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自从英国广播公司(BBC)于1936年在伦敦开通世界上首个公共电视广播以来，电视机领域取得了长足的发展：从BBC于1953年开通首个彩色电视广播，到日本NHK于1981年进行首例高清电视(HDTV)系统演示等，不一而足。此外，世界各国纷纷采取行动，以将TV信号从模拟传输升级至具备更高质量的数字制式。以美国为例，到2009年2月美国将停止模拟电视信号传输。
但是，“在客厅中坐在一个老式大盒子面前(看电视节目)的方式已经变得落伍。对于电视行业来说，新技术的发展，正催生着无穷的机遇”。这是美国《新闻周刊》2005年6月份所描述的一个景象。推动这些机遇的其中一项技术，很明显就是平板显示(FPD)。FPD技术具有以下两个显著特点：
* 支持高达1,080 p的高清电视(HDTV)
* 屏幕尺寸更大，但总体外形更小
FPD既包括液晶显示(LCD)技术，也包括等离子技术。虽然在50英寸以上平板电视中，等离子电视(PDP)占据着优势，但在50英寸以下的大屏幕平板电视中，液晶电视无疑在市场上占据着绝对的优势地位。本文将探讨的就是一款采用安森美半导体NCP1396高能效谐振模式控制器和NCP1605功率因数控制器的220 W液晶电视电源参考设计。我们不仅会分析液晶电视对电源的要求和现有解决方案的局限，更会探讨如何利用安森美半导体的这些高性能器件来克服上述局限之处。
液晶电视对电源的要求
在大于30英寸的大尺寸平板电视中，电源通常内置，因为它需要的功率高达200 W到600 W。需要几种不同等级的电压来为背光、音频、视频、解调等不同功能模块来供电。
由于输入功率高于75 W，应用就需要遵从IEC 1000-3-2 D类标准对电流谐波含量的要求，也就要使用功率因数校正(PFC)技术。由于主电源必须优化，以提供更高的能效，并适应更纤薄的外形要求，就必须采用有源PFC来限制主电源前面的输入电压变化。大多数液晶电视电源设计用于接受交流85 V至265 V、频率为47至63 Hz的通用主输入。此外，还需要具备5 V辅助电源来为微控制器供电，因为后者在待机模式下仍然需要工作。
下面我们先来着重探讨一下待机模式下的能耗要求。将待机模式下的功耗降到最低，这是一项关键要求。有资料显示，欧盟每个家庭每年消耗的电能当中，平均有5%至10%的电能是由消费类电子设备及其它装置在待机模式下所消耗的。但与此同时，能源价格持续攀升，而人们也意识到了电视机能耗对环境的影响问题，也就是说，在所有对环境造成压力的因素中，电视机能耗是其中一个极为显著的因素。
对此，世界各地纷纷制定了多项节能行动措施。即便这些措施还没有成为标准，但大多数的制造商已在其产品设计中运用了这些节能规则。其中最常见的一项要求，便是在交流230 V电压条件下，在输出功耗不超过0.5 W的情况下输入功率最高不超过1 W。
此外，据估计，电子电器设备在工作模式下所消耗的电能占据其消耗总电能的约75%，相关电力消耗非常惊人。根据美国能源部(DOE)的预测，到2015年，(消费类)电子产品的能耗将占美国居民家庭电力需求的18%。另据尼尔森媒介研究公司(NMR)的一项研究，在2004年9月至2005年9月的收视季期间，平均每个美国家庭每天观看了8小时11分钟的电视。这项数据还未将游戏机、数字视频录像机等相关外设开启时导致电视机随同开机耗电的时间考虑在内，更不用说有线/卫星电视节目内容越来越丰富，会让人们看电视的时间进一步延长。
不仅如此，与屏幕尺寸较小的CRT电视相比，旨在取而代之的平板电视的工作功耗增加了一倍。二者能耗差异中的很大一部分原因，要归结于目前市场上销售的平板电视的显示面积要大得多。值得一提的是，液晶显示(LCD)和等离子技术本身的能效较低--因为在同等亮度设定条件下，这两种技术的背光源所消耗的电量与显示的图像内容无关，会保持不变，而CRT电视消耗的电量会因为视频内容的不同而发生变化。
有鉴于此，美国环境保护局的能源之星(Energy Star)项目打算制订电视机能效规范，而该规范在电视机的性能指标和所用技术问题上保持中立态度。
已有液晶电视电源解决方案的局限
与传统电视相比，平板电视的其中一个关键差异化特色就是其机壳的厚度--越薄越好。但是，我们应当注意的是：
* 平板电视消耗的电量相对较高，并且不同尺寸和功能组合的平板电视耗电量也会不同。与CRT电视相比，平板电视平均每立方厘米尺寸所消耗的功率要高出许多。
* 传统上消费者会将电视摆放在客厅，电视机机身的噪声传播开来，可能会酿成一个问题；如果因此在电视机设计中增添冷却风扇，可能不会受到消费者欢迎。
* 在消费电子领域，竞争非常激烈，成本问题非常重要，而目前平板电视的售价相对较高。
对于液晶电视而言，需要以合理的成本提供高能效和低电磁干扰(EMI)信号；但是，传统的拓扑结构很少能够同时满足这些需求：
* 反激式拓扑结构：变压器的使用远未达到最优化；
* 正向拓扑结构：EMI信号未被减少到最小。
采用NCP1605/NCP1396/NCP1027来克服传统拓扑结构的局限
1)架构概览。首先，从架构上来说，在前端使用有源功率因数校正技术就可对系统进行优化，因为PFC输出电压经过了很好的稳压。有源PFC前端的实现可以通过使用PFC专用控制芯片NCP1605来进行。NCP1605是安森美半导体推出的一款能够采用固定非连续导电模式(DCM)或临界导电模式(CRM)工作的增强型高压、高能效待机模式功率因数控制器。这器件集成了构建稳固PFC段的所有功能，可以采用PFC主控端方式工作，确保电源的初级dc-dc转换只有在安全情况下才会启动。在最紧迫的条件下，临界导电模式(CRM)也能够实现，而不会降低功率因数，且这电路能被视为带有频率钳位(由振荡器提供)的CRM控制器。最后，NCP1605指在提供这两种模式的优点但没有它们各自的缺点。而且，这电路为不同工作条件集成了诸多保护功能，并使用了一些特别电路，如跳周期功能，来降低PFC段在空载条件下的功耗，可将待机能耗降至最低。
在开关电源段，使用的是半桥谐振双电感加单电容(LLC)拓扑结构。这种拓扑结构具有一系列的优势，能够提升能效、降低电磁干扰(EMI)信号，并且提供更好的磁利用。在这种架构中，NCP1396用于实现半桥谐振LLC转换器的最有效控制方案。NCP1396是安森美半导体推出的一款内置上桥端与下桥端MOSFET驱动电路的高性能谐振模式控制器。NCP1396可以外部设定最低开关频率且精度高，通过专有高电压技术支持，这款控制器应用在能够接受高达600 V本体电压半桥式应用的自举MOSFET 驱动电路上。此外，可调整的死区时间可以帮助解决上方与下方晶体管相互传导的问题，同时确保初级开关在所有负载情况下的零电压转换(ZVS)，并轻松实现跳周期模式来改善待机能耗以及空载时的工作效率。
而在待机输出电路方面，通过使用NCP1027使得更高集成度成为可能。这款PWM稳压器也集成了高压开关MOSFET，以在同一个封装中提供开关电源的所有功能。
总的来看，这参考设计所选择的架构允许对设计进行优化，从而能够获得所想要的性能，但又不会过多地增加元件成本和电路复杂程度。
2)主电源：NCP1396。在对主电源进行探讨之前，我们先分析一下半桥谐振LLC拓扑结构，这种拓扑结构是串行谐振转换器(SRC)的其中一种结构，已经开始在液晶电视或等离子电视等消费类应用中广泛使用。在这些特别的应用中，输出功率等级都较高，一般在200W到600W之间。
半桥谐振LLC转换器对于传统的拓扑结构而言，是一种有吸引力的备选方案，原因有多项。这种转换器的优势包括：
* 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。开通损耗因此接近于零，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24 V电压和为CAVIO板提供12 V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。
图2就是这种结构转换器的结构示意图。50%占空比的半桥为谐振电路提供在零到输入电压Vin之间摆动的高压方波。通过采用压控振荡器(VCO)来调节频率，反馈回路可以根据功率需求来调节输出等级。如图2所示，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。
这种拓扑结构的工作特性就象是一个取决于频率的分频器。
其中：RL是真实的负载阻抗；N是变压器匝比。
接下来我们再分析一下NCP1396的保护特性。NCP1396具备多重保护功能，提供更好的电路保护，带来更安全的转换器设计而不增加电路的复杂度。NCP1396的各种强化保护功能包括反馈环路失效侦测、快速与低速事件输入，以及可以避免在低输入电压下工作的电源电压过低侦测等。得益于NCP1396的保护特性，这器件不同于其它谐振控制器。这器件能够对下列不同输入作出响应：
* 快速事件输入(Fast events input)：类似过流条件，需要关闭(休眠模式)或是成为一种强迫受控突发模式(低输出功率时跳周期)的方式。
* 低速事件输入(Slow events input)：这种输入作为延迟的关闭，这其中类似瞬态过载的事件不会立即停止脉冲，但会启动定时器。如果事件持续的时间比定时器所定时间要长，那么所有脉冲都将中止。
在本方案中的辅助反激电源中还使用到了待机电源NCP1027。该电源提供稳定的Vcc来在所有工作条件下为固定频率功率因数校正(PFC)控制器NCP1605、谐振模式控制器NCP1396供电，但它也为这些器件提供5V电压，因为这些器件在待机模式下必须保持工作状态。NCP1027的特性包括：
* 欠压检测：这控制器不允许在低主电源电压条件下工作。你可以调节电路开始或停止工作的等级。
* 斜坡补偿：用于连续导电模式(CCM)的设计帮助减少导电损耗。然而，在低输入电压(85 Vac)条件下，占空比可能超过50%，且存在次谐波振荡的风险。一个简单的接地电阻可注入适当的补偿等级。
* 过载保护：连接至本体的电阻网络降低了峰值电流能力，并且相应地在高线控制最大功率。由于这种操作独立于辅助电压Vcc来进行，这设计在简单性和执行速度上受益。
* 闩锁输入：一些PC制造商要求在出现外部故障(如过温)时能够完全闩锁。该控制器通过专用输入来实现闩锁功能。
* 频率抖动：开关频率(此处为65 kHz)在工作期间进行调制。当测试EMI时，这就会自然地扩展谐波含量，并降低峰值。
图4提供了本参考设计的完整电路图。如图所示，安森美半导体可以提供LCD TV电源中每个模块所需的器件，另外通过合理的设计折衷决策，安森美半导体可帮助以最低成本实现最佳性能。
输入电压：85 Vac到265 Vac的通用输入, 频率为47至63 Hz
主电源输出电压：
* 24 V / 6 A
* 12 V / 3 A
* 30 V / 1 A
待机电源：
* 5 V / 2.5 A
* 5 V电源的电流消耗为100 mA时，输入功率Pin小于1 W。
本参考设计的性能小结：
1)能效
2)待机能耗。
本参考设计的电路板示意图。
本文小结
安森美半导体的220 W液晶电视电源参考设计克服了传统拓扑结构的局限，提供更高的能效和功率密度，符合各种国际性规范对工作能效、待机能耗和功率因数的要求，非常适合于纤薄型设计，并帮助客户大幅缩短上市时间，从而在市场上占据先机。 |
采用NCP1396和NCP1605的220W液晶电视电源参考设计
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