基于ICE2QS02G的液晶电视开关电源设计

1 引言：
   　　目前， 在全球范围内，LCD TV 凭借其技术性能先进、外型美观时尚、工作稳定、可靠性高等优点正迅速走进家庭。预计在未来几年，LCD TV 将是数字电视时代的主流产品。随着LCD TV 应用越来越广泛，对电能的消耗也越来越大，节能环保压力剧增。因此，提高LCD TV 开关电源能效的需求越来越迫切。为此，世界上多个政府机构和行业组织纷纷针对不同尺寸的电视机制定了全新的功耗规范，如美国的“能源之星3.0”标准和德国的“蓝色天使”标准，以此来提高电能的使用效率，降低电能消耗。笔者将探讨如何优化PFC 级、主DC/DC 级和待机转换器的设计方案， 以便更好地提高LCD TV 开关电源的能效，满足全新的功耗规范标准。
   　　2 液晶电视电源管理系统结构：
   　　要提高LCD TV 开关电源的能效，很重要的方面是针对液晶电视电源管理系统的结构，分析功率损耗的来源，有针对性地采取措施来降低能耗。
   　　通常液晶电视电源管理系统由电源单元、DC/AC 逆变器、信号处理系统这3 部分组成， 其典型结构如图1所示。电源单元由PFC 预调节器、主DC/DC 级和待机转换器组成，用于将交流输入电压（85~265 V）转换成较低的直流输出电压（24 V，12 V，5 V 和3.3 V），其中主DC/DC 级输出的24 V 或12 V 直流电压用于为背光逆变器和信号处理系统供电， 待机转换器输出的5 V 或3.3 V直流电压为待机部件和微控制器供电。DC/AC 逆变器负责将24 V 或12 V 直流电压转换成高交流电压（例如1 200 V 交流电压），为背光灯供电。信号处理系统用于控制和处理声音与图像信号。
   
   
　　根据安森美半导体有限公司（简称“安森美”）测算，LCD TV 开关电源的PFC 级损耗和主DC/DC 级损耗为LCD TV 开关电源的主要损耗， 其中PFC 级损耗约占电源总损耗的40%， 主DC/DC 级损耗约占电源总损耗的60%。为此，笔者将优化PFC 级和主DC/DC 级的设计，以降低二者的功耗，同时进行待机转换器的设计，以满足开关电源待机功耗应低于1 W 的全新功耗规范标准要求。
   　　3 PFC 预调节器解决方案：
   　　为了降低PFC 级的功耗， 实现PFC 级的能效提升目标，需要考虑拓扑结构和PFC 控制器的工作模式。从设计的复杂程度和电源解决方案的总成本等方面考虑，最佳解决方案是：拓扑结构为Boost 升压结构，PFC 控制器的工作模式为连续导通（CCM）模式。针对CCM 工作模式，PFC 控制器可选择安森美或英飞凌科技股份公司（简称“英飞凌”）提供的解决方案，均能使功率因数高于93%，满足ICE61000-3-2 标准要求。但是，若综合考虑性价比、可靠性和高功率因数等多种因素，选择安森美推出的PFC 控制器NCP165 4是更合理的解决方案。采用该控制器只需极少的外围元件， 这使得PFC 级的设计更加简洁。这种控制器工作功耗极低，可以满足提升PFC级能效的要求，同时它还具有快速瞬态响应、启动电流和关闭电流极低等特点，具有众多安全保护特性，如浪涌电流检测、过压保护、用于开环检测的欠压检测、软启动、精确的过流限制、真正的过载限制等。总之，它集成了构建紧凑而稳固的PFC 所需的所有特性。除控制器部分外，选择具有低导通电阻和低寄生电容的全新CP 系列Cool-MOS 开关管以及软恢复升压二极管也是提升效率的最佳选择。综上所述，LCD TV 开关电源中的PFC 转换器电路如图2 所示。
   
   
主DC/DC 级解决方案#e#
   
   　　4 主DC/DC 级解决方案：
   　　目前，在提高主DC/DC 级的效率方面，准谐振（QR）模式是最佳解决方案。QR 模式对负载变化的反应快，非常适合负载从最低（甚至为零）变到最大额定功率的情况，它可以实现开关管的零电压开通，从而有效地降低开通时的电流尖峰， 减少开通时电流尖峰引起的EMI 噪声，提高了效率。
   　　在QR 理论中，当功率额定值小于200 W 时，建议在DC/DC 级采用准谐振反激式拓扑； 当功率额定值超过200 W，可使用LLC 谐振转换器。但是在实际应用中，为了更好地在性能和成本之间取得平衡，设计者常常采用准谐振反激式变换器配上适当的控制芯片作为主DC/DC 级的首选解决方案。
   　　目前， 常用的准谐振反激式变换器控制芯片有安森美的NCP1337、意法半导体公司的L6566、昂宝公司的OB2202 和OB2203 和英飞凌的ICE2QS02G。其中，NCP1337，L6566，OB2202 和OB2203 应用在小功率LCDTV 开关电源中，它们的性价比相仿。而ICE2QS02G 不但可应用于小功率场合，还可以应用于中高功率场合，另外从性价比方面看，它也优于其他几种芯片。为此，在准谐振反激式变换器方案中，笔者选用ICE2QS02G 作为控制芯片。
   　　ICE2QS02G 拥有数字降频技术，使得开关频率随着负载的降低而降低，同时在整个负载范围内，控制器能根据负载情况在不同的谷底点导通MOSFET， 使得转换器的开关损耗和传导损耗始终保持平衡， 转换器获得最高运行效率，系统平均效率得到大幅度的提高。此情况下，就可以解决传统的准谐振反激式转换器（仅具备最大频率限制）在自由运行工作时所出现的如下问题：当系统负载在满载范围（50%~70%）时，开关频率将会增大许多，使得设计者必须付出很大的努力来取得成本与优化设计的平衡。此外，ICE2QS02G 还具备多种用户可调的保护功能， 旨在保护系统并使得该IC 适用于不同的应用场合。在故障模式下，例如开环控制回路/过载、输出过压和变压器绕组短路等， 该器件将切换至自动重启模式或栓锁模式。通过采用逐周期峰值电流限制和折返校正等方法，可降低变压器尺寸，优化次级二极管的电流等级，从而提高设计的成本效率。
   　　综上所述，主DC/DC 级采用准谐振反激式转换器以及对应的控制芯片ICE2QS02G 是很好的解决方案。另外，在准谐振反激式转换器中选用高压MOSFET 开关管（例如全新的800 V CoolMOS C3 系列开关管）， 可以降低主传导损耗和MOSFET 的导通损耗，可使效率再提高1%～3%，很好地改善了主DC/DC 级的效率。
   　　5 待机转换器解决方案：
   　　在全新的功耗规范标准下， 要求LCD TV 开关电源待机功耗应低于1 W。在此情况下，输出功率很低甚至为零，系统的输出电流接近于零，MOSFET 和二极管的导通损耗以及铁芯损耗可以忽略， 二次测二极管的关断损耗、MOSFET 的开启损耗也可以忽略， 待机状态下的主要损耗是MOSFET 关断损耗和启动电阻损耗。因此，降低这两方面的损耗是降低待机功耗和设计待机转换器的关键点。目前，设计者的首选解决方案是：设计独立的待机转换器，在待机转换器中采用固定频率反激式拓扑结构及其相应的控制芯片。
   　　在降低启动电阻损耗方面，传统的方法多为降低启动电流同时增大启动电阻， 但实践证明该方法的功效不明显。为此，英飞凌提出了用一个开关电路替代电阻的方法，在启动过程中，启动电路开通，而当IC 被激活后，启动电路关闭。实践证明该方法可消除启动电阻的损耗。英飞凌的CoolSET F3 芯片就集成了这样的电路以降低电源的损耗。
   　　在降低MOSFET 关断损耗方面， 由于MOSFET 关断损耗与开关频率成比例，因而频率越低损耗越小。然而，从开关电源基本原理可知：在正常工作模式下，需要利用高频来减小变压器和滤波器等器件的尺寸， 而在待机模式下，低频率有利于减小损耗。所以在待机转换器解决方案中应选用具有自动降频技术的集成功率IC。在一般的负载范围，IC 工作在高频， 当输出功率下降到某一特定阈值时，IC 将会自动减小开关频率。
   　　在“自动降频技术”方面，目前较为普遍的有脉冲跳跃模式、突变模式及非导通时间调变等方式。在这些方式中，以英飞凌推出的主动突变模式性能最优越，该模式能在系统结束待机时保持输出调节并为负载波动做好准备。从这方面考虑，再结合设计的复杂程度和成本等因素，待机转换器选择英飞凌最新推出的ICE3BR4765J是很好的解决方案。ICE3BR4765J 具备独有的主动突变模式，加上还应用了Bi-CMOS 生产制程，使产品实现了一个极低的待机功耗，例如可实现在12 W/5 V 的产品上仅有25 mW 的待机功耗。ICE3BR4765J在固定的开关频率上，加入了±4%的频率抖动功能，使整体EMI 水平降低， 从而减小用户对额外的滤波器的要求和生产成本。ICE3BR4765J 内部集成了650 V 的启动单元，大大简化了外围电路的设置，从而降低了系统成本。
   　　综合以上分析，优化的待机转换器方案是：独立设计反激式待机转换器，并采用英飞凌最新推出的集成功率IC 芯片ICE3BR4765J。
   　　基于上述PFC 级、主DC/DC 级和待机转换器的解决方案， 可设计出图3 所示的LCD TV 开关电源解决方案框图。
    6 系统性能分析：
   　　在上述电源解决方案的基础上设计出一款LCD TV开关电源，其技术指标如下：1） 输入电压为交流85～265 V；2） 输入频率为47～63 Hz；3） 输入谐波符合EN61000-3-2 标准；4） 正常运行时主DC/DC 级输出为24 V/6 A，12 V/3 A，正常运行时待机输出为5 V/2 A；5） 待机运行在5 V/0.1 A 输出条件下引脚功耗小于1 W。
   　　在上述技术指标下对系统性能进行了测试。图4 为在满载条件下系统输入功率因数与输入线路电压的对比情况。由图4 可看出，不同输入线路电压条件下，功率因数均高于94%，系统具有很高的功率因数。图5 为在不同负载和线路电压条件下的系统待机功耗。由图5 可看出，待机时系统输入功率很低，满足“能源之星3.0”的要求。图6 为在额定线路输入电压条件下，不同负载情况的系统效率。由图6 可看出，系统满负载效率超过87%，系统平均效率较高。
   
   
   　　7 小结
   　　LCD TV 开关电源所面临的能效挑战越来越严峻。要迎接这些挑战，可采用有源PFC 预调节器、准谐振反激式主DC/DC 转换器和独立的反激式待机转换器相结合的解决方案。在解决方案中， 选用安森美推出的PFC控制器NCP1*、英飞凌推出的准谐振反激式控制器ICE2QS02G、集成功率芯片ICE3BR4765J 和CoolMOS 开关管，可使设计具有良好的性价比。