英飞凌液晶电视绿色电源解决方案
2009-06-17 16:37:55
来源：《半导体器件应用》2009年6月刊
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1 前言
相对于CRT电视，中等尺寸和大尺寸平板液晶电视的功耗要高很多。这增加了液晶电视使用成本，限制了液晶电视的普及。能源之星3.0（Energy Star 3.0）针对不同尺寸的电视机制定了全新的功耗规范。待机输入功耗， 输入谐波和平均效率也必须符合这些规定。例如，表1显示了不同尺寸电视机在开机模式下的功耗要求[1]。因此，要想满足该要求，必须利用高效率开关电源。除开机功耗外，在待机模式下，输入功率应低于1W。待机功率要求是开关电源 设计者面临的又一挑战。此外，由于大尺寸的电视机的输入功率高于75W，因此需要功率因数校正（PFC）电路以符合ICE61000-3-2标准要求。要获得高效率和高功率因数，需要采用有源PFC调节器。总之，典型的液晶电视开关电源通常由待机功率转换器、PFC预调节器和主转换器构成。本文将探讨如何应对不同功率级的挑战。
2 功率级
2.1 PFC预调节器
升压转换器是应用最为广泛的拓扑。对于传统的PFC CCM解决方案而言，需要采用两个控制回路（电流回路与电压回路）。控制电路较为复杂，同时采样输入电压信号也将额外增加待机损耗。为了解决这些问题，采用8管脚CCM PFC ICE2PCS02G[2]，控制器可降低设计难度。采用该控制器只需连接少数几个器件，使得PFC级的设计变得轻而易举。由于这种IC采用BiCMOS工艺制成，因此输出电压采样管脚的输入阻抗非常高。例如，采用6MΩ电阻分压器，待机模式下功耗仅为27mW。这有助于满足待机功率要求。除控制器部分之外，具备最低导通电阻和较低寄生电容的全新CP系列 CoolMOSTM [3，4] 也是提升效率的最佳选择。液晶电视开关电源中典型的PFC 转换器电路如图1所示。
2.2 主功率级
就液晶电视而言，典型输入电压为24V的背光单元消耗绝大部分功率。对于这些输出功率范围为60W至 180W，输入电压为400V的应用而言，准谐振（谷值开关）反激式转换器是非常经济合算的解决方案。相对于硬开关反激式转换器，它具备更出色的效率和EMI性能。
对于未加限频电路，自由运行的准谐振反激式转换器而言，如果系统的工作负载在50%至70%之间（测量开机功耗的负载范围），开关频率就会增大许多。大多数情况下，这需要设计者付出更大的努力和成本来优化设计。英飞凌准谐振控制器ICE2QS02G[5]采用标准数字降频模式，有效解决了此问题。根据负载情况，IC将在不同的谷值点开通MOSFET。例如，在满负载条件下，转换器将在第一谷值点运行，提供最大功率；如果负载降至70%时，转换器将在第二或第三谷值点运行。在这种情况下，转换器的开关损耗和传导损耗始终保持平衡，转换器获得最高的运行效率。图2举例说明MOSFET在第一谷值点和第七谷值点导通。
改善主功率级效率的另一个可行办法是采用高压MOSFET。对于准谐振反激式转换器，高压MOSFET允许存在高反射电压，因此降低了MOSFET的导通损耗。此外，采用高压MOSFET还可降低主传导损耗。例如，800V CoolMOS® C3 或全新900V CoolMOS® 可使效率再提高1%至3%[6-8]。这出色地平衡了成本和效率。
图3显示了这种主转换器的应用电路。
2.3 待机转换器
在这种功率水平，需要独立的待机转换器。采用集成功率IC和固定频率反激式转换器是当前最经济实惠的解决方案。除成本以外，待机功耗是最大难点。
液晶电视SMPS待机功耗应低于1W。在这种情况下，系统的输出功率约为0.5W（来自待机转换器）。PFC预调节器和主功率级关闭。因此，改善待机能效的关键点包括：待机转换器效率、二次侧功率损耗和母线电压采样功率损耗。
为改善待机转换器的转换效率，降低平均开关频率至关重要。不过，要想在系统结束待机时保持输出调节并为负载波动做好准备，需主动进行控制。英飞凌CoolSET® F3R[9-10] 产品具备独有的主动突发模式（Active Burst Mode）[11]，可实现超低的待机功耗。图4介绍了主动突发模式的工作原理。
其工作原理是，如果反馈信号水平降至突发进入阈值（FB1）以下，并持续一段时间，控制IC进入主动突发模式。这时开关脉冲停止，输出电压会降低，然后反馈电压升高。当它升到突发开始水平（FB3），开关脉冲恢复。在处于突发模式期间，输出会升高 ，反馈电压开始降低。当它降到突发结束水平（FB2），开关脉冲再次停止。这种突发交替结束开始，构成主动突发模式。如果负载由轻载提高至重载，反馈电压值将开始提高。如果反馈电压水平超过突发退出阈值（FB4），IC将离开主动突发模式。屏蔽时间和其他2个阈值（FB1和FB4）可有效降低错误触发突发模式的几率。最后，如果IC进入主动突发模式，最大峰值电流阈值将降至原始值的三分之一或四分之一。这可大大降低变压器电流噪音。
除了待机转换效率，还可降低输出电压、主总线和输入电压感测功率损耗。例如，在主功率级的输入电压采样部分采用4MΩ电阻分压器。
图5为待机转换器的应用电路。
3 系统性能
图6为连接了上述三个功率级且搭载了主要组件的最终系统架构[12]。表2为该解决方案的技术规格表。
图7 显示在额定线路输入电压条件下，不同负载情况下的系统效率。在110Vac条件下，满负载效率超过87%。此外，平均效率保持在较高水平（30%负载之后）。
图8显示在不同负载和线路电压条件下的系统待机功耗。如果负载为0.5W，系统输入功率仅为760mW，能轻松满足能源之星3.0的要求。
图9 显示在满负载条件下，系统输入功率因数与输入线路电压对比情况。
4 结论
液晶电视的高功耗给SMPS的设计造成很多困难。此外，各种不同规则的要求更使设计难上加难。对于中小尺寸液晶电视而言，有源PFC预调节器、准谐振反激式转换器和固定频率反激式转换器的结合应用是非常经济有效的解决方案。在这个解决方案中，英飞凌提供的控制器IC、集成功率IC和CoolMOS® 可使设计变得轻而易举，同时具备出类拔萃的性能。
5 参考
[1] http://www.energystar.gov/ia/partners/product_specs/eligibility/tv_vcr_elig.pdf
[2] ICE2PCS02 datasheet， Version 2.2， Infineon Technologies AG， 2007
[3] CoolMOS® IPA60R199CP datasheet Rev 1.2， Infineon Technologies AG， 2007
[4] CoolMOS® CP， Technology Descript ion and Design Guide， Infineon Technologies AG， May 2006
[5] ICE2QS02G datasheet， Version 2.0， Infineon Technologies AG， 2008
[6] "New Digital System Solution for Quasi-resonant Flyback Converters" in EDN Asia， Power Supplement， August 2008
[7] CoolMOS® SPA11N80C3 datasheet Rev 2.6， Infineon Technologies AG， 2007
[8] “CoolMOSTM 900V， A new horizon for SMPS and renewable energy applications”，Infineon Tehcnologies AG， 2008
[9] ICE3BR4765J Datasheet， Version 2.2， Infineon Technologies AG， 2008
[10] AN-EVALSF3R-ICE3BR4765J， 12W 5.0V SMP S Evaluation Board with CoolSET® F3R ICE3BR4765J， Infineon Technologies AG， 2007
[11] "Low standby power approaches and the performance evaluation"， Kok S. K. Eric， PCIM 2007， shanghai
[12] 190W Evaluation Board Based on Quasi-resonant Flyback Converter for LCD TV SMPS，Infineon Technologies AG， 2008
相对于CRT电视，中等尺寸和大尺寸平板液晶电视的功耗要高很多。这增加了液晶电视使用成本，限制了液晶电视的普及。能源之星3.0（Energy Star 3.0）针对不同尺寸的电视机制定了全新的功耗规范。待机输入功耗， 输入谐波和平均效率也必须符合这些规定。例如，表1显示了不同尺寸电视机在开机模式下的功耗要求[1]。因此，要想满足该要求，必须利用高效率开关电源。除开机功耗外，在待机模式下，输入功率应低于1W。待机功率要求是开关电源 设计者面临的又一挑战。此外，由于大尺寸的电视机的输入功率高于75W，因此需要功率因数校正（PFC）电路以符合ICE61000-3-2标准要求。要获得高效率和高功率因数，需要采用有源PFC调节器。总之，典型的液晶电视开关电源通常由待机功率转换器、PFC预调节器和主转换器构成。本文将探讨如何应对不同功率级的挑战。
2 功率级
2.1 PFC预调节器
升压转换器是应用最为广泛的拓扑。对于传统的PFC CCM解决方案而言，需要采用两个控制回路（电流回路与电压回路）。控制电路较为复杂，同时采样输入电压信号也将额外增加待机损耗。为了解决这些问题，采用8管脚CCM PFC ICE2PCS02G[2]，控制器可降低设计难度。采用该控制器只需连接少数几个器件，使得PFC级的设计变得轻而易举。由于这种IC采用BiCMOS工艺制成，因此输出电压采样管脚的输入阻抗非常高。例如，采用6MΩ电阻分压器，待机模式下功耗仅为27mW。这有助于满足待机功率要求。除控制器部分之外，具备最低导通电阻和较低寄生电容的全新CP系列 CoolMOSTM [3，4] 也是提升效率的最佳选择。液晶电视开关电源中典型的PFC 转换器电路如图1所示。
2.2 主功率级
就液晶电视而言，典型输入电压为24V的背光单元消耗绝大部分功率。对于这些输出功率范围为60W至 180W，输入电压为400V的应用而言，准谐振（谷值开关）反激式转换器是非常经济合算的解决方案。相对于硬开关反激式转换器，它具备更出色的效率和EMI性能。
对于未加限频电路，自由运行的准谐振反激式转换器而言，如果系统的工作负载在50%至70%之间（测量开机功耗的负载范围），开关频率就会增大许多。大多数情况下，这需要设计者付出更大的努力和成本来优化设计。英飞凌准谐振控制器ICE2QS02G[5]采用标准数字降频模式，有效解决了此问题。根据负载情况，IC将在不同的谷值点开通MOSFET。例如，在满负载条件下，转换器将在第一谷值点运行，提供最大功率；如果负载降至70%时，转换器将在第二或第三谷值点运行。在这种情况下，转换器的开关损耗和传导损耗始终保持平衡，转换器获得最高的运行效率。图2举例说明MOSFET在第一谷值点和第七谷值点导通。
改善主功率级效率的另一个可行办法是采用高压MOSFET。对于准谐振反激式转换器，高压MOSFET允许存在高反射电压，因此降低了MOSFET的导通损耗。此外，采用高压MOSFET还可降低主传导损耗。例如，800V CoolMOS® C3 或全新900V CoolMOS® 可使效率再提高1%至3%[6-8]。这出色地平衡了成本和效率。
图3显示了这种主转换器的应用电路。
2.3 待机转换器
在这种功率水平，需要独立的待机转换器。采用集成功率IC和固定频率反激式转换器是当前最经济实惠的解决方案。除成本以外，待机功耗是最大难点。
液晶电视SMPS待机功耗应低于1W。在这种情况下，系统的输出功率约为0.5W（来自待机转换器）。PFC预调节器和主功率级关闭。因此，改善待机能效的关键点包括：待机转换器效率、二次侧功率损耗和母线电压采样功率损耗。
为改善待机转换器的转换效率，降低平均开关频率至关重要。不过，要想在系统结束待机时保持输出调节并为负载波动做好准备，需主动进行控制。英飞凌CoolSET® F3R[9-10] 产品具备独有的主动突发模式（Active Burst Mode）[11]，可实现超低的待机功耗。图4介绍了主动突发模式的工作原理。
其工作原理是，如果反馈信号水平降至突发进入阈值（FB1）以下，并持续一段时间，控制IC进入主动突发模式。这时开关脉冲停止，输出电压会降低，然后反馈电压升高。当它升到突发开始水平（FB3），开关脉冲恢复。在处于突发模式期间，输出会升高 ，反馈电压开始降低。当它降到突发结束水平（FB2），开关脉冲再次停止。这种突发交替结束开始，构成主动突发模式。如果负载由轻载提高至重载，反馈电压值将开始提高。如果反馈电压水平超过突发退出阈值（FB4），IC将离开主动突发模式。屏蔽时间和其他2个阈值（FB1和FB4）可有效降低错误触发突发模式的几率。最后，如果IC进入主动突发模式，最大峰值电流阈值将降至原始值的三分之一或四分之一。这可大大降低变压器电流噪音。
除了待机转换效率，还可降低输出电压、主总线和输入电压感测功率损耗。例如，在主功率级的输入电压采样部分采用4MΩ电阻分压器。
图5为待机转换器的应用电路。
3 系统性能
图6为连接了上述三个功率级且搭载了主要组件的最终系统架构[12]。表2为该解决方案的技术规格表。
图7 显示在额定线路输入电压条件下，不同负载情况下的系统效率。在110Vac条件下，满负载效率超过87%。此外，平均效率保持在较高水平（30%负载之后）。
图8显示在不同负载和线路电压条件下的系统待机功耗。如果负载为0.5W，系统输入功率仅为760mW，能轻松满足能源之星3.0的要求。
图9 显示在满负载条件下，系统输入功率因数与输入线路电压对比情况。
4 结论
液晶电视的高功耗给SMPS的设计造成很多困难。此外，各种不同规则的要求更使设计难上加难。对于中小尺寸液晶电视而言，有源PFC预调节器、准谐振反激式转换器和固定频率反激式转换器的结合应用是非常经济有效的解决方案。在这个解决方案中，英飞凌提供的控制器IC、集成功率IC和CoolMOS® 可使设计变得轻而易举，同时具备出类拔萃的性能。
5 参考
[1] http://www.energystar.gov/ia/partners/product_specs/eligibility/tv_vcr_elig.pdf
[2] ICE2PCS02 datasheet， Version 2.2， Infineon Technologies AG， 2007
[3] CoolMOS® IPA60R199CP datasheet Rev 1.2， Infineon Technologies AG， 2007
[4] CoolMOS® CP， Technology De
[5] ICE2QS02G datasheet， Version 2.0， Infineon Technologies AG， 2008
[6] "New Digital System Solution for Quasi-resonant Flyback Converters" in EDN Asia， Power Supplement， August 2008
[7] CoolMOS® SPA11N80C3 datasheet Rev 2.6， Infineon Technologies AG， 2007
[8] “CoolMOSTM 900V， A new horizon for SMPS and renewable energy applications”，Infineon Tehcnologies AG， 2008
[9] ICE3BR4765J Datasheet， Version 2.2， Infineon Technologies AG， 2008
[10] AN-EVALSF3R-ICE3BR4765J， 12W 5.0V SMP S Evaluation Board with CoolSET® F3R ICE3BR4765J， Infineon Technologies AG， 2007
[11] "Low standby power approaches and the performance evaluation"， Kok S. K. Eric， PCIM 2007， shanghai
[12] 190W Evaluation Board Based on Quasi-resonant Flyback Converter for LCD TV SMPS，Infineon Technologies AG， 2008
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