1 引言：

　　目前,， 在全球范圍內(nèi)，LCD TV 憑借其技術(shù)性能先進,、外型美觀時尚,、工作穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點正迅速走進家庭,。預(yù)計在未來幾年,，LCD TV 將是數(shù)字電視時代的主流產(chǎn)品。隨著LCD TV 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LCD TV 開關(guān)電源能效的需求越來越迫切,。為此，世界上多個政府機構(gòu)和行業(yè)組織紛紛針對不同尺寸的電視機制定了全新的功耗規(guī)范,，如美國的“能源之星3.0”標準和德國的“藍色天使”標準，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 級和待機轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方案,， 以便更好地提高LCD TV 開關(guān)電源的能效,，滿足全新的功耗規(guī)范標準。

　　2 液晶電視電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

　　要提高LCD TV 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 級和待機轉(zhuǎn)換器組成，用于將交流輸入電壓（85~265 V）轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓（24 V,，12 V,，5 V 和3.3 V），其中主DC/DC 級輸出的24 V 或12 V 直流電壓用于為背光逆變器和信號處理系統(tǒng)供電,， 待機轉(zhuǎn)換器輸出的5 V 或3.3 V直流電壓為待機部件和微控制器供電,。DC/AC 逆變器負責將24 V 或12 V 直流電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓（例如1 200 V 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,，LCD TV 開關(guān)電源的PFC 級損耗和主DC/DC 級損耗為LCD TV 開關(guān)電源的主要損耗,， 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,，同時進行待機轉(zhuǎn)換器的設(shè)計,，以滿足開關(guān)電源待機功耗應(yīng)低于1 W 的全新功耗規(guī)范標準要求。

　　3 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案：

　　為了降低PFC 級的功耗,， 實現(xiàn)PFC 級的能效提升目標,，需要考慮拓撲結(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案的總成本等方面考慮,，最佳解決方案是：拓撲結(jié)構(gòu)為Boost 升壓結(jié)構(gòu)，PFC 控制器的工作模式為連續(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”）提供的解決方案，均能使功率因數(shù)高于93%,，滿足ICE61000-3-2 標準要求,。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NCP165 4是更合理的解決方案,。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,，具有眾多安全保護特性，如浪涌電流檢測,、過壓保護,、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?，它集成了構(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【摘要】隨著電源能效規(guī)范標準逐漸提高,，LCD TV 開關(guān)電源也需要不斷提升能效,。為此，提出了從PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器,、主DC/DC 級到待機轉(zhuǎn)換器的解決方案,。詳細地說明了基于NCP165 4 的PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案、基于ICE2QS02G 的準諧振反激式主DC/DC 級解決方案以及基于ICE3BR4765J 的反激式待機轉(zhuǎn)換器解決方案,。系統(tǒng)性能的測試結(jié)果說明解決方案是合理的,。

　　1 引言：

　　目前， 在全球范圍內(nèi),，LCD TV 憑借其技術(shù)性能先進,、外型美觀時尚、工作穩(wěn)定,、可靠性高等優(yōu)點正迅速走進家庭,。預(yù)計在未來幾年，LCD TV 將是數(shù)字電視時代的主流產(chǎn)品,。隨著LCD TV 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LCD TV 開關(guān)電源能效的需求越來越迫切,。為此，世界上多個政府機構(gòu)和行業(yè)組織紛紛針對不同尺寸的電視機制定了全新的功耗規(guī)范,，如美國的“能源之星3.0”標準和德國的“藍色天使”標準,，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 級和待機轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方案， 以便更好地提高LCD TV 開關(guān)電源的能效,，滿足全新的功耗規(guī)范標準,。

　　2 液晶電視電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

　　要提高LCD TV 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 級和待機轉(zhuǎn)換器組成，用于將交流輸入電壓（85~265 V）轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓（24 V,，12 V,，5 V 和3.3 V），其中主DC/DC 級輸出的24 V 或12 V 直流電壓用于為背光逆變器和信號處理系統(tǒng)供電,， 待機轉(zhuǎn)換器輸出的5 V 或3.3 V直流電壓為待機部件和微控制器供電,。DC/AC 逆變器負責將24 V 或12 V 直流電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓（例如1 200 V 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，LCD TV 開關(guān)電源的PFC 級損耗和主DC/DC 級損耗為LCD TV 開關(guān)電源的主要損耗,， 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，同時進行待機轉(zhuǎn)換器的設(shè)計,，以滿足開關(guān)電源待機功耗應(yīng)低于1 W 的全新功耗規(guī)范標準要求,。

　　3 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器解決方案：

　　為了降低PFC 級的功耗,， 實現(xiàn)PFC 級的能效提升目標，需要考慮拓撲結(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案的總成本等方面考慮,，最佳解決方案是：拓撲結(jié)構(gòu)為Boost 升壓結(jié)構(gòu)，PFC 控制器的工作模式為連續(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”）提供的解決方案，均能使功率因數(shù)高于93%,，滿足ICE61000-3-2 標準要求,。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NCP165 4是更合理的解決方案。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，具有眾多安全保護特性,，如浪涌電流檢測,、過壓保護、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,。總之,，它集成了構(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)管以及軟恢升壓二極管也是提升效率的最佳選擇,。綜上所述,，LCD TV 開關(guān)電源中的PFC 轉(zhuǎn)換器電路如圖2 所示。

　　4 主DC/DC 級解決方案：

　　目前,，在提高主DC/DC 級的效率方面,，準諧振（QR）模式是最佳解決方案。QR 模式對負載變化的反應(yīng)快,，非常適合負載從最低（甚至為零）變到最大額定功率的情況,，它可以實現(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，當功率額定值小于200 W 時,，建議在DC/DC 級采用準諧振反激式拓撲,； 當功率額定值超過200 W，可使用LLC 諧振轉(zhuǎn)換器,。但是在實際應(yīng)用中,，為了更好地在性能和成本之間取得平衡，設(shè)計者常常采用準諧振反激式變換器配上適當?shù)目刂菩酒鳛橹鱀C/DC 級的首選解決方案,。

　　目前,， 常用的準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，在準諧振反激式變換器方案中,，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)頻率隨著負載的降低而降低,，同時在整個負載范圍內(nèi),，控制器能根據(jù)負載情況在不同的谷底點導(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)的準諧振反激式轉(zhuǎn)換器（僅具備最大頻率限制）在自由運行工作時所出現(xiàn)的如下問題：當系統(tǒng)負載在滿載范圍（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)的保護功能,， 旨在保護系統(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 是很好的解決方案,。另外,，在準諧振反激式轉(zhuǎn)換器中選用高壓MOSFET 開關(guān)管（例如全新的800 V CoolMOS C3 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 待機轉(zhuǎn)換器解決方案：

　　在全新的功耗規(guī)范標準下,， 要求LCD TV 開關(guān)電源待機功耗應(yīng)低于1 W,。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,， 待機狀態(tài)下的主要損耗是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功耗和設(shè)計待機轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵點,。目前，設(shè)計者的首選解決方案是：設(shè)計獨立的待機轉(zhuǎn)換器,，在待機轉(zhuǎn)換器中采用固定頻率反激式拓撲結(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IC 被激活后,，啟動電路關(guān)閉,。實踐證明該方法可消除啟動電阻的損耗,。英飛凌的CoolSET F3 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,，需要利用高頻來減小變壓器和濾波器等器件的尺寸， 而在待機模式下,，低頻率有利于減小損耗,。所以在待機轉(zhuǎn)換器解決方案中應(yīng)選用具有自動降頻技術(shù)的集成功率IC。在一般的負載范圍,，IC 工作在高頻,， 當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)束待機時保持輸出調(diào)節(jié)并為負載波動做好準備,。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，待機轉(zhuǎn)換器選擇英飛凌最新推出的ICE3BR4765J是很好的解決方案,。ICE3BR4765J 具備獨有的主動突變模式,，加上還應(yīng)用了Bi-CMOS 生產(chǎn)制程，使產(chǎn)品實現(xiàn)了一個極低的待機功耗,，例如可實現(xiàn)在12 W/5 V 的產(chǎn)品上僅有25 mW 的待機功耗,。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650 V 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)化的待機轉(zhuǎn)換器方案是：獨立設(shè)計反激式待機轉(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 級和待機轉(zhuǎn)換器的解決方案,， 可設(shè)計出圖3 所示的LCD TV 開關(guān)電源解決方案框圖,。

　　6 系統(tǒng)性能分析：

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

在上述技術(shù)指標下對系統(tǒng)性能進行了測試,。圖4 為在滿載條件下系統(tǒng)輸入功率因數(shù)與輸入線路電壓的對比情況。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 為在不同負載和線路電壓條件下的系統(tǒng)待機功耗,。由圖5 可看出，待機時系統(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，不同負載情況的系統(tǒng)效率,。由圖6 可看出,，系統(tǒng)滿負載效率超過87%，系統(tǒng)平均效率較高,。

　　7 小結(jié)

　　LCD TV 開關(guān)電源所面臨的能效挑戰(zhàn)越來越嚴峻,。要迎接這些挑戰(zhàn)，可采用有源PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器,、準諧振反激式主DC/DC 轉(zhuǎn)換器和獨立的反激式待機轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的解決方案,。在解決方案中， 選用安森美推出的PFC控制器NCP1*,、英飛凌推出的準諧振反激式控制器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