關(guān)于提升LED背光系統(tǒng)的中壓升壓轉(zhuǎn)換器效率分析

　　高電壓范圍升壓轉(zhuǎn)換器通常用作具有90V至270V AC輸入和約400V DC輸出的PFC轉(zhuǎn)換器，在這些應(yīng)用中，傳導(dǎo)損耗并不像在低電壓升壓轉(zhuǎn)換器中那么重要，需要更多地考慮開關(guān)損耗和抗噪聲能力。因而PFC控制器通常采用某些特別的設(shè)計要素如臨界導(dǎo)通 (CRM)工作模式、更高的電流感測電壓。PFC控制器由于市場巨大而被廣泛使用。

　　LED TV背光應(yīng)用需要24V DC輸入、 180V DC 0.4A輸出升壓轉(zhuǎn)換器，相比前面提到的低電壓和高電壓范圍升壓轉(zhuǎn)換器，這類中等電壓升壓轉(zhuǎn)換器很少用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。在這種電壓和額定功率值范圍中，傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和抗噪聲能力均需予以考慮，很難找到一款適合的較廉價的器件。

　　拓?fù)浜推骷x擇考慮事項(xiàng)

　　在設(shè)計消費(fèi)產(chǎn)品解決方案時，始終需要避免使用昂貴的拓?fù)浜推骷６?，由于DC輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)(LED陣列)均位于次級端，因而LED背光照明級無需進(jìn)行隔離。即便我們還有軟開關(guān)諧振半/全橋拓?fù)涞绕渌x擇，升壓（boost）拓?fù)涫荓EDTV背光照明電源應(yīng)用的最佳核心拓?fù)洹?/P>

　　考慮到用于移動設(shè)備的升壓控制器具有高PWM頻率(通常為500KHz至6MHz)和低噪聲兼容性(電壓模式或低電流感測電壓)。用于AC/DC電源的PWM控制器似乎更合適，因其具有高柵極驅(qū)動電壓(超過10V)和高電流感測電壓(通常為0.5V-1.2V)。但是，大多數(shù)AC/DCPWM控制器的工作頻率為50kHz至100kHz。這種頻率范圍對于90-270VAC輸入的電源是合適的，因?yàn)樗軌蚱胶忾_關(guān)損耗和電感元件尺寸。不過，對于24VDC輸入電源，該頻率有些低，因?yàn)榈凸ぷ黝l率需要使用大電感器。

　　CRM PFC控制器是最佳的選擇，因?yàn)樗粌H具備AC/DC PWM控制器的優(yōu)勢(高柵極驅(qū)動電壓和高電流感測電壓)，還能夠通過選擇電感將工作頻率設(shè)置為最佳數(shù)值(200 kHz)。即便CRM PFC控制器的反饋回路在電壓模式下工作，但是其鋸齒波發(fā)生器和比較器內(nèi)置在芯片中，并具有足夠大的振幅。因而，在噪聲兼容性方面不會出現(xiàn)問題。

　　提高效率

　　使用標(biāo)準(zhǔn)CRM PFC控制器來實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榫哂邢鄬^低的輸入/輸出電壓和臨界導(dǎo)通模式工作方式，開關(guān)損耗并不是問題，其問題在于傳導(dǎo)損耗。圖1所示為升壓轉(zhuǎn)換器中的主要傳導(dǎo)損耗來源。

我們可以看到導(dǎo)通期間的傳導(dǎo)損耗來自于Rsense、Rdson和Rcoil，本文不討論減小Rcoil的方法，下面將分別探討如何減小Rsense和Rdson。

　　在PFC應(yīng)用中，Rsense值由最大額定功率來決定，在出現(xiàn)異常過流情況時，Rsense上的電壓應(yīng)當(dāng)達(dá)到逐脈沖限流電平（Vcslim），需要保留 10% 的余量范圍，因而可由下式計算Rsense ：

　　對于本文探討的應(yīng)用，我們同樣應(yīng)當(dāng)遵循這個公式。Rsense的功耗為：

　　因而得到：

　　我們可以看到Rsense的功耗與Vcslim成比例。標(biāo)準(zhǔn)PFC控制器的Vcslim約為0.5V至1.2V，以期避免噪聲帶來的錯誤觸發(fā)。在FAN7930CM中Vcslim為0.8V。因?yàn)檩斎腚妷合鄬^高，而IQRMS相對較低，這個數(shù)值對于PFC應(yīng)用是合適的。但對于24V輸入應(yīng)用，這一電壓太高，使得PRsense過大。例如，我們使用飛兆半導(dǎo)體公司提供的設(shè)計工具，計算72WPFC(90VAC輸入、400V/0.18A輸出)的Rsense的功耗。我們得到結(jié)果：Rsense = 0.289Ω，Rsense的功耗為0.22W。然后得出Rsense上的效率損失為0.22/72×100%=0.31%，如果我們使用相同的設(shè)計工具，計算具有24V輸入、180V/0.4A輸出的72W PFC控制器，其結(jié)果為：Rsense = 0.077Ω，Rsense的功耗為0.96W，因而效率損失為0.96/72×100%=1.33%，相比90VAC輸入狀況高出三倍。

　　為了減小Rsense的功耗，我們設(shè)計了如圖2所示的“電壓墊高(Voltage block up)”電路，使用分壓器R1和 R2在Vrs和Vsense引腳之間引入一個電壓差，通過這個電壓差，Vsense能夠以較低的Rsense電壓來達(dá)到 Vcslim。

在圖3中， 我們可以看到通過增添R1和R2，即便Rsense上的電壓降比Vcslim低很多，Vsense也能夠達(dá)到(Vcslim/1.1)水平。這樣可以降低Rsense的功耗。例如，在不使用R1和R2的情況下，如果Rsense為0.077Ω，當(dāng)Ipk=10.39A，Vsense則為0.8V。如果Vgate=11V，R1=10KΩ，R2=400Ω，Rsense=0.0375Ω，當(dāng)Ipk=10.39A，Vsense也可達(dá)到0.8V。但是，如果Rsense=0.0375Ω，Rsense的功耗則為0.47W，效率損失為0.47/72×100%=0.65%，相對于使用0.77Ω Rsense，效率則可以提高0.68%。

　　在MOSFET晶片尺寸和封裝相同的情況下，如果Vdss增加，MOSFET 的Rdson會增大。例如，飛兆100V MOS器件FDD86102的Rdson 為24 mΩ。但是對于具有相同封裝和價格的 250V MOS器件FQD16N25C，Rdson為270 mΩ。MOSFET器件的傳導(dǎo)損耗在24mΩ和270 mΩ條件下的差別很大，我們使用相同設(shè)計工具計算了24VAC輸入、 180V/0.4A輸出PFC轉(zhuǎn)換器Rdson的傳導(dǎo)損耗。其數(shù)值分別是0.9W和10.08W。顯然，270 mΩ Rdson是不可接受的。在標(biāo)準(zhǔn)升壓拓?fù)渲?，為了提?80V輸出電壓，需要使用250V MOSFET以獲得足夠的Vdss余量。在這種情況下，減小傳導(dǎo)損耗的標(biāo)準(zhǔn)途徑是選擇一個Rdson較低的MOSFET器件。不過，在相同Vdss下，Rdson較低的MOSFET器件不僅昂貴，而且具有較大的Coss。較大的Coss意味著較大的關(guān)斷損耗。這里，我們找到了另一種減小傳導(dǎo)損耗的方法。就是使用100V MOSFET器件如FDD86102，將24V電壓提升到180V，當(dāng)然，必須采用特殊的方法解決電壓問題，如自耦變壓器。

圖4

　　圖4所示為使用自耦變壓器替代電感器的升壓轉(zhuǎn)換器，在導(dǎo)通期間，電流流經(jīng)紅色的路徑就象標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器的一樣，而在關(guān)斷期間，電流則經(jīng)過綠色路徑。MOSFET漏極上的電壓為：

　　如果我們輸入 N1=3T, N2=7T, Vdiode=1V, Vout=180V, Vin=24V, 則Vd為：

　　因而可以使用100V MOSFET器件。

　　設(shè)計示例和測試結(jié)果

圖5：所示為飛兆半導(dǎo)體用于LED背光照明電源的評估電路板的示意圖。

U4, Q35, T3, D36和外部元件構(gòu)成了這個升壓轉(zhuǎn)換器，繞組6-10用于實(shí)現(xiàn)零電流檢測(ZCD)，D37, C42, R39, R40具有兩項(xiàng)功能，一項(xiàng)功能是作為箝位線路，吸收N1和N2之間的泄漏電感引起的電壓脈沖，另一項(xiàng)功能是監(jiān)視Q35的漏極電壓，反饋至U4的引腳1，實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)。

圖6

圖7

　　圖6是評估電路板頂部、底部和側(cè)面照片。我們可以看到，增添R38，效率提高了1.09%。圖7是使用/不使用Vrsense 電壓墊高電路(R38)的波形差別示意圖。表2是使用/不使用自耦變壓器的結(jié)果比較。如果不使用自耦變壓器，應(yīng)當(dāng)去掉D37，將D37的陰極連接到24V Vin。我們可以看到使用自耦變壓器，效率提高了14.06%，圖8所示為波形比較。

表1：使用/不使用Vrsense電壓墊高電路(R38)的結(jié)果比較

表2：使用/不使用自耦變壓器的結(jié)果比較

圖8

　　本文小結(jié)

　　標(biāo)準(zhǔn)CRM PFC控制器就其特性、通用性和低價格而言，適用于中等電壓升壓轉(zhuǎn)換器。傳導(dǎo)損耗是其應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。采用電壓墊高電路能夠降低Rsense所需的峰值電壓以期提升轉(zhuǎn)換器的效率。在升壓轉(zhuǎn)換器中采用自耦變壓器，允許使用低Vdss MOSFET器件以減小Rdson，從而顯著提升效率。評估電路板的測試結(jié)果證實(shí)這一思路是可行的。