC級、主DC/DC級和待機(jī)轉(zhuǎn)換器的解決方法，可設(shè)計出圖3所示的LCDTV開關(guān)電源解決方法框圖。

6系統(tǒng)性能分析：

在上述電源解決方法的基礎(chǔ)上設(shè)計出一款LCDTV開關(guān)電源，其技術(shù)指標(biāo)如下：1）輸入電壓為交流85～265V；2）輸入頻率為47～63Hz；3）輸入諧波符合EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)；4）正常運(yùn)行時主DC/DC級輸出為24V/6A，12V/3A，正常運(yùn)行時待機(jī)輸出為5V/2A；5）待機(jī)運(yùn)行在5V/0.1A輸出條件下引腳功耗小于1W。

在上述技術(shù)指標(biāo)下對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試。圖4為在滿載條件下系統(tǒng)輸入功率因數(shù)與輸入線路電壓的比較情況。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)

LCDTV開關(guān)電源所面對的能效挑戰(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)合的解決方法。在解決方法中，選用安森美推出的pFC控制器NCp1*、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)計具有良好的性價比。