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??? 32英寸及更大尺寸的主流液晶電視電源要求產(chǎn)生多個(gè)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(gè)電源設(shè)計(jì)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,。?

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??? 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(jìn)行穩(wěn)流,。傳統(tǒng)上逆變器是一個(gè)單獨(dú)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(gè)電源設(shè)計(jì)能夠用于多個(gè)不同供應(yīng)商提供的面板,，從而簡化了液晶電視設(shè)計(jì),，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,。?

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??? 本參考設(shè)計(jì)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。?

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?? 傳統(tǒng)上,，全球眾多志愿性及規(guī)范機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)都著眼于降低電子產(chǎn)品的待機(jī)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(jī)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(jī)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?

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關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)

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輸入電壓：通用輸入85-265 Vac, 47-63 Hz?

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系統(tǒng)電源

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??? 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(shí),，待機(jī)輸入能耗(Pin) < 400 mW (5 V@10 mA)?

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逆變器電源

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??? 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(shí)鐘源?

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PFC段設(shè)計(jì)

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??? 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(jì)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(gè)模塊的功率可能介于30至60 W之間。為了簡化設(shè)計(jì),，及降低這個(gè)電源轉(zhuǎn)換段的總體復(fù)雜度,，本參考設(shè)計(jì)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(jī)電源。選擇NCP1351是因?yàn)樗捎脺?zhǔn)諧振固定導(dǎo)通時(shí)間(FON)控制原理,，在負(fù)載要求變小時(shí)降低反激轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率,。兩個(gè)(置于次級端的)額外開關(guān)會在待機(jī)模式斷開主電源負(fù)載，從而免除待機(jī)模式下的寄生損耗,。?

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??? 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(jì)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(jì),、具體控制途徑、詳細(xì)設(shè)計(jì)過程及測試結(jié)果等更多信息,，可參見參考資料[1],。?

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用于控制、信號及音頻功能的反激轉(zhuǎn)換器段

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??? 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(jī)模式，卻無需專用待機(jī)開關(guān)電源,，這提高了解決方案的總體性價(jià)比,。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要在輕載條件下能提供高能效的控制器架構(gòu),。?

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??? 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(shí)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(shí)間,，負(fù)載變輕時(shí)降低其開關(guān)頻率，同時(shí)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(jī)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(jī)械工作共振,。可聽噪聲的風(fēng)險(xiǎn)也大幅消除,，同時(shí)還獲得良好的待機(jī)能耗性能,。?

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??? 由于PWM控制器工作在準(zhǔn)固定導(dǎo)通時(shí)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(shí)，頻率也隨之增加,，直到控制器進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM),，而CCM優(yōu)化用于提供極高的效率。?

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??? 另外,，在液晶電視應(yīng)用中,，實(shí)現(xiàn)良好的交叉穩(wěn)壓是一項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)槿菹薹浅?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(jì)基準(zhǔn)型(SMPS1)的典型輸出電壓及負(fù)載范圍是：?

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????? +5 V：0至2.5 A?

????? +12 V：0至4 A?

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??? 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(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)用于50至75 mW的額定待機(jī)負(fù)載,，故待機(jī)時(shí)的頻率小于5 kHz。?

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??? 本參考設(shè)計(jì)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(jì)能夠靈活的支持多達(dá)4個(gè)獨(dú)特電壓輸出,。本參考設(shè)計(jì)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(jī)制,。?

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表2：反激轉(zhuǎn)換器段標(biāo)準(zhǔn)及可選輸出電壓配置?

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高壓背光逆變器電源段

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1) 半橋與全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

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??? 高壓逆變器能夠采用半橋或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。決定采用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要考慮多項(xiàng)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(shí)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,。?

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2) LX6503背光控制器

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??? 本參考設(shè)計(jì)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(jià)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。?

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3) CCFL驅(qū)動及電流平衡

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??? 必須仔細(xì)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(jì)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(shí)還結(jié)合頻率掃描(frequency sweeping)j啟動技術(shù) ,，確?？煽康臒魡印IN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(jī)制。有了這樣的耦合機(jī)制,，如果其中某個(gè)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,。?

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圖1：JIN平衡器網(wǎng)絡(luò)的基本配置及波形圖?

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??? 32英寸液晶電視背光子系統(tǒng)的典型配置是：?

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??? 12個(gè)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?

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總體能效性能及應(yīng)用優(yōu)勢

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??? 本參考設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(jì)值,，因?yàn)橹苯釉诟邏簾羯暇_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(gè)數(shù)值可謂相當(dāng)不錯,。逆變器的能效得到的優(yōu)化，這要?dú)w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(xiàng)論據(jù)是這樣的事實(shí)：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(jì)的總體能效性能,。?

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??? 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(jì)采用優(yōu)化的架構(gòu)，具有極高的能效及極低的待機(jī)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(jī)能耗要求。本參考設(shè)計(jì)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(jì)功能框圖?

總結(jié)：?

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??? 安森美半導(dǎo)體這款GreenPoint^?參考設(shè)計(jì)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(gè)從PFC段到24 V的完整電源轉(zhuǎn)換部分。此外,，這參考設(shè)計(jì)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(jī)電源相關(guān)的需求及開銷，從而進(jìn)一步簡化了解決方案,。這款參考設(shè)計(jì)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?yàn)槭褂昧瞬捎昧汶妷洪_關(guān)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的先進(jìn)背光控制器，逆變器電源能夠輕易地?cái)U(kuò)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(jìn)參考設(shè)計(jì),，可縮短開發(fā)周期,，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。?

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參考資料

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1,、HV-LIPS LCD TV Power Supply Documentation Package, ON Semiconductor, http://www.onsemi.cn/pub/Collateral/TND360-D.PDF?

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2,、AC-DC Power Architecture in LCD TV, ON Semiconductor, http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND353-D.PDF?

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