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LCD TV中的电源应用方案

作者:Vishay公司 时间:2008-09-22来源:中电网收藏

   架构的介绍

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/88245.htm

  图1所示为 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 常用的是半桥共振和LLC架构。5V一侧有备用,目前LCD TV的备用电源通常采用的是IC绑定MOS。所不同的是逆变器部分,传统输出是24V,此处采用的则是LIPS架构,并从PFC端将400V电压直接加到此处。电压从24V增加到400V的好处是:电流相对变小,因此效率更好;而且24V逆变器采用的是全桥式架构,需4个MOS,而如果采用LIPS架构则采用半桥架构,只需要两个MOS,随着MOS量的减少,成本也随之降低。

  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。

  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。还有一些情况采用Forward和Double Forward构架,由于Forward电压非常大,可能达到900-1000V,因此电压选择要谨慎。而对于Double Forward而言,500V电压足矣。

  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}{2π\sqrt{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。只有在电流减小电压增加的瞬间才有小小的切换损耗,而大部分时间无损耗,相对于共振损耗来讲,这种情况损耗更小,因此ZVS架构效率更好。

  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}{2π\sqrt{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

  LLC拓扑的工作原理

  图6所示为LLC拓扑的工作原理。可以看到左边为两个MOS(高压MOS和低压MOS)串联两个电感,一个电容和一个变压器。二次侧部分有两个整流二极管,为非同步整流方式。图的右侧为电流与电压变化分段示意图。在T0-T1阶段,两个MOS没有导通,电流通过MOS的二极管逆流回去;在T1-T2阶段,高压侧MOS导通,电流从VDC流到地,在二次侧部分的二极管导通;T2-T3唯一改变的是二次侧的二极管关断,电流从Vout流出,两边为隔离状态,高压侧MOS还是导通,低压侧MOS还是关闭的;T3-T4阶段高压MOS关掉,低压MOS没有导通,但是电流通过低压侧MOS的二极管,二次侧的二极管也导通;T4-T5阶段低压MOS完全导通,二次侧的二极管也完全导通;T5-T6阶段二次侧二极管关断,低压MOS导通。

  Vishay目前拥有的LCD TV电源的产品

  Vishay目前主推的LCD TV高压MOS为Gen6,是一种比较新的技术,以6"晶圆制造,其中包括K-Series与L-Series,可以从器件命名的最后一个字母看到。K-Series比较适用于PFC AC/DC SMPS以及电机驱动,或者硬开关全桥的初级开关、半桥、正向式转换器等。L-Series很适合AC/DC SMPS ZVS全桥中的初级开关。图7和图8列出了1M的电压产品。


  应用实例

  图9所示为一个采用LLC的LCD TV应用,其中用红色圈起来的部分为针对PFC的MOS和半桥共振的MOS所推荐的型号。在半桥共振部分,实际应用中选择500V的MOS即可。

  问答选编

  问:什么是主动式PFC和被动式PFC?
  答:被动式PFC通常为一块体积较大的电感,由多块硅钢片 外部缠绕铜线而成;而主动式PFC则由电感线圈配合IC 控制芯片组成。主动式PFC又被称为有源PFC,其特点 是功率因数可以很高,一般在95%以上,甚至可以达到 99%(而被动式一般在80%),但由于其辅助电路较多需要 消耗一定的电能,所以转换效率比被动式PFC要低 2~3%(被动式一般在80~85%),电源总功率=电源功率 因数X转换效率,总体而言主动式的电源总功率比较高, 一般比被动式高10~15%,而此部分的电能被转化为热 量等直接浪费掉了。主动式PFC的优点是整体效率高, 浪费电能少,但成本较高,一般用于400W及以上的电源 中;还有一个缺点就是电磁干扰问题比较严重,因此要 特别注意EMI滤波电路的设计,也在一定程度上增加了 制造成本。

  问:设计LCD TV电源和设计普通电器的电源有何区别,设计中需注意什么?
  答:因为LCD TV对元件温度有限制,一般不能超过70℃,所以在散热方面需要有更多的考虑,在元件的选择上也 必须更加仔细。

  问:在降低LCD TV方面有没有什么比较先进的技术?
  答:在PFC端,需选用CCM架构;在PWM端,可以使用高 效的LLC topology。在二次侧端,可以使用同步整流的 方式,使用MOSFET来代替Diode。

  问:对于像300W这样大功率电源设计时,电路采用隔离式的,还是采用非隔离式的好呢?
  答:隔离式较好。

  问:LCD TV电源主要考虑哪些方面?
  答:LCD TV电源要做到轻、薄、短、小、稳定、耐用、效率高、 价格低。

  问:目前LCD TV电源系统的架构最主流的是怎样的?
  答:PFC+ LLC (PWM side)+同步整流(二次侧)。

  问:电源有哪些滤波手段?
  答:主要是电源输入端的滤波:NTC限流、共轭电感抑制EMI 干扰、大电容滤波。

  问:在反馈电源方式时,如何保证未被取样电源的稳定性?
  答:您可以采用钳位的方法保证其他旁路的稳定。

  问:怎样有效减少开关电源对其他设备的电磁干扰?
  答:对于电磁干扰的影响,常用的方法是屏蔽、接地和滤波。

  问:在降低LCD TV产品的问题上,除了在电源上努力 外,还有什么其它方面可以考虑的?
  答:LCD TV产品主要分为几部分,Power supply电源部分、 主板部分以及inverter背光,这些都会影响及效率, 当然与屏的选择也有关系。

  问:用于LCD TV电源设计上MOSET元件与用于微处理器 上的,有何不同?
  答:LCD TV选用的是高压MOSFET;微处理器选择的是低 压的MOSFET。

  问:在LCD TV电源防静电方面有没有什么比较先进的技术?
  答:LCD TV电源在整体设计上防静电主要通过PCB板的布 线,合理安排地线的布局;当然一些元器件也有防静电 功能,象IC、MOS等,在MOS的周边也可加相应的元器 件实现部分电路的防静电功能。

  问:设计开关电源时,需要考虑哪些因素?
  答:开关电源的设计是一个系统工程,不但要考虑电源自身 参数设计,还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、 安全性设计,如果是特别要求的电源甚至还要考虑三防 设计等方面。

  问:在LCD TV中,Lips(二合一电源)必不可少,如何处理 MOSFET温升以及EMC的问题,尤其是该如何设计好 其中的DC/AC(inverter)部分呢?
  答:如果是以MOS来讲,选择低的Rds(on),低的Qgd可降 低导通及开关损耗,减少温升,对于EMC方面,可选择 低的Trr/Qrr的MOS来解决,须综合考虑。

  问:如果采用同步整流,对于二次侧的MOSFET的选用有 什么要考虑的?
  答:对于同步整流是通过替换原有的二极管达到提高效率 的目的,开关MOS尽量选择低Qgd,减少开关损耗;对 于导通MOS,要考虑低的Rds(on)以减少导通损耗。

  问:LLC运行优点有哪些?会成为以后DC-DC设计的趋势 吗?
  答:LLC模式是现今POWER电源设计的趋势,它除了可以 在把整体的电压水平拉低之外,还能更好地提高效率, 在 元器件选型及成本方面也有很大优势.。

  问:220V的电源转换为几路直流电之后,哪些脉冲较大? 需要做过流保护么?
  答:一般PWM IC都有过流保护,不用太担心这个问题。

  问:针对LCD TV应用方案,应如何选用高压MOSFET?在 选用MOSFET时都应注意哪些方面?
  答:首先要决定电压大小Vds、电流ID、封装。这些选定后, 再去看Rds(on)*Qg 值,越低越好,不过价格也会较贵。 Trr、Qrr、dv/dt也是影响EMI 的参数。

  问:在LCD TV电源防静电方面有没有比较先进的技术?
  答:LCD TV电源在整体设计上防静电主要通过PCB板的布 线并合理安排地线来实现的。当然一些元器件也有防静 电功能,象IC、MOS等,在MOS的周边也可添加相应的 元器件实现部分电路防静电功能。

  问:什么是RoHS标准?都有哪些产品需要通过RoHS标准 认证啊?
  答: RoHS是《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指 令》(The Restriction of the use of certain Hazardous sub stances in Electrical and Electronic Equipment的英文 缩写),此项规定是欧盟(EU)对进入欧洲的电子产品限 制使用六种有害物质的禁令, 一般电子、电气产品都需 要通过RoHS。



关键词: LCD TV 电源 功耗

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