LCD TV中的電源應(yīng)用方案
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
圖1所示為LCD TV的電源架構(gòu)，圖中架構(gòu)的輸入電壓為90-265V，輸入頻率從47Hz到63Hz，經(jīng)過(guò)調(diào)試整流后會(huì)經(jīng)過(guò)PFC架構(gòu)，由于本文主要針對(duì)MOS，因此圖中沒(méi)有表示出調(diào)試整流部分。PFC根據(jù)所使用的IC選擇采用DCM或者CCM。從PFC出來(lái)后有一個(gè)PWM，如果輸出功率小于65W，則PWM端采用Flyback或QR模式。現(xiàn)在LCD TV常用的是半橋共振和LLC架構(gòu)。5V一側(cè)有備用電源，目前LCD TV的備用電源通常采用的是IC綁定MOS。所不同的是逆變器部分，傳統(tǒng)輸出是24V，此處采用的則是LIPS架構(gòu)，并從PFC端將400V電壓直接加到此處。電壓從24V增加到400V的好處是：電流相對(duì)變小，因此效率更好；而且24V逆變器采用的是全橋式架構(gòu)，需4個(gè)MOS，而如果采用LIPS架構(gòu)則采用半橋架構(gòu)，只需要兩個(gè)MOS，隨著MOS量的減少，成本也隨之降低。
圖2所示為一個(gè)實(shí)際的TV板。從圖1的電源架構(gòu)角度看，該電路板中有兩個(gè)STEP EMI內(nèi)核，圖中標(biāo)記了紅色的部分有一個(gè)PFC MOSFET，目前Vishay主推IRFP27N60KPBF，PWM的MOSFET采用的是半橋LLC架構(gòu)，這一部分用500V MOS即可，該電路板使用的是IRFB840APBF。此外還有3組輸出，即5V、12V和24V，以及一個(gè)5V的備用電源。
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理
PFC即Power Factor Correction，是一個(gè)升壓式架構(gòu)。當(dāng)PFC控制器的電源大于70W小于200W時(shí)，通常會(huì)采用DCM結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)電壓比較高，通常需要選擇600或650V的MOS。當(dāng)電源大于200W時(shí)，通常采用CCM結(jié)構(gòu)。對(duì)于一次側(cè)PWM拓?fù)浼軜?gòu)，如圖3所示，一般采用的是Flyback架構(gòu)。電源為65W或90W以下的適配器會(huì)采用Flyback架構(gòu)，26"和32"電視也可能采用Flyback架構(gòu)。半橋結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)MOS，而全橋結(jié)構(gòu)需要4個(gè)MOS。其實(shí)半橋和全橋式架構(gòu)比較適用于大電源中。目前廣為接受的TV電源主要是LLC架構(gòu)，是由兩個(gè)MOS Q1和Q2串聯(lián)Cr、Lr和Lm，以及一個(gè)變壓器組成，如圖3中右下圖所示。還有一些情況采用Forward和Double Forward構(gòu)架，由于Forward電壓非常大，可能達(dá)到900-1000V，因此電壓選擇要謹(jǐn)慎。而對(duì)于Double Forward而言，500V電壓足矣。
零電壓切換
由于共振切換方式中電壓電流交叉面積變小，相對(duì)開(kāi)關(guān)損耗變小，效率變高，溫度降低，因此通常采用共振切換的方式，目前最常用的是零電壓切換。由于采用LC架構(gòu)，其共振頻率為 f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}，當(dāng)操作頻率大于共振頻率時(shí)，則操作在ZVS（零電壓切換）架構(gòu)上。從圖4中可以看到，當(dāng)電流增加時(shí)電壓為零，電壓增加時(shí)電流為零。只有在電流減小電壓增加的瞬間才有小小的切換損耗，而大部分時(shí)間無(wú)損耗，相對(duì)于共振損耗來(lái)講，這種情況損耗更小，因此ZVS架構(gòu)效率更好。
LLC共振轉(zhuǎn)換器
圖5所示為半橋共振LLC共振轉(zhuǎn)換器，這種架構(gòu)根據(jù) f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}計(jì)算出共振頻率的第一個(gè)點(diǎn)和第二個(gè)點(diǎn)。一般情況下希望將LLC共振設(shè)計(jì)在ZVS區(qū)域內(nèi)。如果在ZCS區(qū)域內(nèi)損耗比較大，只需將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)成大于共振頻率即可實(shí)現(xiàn)。圖5中右上角的圖表示了開(kāi)關(guān)頻率隨著電壓增益變換關(guān)系圖。共振LLC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于LCD TV時(shí)的優(yōu)點(diǎn)有：
1）高效率：初級(jí)MOS零電壓切換幾乎沒(méi)有損耗，而且次級(jí)整流二極管為ZCS切換，損耗較少，因此整體效率得到提升；
2）高電源密度；
3）良好的EMI（低dV/dt和dI/dt）；
4）更好的交叉調(diào)整率；
5）較低的輸出紋波噪聲；
6）低熱擾動(dòng)
7）節(jié)約成本
LLC拓?fù)涞墓ぷ髟?/strong>
圖6所示為L(zhǎng)LC拓?fù)涞墓ぷ髟??？梢钥吹阶筮厼閮蓚€(gè)MOS（高壓MOS和低壓MOS）串聯(lián)兩個(gè)電感，一個(gè)電容和一個(gè)變壓器。二次側(cè)部分有兩個(gè)整流二極管，為非同步整流方式。圖的右側(cè)為電流與電壓變化分段示意圖。在T0-T1階段，兩個(gè)MOS沒(méi)有導(dǎo)通，電流通過(guò)MOS的二極管逆流回去；在T1-T2階段，高壓側(cè)MOS導(dǎo)通，電流從VDC流到地，在二次側(cè)部分的二極管導(dǎo)通；T2-T3唯一改變的是二次側(cè)的二極管關(guān)斷，電流從Vout流出，兩邊為隔離狀態(tài)，高壓側(cè)MOS還是導(dǎo)通，低壓側(cè)MOS還是關(guān)閉的；T3-T4階段高壓MOS關(guān)掉，低壓MOS沒(méi)有導(dǎo)通，但是電流通過(guò)低壓側(cè)MOS的二極管，二次側(cè)的二極管也導(dǎo)通；T4-T5階段低壓MOS完全導(dǎo)通，二次側(cè)的二極管也完全導(dǎo)通；T5-T6階段二次側(cè)二極管關(guān)斷，低壓MOS導(dǎo)通。
Vishay目前擁有的LCD TV電源的產(chǎn)品
Vishay目前主推的LCD TV高壓MOS為Gen6，是一種比較新的技術(shù)，以6"晶圓制造，其中包括K-Series與L-Series，可以從器件命名的最后一個(gè)字母看到。K-Series比較適用于PFC AC/DC SMPS以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)，或者硬開(kāi)關(guān)全橋的初級(jí)開(kāi)關(guān)、半橋、正向式轉(zhuǎn)換器等。L-Series很適合AC/DC SMPS ZVS全橋中的初級(jí)開(kāi)關(guān)。圖7和圖8列出了1M的電壓產(chǎn)品。
應(yīng)用實(shí)例
圖9所示為一個(gè)采用LLC的LCD TV應(yīng)用，其中用紅色圈起來(lái)的部分為針對(duì)PFC的MOS和半橋共振的MOS所推薦的型號(hào)。在半橋共振部分，實(shí)際應(yīng)用中選擇500V的MOS即可。
問(wèn)答選編
問(wèn)：什么是主動(dòng)式PFC和被動(dòng)式PFC？
答：被動(dòng)式PFC通常為一塊體積較大的電感，由多塊硅鋼片 外部纏繞銅線而成；而主動(dòng)式PFC則由電感線圈配合IC 控制芯片組成。主動(dòng)式PFC又被稱為有源PFC，其特點(diǎn) 是功率因數(shù)可以很高，一般在95%以上，甚至可以達(dá)到 99%(而被動(dòng)式一般在80%)，但由于其輔助電路較多需要 消耗一定的電能，所以轉(zhuǎn)換效率比被動(dòng)式PFC要低 2~3%(被動(dòng)式一般在80~85%)，電源總功率=電源功率 因數(shù)X轉(zhuǎn)換效率，總體而言主動(dòng)式的電源總功率比較高， 一般比被動(dòng)式高10~15%，而此部分的電能被轉(zhuǎn)化為熱 量等直接浪費(fèi)掉了。主動(dòng)式PFC的優(yōu)點(diǎn)是整體效率高， 浪費(fèi)電能少，但成本較高，一般用于400W及以上的電源 中；還有一個(gè)缺點(diǎn)就是電磁干擾問(wèn)題比較嚴(yán)重，因此要 特別注意EMI濾波電路的設(shè)計(jì)，也在一定程度上增加了 制造成本。
問(wèn)：設(shè)計(jì)LCD TV電源和設(shè)計(jì)普通電器的電源有何區(qū)別，設(shè)計(jì)中需注意什么？
答：因?yàn)長(zhǎng)CD TV對(duì)元件溫度有限制，一般不能超過(guò)70℃，所以在散熱方面需要有更多的考慮，在元件的選擇上也 必須更加仔細(xì)。
問(wèn)：在降低LCD TV功耗方面有沒(méi)有什么比較先進(jìn)的技術(shù)？
答：在PFC端，需選用CCM架構(gòu)；在PWM端，可以使用高 效的LLC topology。在二次側(cè)端，可以使用同步整流的 方式，使用MOSFET來(lái)代替Diode。
問(wèn)：對(duì)于像300W這樣大功率電源設(shè)計(jì)時(shí)，電路采用隔離式的，還是采用非隔離式的好呢？
答：隔離式較好。
問(wèn)：LCD TV電源主要考慮哪些方面？
答：LCD TV電源要做到輕、薄、短、小、穩(wěn)定、耐用、效率高、 價(jià)格低。
問(wèn)：目前LCD TV電源系統(tǒng)的架構(gòu)最主流的是怎樣的?
答：PFC+ LLC (PWM side)+同步整流(二次側(cè))。
問(wèn)：電源有哪些濾波手段？
答：主要是電源輸入端的濾波：NTC限流、共軛電感抑制EMI 干擾、大電容濾波。
問(wèn)：在反饋電源方式時(shí)，如何保證未被取樣電源的穩(wěn)定性?
答：您可以采用鉗位的方法保證其他旁路的穩(wěn)定。
問(wèn)：怎樣有效減少開(kāi)關(guān)電源對(duì)其他設(shè)備的電磁干擾？
答：對(duì)于電磁干擾的影響，常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
問(wèn)：在降低LCD TV產(chǎn)品功耗的問(wèn)題上，除了在電源上努力 外，還有什么其它方面可以考慮的？
答：LCD TV產(chǎn)品主要分為幾部分，Power supply電源部分、 主板部分以及inverter背光，這些都會(huì)影響功耗及效率， 當(dāng)然與屏的選擇也有關(guān)系。
問(wèn)：用于LCD TV電源設(shè)計(jì)上MOSET元件與用于微處理器 上的，有何不同？
答：LCD TV選用的是高壓MOSFET；微處理器選擇的是低 壓的MOSFET。
問(wèn)：在LCD TV電源防靜電方面有沒(méi)有什么比較先進(jìn)的技術(shù)？
答：LCD TV電源在整體設(shè)計(jì)上防靜電主要通過(guò)PCB板的布 線，合理安排地線的布局；當(dāng)然一些元器件也有防靜電 功能，象IC、MOS等，在MOS的周邊也可加相應(yīng)的元器 件實(shí)現(xiàn)部分電路的防靜電功能。
問(wèn)：設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，需要考慮哪些因素?
答：開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不但要考慮電源自身 參數(shù)設(shè)計(jì)，還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、 安全性設(shè)計(jì)，如果是特別要求的電源甚至還要考慮三防 設(shè)計(jì)等方面。
問(wèn)：在LCD TV中，Lips（二合一電源）必不可少，如何處理 MOSFET溫升以及EMC的問(wèn)題，尤其是該如何設(shè)計(jì)好 其中的DC/AC（inverter）部分呢？
答：如果是以MOS來(lái)講，選擇低的Rds(on)，低的Qgd可降 低導(dǎo)通及開(kāi)關(guān)損耗，減少溫升，對(duì)于EMC方面，可選擇 低的Trr/Qrr的MOS來(lái)解決，須綜合考慮。
問(wèn)：如果采用同步整流，對(duì)于二次側(cè)的MOSFET的選用有 什么要考慮的？
答：對(duì)于同步整流是通過(guò)替換原有的二極管達(dá)到提高效率 的目的，開(kāi)關(guān)MOS盡量選擇低Qgd，減少開(kāi)關(guān)損耗；對(duì) 于導(dǎo)通MOS，要考慮低的Rds(on)以減少導(dǎo)通損耗。
問(wèn)：LLC運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)有哪些?會(huì)成為以后DC-DC設(shè)計(jì)的趨勢(shì) 嗎?
答：LLC模式是現(xiàn)今POWER電源設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，它除了可以 在把整體的電壓水平拉低之外，還能更好地提高效率， 在 元器件選型及成本方面也有很大優(yōu)勢(shì).。
問(wèn)：220V的電源轉(zhuǎn)換為幾路直流電之后，哪些脈沖較大？ 需要做過(guò)流保護(hù)么？
答：一般PWM IC都有過(guò)流保護(hù)，不用太擔(dān)心這個(gè)問(wèn)題。
問(wèn)：針對(duì)LCD TV應(yīng)用方案，應(yīng)如何選用高壓MOSFET？在 選用MOSFET時(shí)都應(yīng)注意哪些方面？
答：首先要決定電壓大小Vds、電流ID、封裝。這些選定后， 再去看Rds(on)*Qg 值，越低越好，不過(guò)價(jià)格也會(huì)較貴。 Trr、Qrr、dv/dt也是影響EMI 的參數(shù)。
問(wèn)：在LCD TV電源防靜電方面有沒(méi)有比較先進(jìn)的技術(shù)？
答：LCD TV電源在整體設(shè)計(jì)上防靜電主要通過(guò)PCB板的布 線并合理安排地線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然一些元器件也有防靜 電功能，象IC、MOS等，在MOS的周邊也可添加相應(yīng)的 元器件實(shí)現(xiàn)部分電路防靜電功能。
問(wèn)：什么是RoHS標(biāo)準(zhǔn)？都有哪些產(chǎn)品需要通過(guò)RoHS標(biāo)準(zhǔn) 認(rèn)證??？
答： RoHS是《電氣、電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指 令》(The Restriction of the use of certain Hazardous sub stances in Electrical and Electronic Equipment的英文 縮寫(xiě))，此項(xiàng)規(guī)定是歐盟（EU）對(duì)進(jìn)入歐洲的電子產(chǎn)品限 制使用六種有害物質(zhì)的禁令， 一般電子、電氣產(chǎn)品都需 要通過(guò)RoHS。
評(píng)論