高压LIPS液晶电视电源参考设计

1、高压 LIPS 液晶电视电源参考设计高压 LIPS 液晶电视电源参考设计2009-07-0832 英寸及更大尺寸的主流液晶电视电源要求产生多个电压轨来为音频、背光及信号处理等不同系统模块供电。其中，信号处理板上使用本地线性及 DC-DC 转换器来提供不同的低压轨。对于制造商而言，通常使用通用电源，支持 90 至 265 Vac 电压。这就使基于特定电视尺寸的单个电源设计能够用于一系列的不同型号，满足不同区域市场需求，简化物流及降低开发成本。如果某型号液晶电视面对全球市场且其功率高于 75 W，就需要遵从欧洲有关减少谐波的 IEC61000-3-2 标准，从而需要使用有源功率因数校正器。通常来说

2、，液晶电视内最耗电的子系统是背光模块。当今的大多数液晶电视使用冷阴极荧光管 (CCFL) 阵列作为背光源。这些灯管需要采用交流高电压驱动，而且需要对灯管电流进行稳流。传统上逆变器是一个单独模块，采用额定电压为24 V 的直流电源供电。 在这种途径下，背光要求与 LCD 面板相关联，而且一个电源设计能够用于多个不同供应商提供的面板，从而简化了液晶电视设计，但这种途径效率较低， 而且增加了额外的电源部分 (指 24V 输出 )。例如，液晶电视的交流输入电压在 PFC 段被升压至 400 Vdc，然后又采用谐振 (LLC) 半桥转换为 24 Vdc。此 24 Vdc 然后提供给逆变器模块，从直流低压

3、转换为高于 1,000 V 的交流高压以驱动 CCFL 灯。这种多段转换流程产生较大损耗，并会增加系统成本。本参考设计中使用的高压 LIPS(HV-LIPS) 架构旨在消除 400 Vdc 至 24 Vdc 转换段，直接从高压功率因数校正 (PFC)输入段为逆变器供电，从而改善系统总效率。这要求以高压直接变换的方式在液晶电视内融合传统电源功能，优化总体系统方案。传统上，全球众多志愿性及规范机构的标准都着眼于降低电子产品的待机能耗，美国、欧盟等地的众多国际规范对电视产品的待机能耗要求为 1 W ，而中国中标认证中心 (CSC) 要求为 3 W 。而随着液晶电视尺寸越来越大，其能耗也越来越高。由于

4、液晶电视市场份额越来越大，规范机构也越来越关注平板电视工作状态下的能耗对电网的累积影响。如 “能源之星 ”发布了电视产品第 3 版工作能耗要求 (见表 1)。关键设计目标输入电压：通用输入85-265 Vac, 47-63 Hz系统电源有源功率因数校正 (Active PFC)，符合 IEC61000-3-2 规范最大稳态能耗 50 W，峰值 60 W12V/4A峰值5V/2.5A峰值24 V MOSFE 门驱动偏置能够灵活修改，支持其它电压/电流配置50 mW 负载时，待机输入能耗(Pin) < 400 mW (5 V10 mA)逆变器电源支持 100 W 功率启动电压 (Strike

5、 voltage) > 1,500 Vac，工作电压 > 800 Vac固定频率逆变器，可在40-80 kHz 范围调节支持数字及模拟调光能够同步至视频时钟源PFC 段设计高压 LIPS 架构的核心就是有源 PFC 前端升压段。首先，对于输入功率高于 75 W 的电源而言，它使设计符合 IEC61000-3-2 规范的谐波含量要求。其次，它为逆变器段提供经过稳压的 400 Vdc 高压。除了为背光供电， PFC 段还提供电能给隔离型反激开关电源转换器，此反激转换器提供所有需要的电源，为执行液晶电视内的控制、接口、信号处理及音频放大等功能的数字及模拟电路供电。根据液晶电视特性集及功能

6、的不同，这个模块的功率可能介于30 至 60W 之间。为了简化设计，及降低这个电源转换段的总体复杂度，本参考设计选用了安森美半导体专有的高能效反激控制器 NCP1351，此器件使大多数液晶电视应用无需专用的待机电源。选择 NCP1351 是因为它采用准谐振固定导通时间(FON) 控制原理，在负载要求变小时降低反激转换器的开关频率。两个 (置于次级端的 )额外开关会在待机模式断开主电源负载，从而免除待机模式下的寄生损耗。PFC 段所采用的 PFC 控制器是安森美半导体的 NCP1606B，此控制器设计用于工作在可变频率临界导电模式 (CrM) ，是 150 W 功率 (<180 W)应用的

7、最适合方案。有关此 PFC 段的电磁干扰 (EMI) 设计、具体控制途径、详细设计过程及测试结果等更多信息，可参见参考资料 1。用于控制、信号及音频功能的反激转换器段由于采用专门的直流 -交流 (DC-AC) 转换器来为 CCFL 灯供电，反激开关电源用于为控制、信号处理及音频放大等功能的模拟及数字模块供电。由于要求的总功率有限 (<60 W) ，有可能考虑反激拓扑结构，带有待机模式，却无需专用待机开关电源，这提高了解决方案的总体性价比。要实现这个目标，需要在轻载条件下能提供高能效的控制器架构。此反激变换器使用了 NCP1351 PWM 控制器，主要是用于功率低于 60 W 的离线反激电

8、源。 NCP1351 采用准固定导通时间技术，不同负载和不同输入电压对应不同的关闭时间，负载变轻时降低其开关频率，同时降低开关损耗。因此，使用这种方案的电源自然地提供极小的待机功率，并且优化其它负载条件下的能效。随着频率的下降，峰值电流逐渐降低至最大峰值电流的约 30% ，防止变压器机械工作共振。可听噪声的风险也大幅消除，同时还获得良好的待机能耗性能。由于 PWM 控制器工作在准固定导通时间，开关频率随着负载而变化。在轻载条件下，此反激转换器工作在不连续导电模式 (DCM) 。负载增加时，频率也随之增加， 直到控制器进入连续导电模式 (CCM) ，而 CCM 优化用于提供极高的效率。另外，在液

9、晶电视应用中，实现良好的交叉稳压是一项设计挑战，因为容限非常严格 (通常为 ±5%) ，且由于音频放大的大动态范围，以及信号处理电源负载根据输入视频源的不同而变化，动态工作可能大范围地变化。本参考设计基准型 (SMPS1)的典型输出电压及负载范围是：l +5 V：0 至 2.5 Al +12 V：0 至 4 A为了改善总体交叉稳压性能， +5 V 二极管连接至绕组的地 (GND) ，而+12 V 绕组在 5 V 绕组之上。而在待机模式下，开关电源的频率工作在声频范围。 因此，根据变压器构造及机械设计的不同，有可能出现一些可听见的噪声。大多数人最敏感的频率范围是 7 至 13 kHz

10、范围。本专用参考设计应用于 50 至 75 mW 的额定待机负载，故待机时的频率小于 5 kHz 。本参考设计提供充足的灵活性， 配合多种输出配置， 而只须对 BOM 作简单调整。 NCP1351B 反激设计能够灵活的支持多达 4 个独特电压输出。 本参考设计所使用的标准配置 (SMPS1)拥有 5 Vdc 和 12 Vdc 输入，以及 24 Vdc 电压输出。表 2 中列出了多种可选配置，能够用于配合不同的电源机制。高压背光逆变器电源段1) 半桥与全桥拓扑结构比较高压逆变器能够采用半桥或全桥拓扑结构实现。决定采用何种拓扑结构要考虑多项因素。与半桥结构引比，全桥拓扑结构拥有众多优势，如固定工作

11、频率时零电压开关 (ZVS) 、降低 EMI 及功率损耗、减轻 MOSFET 开关应力及减少散热等。此外，在全桥拓扑结构下，由于控制器工作在固定频率，有可能将开关频率与视频频率同步，避免任何可能的背光子系统干扰影响视频图像。2) LX6503 背光控制器本参考设计采用了 Microsemi 的 LX6503 背光控制器。 LX6503 是一款高性能 CCFL 控制器，旨在用于液晶电视及其它多灯 LCD 显示系统。它经过了特别优化，是用于高压逆变器架构的一种高性价比解决方案。这控制器提供一对推挽式 (push-pull) PWM 驱动信号，在增加简单的外部电路的情况下，具有足够的能力驱动推挽式半

12、桥或全桥CCFL 逆变器。3) CCFL 驱动及电流平衡必须仔细考虑 CCFL 灯启动及电流平衡，从而拥有可靠的背光系统。本参考设计中使用的 JIN 平衡器 (balancer)解决方案能够提供极佳的灯电流平衡功能，同时还结合频率扫描 (frequency sweeping)j启动技术 ，确保可靠的灯启动。JIN 平衡器基于平衡变压器的电磁耦合原理， 产生额外的校正电压给灯， 从而均衡灯电流。这平衡器网络的基本配置如图 1 所示。平衡器次级绕组的串行回路均衡了初级端电流，并提供灯电路之间的耦合机制。有了这样的耦合机制，如果其中某个灯未启动，已经启动的灯的能量将自动耦合至未启动灯电路的初级绕组，

13、从而增加灯电压，帮助其启动。如图 1 所示，平衡器网络的绕线配置是一致的，而不管灯数量是多少。此外，一种类型的平衡器变压器能够适应几乎所有灯尺寸。这些特性使 JIN 平衡器解决方案能够非常灵活地用于 CCFL 逆变器应用。32 英寸液晶电视背光子系统的典型配置是：12 个灯所有灯一起连接至共用地系统电流感测在地线上所有灯采用单输出高压变压器 “同相 (in phase) 驱”动总体能效性能及应用优势本参考设计的重点在于以高能效的架构提供极佳的参数性能，这架构在所有电源转换段的工作损耗都较低。下面的表 3 中介绍了一些典型的性能数据，其中反激及 PFC 段的负载为不同测试负载条件下的负载。 逆变

14、器能效为估计值，因为直接在高压灯上精确地测量输出功率非常困难，而且精度不够高。在典型负载条件下， PFC 在完整线路输入范围下的能效高于 95% ，反激转换器在37 W典型负载配置下的峰值能效为 78% 。顾及根据所采用的交叉稳压技术的不同5 V和 12 V 输出上出现的额外损耗，这个数值可谓相当不错。逆变器的能效得到的优化，这要归因于全桥零电压开关拓扑结构将开关损耗减至最小。支撑它的一项论据是这样的事实：全桥 MOSFET 使用表面贴装 DPAK 器件，不需要任何额外散热片。总的来看，安森美半导体这款 32 英寸高压 LIPS 液晶电视电源参考设计采用优化的架构，具有极高的能效及极低的待机能耗，符合各种能效规范的工作能效、最大工作能效及待机能耗要求。本参考设计的功能框图如图2 所示：总结：安森美半导体这款 GreenPoint? 参考设计支持新兴的高压 LIPS 架构，直接从 PFC 段而非传统的 24 V 为逆变器供电，从而省下一个从 PFC 段到 2