LCD TV中的電源應用方案

　　LCD TV電源架構(gòu)的介紹

　　圖1所示為LCD TV的電源架構(gòu)，圖中架構(gòu)的輸入電壓為90-265V，輸入頻率從47Hz到63Hz，經(jīng)過調(diào)試整流后會經(jīng)過PFC架構(gòu)，由于本文主要針對MOS，因此圖中沒有表示出調(diào)試整流部分。PFC根據(jù)所使用的IC選擇采用DCM或者CCM。從PFC出來后有一個PWM，如果輸出功率小于65W，則PWM端采用Flyback或QR模式?，F(xiàn)在LCD TV常用的是半橋共振和LLC架構(gòu)。5V一側(cè)有備用電源，目前LCD TV的備用電源通常采用的是IC綁定MOS。所不同的是逆變器部分，傳統(tǒng)輸出是24V，此處采用的則是LIPS架構(gòu)，并從PFC端將400V電壓直接加到此處。電壓從24V增加到400V的好處是：電流相對變小，因此效率更好；而且24V逆變器采用的是全橋式架構(gòu)，需4個MOS，而如果采用LIPS架構(gòu)則采用半橋架構(gòu)，只需要兩個MOS，隨著MOS量的減少，成本也隨之降低。

　　圖2所示為一個實際的TV板。從圖1的電源架構(gòu)角度看，該電路板中有兩個STEP EMI內(nèi)核，圖中標記了紅色的部分有一個PFC MOSFET，目前Vishay主推IRFP27N60KPBF，PWM的MOSFET采用的是半橋LLC架構(gòu)，這一部分用500V MOS即可，該電路板使用的是IRFB840APBF。此外還有3組輸出，即5V、12V和24V，以及一個5V的備用電源。

　　拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

　　PFC即Power Factor Correction，是一個升壓式架構(gòu)。當PFC控制器的電源大于70W小于200W時，通常會采用DCM結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)電壓比較高，通常需要選擇600或650V的MOS。當電源大于200W時，通常采用CCM結(jié)構(gòu)。對于一次側(cè)PWM拓撲架構(gòu)，如圖3所示，一般采用的是Flyback架構(gòu)。電源為65W或90W以下的適配器會采用Flyback架構(gòu)，26"和32"電視也可能采用Flyback架構(gòu)。半橋結(jié)構(gòu)需要兩個MOS，而全橋結(jié)構(gòu)需要4個MOS。其實半橋和全橋式架構(gòu)比較適用于大電源中。目前廣為接受的TV電源主要是LLC架構(gòu)，是由兩個MOS Q1和Q2串聯(lián)Cr、Lr和Lm，以及一個變壓器組成，如圖3中右下圖所示。還有一些情況采用Forward和Double Forward構(gòu)架，由于Forward電壓非常大，可能達到900-1000V，因此電壓選擇要謹慎。而對于Double Forward而言，500V電壓足矣。

　　零電壓切換

　　由于共振切換方式中電壓電流交叉面積變小，相對開關(guān)損耗變小，效率變高，溫度降低，因此通常采用共振切換的方式，目前最常用的是零電壓切換。由于采用LC架構(gòu)，其共振頻率為 f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}，當操作頻率大于共振頻率時，則操作在ZVS（零電壓切換）架構(gòu)上。從圖4中可以看到，當電流增加時電壓為零，電壓增加時電流為零。只有在電流減小電壓增加的瞬間才有小小的切換損耗，而大部分時間無損耗，相對于共振損耗來講，這種情況損耗更小，因此ZVS架構(gòu)效率更好。

　　LLC共振轉(zhuǎn)換器

　　圖5所示為半橋共振LLC共振轉(zhuǎn)換器，這種架構(gòu)根據(jù) f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}計算出共振頻率的第一個點和第二個點。一般情況下希望將LLC共振設(shè)計在ZVS區(qū)域內(nèi)。如果在ZCS區(qū)域內(nèi)損耗比較大，只需將開關(guān)頻率設(shè)計成大于共振頻率即可實現(xiàn)。圖5中右上角的圖表示了開關(guān)頻率隨著電壓增益變換關(guān)系圖。共振LLC轉(zhuǎn)換器應用于LCD TV時的優(yōu)點有：

　　1）高效率：初級MOS零電壓切換幾乎沒有損耗，而且次級整流二極管為ZCS切換，損耗較少，因此整體效率得到提升；
　　2）高電源密度；
　　3）良好的EMI（低dV/dt和dI/dt）；
　　4）更好的交叉調(diào)整率；
　　5）較低的輸出紋波噪聲；
　　6）低熱擾動
　　7）節(jié)約成本

　　LLC拓撲的工作原理

　　圖6所示為LLC拓撲的工作原理。可以看到左邊為兩個MOS（高壓MOS和低壓MOS）串聯(lián)兩個電感，一個電容和一個變壓器。二次側(cè)部分有兩個整流二極管，為非同步整流方式。圖的右側(cè)為電流與電壓變化分段示意圖。在T0-T1階段，兩個MOS沒有導通，電流通過MOS的二極管逆流回去；在T1-T2階段，高壓側(cè)MOS導通，電流從VDC流到地，在二次側(cè)部分的二極管導通；T2-T3唯一改變的是二次側(cè)的二極管關(guān)斷，電流從Vout流出，兩邊為隔離狀態(tài)，高壓側(cè)MOS還是導通，低壓側(cè)MOS還是關(guān)閉的；T3-T4階段高壓MOS關(guān)掉，低壓MOS沒有導通，但是電流通過低壓側(cè)MOS的二極管，二次側(cè)的二極管也導通；T4-T5階段低壓MOS完全導通，二次側(cè)的二極管也完全導通；T5-T6階段二次側(cè)二極管關(guān)斷，低壓MOS導通。

　　Vishay目前擁有的LCD TV電源的產(chǎn)品

　　Vishay目前主推的LCD TV高壓MOS為Gen6，是一種比較新的技術(shù)，以6"晶圓制造，其中包括K-Series與L-Series，可以從器件命名的最后一個字母看到。K-Series比較適用于PFC AC/DC SMPS以及電機驅(qū)動，或者硬開關(guān)全橋的初級開關(guān)、半橋、正向式轉(zhuǎn)換器等。L-Series很適合AC/DC SMPS ZVS全橋中的初級開關(guān)。圖7和圖8列出了1M的電壓產(chǎn)品。

　　應用實例

　　圖9所示為一個采用LLC的LCD TV應用，其中用紅色圈起來的部分為針對PFC的MOS和半橋共振的MOS所推薦的型號。在半橋共振部分，實際應用中選擇500V的MOS即可。

　　問答選編

　　問：什么是主動式PFC和被動式PFC？
　　答：被動式PFC通常為一塊體積較大的電感，由多塊硅鋼片 外部纏繞銅線而成；而主動式PFC則由電感線圈配合IC 控制芯片組成。主動式PFC又被稱為有源PFC，其特點 是功率因數(shù)可以很高，一般在95%以上，甚至可以達到 99%(而被動式一般在80%)，但由于其輔助電路較多需要 消耗一定的電能，所以轉(zhuǎn)換效率比被動式PFC要低 2~3%(被動式一般在80~85%)，電源總功率=電源功率 因數(shù)X轉(zhuǎn)換效率，總體而言主動式的電源總功率比較高， 一般比被動式高10~15%，而此部分的電能被轉(zhuǎn)化為熱 量等直接浪費掉了。主動式PFC的優(yōu)點是整體效率高， 浪費電能少，但成本較高，一般用于400W及以上的電源 中；還有一個缺點就是電磁干擾問題比較嚴重，因此要 特別注意EMI濾波電路的設(shè)計，也在一定程度上增加了 制造成本。

　　問：設(shè)計LCD TV電源和設(shè)計普通電器的電源有何區(qū)別，設(shè)計中需注意什么？
　　答：因為LCD TV對元件溫度有限制，一般不能超過70℃，所以在散熱方面需要有更多的考慮，在元件的選擇上也 必須更加仔細。

　　問：在降低LCD TV功耗方面有沒有什么比較先進的技術(shù)？
　　答：在PFC端，需選用CCM架構(gòu)；在PWM端，可以使用高 效的LLC topology。在二次側(cè)端，可以使用同步整流的 方式，使用MOSFET來代替Diode。

　　問：對于像300W這樣大功率電源設(shè)計時，電路采用隔離式的，還是采用非隔離式的好呢？
　　答：隔離式較好。

　　問：LCD TV電源主要考慮哪些方面？
　　答：LCD TV電源要做到輕、薄、短、小、穩(wěn)定、耐用、效率高、 價格低。

　　問：目前LCD TV電源系統(tǒng)的架構(gòu)最主流的是怎樣的?
　　答：PFC+ LLC (PWM side)+同步整流(二次側(cè))。

　　問：電源有哪些濾波手段？
　　答：主要是電源輸入端的濾波：NTC限流、共軛電感抑制EMI 干擾、大電容濾波。

　　問：在反饋電源方式時，如何保證未被取樣電源的穩(wěn)定性?
　　答：您可以采用鉗位的方法保證其他旁路的穩(wěn)定。

　　問：怎樣有效減少開關(guān)電源對其他設(shè)備的電磁干擾？
　　答：對于電磁干擾的影響，常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

　　問：在降低LCD TV產(chǎn)品功耗的問題上，除了在電源上努力 外，還有什么其它方面可以考慮的？
　　答：LCD TV產(chǎn)品主要分為幾部分，Power supply電源部分、 主板部分以及inverter背光，這些都會影響功耗及效率， 當然與屏的選擇也有關(guān)系。

　　問：用于LCD TV電源設(shè)計上MOSET元件與用于微處理器 上的，有何不同？
　　答：LCD TV選用的是高壓MOSFET；微處理器選擇的是低 壓的MOSFET。

　　問：在LCD TV電源防靜電方面有沒有什么比較先進的技術(shù)？
　　答：LCD TV電源在整體設(shè)計上防靜電主要通過PCB板的布 線，合理安排地線的布局；當然一些元器件也有防靜電 功能，象IC、MOS等，在MOS的周邊也可加相應的元器 件實現(xiàn)部分電路的防靜電功能。

　　問：設(shè)計開關(guān)電源時，需要考慮哪些因素?
　　答：開關(guān)電源的設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，不但要考慮電源自身 參數(shù)設(shè)計，還要考慮電氣設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、熱設(shè)計、 安全性設(shè)計，如果是特別要求的電源甚至還要考慮三防 設(shè)計等方面。

　　問：在LCD TV中，Lips（二合一電源）必不可少，如何處理 MOSFET溫升以及EMC的問題，尤其是該如何設(shè)計好 其中的DC/AC（inverter）部分呢？
　　答：如果是以MOS來講，選擇低的Rds(on)，低的Qgd可降 低導通及開關(guān)損耗，減少溫升，對于EMC方面，可選擇 低的Trr/Qrr的MOS來解決，須綜合考慮。

　　問：如果采用同步整流，對于二次側(cè)的MOSFET的選用有 什么要考慮的？
　　答：對于同步整流是通過替換原有的二極管達到提高效率 的目的，開關(guān)MOS盡量選擇低Qgd，減少開關(guān)損耗；對 于導通MOS，要考慮低的Rds(on)以減少導通損耗。

　　問：LLC運行優(yōu)點有哪些?會成為以后DC-DC設(shè)計的趨勢 嗎?
　　答：LLC模式是現(xiàn)今POWER電源設(shè)計的趨勢，它除了可以 在把整體的電壓水平拉低之外，還能更好地提高效率， 在 元器件選型及成本方面也有很大優(yōu)勢.。

　　問：220V的電源轉(zhuǎn)換為幾路直流電之后，哪些脈沖較大？ 需要做過流保護么？
　　答：一般PWM IC都有過流保護，不用太擔心這個問題。

　　問：針對LCD TV應用方案，應如何選用高壓MOSFET？在 選用MOSFET時都應注意哪些方面？
　　答：首先要決定電壓大小Vds、電流ID、封裝。這些選定后， 再去看Rds(on)*Qg 值，越低越好，不過價格也會較貴。 Trr、Qrr、dv/dt也是影響EMI 的參數(shù)。

　　問：在LCD TV電源防靜電方面有沒有比較先進的技術(shù)？
　　答：LCD TV電源在整體設(shè)計上防靜電主要通過PCB板的布 線并合理安排地線來實現(xiàn)的。當然一些元器件也有防靜 電功能，象IC、MOS等，在MOS的周邊也可添加相應的 元器件實現(xiàn)部分電路防靜電功能。

　　問：什么是RoHS標準？都有哪些產(chǎn)品需要通過RoHS標準 認證??？
　　答： RoHS是《電氣、電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指 令》(The Restriction of the use of certain Hazardous sub stances in Electrical and Electronic Equipment的英文 縮寫)，此項規(guī)定是歐盟（EU）對進入歐洲的電子產(chǎn)品限 制使用六種有害物質(zhì)的禁令， 一般電子、電氣產(chǎn)品都需 要通過RoHS。