高压LIS液晶电视电源参考设计

高压LIPS液晶电视电源参考设计2023-07-0832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265Vac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75W，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，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24V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400Vdc，然后又采用谐振(LLC)半桥转换为24Vdc。此24Vdc然后提供给逆变器模块，从直流低压转换为高于1,000V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400Vdc至24Vdc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1W，而中国中标认证中心(CSC)要求为3W。而随着液晶电视尺寸越来越大，其能耗也越来越高。由于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85-265Vac,47-63Hz系统电源有源功率因数校正(ActivePFC)，符合IEC61000-3-2规范最大稳态能耗50W，峰值60W12V/4A峰值5V/2.5A峰值24V–MOSFE门驱动偏置能够灵活修改，支持其它电压/电流配置50mW负载时，待机输入能耗(Pin)<400mW(5V@10mA)逆变器电源支持100W功率启动电压(Strikevoltage)>1,500Vac，工作电压>800Vac固定频率逆变器，可在40-80kHz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75W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400Vdc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150W功率(<180W)应用的最适合方案。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(<60W)，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NCP1351PWM控制器，主要是用于功率低于60W的离线反激电源。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。垒帆另外绞，在响液晶全电视激应用邻中，载实现昨良好给的交吩叉稳伪压是影一项稿设计济挑战伶，因厕为容五限非帽常严惠格警(私通常筋为棍±5采%)允，且亮由于报音频堪放大味的大锁动态绕范围晓，以要及信娇号处缴理电境源负扁载根剑据输透入视嚷频源尖的不嗽同而丛变化桐，动就态工刺作可据能大佣范围拍地变管化。私本参也考设滴计基涉准型召(S百MP昨S1犬)陶的典虑型输余出电铜压及废负载流范围湿是：这l伞+5水V娇：捏0带至栋2.枕5论A妈l品+1稀2技V吗：扇0库至遗4挑A伤为了密改善膝总体摄交叉葵稳压悬性能灾，布+5裤V调二极睬管连多接至没绕组舌的地诞(G欧ND叶)刮，而如+1客2发V痒绕组僵在驳5倘V寿绕组岭之上满。而斯在待古机模篇式下幕，开符关电羡源的赌频率撤工作趣在声始频范群围。耐因此斑，根轰据变毅压器秩构造挨及机冠械设胀计的高不同叶，有忠可能菜出现驰一些团可听滩见的控噪声德。大虚多数嘉人最辛敏感控的频创率范尺围是详7鹅至冶13巷k偶Hz娘范围暂。本俭专用悬参考援设计逝应用垄于挖50喘至票75扇坊mW滥的额酱定待洽机负影载，异故待罪机时园的频驳率小春于很5殊kH挥z涝。借饭本参命考设牢计提驼供充搭足的快灵活愧性，腥配合泻多种虏输出想配置蹄，而宵只须挠对蜻BO优M祸作简秩单调换整。键NC庙P1聪35尿1B羞反表激设狠计报能够贩灵活盾的支园持多挎达厉4窗个独氧特电刃压输峰出。员本参训考设键计所否使用骑的标查准配耳置境(S明MP每S1埋)违拥有奋5塔Vd孟c悟和圆12辆芽Vd证c瞧输入室，以室及烦24总晓Vd轮c洋电压彻输出坟。表材2极中列递出了坐多种舞可选产配置狂，能充够用桥于配臭合不助同的沃电源江机制蒜。辩住高压衣背光扮逆变测器电蓬源段蜂1)双庄半桥积与铜全桥察拓扑办结构缴比较川汇高压祖逆变猜器能介够雅采用器半桥沃或油全桥卸拓扑吨结构芦实现彻。决偿定采匹用何司种拓赠扑结孝构要岂考虑喂多项串因素努。与顽半桥棵结构哨引转比，孔全桥渣拓扑顷结构寺拥有粘众多寻优势葛，如鄙固定俱工作搬频率闲时零盾电压梢开关咐(Z丑VS玩)氏、降荡低烟EM奋I臣及功拘率损镰耗、调减轻票MO爽SF戏ET申开关贷应力颂及减镇少散阔热等村。此盖外，回在全止桥拓晃扑结栋构下嫩，由煎于控哲制器庙工作仍在固无定频葡率，陶有可遭能将肾开关键频率液与视竭频频迷率同积步，湾避免生任何违可能碎的背增光子恐系统排干扰仙影响虏视频含图像窄。佛2)延L拖X6壶50嘱3千背光际控制徐器借丈本参查考设栽计采炸用了浊Mi除cr田os淹em钳i字的灯LX赖65屑03廊背光掠控制迈器。愧LX分65烦03蚕是一劝款高圾性能挣CC瞎FL采控制臣器，贡旨在击用于隆液晶挎电视拾及其届它多爱灯雾LC蚁D耀显示改系统作。它酬经过距了特以别优谎化，也是用必于高况压逆版变器她架构栽的一框种高袋性价抖比解扇决方哨案。舍这控骨制器咬提供胡一对输推挽裂式废(p伸us劣h-保pu徐ll译)厚PW否M愚驱动陆信号谷，在勤增加允简单铜的外吧部电播路的诵情况钳下，滥具有猴足够旬的能逆力驱畏动推戒挽私式半未桥或兽全桥毁CC感FL添逆变植器。术3)肾C亭CF靠L棒驱动坑及电交流平宿衡裤麻必须卖仔细路考虑疮CC捉FL居灯启经动框及电伐流平瑞衡，虽从而跑拥有膜可靠段的背已光系竿统。邀本参饺考设鸟计中列使用云的暴JI攀N卷平衡肤器始(b财al润an艇ce益r)知解决台方案题能够畅提供芬极佳复的灯绢电流罚平衡速功裤能，丹同时耻还结夫合频开率扫懂描到(f恒re负qu秒en别cy应s倘we箱ep您in妇g)稿j慌启动姨技术大，确伤保可役靠的罚灯启伤动。充JI鄙N革平衡吸器基鸦于平谈衡变胖压器梁的电私磁耦百合原劝理，蒜产生块额外模的校焰正电踏压给周灯，辱从而疮均衡此灯电激流。阔这平连衡器班网络半的基鲁本配煤置如下图孟1兽所示假。平塞衡器缝次级喉绕组漫的串塌行回算路均率衡了朽初级菊端电饿流，杨并提必供灯蓝电路逆之间禽的耦扎合机蓝制。窗有了凝这样液的耦锯合机爷制，饲如果躺其中扛某个脚灯未佩启动催，已顿经启帖动的尘灯的澡能量贩将自蹦动耦配合至堵未启吵动灯揉电路陷的初精级绕夺组，哄从而基增加派灯电撒压，增帮助颜其启察动。燥如图询1作所示团，平沾衡器礼网络犁的绕种线配逗置是匀一致银的，首而不楚管暗灯数晕量命是多合少。次此外认，一然种类临型的筑平衡拾器变式压器繁能够肿适应塌几乎虑所有请灯尺激寸。之这些渣特性告使励JI维N阳平衡渠器解纷决方份案能录够非焦常灵巴活地秋用于萍CC痰FL窄逆变拥器应糠用。盏32僻英寸讯液晶需电视愤背光练子系逢统的别典型强配置堪是：犬12仔个灯脾所有境灯一滑起惩连接逝至共齐用地未系统奇电流住感测财在侍地线决上坊所有涝灯采姜用单碑输出摇高压粪变压抗器还“钢同相将(i席n迁ph姐as凑e)蚁”妄驱动胆布总体淹能效摘性能姨及应扒用优太势蚊本参肆考设腿计的盲重点版在于贷以高救能效体的架赴构提栽供极某佳的皆参数骗性能排，这蜘架构越在所设有电观源转盲换段榨的工吉作损皂耗都抗较低疤。下勉面的迷表乳3迅中介付绍了委一些场典型仔的性些能数狠据，喘其中遥反激鸡及烘PF串C罗段的稻负载豆为不苍同测篮试负阵载条屈件下鸭的负蛙载。皱逆变悬器能搭效为旬估计然值，茅因为签直接炎在高剪压灯如上精分确地健测量蓄输出悟功率科非常谊困难袄，而瓶且精腿度不巷够高响。在勇典型盼负载墨条件佩下，声PF吼C口在完谁整线箭路输偷入范贺围下吗的能里效高填于桐95仆%展，反族激转里换器篇在判37挖W落典型钳负载舰配置哥下的扰峰值吴能效煎为演78榜%糖。顾惭及根爪据所贴采用沉的交锅叉稳谦压技统术的耻不同登5职V宇和凝12浴V足输出挥上出督现的竟额外蚕损耗峡，这绝个数鄙值可妇谓相类当不仅错。骑逆变搭器的坟能效硬得到普的优携化，昌这要岂归因聋于全坛桥零夜电压萄开关船拓扑拖结构铁将开传关损尿耗减矛至最仰小。稍支撑矩它的宫一项侄论据屡是这佩样的仇事实犯：全财桥仙MO笋SF论ET吐使用盗表面运贴装特DP学AK亏器件榆，不梢需要及任何侮额外球散热亲片。齿凳总的招来看洞，安浴森美光半导虹体这筐款煮32娃英寸联高压返LI罚PS岂液晶践电视迁电源读参考竭设计梁采用窄优化刮的架翁构，尼具有先极高舅的能贷效及尊极低膜的待勇机能旁耗，矮符合窄各种动能效熟规范觉的工药作能今效、僻最大仍工作发能效僻及待逮机能预耗要蔽求。布本参定考设挂计的笋功能店框图乏如图痕2激所示版：崖响总结签：贷国安森劝美半律导体旁这款且Gr热ee种nP判oi罪nt宝®气参考铅设计往支持酷新兴次的高特压井LI面PS投架构喊，直尽接从皆PF役C架段而看非传蛋统的千24附V刮为逆纤变器式供电起，从然而省药下一屠个从虚PF户C喉段到忙24粘V降的完可整电忙源转喷换部狠分。点此外熄，这稼参考坛设计脉采用岛了高挣能效斗专有音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