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LCD TV中的电源转换链与开关电源拓扑

09-08 12:13:21 | http://www.5idzw.com | 电子制作 | 人气:520
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大尺寸平板电视:40英寸及更大尺寸


40/42英寸LCD TV的功耗可能高达300W,46英寸的更是高达330W。在这个功率等级,连续导电模式(CCM)拓扑对PFC而言最为适用。此外,最少需要两个开关电源来满足背光和信号处理的功率需求,以及遵从待机能耗要求。在这个功率等级,传统的反激拓扑不再适用,设计人员必须考虑新的拓扑,如单/双开关前向拓扑或半桥拓扑。这两种拓扑都需要在连续导电模式下工作,而该模式会导致出现硬开关和EMI信号挑战,以及滋生在紧凑型消费导向应用中不受欢迎的电磁问题。对于功率等级较低的LCD TV而言,它们通常采用的是准谐振模式,这种模式凭借减小开关损耗而能够提高能效。而在功率等级更高的大屏幕平板电视中,采用谐振拓扑的优势十分突出,这种模式会引导设计人员采用半桥谐振LLC,而后者是谐振转换器系列中的一员。半桥谐振LLC的优势体现在:


● 基于完整负载范围的零电压开关(ZVS):在零漏极电压条件下进行开关切换。通电损耗因此接近于零,与半桥相比EMI信号质量更佳,而半桥拓扑是工作在硬开关条件下。
● 低关断电流:开关在低电流条件下关断,因此关断损耗也比半桥拓扑更低。
● 副二极管可进行零电流关断:当转换器工作在满载条件下时,输出整流器会在零电流时关断,从而减少EMI信号问题。
● 无需增加元件数量:元件数量基本上与传统半桥拓扑相当。
● 良好的交互调节功能:尽管事实上采用单个开关电源器件来同时为面板提供24V电压和为CAVIO板提供12V电压,但背光的数字调光并不会与两路输出电压的调制产生干扰。


在这个功率等级,最常见的电源转换链包含一个主开关电源及一个待机专用开关电源,其中主开关电源采用半桥谐振拓扑,能够同时输出24V和12V电压。


图6所示为该谐振转换器的结构。一个50%负载周期半桥提供了在零到输入电压VIN再到谐振电路之间摇摆的高压方波。通过采用压控振荡器(VCO)来调节频率,反馈回路能够根据功率需求来调节输出等级。

图6 谐振转换器的结构示意图

图7 LLC谐振转换器的补充示意图

图8 半桥LLC波形


该谐振电路由电容Cs,以及两个电感Ls和Lm串联组成。其中的Lm电感代表的是变压器磁化电感,它与Ls和Cs一起,会构成一个谐振点。这个电感上的负载产生的反射要么会令谐振点从电路上消失(在大负载电流条件下,Lm会被电阻值较小的、发生了反射的负载电阻RL所完全短路),要么会使其在轻载条件下继续与串联电感Ls串联。其结果是,根据负载条件的不同,谐振频率会在最小与最大之间变动。


工作频率取决于功率需求。在低功率条件下,工作频率相当之高,且离谐振点相当远。但在高功率条件下,控制回路会降低开关频率,并会采用其中某个谐振频率来为负载提供必需的电流。

结论


平板电视电源转换链的设计需要考虑诸多的挑战和相互冲突的设计折中,才能设计出无需有源冷却的高性价比、高能效、小巧纤薄的解决方案。此外,为了满足不同消费者的需求,平板电视制造商需要提供众多不同的功能组合,同时要求无须对每款电源进行重新设计。系统设计和IC制造商已经合作起来探寻最佳的设计折中组合。如今,我们需要集中力量开发下一代的LCD TV,令面板背光子系统能够直接从功率因数转换段供电。

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