如何去设计一种32英寸高压LIPS液晶电视电源？

　　32英寸及更大尺寸的主流液晶电视电源要求产生多个电压轨来为音频、背光及信号处理等不同系统模块供电。其中，信号处理板上使用本地线性及DC-DC转换器来提供不同的低压轨。对于制造商而言，通常使用通用电源，支持90至265 Vac电压。这就使基于特定电视尺寸的单个电源设计能够用于一系列的不同型号，满足不同区域市场需求，简化物流及降低开发成本。
　　如果某型号液晶电视面对全球市场且其功率高于75 W，就需要遵从欧洲有关减少谐波的IEC61000-3-2标准，从而需要使用有源功率因数校正器。通常来说，液晶电视内最耗电的子系统是背光模块。当今的大多数液晶电视使用冷阴极荧光管（CCFL）阵列作为背光源。这些灯管需要采用交流高电压驱动，而且需要对灯管电流进行稳流。传统上逆变器是一个单独模块，采用额定电压为24 V的直流电源供电。在这种途径下，背光要求与LCD面板相关联，而且一个电源设计能够用于多个不同供应商提供的面板，从而简化了液晶电视设计，但这种途径效率较低，而且增加了额外的电源部分（指24V输出）。例如，液晶电视的交流输入电压在PFC段被升压至400 Vdc，然后又采用谐振（LLC）半桥转换为24 Vdc。此24 Vdc然后提供给逆变器模块，从直流低压转换为高于1，000 V的交流高压以驱动CCFL灯。这种多段转换流程产生较大损耗，并会增加系统成本。
　　本参考设计中使用的高压LIPS（HV-LIPS）架构旨在消除400 Vdc至24 Vdc转换段，直接从高压功率因数校正（PFC）输入段为逆变器供电，从而改善系统总效率。这要求以高压直接变换的方式在液晶电视内融合传统电源功能，优化总体系统方案。
　　传统上，全球众多志愿性及规范机构的标准都着眼于降低电子产品的待机能耗，美国、欧盟等地的众多国际规范对电视产品的待机能耗要求为1 W，而中国中标认证中心（CSC）要求为3 W。而随着液晶电视尺寸越来越大，其能耗也越来越高。由于液晶电视市场份额越来越大，规范机构也越来越关注平板电视工作状态下的能耗对电网的累积影响。如“能源之星”发布了电视产品第3版工作能耗要求（见表1）。
　　表1：“能源之星”3.0版电视规范对工作模式的能耗要求
　　
　　关键设计目标
　　输入电压：通用输入85-265 Vac， 47-63 Hz
　　系统电源
　　* 有源功率因数校正（Active PFC），符合IEC61000-3-2规范
　　* 最大稳态能耗50 W，峰值60 W
　　* 12 V / 4 A峰值
　　* 5 V / 2.5 A峰值
　　* 24 V – MOSFE门驱动偏置
　　* 能够灵活修改，支持其它电压/电流配置
　　* 50 mW负载时，待机输入能耗（Pin） 《 400 mW （5 V@10 mA）
　　逆变器电源
　　* 支持100 W功率
　　* 启动电压（Strike voltage） 》 1，500 Vac，工作电压》 800 Vac
　　* 固定频率逆变器，可在40-80 kHz范围调节
　　* 支持数字及模拟调光
　　* 能够同步至视频时钟源
　　PFC段设计
　　高压LIPS架构的核心就是有源PFC前端升压段。首先，对于输入功率高于75 W的电源而言，它使设计符合IEC61000-3-2规范的谐波含量要求。其次，它为逆变器段提供经过稳压的400 Vdc高压。除了为背光供电，PFC段还提供电能给隔离型反激开关电源转换器，此反激转换器提供所有需要的电源，为执行液晶电视内的控制、接口、信号处理及音频放大等功能的数字及模拟电路供电。根据液晶电视特性集及功能的不同，这个模块的功率可能介于30至60 W之间。为了简化设计，及降低这个电源转换段的总体复杂度，本参考设计选用了安森美半导体专有的高能效反激控制器NCP1351，此器件使大多数液晶电视应用无需专用的待机电源。选择NCP1351是因为它采用准谐振固定导通时间（FON）控制原理，在负载要求变小时降低反激转换器的开关频率。两个（置于次级端的）额外开关会在待机模式断开主电源负载，从而免除待机模式下的寄生损耗。
　　PFC段所采用的PFC控制器是安森美半导体的NCP1606B，此控制器设计用于工作在可变频率临界导电模式（CrM），是150 W功率（《180 W）应用的最适合方案。有关此PFC段的电磁干扰（EMI）设计、具体控制途径、详细设计过程及测试结果等更多信息，可参见参考资料［1］。
　　用于控制、信号及音频功能的反激转换器段
　　由于采用专门的直流-交流（DC-AC）转换器来为CCFL灯供电，反激开关电源用于为控制、信号处理及音频放大等功能的模拟及数字模块供电。由于要求的总功率有限（《60 W），有可能考虑反激拓扑结构，带有待机模式，却无需专用待机开关电源，这提高了解决方案的总体性价比。要实现这个目标，需要在轻载条件下能提供高能效的控制器架构。
　　此反激变换器使用了NCP1351 PWM控制器，主要是用于功率低于60 W的离线反激电源。NCP1351采用准固定导通时间技术，不同负载和不同输入电压对应不同的关闭时间，负载变轻时降低其开关频率，同时降低开关损耗。因此，使用这种方案的电源自然地提供极小的待机功率，并且优化其它负载条件下的能效。随着频率的下降，峰值电流逐渐降低至最大峰值电流的约30%，防止变压器机械工作共振。可听噪声的风险也大幅消除，同时还获得良好的待机能耗性能。
　　由于PWM控制器工作在准固定导通时间，开关频率随着负载而变化。在轻载条件下，此反激转换器工作在不连续导电模式（DCM）。负载增加时，频率也随之增加，直到控制器进入连续导电模式（CCM），而CCM优化用于提供极高的效率。
　　另外，在液晶电视应用中，实现良好的交叉稳压是一项设计挑战，因为容限非常严格（通常为±5%），且由于音频放大的大动态范围，以及信号处理电源负载根据输入视频源的不同而变化，动态工作可能大范围地变化。本参考设计基准型（SMPS1）的典型输出电压及负载范围是：
　　* +5 V：0至2.5 A
　　* +12 V：0至4 A
　　为了改善总体交叉稳压性能，+5 V二极管连接至绕组的地（GND），而+12 V绕组在5 V绕组之上。而在待机模式下，开关电源的频率工作在声频范围。因此，根据变压器构造及机械设计的不同，有可能出现一些可听见的噪声。大多数人最敏感的频率范围是7至13 kHz范围。本专用参考设计应用于50至75 mW的额定待机负载，故待机时的频率小于5 kHz。
　　本参考设计提供充足的灵活性，配合多种输出配置，而只须对BOM作简单调整。NCP1351B反激设计能够灵活的支持多达4个独特电压输出。本参考设计所使用的标准配置（SMPS1）拥有5 Vdc和12 Vdc输入，以及24 Vdc电压输出。表2中列出了多种可选配置，能够用于配合不同的电源机制。
　　表2：反激转换器段标准及可选输出电压配置
　　
　　高压背光逆变器电源段
　　1） 半桥与全桥拓扑结构比较
　　高压逆变器能够采用半桥或全桥拓扑结构实现。决定采用何种拓扑结构要考虑多项因素。与半桥结构引比，全桥拓扑结构拥有众多优势，如固定工作频率时零电压开关（ZVS）、降低EMI及功率损耗、减轻MOSFET开关应力及减少散热等。此外，在全桥拓扑结构下，由于控制器工作在固定频率，有可能将开关频率与视频频率同步，避免任何可能的背光子系统干扰影响视频图像。
　　2） LX6503背光控制器
　　本参考设计采用了Microsemi的LX6503背光控制器。LX6503是一款高性能CCFL控制器，旨在用于液晶电视及其它多灯LCD显示系统。它经过了特别优化，是用于高压逆变器架构的一种高性价比解决方案。这控制器提供一对推挽式（push-pull） PWM驱动信号，在增加简单的外部电路的情况下，具有足够的能力驱动推挽式半桥或全桥CCFL逆变器。
　　3） CCFL驱动及电流平衡
　　必须仔细考虑CCFL灯启动及电流平衡，从而拥有可靠的背光系统。本参考设计中使用的JIN平衡器（balancer）解决方案能够提供极佳的灯电流平衡功能，同时还结合频率扫描（frequency sweeping）j启动技术 ，确保可靠的灯启动。JIN平衡器基于平衡变压器的电磁耦合原理，产生额外的校正电压给灯，从而均衡灯电流。这平衡器网络的基本配置如图1所示。平衡器次级绕组的串行回路均衡了初级端电流，并提供灯电路之间的耦合机制。有了这样的耦合机制，如果其中某个灯未启动，已经启动的灯的能量将自动耦合至未启动灯电路的初级绕组，从而增加灯电压，帮助其启动。如图1所示，平衡器网络的绕线配置是一致的，而不管灯数量是多少。此外，一种类型的平衡器变压器能够适应几乎所有灯尺寸。这些特性使JIN平衡器解决方案能够非常灵活地用于CCFL逆变器应用。
　　
　　图1：JIN平衡器网络的基本配置及波形图。
　　32英寸液晶电视背光子系统的典型配置是：
　　* 12个灯
　　* 所有灯一起连接至共用地
　　* 系统电流感测在地线上
　　* 所有灯采用单输出高压变压器“同相（in phase）”驱动
　　总体能效性能及应用优势
　　本参考设计的重点在于以高能效的架构提供极佳的参数性能，这架构在所有电源转换段的工作损耗都较低。下面的表3中介绍了一些典型的性能数据，其中反激及PFC段的负载为不同测试负载条件下的负载。逆变器能效为估计值，因为直接在高压灯上精确地测量输出功率非常困难，而且精度不够高。在典型负载条件下，PFC在完整线路输入范围下的能效高于95%，反激转换器在37 W典型负载配置下的峰值能效为78%。顾及根据所采用的交叉稳压技术的不同5 V和12 V输出上出现的额外损耗，这个数值可谓相当不错。逆变器的能效得到的优化，这要归因于全桥零电压开关拓扑结构将开关损耗减至最小。支撑它的一项论据是这样的事实：全桥MOSFET使用表面贴装DPAK器件，不需要任何额外散热片。
　　表3：安森美半导体高压LIPS液晶电视电源参考设计的总体能效性能。
　　
　　总的来看，安森美半导体这款32英寸高压LIPS液晶电视电源参考设计采用优化的架构，具有极高的能效及极低的待机能耗，符合各种能效规范的工作能效、最大工作能效及待机能耗要求。本参考设计的功能框图如图2所示：
　　
　　图2：安森美半导体32英寸高压LIPS液晶电视电源参考设计功能框图
　　总结：
　　安森美半导体这款GreenPoint参考设计支持新兴的高压LIPS架构，直接从PFC段而非传统的24 V为逆变器供电，从而省下一个从PFC段到24 V的完整电源转换部分。此外，这参考设计采用了高能效专有架构的NCP1351反激控制器，免除了与专用待机电源相关的需求及开销，从而进一步简化了解决方案。这款参考设计中展示的架构具有高度的灵活性，支持多种电压/电流配置，而只需对原理图及所用元件作出极小改动。最后，因为使用了采用零电压开关全桥拓扑结构的先进背光控制器，逆变器电源能够轻易地扩展，支持高至42英寸的多种液晶电视尺寸。客户利用这高能效先进参考设计，可缩短开发周期，加快产品上市进程。