1 引言：

　　目前， 在全球范圍內，LCD TV 憑借其技術性能先進、外型美觀時尚、工作穩定、可靠性高等優點正迅速走進家庭。預計在未來幾年，LCD TV 將是數字電視時代的主流產品。隨著LCD TV 應用越來越廣泛，對電能的消耗也越來越大，節能環保壓力劇增。因此，提高LCD TV 開關電源能效的需求越來越迫切。為此，世界上多個政府機構和行業組織紛紛針對不同尺寸的電視機制定了全新的功耗規范，如美國的“能源之星3.0”標準和德國的“藍色天使”標準，以此來提高電能的使用效率，降低電能消耗。筆者將探討如何優化PFC 級、主DC/DC 級和待機轉換器的設計方案， 以便更好地提高LCD TV 開關電源的能效，滿足全新的功耗規范標準。

　　2 液晶電視電源管理系統結構：

　　要提高LCD TV 開關電源的能效，很重要的方面是針對液晶電視電源管理系統的結構，分析功率損耗的來源，有針對性地采取措施來降低能耗。

　　通常液晶電視電源管理系統由電源單元、DC/AC 逆變器、信號處理系統這3 部分組成， 其典型結構如圖1所示。電源單元由PFC 預調節器、主DC/DC 級和待機轉換器組成，用于將交流輸入電壓（85~265 V）轉換成較低的直流輸出電壓（24 V，12 V，5 V 和3.3 V），其中主DC/DC 級輸出的24 V 或12 V 直流電壓用于為背光逆變器和信號處理系統供電， 待機轉換器輸出的5 V 或3.3 V直流電壓為待機部件和微控制器供電。DC/AC 逆變器負責將24 V 或12 V 直流電壓轉換成高交流電壓（例如1 200 V 交流電壓），為背光燈供電。信號處理系統用于控制和處理聲音與圖像信號。

　　根據安森美半導體有限公司（簡稱“安森美”）測算，LCD TV 開關電源的PFC 級損耗和主DC/DC 級損耗為LCD TV 開關電源的主要損耗， 其中PFC 級損耗約占電源總損耗的40%， 主DC/DC 級損耗約占電源總損耗的60%。為此，筆者將優化PFC 級和主DC/DC 級的設計，以降低二者的功耗，同時進行待機轉換器的設計，以滿足開關電源待機功耗應低于1 W 的全新功耗規范標準要求。

　　3 PFC 預調節器解決方案：

　　為了降低PFC 級的功耗， 實現PFC 級的能效提升目標，需要考慮拓撲結構和PFC 控制器的工作模式。從設計的復雜程度和電源解決方案的總成本等方面考慮，最佳解決方案是：拓撲結構為Boost 升壓結構，PFC 控制器的工作模式為連續導通（CCM）模式。針對CCM 工作模式，PFC 控制器可選擇安森美或英飛凌科技股份公司（簡稱“英飛凌”）提供的解決方案，均能使功率因數高于93%，滿足ICE61000-3-2 標準要求。但是，若綜合考慮性價比、可靠性和高功率因數等多種因素，選擇安森美推出的PFC 控制器NCP165 4是更合理的解決方案。采用該控制器只需極少的外圍元件， 這使得PFC 級的設計更加簡潔。這種控制器工作功耗極低，可以滿足提升PFC級能效的要求，同時它還具有快速瞬態響應、啟動電流和關閉電流極低等特點，具有眾多安全保護特性，如浪涌電流檢測、過壓保護、用于開環檢測的欠壓檢測、軟啟動、精確的過流限制、真正的過載限制等。總之，它集成了構建緊湊而穩固的PFC 所需的所有特性。除控制器部分外，選擇具有低導通電阻和低寄生電容的全新CP 系列Cool-MOS 開關管以及軟恢復升壓二極管也是提升效率的最佳選擇。綜上所述，LCD TV 開關電源中的PFC 轉換器電路如圖2 所示。

　　4 主DC/DC 級解決方案：

　　目前，在提高主DC/DC 級的效率方面，準諧振（QR）模式是最佳解決方案。QR 模式對負載變化的反應快，非常適合負載從最低（甚至為零）變到最大額定功率的情況，它可以實現開關管的零電壓開通，從而有效地降低開通時的電流尖峰， 減少開通時電流尖峰引起的EMI 噪聲，提高了效率。

　　在QR 理論中，當功率額定值小于200 W 時，建議在DC/DC 級采用準諧振反激式拓撲； 當功率額定值超過200 W，可使用LLC 諧振轉換器。但是在實際應用中，為了更好地在性能和成本之間取得平衡，設計者常常采用準諧振反激式變換器配上適當的控制芯片作為主DC/DC 級的首選解決方案。

　　目前， 常用的準諧振反激式變換器控制芯片有安森美的NCP1337、意法半導體公司的L6566、昂寶公司的OB2202 和OB2203 和英飛凌的ICE2QS02G。其中，NCP1337，L6566，OB2202 和OB2203 應用在小功率LCDTV 開關電源中，它們的性價比相仿。而ICE2QS02G 不但可應用于小功率場合，還可以應用于中高功率場合，另外從性價比方面看，它也優于其他幾種芯片。為此，在準諧振反激式變換器方案中，筆者選用ICE2QS02G 作為控制芯片。

　　ICE2QS02G 擁有數字降頻技術，使得開關頻率隨著負載的降低而降低，同時在整個負載范圍內，控制器能根據負載情況在不同的谷底點導通MOSFET， 使得轉換器的開關損耗和傳導損耗始終保持平衡， 轉換器獲得最高運行效率，系統平均效率得到大幅度的提高。此情況下，就可以解決傳統的準諧振反激式轉換器（僅具備最大頻率限制）在自由運行工作時所出現的如下問題：當系統負載在滿載范圍（50%~70%）時，開關頻率將會增大許多，使得設計者必須付出很大的努力來取得成本與優化設計的平衡。此外，ICE2QS02G 還具備多種用戶可調的保護功能， 旨在保護系統并使得該IC 適用于不同的應用場合。在故障模式下，例如開環控制回路/過載、輸出過壓和變壓器繞組短路等， 該器件將切換至自動重啟模式或栓鎖模式。通過采用逐周期峰值電流限制和折返校正等方法，可降低變壓器尺寸，優化次級二極管的電流等級，從而提高設計的成本效率。

　　綜上所述，主DC/DC 級采用準諧振反激式轉換器以及對應的控制芯片ICE2QS02G 是很好的解決方案。另外，在準諧振反激式轉換器中選用高壓MOSFET 開關管（例如全新的800 V CoolMOS C3 系列開關管）， 可以降低主傳導損耗和MOSFET 的導通損耗，可使效率再提高1%～3%，很好地改善了主DC/DC 級的效率。

　　5 待機轉換器解決方案：

　　在全新的功耗規范標準下， 要求LCD TV 開關電源待機功耗應低于1 W。在此情況下，輸出功率很低甚至為零，系統的輸出電流接近于零，MOSFET 和二極管的導通損耗以及鐵芯損耗可以忽略， 二次測二極管的關斷損耗、MOSFET 的開啟損耗也可以忽略， 待機狀態下的主要損耗是MOSFET 關斷損耗和啟動電阻損耗。因此，降低這兩方面的損耗是降低待機功耗和設計待機轉換器的關鍵點。目前，設計者的首選解決方案是：設計獨立的待機轉換器，在待機轉換器中采用固定頻率反激式拓撲結構及其相應的控制芯片。

　　在降低啟動電阻損耗方面，傳統的方法多為降低啟動電流同時增大啟動電阻， 但實踐證明該方法的功效不明顯。為此，英飛凌提出了用一個開關電路替代電阻的方法，在啟動過程中，啟動電路開通，而當IC 被激活后，啟動電路關閉。實踐證明該方法可消除啟動電阻的損耗。英飛凌的CoolSET F3 芯片就集成了這樣的電路以降低電源的損耗。

　　在降低MOSFET 關斷損耗方面， 由于MOSFET 關斷損耗與開關頻率成比例，因而頻率越低損耗越小。然而，從開關電源基本原理可知：在正常工作模式下，需要利用高頻來減小變壓器和濾波器等器件的尺寸， 而在待機模式下，低頻率有利于減小損耗。所以在待機轉換器解決方案中應選用具有自動降頻技術的集成功率IC。在一般的負載范圍，IC 工作在高頻， 當輸出功率下降到某一特定閾值時，IC 將會自動減小開關頻率。

　　在“自動降頻技術”方面，目前較為普遍的有脈沖跳躍模式、突變模式及非導通時間調變等方式。在這些方式中，以英飛凌推出的主動突變模式性能最優越，該模式能在系統結束待機時保持輸出調節并為負載波動做好準備。從這方面考慮，再結合設計的復雜程度和成本等因素，待機轉換器選擇英飛凌最新推出的ICE3BR4765J是很好的解決方案。ICE3BR4765J 具備獨有的主動突變模式，加上還應用了Bi-CMOS 生產制程，使產品實現了一個極低的待機功耗，例如可實現在12 W/5 V 的產品上僅有25 mW 的待機功耗。ICE3BR4765J在固定的開關頻率上，加入了±4%的頻率抖動功能，使整體EMI 水平降低， 從而減小用戶對額外的濾波器的要求和生產成本。ICE3BR4765J 內部集成了650 V 的啟動單元，大大簡化了外圍電路的設置，從而降低了系統成本。

　　綜合以上分析，優化的待機轉換器方案是：獨立設計反激式待機轉換器，并采用英飛凌最新推出的集成功率IC 芯片ICE3BR4765J。

　　基于上述PFC 級、主DC/DC 級和待機轉換器的解決方案， 可設計出圖3 所示的LCD TV 開關電源解決方案框圖。

　　6 系統性能分析：

　　在上述電源解決方案的基礎上設計出一款LCD TV開關電源，其技術指標如下：1） 輸入電壓為交流85～265 V；2） 輸入頻率為47～63 Hz；3） 輸入諧波符合EN61000-3-2 標準；4） 正常運行時主DC/DC 級輸出為24 V/6 A，12 V/3 A，正常運行時待機輸出為5 V/2 A；5） 待機運行在5 V/0.1 A 輸出條件下引腳功耗小于1 W。

　　在上述技術指標下對系統性能進行了測試。圖4 為在滿載條件下系統輸入功率因數與輸入線路電壓的對比情況。由圖4 可看出，不同輸入線路電壓條件下，功率因數均高于94%，系統具有很高的功率因數。圖5 為在不同負載和線路電壓條件下的系統待機功耗。由圖5 可看出，待機時系統輸入功率很低，滿足“能源之星3.0”的要求。圖6 為在額定線路輸入電壓條件下，不同負載情況的系統效率。由圖6 可看出，系統滿負載效率超過87%，系統平均效率較高。

?

　　7 小結

　　LCD TV 開關電源所面臨的能效挑戰越來越嚴峻。要迎接這些挑戰，可采用有源PFC 預調節器、準諧振反激式主DC/DC 轉換器和獨立的反激式待機轉換器相結合的解決方案。在解決方案中， 選用安森美推出的PFC控制器NCP1*、英飛凌推出的準諧振反激式控制器ICE2QS02G、集成功率芯片ICE3BR4765J 和CoolMOS 開關管，可使設計具有良好的性價比。

?