（电力电子与电力传动专业论文）平板电视电源的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , p a n e lt vi n d u s t r yg r o w sr a p i d l y t h ec o m p e t i t i o nb e c o m e sc r u e l e ra n d c r u e l e rb e t w e e ni n d u s t r i e sd a ya f t e rd a y i ti sn o to n l ya no p p o r t u n i t yb u ta l s oa c h a l l e n g e t op a n e lt vp o w e rs u p p l y t h eo p p o r t u n i t yi st h a tp a n e lt vi n d u s t r yi m p e l s t h ed e v e l o p m e n tf o rt h ep o w e rs u p p l yi n d u s t r y w h i l et h ec h a l l e n g ei st h a th i g h r e q u i r e m e n tf o rp a n e lt vp o w e rs u p p l yi sp r o p o s e d ，s u c ha sh i 曲e f f i c i e n c y , h i g l l p o w e rd e n s i t y , l o wc o s t ，l o ws t a n d b yl o s s t h ep u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei sa t t e m p tt o s e a r c hap r o p e rt o p o l o g yw h i c hg i v e sac o n s i d e r a b l ed e s i g ns c h e m ep r o d u c i n gp a n e l t v p o w e rw i t hl o wc o s t ，l o ws t a n d b yl o s sa n dh i g he f f i c i e n c y s p e c i a lr e q u i r e m e n tf o rp a n e lt vp o w e rs u p p l yi sa n a l y z e da n dp r o p e rs c h e m ei s s e l e c t e df o rs o m ep a r t so fp a n e lt vp o w e rs u p p l y d e t a i l e dd e s i g np r o c e s so fl o w c o s t , l o ws t a n d b yl o s s h i g he f f i c i e n c yt o p o l o g yi sp r o p o s e d p f cc i r c u i tc o n t r o l m e t h o do f m i d d l eo rl o wp o w e r1 e v e li sa n a l y z e d d e s i g no f c r i t i c a lm o d ep f cc i r c u i t i sp r o v i d e da sw e l l l l ct o p o l o g y , w h i c hi sw i d e l ys t u d i e dn o w a d a y s ，i ss e l e c t e da s d c - d cc i r c u i ta n di su s e di nt h ed e s i g ns c h e m ef o rp a n e lt vp o w e rs u p p l y s u c c e s s f u l l y t h i st h e o r yp o i n t so u tt h ed i f f i c u l t yi nd e s i g np r o c e s s t h e nd e t a i l e d d e s i g np r o c e s si sd e s c r i b e d , i n c l u d i n gt h et r a n s f o r m e rd e s i g n , i n p u ti m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c ，r e s o n a n tp a r a m e t e r ss e l e c t i o n , s m a l ls i g n a lm o d e l i n g , o v e rc u r r e n t p r o t e c t i o na n ds oo n e m cc o n s i d e r a t i o na n dr e a ld e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h ep r o t o t y p e a l s om e t h o df o rs t a n d b yc i r c u i ta n dd e s i g np a r a m e t e r sa r e # v e n t h ep r o t o t y p ef i l l l ya t t a i n st h er e q u i r e m e n tf o rh i 曲e f f i c i e n c y , l o wc o s t ，l o w s t a n d b yl o s s t h ee f f i c i e n c yi sh i 班u pt o8 8 5 a t2 2 0 vi n w a tv o l t a g e s t a n d b yl o s s i sl e s st h a n0 7 5w k e y w o r d s ：p a n e lt vp o w e rs u p p l y , l l cr e s o n a n tc o n v e r t e r , s t a n d b yl o s s ，e m c 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，各类电子产品己深入到日常生活的每一个领 域，人们每天都与这些电子设备打交道，大到洗衣机、冰箱，d , n 弟l j 须刀、 手机充电器等，它们在人们日常生活中都占有重要地位。随着人们生活水平 的提高，电视机作为普通消费品已进入千家万户，但电子产品的更新速度非 常快，近几年，平板电视正在逐步替代以往的c r t 电视，它以大屏幕，小 体积、样式美观等优势迅速发展，平板电视的时代已经到来。 平板电视时代以液晶电视、等离子电视以及o l e d 平板显示电视，逐步 占据了数字电视的高端领域。从全球范围来看，平板电视正演变为全球电视 的绝对主角。0 5 年欧洲市场预计销售4 5 0 万台，而实际上0 5 年的销量超过 了8 0 0 万台，2 0 0 6 年全球平板电视市场销量规模达到4 3 0 0 万台，比2 0 0 5 年全球2 6 0 0 万台增长了6 5 3 【1 1 。2 0 0 7 年，三星公司的平板电视销量仍将 比2 0 0 6 年猛增8 0 【2 1 。c m p 公司预测，全球平板电视市场在未来五年( 2 0 0 7 - - 2 0 1 1 ) 将持续增长，到2 0 1 1 年市场规模将达到1 4 0 0 0 万台。以下两个机 遇带给了平板电视无可比拟的发展势头： 机遇一：年产值近千亿美元的巨无霸产业【3 】 1 、仅以2 0 0 5 年第三季为例。全球液晶电视出货量达到5 5 0 万台，产值 超过6 5 亿美金；等离子电视出货量达到1 6 0 万台，销售金额达到了3 9 6 亿 美金，仅仅液晶电视和等离子电视，单季产值超过一百亿美金，占据整个电 视产值的一半以上。 2 、从整个产业链来看，所创造的价值远远超出了我们所看到的这些数据， 从上游厂家生产的玻璃基板、i t o 导电玻璃，偏光扳、彩色滤光片、光源模 块、液晶、光照、驱动i c 、p c b ，到下游的电视厂商，整个生产过程有很多 厂家参与，是一个庞大的产业链，年产值近千亿美元。 机遇- - ：新起点 l 、在c r t 时代，市场趋于成熟稳定，基本市场格局已定。同时，经过十 l 浙江大学硕上学位论文 多年残酷的市场竞争，c r t 已经属于微利产品，无法再吸引新的后来者进入。 但是在平板电视时代，这种现象被彻底改变了。除了传统的家电企业，如 s o n y 、p a n a s o n i c 、s h a r p 、s a m s u n g 、l g 、p h i l i p s 、长虹、海信、厦华、康 佳、t c l 等以外，传统的p c 制造商如d e l l 、g a t e w a y 等，显示器制造商 如v i e w s o n i c 、b e n q 等甚至连摩托罗拉也纷纷进入平板电视领域，当然 也包括从来没有生产过电视的空调、手机、冰箱等与电视毫不相干的厂家都 已经纷纷高调进入平板电视领域。 随着平板电视销量的增长和人们生活水平的不断提高，平板电视在未来 几年进入每个普通家庭是必然的趋势，平板电视在中国乃至世界都有一个广 阔的市场前景。随着平板电视销量的增长，作为平板电视动力核心的电源市 场需求量也在飞速增长。康佳公司率先停止使用外置电源，改为内置电源， 掀起了平板电视“瘦身”热潮。平板电视对内置电源提出了很高的要求。如 要求电源体积小，功率密度高，待机损耗小成本低等。在这些要求下，不同 的电源制造商都在努力抓住这个商业机会，全力打造符合要求的产品。 1 2 平板电视负载特点 平板电视电源一般至少有四路输出，分别为：+ 2 4 v 输出，用于给c c f l ( 背 光逆变器) 供电，用来驱动l c d 显示屏：+ 1 2 v 输出，专门为音响设备供电，该 路电源在电视静音时无电流输出，输出电流大小随着电视音响声音大小做动态变 化，3 2 寸液晶电视音响最大电流为3 a ；+ 5 v 输出又分成两路，一路专门用于给 电视机内部控制线路供电，这部分包括数字信号处理器、d v i 模块、数模转换模 块等，另外一路专门用于待机。表1 1 所示是目前常用电视屏幕尺寸和相应的电 源输出电压和电流要求： 表1 1 平板电视常用尺寸和供电要求 2 4 v1 2 v5 v 3 2 寸 6 a3 a 1 a 3 7 寸7 5 a3 a 1 a 4 2 寸表1 24 a 2 浙江大学硕士学位论文 不同电源生产厂家根据自己特定客户也有自己研发电源的特定规格，表1 2 给出4 2 寸液晶电视电源目前供货量较大的两个厂家的电压电流指标，一个是台 湾全汉集团( f s p ) ，一个是深圳麦格米特电源公司( m e g m e e t ) 。 表1 2 不同厂家4 2 寸液晶电视电压电流指标 2 4 v1 2 v5 v m e g m e e t 6 3 a 3 a 4 a f s p 7 a 5 a4 a 下面就惠普( h p c ) 厂家生产的3 2 寸平板电视实测负载波形对电源的要求 做进一步说明，图1 1 为+ 2 4 v 输出给c c f l 供电电流波形，从图中可以看出负 载呈大动态特性，输出电流幅值为5 s a ，平均电流为2 ，1 a ，要求电源有良好的 动态性能，即电源有足够的反馈环带宽。图1 2 是启动瞬间电流波形，可见c c f l 有软启动功能，不会产生启动瞬间大电流尖峰。 露 t _ ： ? 门 ：一 h：i 幽：l tr 、 _ j ：、- j ： 月 lna1甜 lm ；t 一 ：。i j 日u lq儿ij u ut 图1 1 + 2 4 v 负载电流波形 图1 2 + 2 4 v 负载启动电流波形 图1 3 为+ 1 2 v 输出电流波形，图中波形看似很乱，其实不然，波形与电视 播放的音量大小有关，没声音时输出电流为零，该图为电视机音量开到最大时输 出电流波形，输出电流最大值为2 5 a 。图1 4 是+ 5 v 输出电流波形，主要给内部 数字电路部分供电，平均电流为2 5 a 。图1 5 为待机时+ 5 v 待机电源输出电流波 形，可见待机时电源并非完全空载，而是有一个固定时间间隔的脉冲电流在工作， 平均电流为5 0 m a 。图1 6 为正常工作时+ 5 v 待机电源输出电流波形，平均电流 为7 0 0 m a 。 浙江大学硕士学位论文 ! ：- ；- ! ，0 。| - | | 删蝴 图1 3 + 1 2 v 音响供电电流波形 缸 l ：，i。l 。 鬟 。 i t 汗1 1 。礓。碡 叮 t - ；k _ k 。“o - jo - 0 一 l! 一i ； 1：， 渺懈；陬舻 j ， ，f 5 k 。 ： !v ? 图1 4 + 5 v 输出电流波形 ! 。 主 主 u 吣_ m 妇l 毒鸭- 小吩_ t 州 图1 5 + 5 vs t a n d b y 待机时电流波形 图1 6 + 5 vs t a n d b y 正常工作时电流波 1 3 平板电视电源研究现状【4 】嘲【6 】 目前，反激、双管正激和不对称半桥这三种拓扑在平板电视电源中应用较多， 麦格米特、全汉等电源厂家相继开发这几种线路。下面就目前使用较多的拓扑进 行分析，比较各自的优缺点。 1 、多路输出反激和i n t e r l e a v e 反激 在较早的平板电视电源中，由于电视尺寸不大且价格高，电源市场价格 很高且功率要求相对较小，很多厂家采用在同一块p c b 板上组装2 到3 个反激 线路，或采用i n t e r l e a v e 反激，或采用多路输出反激等技术。普通反激线 路效率低且变压器体积较大。随着平板电视面积的增大，需求功率越来越大， 各电源厂家竞争也日益激烈。在要求高功率密度低成本条件下，反激电源显 得力不从心。特别是大功率反激线路磁设计困难。在自然冷却的条件下，散 4 浙江大学硕士学位论文 热问题不易解决。 2 、不对称半桥技术 不对称半桥利用变压器漏感和不对称开关时间实现主开关管的软开关。 但存在如下问题。 副边整流二极管电压应力不平衡，当占空比很较小时，其中一个二极管 电压应力高，副边二极管选择困难7 1 。 变压器漏感设计上受到很大的限制，为了能在轻载时实现主开关管的软 开关，选择较大的漏感，但过大的漏感使占空比丢失严重，漏感过小则轻载 时不能实现软开关。 掉电保持时间不容易处理，因不对称半桥输出电压与输入电压成非线性 关系，占空比可调节范围相对较窄，因此要满足掉电保持时间要求就得在p f c 输出端使用较大容量的电解电容，大电解电容成本较高；或正常工作时占空 比很小，但增加开关管的损耗。另外一个问题是不对称半桥电路小信号模型 是四阶系统【8 】，穿越频率一般不能补偿的过高，否则电源环路不易稳定。 3 、正激技术 正激电路有第三绕组复位正激电路、双管正激电路、有源钳位电路，r c d 复位电路、谐振复位电路、l c d 复位电路等多种实现形式。 第三绕组复位正激电路当复位绕组和原边绕组匝数相等时，工作占空比 小于0 5 ，如果第三绕组匝数比原边绕组匝数少，可以增大占空比，但主开关 管电压应力过高。磁芯只能单方向磁化，得不到有效利用。主电路开关管工 作在硬开关环境下，开关损耗大，效率相对较低，发热严重，对自然风冷和 高功率密度来说难以实现。 双管正激电路只能工作在占空比小于0 5 的电路中，磁芯单向磁化，得不 到有效利用，在平板电视中该拓扑应用较多，但散热问题不易解决。有源钳 位电路可以实现开关管的软开关，但增加一个可控开关管增加了电路成本和 复杂程度。同时主开关管为硬开通，存在开通损耗。磁芯可以双向磁化，磁 芯利用率提高。有源钳位电路也存在宽带宽补偿困难问题9 1 ，过渡过程中钳 位电容电压变化较大。 r c d 复位电路效率在正激线路中最低，r c d 、谐振复位电路设计不当都 浙江大学硕士学位论文 存在变压器偏磁问题0 1 ，磁利用率不高，由于效率问题般不采用该拓扑。 1 4 平板电视电源发展趋势 1 l - n 3 】 目前大部分厂家都开始研究谐振技术，在平板电视电源中这个技术用的 较好，而且整个材料成本做起来都比前面讲的技术都低。谐振电路也是半桥， 但是占空比为5 0 。系统输出电压有的是1 2 v ，有的是2 4 v ，有的是1 8 v ， 采用谐振电路，输出电压的稳定度较高。现在的谐振电路，其前级p f c 电路 保证在全电压范围内有一个相对稳定的输入电压，只要电路按输入电压设计 成完全谐振，因为占空比是固定的，2 4 v 、1 2 v 等输出等级的电压都是固定 的，这给设计变压器带来了方便。电压的稳定精度可以控制，这该技术成本 大幅降低，颇具竞争优势。整个系统的效率，损耗、功率密度等都比前面提 到的电路有改善。 近年来s t 芯片公司开发的具有相当完善保护功能的谐振电路控制芯片 的推出，进一步推动了谐振电路在平板电视电源中的应用。在各种桥式谐振 电路中，l l c 电路以其突出的优点倍受人们关注。目前各个电源公司都在开 发该拓扑的实际应用电路，可以大胆预测，在不久的将来，l l c 谐振技术将 成为平板电视电源的主流技术。 从上面的分析可以看出，目前常规拓扑都不能较好的满足低成本、高效 率、低待机损耗要求，而谐振技术在低成本、高效率上具有一定优势，谐振 电路在平板电视电源上的应用成为一种发展趋势。本文在这种发展趋势下探 讨了平板电视电源低成本拓扑的选择和谐振电路在平板电视电源上的应用。 1 5 课题研究的主要内容 本课题从低成本、高效率拓扑选择入手，通过对现有若干产品分析和实验样 机设计，给出平板电视电源常用拓扑选择标准。详细讨论p f c 电路控制方法选 择和设计、d c d c d 电路设计等，突出l l c 谐振电路在平板电视电源上的应用 并给出详细设计过程，包括l l c 电路工作原理和电路特性，谐振参数的计算、 变压器设计的特殊性，过流保护的设计，待机损耗的解决，加权反馈小信号的测 量方法，输入阻抗分析、电磁兼容考虑等。给出低成本、高效率平板电视电源完 浙江大学硕士学位论文 整解决方案。最后通过实验验证理论设计的正确性。 本课题要求完成实验样机并交付生产。实验样机要满足如下基本性能指标： 多路输出：2 4 v 6 3 a ，1 2 w 3 a ，5 v 3 a + 5 v ，1 a 掉电保持时间要求( 1 0 m s ) 高功率密度( 5 w i n c h 3 ) 低待机损耗( t - - 晕 ( 3 1 ) ，是三角波电流在一个开关周期内平均电流，i 。是三角波峰值电流。 i 啡被强迫跟随正弦参考信号( 妒v i n ) ，k 是比例因子，是个常量。所以 ，也 浙江大学硕士学位论文 是正弦波，即 q。，=tk*vin=型k*42学*vc* ( 3 2 ) 所以，该电路便输入电流为正弦坡。通过简单的计算就能发现开关管开通时间是 常量，即恒开通时间控制： o 上+ 鲁。 ( 3 3 ) 开关频率由开关管关断时间调制，在整个q - 频周期内关断时间是变化的： t a f t = 2 * 扫p 西i 老丢丽锱嘶) 一，。型! ：幺型坠! 竺尘 “一压4 s i n ( c a t ) 3 1 2 临界模式p f c 优缺点 ( 3 4 ) 低功率应用中临界模式最为常用，控制方式为变频控制，电感电流线性上升 到峰值，峰值电流是平均电流的两倍，然后减小到零。它有如下优点： 1 、控制方法简单，用到的外围元器件少，控制芯片价格便宜。 2 、易稳定，由于b o o s t 电路工作在断续状态，其小信号为一阶模型且不需 要斜率补偿。 3 、零电流开通，临界模式主要优点是开关管开通时，二极管电流自然到零， 因此开关管开通没有损耗且为软开关，二极管电流因自然到零所以不需采用快恢 复二极管，不存在反向恢复损耗。 当然临界模式也有其不足之处： 1 、大峰值电流导致大d i d t ，导通电流有效值大，特别是在低输入电压时线 路损耗大，发热严重，电路效率低。 2 、开关频率变化大。在临界导通模式p f c 中，b o o s t 变换器有两个工作阶 段，其开通时间不变，频率由关断时间调制。 3 、p f c 对前级滤波要求高，特别是传导干扰严重，通常前级需要多级e m c 滤波器。 浙江大学硕士学位论文 3 2 电路参数计算 3 2 1 开关频率和电感设计 图3 4 已给出电路工作的两个不同阶段，开关管开通时，输入电压加在电感 线圈上，电感电流i 。( t ) 线性增加 该阶段结束时，电感电流达到峰值电流 i 。_ v l o - + 。 可得导通时间为： t o = l * i l r - m 肚 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 开关管关断时，电感电流流过二极管向输出电容充电，同时给负载供电，二 极管导通时近似认为导通压降为零，则加在电感上的电压为p 0 一，电感电流 从峰值电压以( p 0 一) l 为斜率线性减小到零。 驰m 圹毕+ ， 则可求得关断时间为： + 一- - t - - t l