32英寸高壓LIPS液晶電視電源參考設計方案介紹

32英寸高壓LIPS液晶電視電源參考設計方案介紹

安森美半導體 發表於 2020-05-26 09:38:54

32英寸及更大尺寸的主流液晶電視電源要求產生多個電壓軌來為音頻、背光及信號處理等不同系統模塊供電。其中，信號處理板上使用本地線性及DC-DC轉換器來提供不同的低壓軌。對於製造商而言，通常使用通用電源，支持90至265 Vac電壓。這就使基於特定電視尺寸的單個電源設計能夠用於一系列的不同型號，滿足不同區域市場需求，簡化物流及降低開發成本。

如果某型號液晶電視面對全球市場且其功率高於75 W，就需要遵從歐洲有關減少諧波的IEC61000-3-2標準，從而需要使用有源功率因數校正器。通常來說，液晶電視內最耗電的子系統是背光模塊。當今的大多數液晶電視使用冷陰極螢光管（CCFL）陣列作為背光源。這些燈管需要採用交流高電壓驅動，而且需要對燈管電流進行穩流。傳統上逆變器是一個單獨模塊，採用額定電壓為24 V的直流電源供電。在這種途徑下，背光要求與LCD面板相關聯，而且一個電源設計能夠用於多個不同供應商提供的面板，從而簡化了液晶電視設計，但這種途徑效率較低，而且增加了額外的電源部分（指24V輸出）。例如，液晶電視的交流輸入電壓在PFC段被升壓至400 Vdc，然後又採用諧振（LLC）半橋轉換為24 Vdc。此24 Vdc然後提供給逆變器模塊，從直流低壓轉換為高於1，000 V的交流高壓以驅動CCFL燈。這種多段轉換流程產生較大損耗，並會增加系統成本。

本參考設計中使用的高壓LIPS（HV-LIPS）架構旨在消除400 Vdc至24 Vdc轉換段，直接從高壓功率因數校正（PFC）輸入段為逆變器供電，從而改善系統總效率。這要求以高壓直接變換的方式在液晶電視內融合傳統電源功能，優化總體系統方案。

傳統上，全球眾多志願性及規範機構的標準都著眼於降低電子產品的待機能耗，美國、歐盟等地的眾多國際規範對電視產品的待機能耗要求為1 W，而中國中標認證中心（CSC）要求為3 W。而隨著液晶電視尺寸越來越大，其能耗也越來越高。由於液晶電視市場份額越來越大，規範機構也越來越關注平板電視工作狀態下的能耗對電網的累積影響。如「能源之星」發布了電視產品第3版工作能耗要求（見表1）。

表1：「能源之星」3.0版電視規範對工作模式的能耗要求

關鍵設計目標

輸入電壓：通用輸入85-265 Vac， 47-63 Hz

系統電源

* 有源功率因數校正（Active PFC），符合IEC61000-3-2規範

* 最大穩態能耗50 W，峰值60 W

* 12 V / 4 A峰值

* 5 V / 2.5 A峰值

* 24 V – MOSFE門驅動偏置

* 能夠靈活修改，支持其它電壓/電流配置

* 50 mW負載時，待機輸入能耗（Pin） 《 400 mW （5 V@10 mA）

逆變器電源

* 支持100 W功率

* 啟動電壓（Strike voltage） 》 1，500 Vac，工作電壓》 800 Vac

* 固定頻率逆變器，可在40-80 kHz範圍調節

* 支持數字及模擬調光

* 能夠同步至視頻時鐘源

PFC段設計

高壓LIPS架構的核心就是有源PFC前端升壓段。首先，對於輸入功率高於75 W的電源而言，它使設計符合IEC61000-3-2規範的諧波含量要求。其次，它為逆變器段提供經過穩壓的400 Vdc高壓。除了為背光供電，PFC段還提供電能給隔離型反激開關電源轉換器，此反激轉換器提供所有需要的電源，為執行液晶電視內的控制、接口、信號處理及音頻放大等功能的數字及模擬電路供電。根據液晶電視特性集及功能的不同，這個模塊的功率可能介於30至60 W之間。為了簡化設計，及降低這個電源轉換段的總體複雜度，本參考設計選用了安森美半導體專有的高能效反激控制器NCP1351，此器件使大多數液晶電視應用無需專用的待機電源。選擇NCP1351是因為它採用準諧振固定導通時間（FON）控制原理，在負載要求變小時降低反激轉換器的開關頻率。兩個（置於次級端的）額外開關會在待機模式斷開主電源負載，從而免除待機模式下的寄生損耗。

PFC段所採用的PFC控制器是安森美半導體的NCP1606B，此控制器設計用於工作在可變頻率臨界導電模式（CrM），是150 W功率（《180 W）應用的最適合方案。有關此PFC段的電磁幹擾（EMI）設計、具體控制途徑、詳細設計過程及測試結果等更多信息，可參見參考資料［1］。

用於控制、信號及音頻功能的反激轉換器段

由於採用專門的直流-交流（DC-AC）轉換器來為CCFL燈供電，反激開關電源用於為控制、信號處理及音頻放大等功能的模擬及數字模塊供電。由於要求的總功率有限（《60 W），有可能考慮反激拓撲結構，帶有待機模式，卻無需專用待機開關電源，這提高了解決方案的總體性價比。要實現這個目標，需要在輕載條件下能提供高能效的控制器架構。

此反激變換器使用了NCP1351 PWM控制器，主要是用於功率低於60 W的離線反激電源。NCP1351採用準固定導通時間技術，不同負載和不同輸入電壓對應不同的關閉時間，負載變輕時降低其開關頻率，同時降低開關損耗。因此，使用這種方案的電源自然地提供極小的待機功率，並且優化其它負載條件下的能效。隨著頻率的下降，峰值電流逐漸降低至最大峰值電流的約30%，防止變壓器機械工作共振。可聽噪聲的風險也大幅消除，同時還獲得良好的待機能耗性能。

由於PWM控制器工作在準固定導通時間，開關頻率隨著負載而變化。在輕載條件下，此反激轉換器工作在不連續導電模式（DCM）。負載增加時，頻率也隨之增加，直到控制器進入連續導電模式（CCM），而CCM優化用於提供極高的效率。

另外，在液晶電視應用中，實現良好的交叉穩壓是一項設計挑戰，因為容限非常嚴格（通常為±5%），且由於音頻放大的大動態範圍，以及信號處理電源負載根據輸入視頻源的不同而變化，動態工作可能大範圍地變化。本參考設計基準型（SMPS1）的典型輸出電壓及負載範圍是：

* +5 V：0至2.5 A

* +12 V：0至4 A

為了改善總體交叉穩壓性能，+5 V二極體連接至繞組的地（GND），而+12 V繞組在5 V繞組之上。而在待機模式下，開關電源的頻率工作在聲頻範圍。因此，根據變壓器構造及機械設計的不同，有可能出現一些可聽見的噪聲。大多數人最敏感的頻率範圍是7至13 kHz範圍。本專用參考設計應用於50至75 mW的額定待機負載，故待機時的頻率小於5 kHz。

本參考設計提供充足的靈活性，配合多種輸出配置，而只須對BOM作簡單調整。NCP1351B反激設計能夠靈活的支持多達4個獨特電壓輸出。本參考設計所使用的標準配置（SMPS1）擁有5 Vdc和12 Vdc輸入，以及24 Vdc電壓輸出。表2中列出了多種可選配置，能夠用於配合不同的電源機制。

表2：反激轉換器段標準及可選輸出電壓配置

高壓背光逆變器電源段

1） 半橋與全橋拓撲結構比較

高壓逆變器能夠採用半橋或全橋拓撲結構實現。決定採用何種拓撲結構要考慮多項因素。與半橋結構引比，全橋拓撲結構擁有眾多優勢，如固定工作頻率時零電壓開關（ZVS）、降低EMI及功率損耗、減輕MOSFET開關應力及減少散熱等。此外，在全橋拓撲結構下，由於控制器工作在固定頻率，有可能將開關頻率與視頻頻率同步，避免任何可能的背光子系統幹擾影響視頻圖像。

2） LX6503背光控制器

本參考設計採用了Microsemi的LX6503背光控制器。LX6503是一款高性能CCFL控制器，旨在用於液晶電視及其它多燈LCD顯示系統。它經過了特別優化，是用於高壓逆變器架構的一種高性價比解決方案。這控制器提供一對推挽式（push-pull） PWM驅動信號，在增加簡單的外部電路的情況下，具有足夠的能力驅動推挽式半橋或全橋CCFL逆變器。

3） CCFL驅動及電流平衡

必須仔細考慮CCFL燈啟動及電流平衡，從而擁有可靠的背光系統。本參考設計中使用的JIN平衡器（balancer）解決方案能夠提供極佳的燈電流平衡功能，同時還結合頻率掃描（frequency sweeping）j啟動技術 ，確保可靠的燈啟動。JIN平衡器基於平衡變壓器的電磁耦合原理，產生額外的校正電壓給燈，從而均衡燈電流。這平衡器網絡的基本配置如圖1所示。平衡器次級繞組的串行迴路均衡了初級端電流，並提供燈電路之間的耦合機制。有了這樣的耦合機制，如果其中某個燈未啟動，已經啟動的燈的能量將自動耦合至未啟動燈電路的初級繞組，從而增加燈電壓，幫助其啟動。如圖1所示，平衡器網絡的繞線配置是一致的，而不管燈數量是多少。此外，一種類型的平衡器變壓器能夠適應幾乎所有燈尺寸。這些特性使JIN平衡器解決方案能夠非常靈活地用於CCFL逆變器應用。

圖1：JIN平衡器網絡的基本配置及波形圖。

32英寸液晶電視背光子系統的典型配置是：

* 12個燈

* 所有燈一起連接至共用地

* 系統電流感測在地線上

* 所有燈採用單輸出高壓變壓器「同相（in phase）」驅動

總體能效性能及應用優勢

本參考設計的重點在於以高能效的架構提供極佳的參數性能，這架構在所有電源轉換段的工作損耗都較低。下面的表3中介紹了一些典型的性能數據，其中反激及PFC段的負載為不同測試負載條件下的負載。逆變器能效為估計值，因為直接在高壓燈上精確地測量輸出功率非常困難，而且精度不夠高。在典型負載條件下，PFC在完整線路輸入範圍下的能效高於95%，反激轉換器在37 W典型負載配置下的峰值能效為78%。顧及根據所採用的交叉穩壓技術的不同5 V和12 V輸出上出現的額外損耗，這個數值可謂相當不錯。逆變器的能效得到的優化，這要歸因於全橋零電壓開關拓撲結構將開關損耗減至最小。支撐它的一項論據是這樣的事實：全橋MOSFET使用表面貼裝DPAK器件，不需要任何額外散熱片。

表3：安森美半導體高壓LIPS液晶電視電源參考設計的總體能效性能。

總的來看，安森美半導體這款32英寸高壓LIPS液晶電視電源參考設計採用優化的架構，具有極高的能效及極低的待機能耗，符合各種能效規範的工作能效、最大工作能效及待機能耗要求。本參考設計的功能框圖如圖2所示：

圖2：安森美半導體32英寸高壓LIPS液晶電視電源參考設計功能框圖

總結：

安森美半導體這款GreenPoint？參考設計支持新興的高壓LIPS架構，直接從PFC段而非傳統的24 V為逆變器供電，從而省下一個從PFC段到24 V的完整電源轉換部分。此外，這參考設計採用了高能效專有架構的NCP1351反激控制器，免除了與專用待機電源相關的需求及開銷，從而進一步簡化了解決方案。這款參考設計中展示的架構具有高度的靈活性，支持多種電壓/電流配置，而只需對原理圖及所用元件作出極小改動。最後，因為使用了採用零電壓開關全橋拓撲結構的先進背光控制器，逆變器電源能夠輕易地擴展，支持高至42英寸的多種液晶電視尺寸。客戶利用這高能效先進參考設計，可縮短開發周期，加快產品上市進程。

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