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。