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}{2π\sqrt{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}{2π\sqrt{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。

      问答选编

      问：什么是主动式PFC和被动式PFC？

      答：被动式PFC通常为一块体积较大的电感，由多块硅钢片 外部缠绕铜线而成；而主动式PFC则由电感线圈配合IC 控制芯片组成。主动式PFC又被称为有源PFC，其特点 是功率因数可以很高，一般在95%以上，甚至可以达到 99%(而被动式一般在80%)，但由于其辅助电路较多需要 消耗一定的电能，所以转换效率比被动式PFC要低 2~3%(被动式一般在80~85%)，电源总功率=电源功率 因数X转换效率，总体而言主动式的电源总功率比较高， 一般比被动式高10~15%，而此部分的电能被转化为热 量等直接浪费掉了。主动式PFC的优点是整体效率高， 浪费电能少，但成本较高，一般用于400W及以上的电源 中；还有一个缺点就是电磁干扰问题比较严重，因此要 特别注意EMI滤波电路的设计，也在一定程度上增加了 制造成本。

      问：设计LCD TV电源和设计普通电器的电源有何区别，设计中需注意什么？

      答：因为LCD TV对元件温度有限制，一般不能超过70℃，所以在散热方面需要有更多的考虑，在元件的选择上也 必须更加仔细。

      问：在降低LCD TV功耗方面有没有什么比较先进的技术？

      答：在PFC端，需选用CCM架构；在PWM端，可以使用高 效的LLC topology。在二次侧端，可以使用同步整流的 方式，使用MOSFET来代替Diode。

      问：对于像300W这样大功率电源设计时，电路采用隔离式的，还是采用非隔离式的好呢？

      答：隔离式较好。

      问：LCD TV电源主要考虑哪些方面？

      答：LCD TV电源要做到轻、薄、短、小、稳定、耐用、效率高、 价格低。

      问：目前LCD TV电源系统的架构最主流的是怎样的?

      答：PFC+ LLC (PWM side)+同步整流(二次侧)。

      问：电源有哪些滤波手段？

      答：主要是电源输入端的滤波：NTC限流、共轭电感抑制EMI 干扰、大电容滤波。

      问：在反馈电源方式时，如何保证未被取样电源的稳定性?

      答：您可以采用钳位的方法保证其他旁路的稳定。

      问：怎样有效减少开关电源对其他设备的电磁干扰？

      答：对于电磁干扰的影响，常用的方法是屏蔽、接地和滤波。

      问：在降低LCD TV产品功耗的问题上，除了在电源上努力 外，还有什么其它方面可以考虑的？

      答：LCD TV产品主要分为几部分，Power supply电源部分、 主板部分以及inverter背光，这些都会影响功耗及效率， 当然与屏的选择也有关系。

      问：用于LCD TV电源设计上MOSET元件与用于微处理器 上的，有何不同？

      答：LCD TV选用的是高压MOSFET；微处理器选择的是低 压的MOSFET。

      问：在LCD TV电源防静电方面有没有什么比较先进的技术？

      答：LCD TV电源在整体设计上防静电主要通过PCB板的布 线，合理安排地线的布局；当然一些元器件也有防静电 功能，象IC、MOS等，在MOS的周边也可加相应的元器 件实现部分电路的防静电功能。

      问：设计开关电源时，需要考虑哪些因素?

      答：开关电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源自身 参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、 安全性设计，如果是特别要求的电源甚至还要考虑三防 设计等方面。

      问：在LCD TV中，Lips（二合一电源）必不可少，如何处理 MOSFET温升以及EMC的问题，尤其是该如何设计好 其中的DC/AC（inverter）部分呢？

      答：如果是以MOS来讲，选择低的Rds(on)，低的Qgd可降 低导通及开关损耗，减少温升，对于EMC方面，可选择 低的Trr/Qrr的MOS来解决，须综合考虑。

      问：如果采用同步整流，对于二次侧的MOSFET的选用有 什么要考虑的？

      答：对于同步整流是通过替换原有的二极管达到提高效率 的目的，开关MOS尽量选择低Qgd，减少开关损耗；对 于导通MOS，要考虑低的Rds(on)以减少导通损耗。

      问：LLC运行优点有哪些?会成为以后DC-DC设计的趋势 吗?

      答：LLC模式是现今POWER电源设计的趋势，它除了可以 在把整体的电压水平拉低之外，还能更好地提高效率， 在 元器件选型及成本方面也有很大优势.。

      问：220V的电源转换为几路直流电之后，哪些脉冲较大？ 需要做过流保护么？

      答：一般PWM IC都有过流保护，不用太担心这个问题。

      问：针对LCD TV应用方案，应如何选用高压MOSFET？在 选用MOSFET时都应注意哪些方面？

      答：首先要决定电压大小Vds、电流ID、封装。这些选定后， 再去看Rds(on)*Qg 值，越低越好，不过价格也会较贵。 Trr、Qrr、dv/dt也是影响EMI 的参数。

      问：在LCD TV电源防静电方面有没有比较先进的技术？

      答：LCD TV电源在整体设计上防静电主要通过PCB板的布 线并合理安排地线来实现的。当然一些元器件也有防静 电功能，象IC、MOS等，在MOS的周边也可添加相应的 元器件实现部分电路防静电功能。

      问：什么是RoHS标准？都有哪些产品需要通过RoHS标准 认证啊？

      答： RoHS是《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指 令》(The Restriction of the use of certain Hazardous sub stances in Electrical and Electronic Equipment的英文 缩写)，此项规定是欧盟（EU）对进入欧洲的电子产品限 制使用六种有害物质的禁令， 一般电子、电气产品都需 要通过RoHS。