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LCD TV中的电源应用方案

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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。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}{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。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}{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

  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。

 

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