浅析LCD TV中的电源改进方案

标签：电源 LCD PFC 架构 LLC

0 引言

液晶显示器，简称LCD。世界上第一台液晶显示设备出现在20世纪70年代初，被称之为扭曲向列液晶显示器。尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。80年代，超扭曲向列液晶显示器出现，同时薄膜晶体管液晶显示器技术被研发出来，但液晶技术仍未成熟，难以普及。80年代末90年代初，日本掌握了STN-LCD及TFT-LCD生产技术，LCD工业开始高速发展。液晶是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物，如果把它加热会呈现透明状的液体状态，把它冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。

1 LCD TV电源架构的介绍

图1所示为LCD TV的电源架构，图中架构的输入电压为90-265V，输入频率从47Hz到63Hz，经过调试整流后会经过PFC架构，由于本文主要针对MOS，因此图中没有表示出调试整流部分。PFC根据所使用的IC选择采用DCM或者CCM。从PFC出来后有一个PWM，如果输出功率小于65W，则PWM端采用Flyback或QR模式。现在LCD TV常用的是半桥共振和LLC架构。5V一侧有备用电源，目前LCD TV的备用电源通常采用的是IC绑定MOS。

图2所示为一个实际的TV板。从图1的电源架构角度看，该电路板中有两个SteP EMI内核，图中标记了红色的部分有一个PFC MOSFET，目前Vishay主推IRFP27N60KPBF，PWM的MOSFET采用的是半桥LLC架构，这一部分用500V MOS即可，该电路板使用的是IRFB840APBF。此外还有3组输出，即5V、12V和24V，以及一个5V的备用电源。

2 拓扑结构及工作原理

PFC即Power Factor CorrectiON，是一个升压式架构。当PFC控制器的电源大于70W小于200W时，通常会采用DCM结构，这种结构电压比较高，通常需要选择600或650V的MOS。当电源大于200W时，通常采用CCM结构。对于一次侧PWM拓扑架构，如图3所示，一般采用的是Flyback架构。电源为65W或90W以下的适配器会采用Flyback架构，26“和32”电视也可能采用Flyback架构。半桥结构需要两个MOS，而全桥结构需要4个MOS。其实半桥和全桥式架构比较适用于大电源中。目前广为接受的TV电源主要是LLC架构，是由两个MOS Q1和Q2串联Cr、Lr和Lm，以及一个变压器组成，如图3中右下图所示。

3 零电压切换

由于共振切换方式中电压电流交叉面积变小，相对开关损耗变小，效率变高，温度降低，因此通常采用共振切换的方式，目前最常用的是零电压切换。由于采用LC架构，其共振频率为 f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}，当操作频率大于共振频率时，则操作在ZVS(零电压切换)架构上。从图4中可以看到，当电流增加时电压为零，电压增加时电流为零。

4 LLC共振转换器

图5所示为半桥共振LLC共振转换器，这种架构根据 f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}计算出共振频率的第一个点和第二个点。一般情况下希望将LLC共振设计在ZVS区域内。如果在ZCS区域内损耗比较大，只需将开关频率设计成大于共振频率即可实现。图5中右上角的图表示了开关频率随着电压增益变换关系图。共振LLC转换器应用于LCD TV时的优点有：

1)高效率：初级MOS零电压切换几乎没有损耗，而且次级整流二极管为ZCS切换，损耗较少，因此整体效率得到提升;

2)高电源密度;

3)良好的EMI(低dV/dt和dI/dt);

4)更好的交叉调整率;

5)较低的输出纹波噪声;

6)低热扰动

7)节约成本