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LED电视待机模式采用单电源
 

【作者: Jean-Paul LOUVEL】2016年06月23日 星期四

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尽管所有努力都在着手LED电视的新功能,但均价不断下降迫使电视制造商挤压电子成本,电源模组不是他们所关注的。这是LED电视停止采用专用待机电源的原因之一,以满足越来越严格的待机功耗标准。当今电源转换器在轻载条件下提升的能效已有助于设计人员省略这个额外电源,缩减整体尺寸和成本。最终,讯号处理在待机模式的所降低的功耗加强了这个趋势,但如今的新功能,如连接网路的电视,迎战了这个趋势并创造新的挑战。


这样的趋势调整,将返驰转换器用于42寸电视中有限的功率(


‧ 讯号处理和音频放大器现在普遍使用13 V,直接由全桥D类音频放大器(提供约2 x 10 W @ 8欧姆) 和多个DC-DC降压转换器使用,DC-DC降压转换器提供讯号处理所需的稳定


5V、3.3 V和其他电压。


‧ LED背光需要比以往24 V更高的电压以缩减下行转换器的尺寸和成本。在大多数LED电视中,电压在80 V至300 V之间,供给单(或双)LED串升压或降压LED驱动器。


两个输出之间的功率比在电视范围内几乎恒定,1/3用于13 V讯号和音频,2/3用于高压背光。 13 V总是由初级侧制器调节,避免由于音频调变和/或LED背光低频PWM DIM造成的任何变化。 LED下行转换器调节LED电流和管理80至300 V轨上输入电压的变化。初级侧控制器限制传输到次级测的总功率到所需功率的120%,避免自动回复(hiccup),但在由固定的定时器定义的给定时间后能停止,防止功率过限。


设计人员所面临的第一个挑战是安全测试和保护。当13 V在电源位准 (在整流二极体后) 对地短路,极低的阻抗令初级保护能立即启动,避免在安全标准要求内有严重损坏的元件。但同样的测试应当在这电源线上进行,特别是在讯号处理模组(在长电缆和铜布线后)和在LED背光关闭时。这种情况下,在初级侧控制器的任何开关关断前,在单13 V上可提供总共功率的120%。这很有可能导致极高的电流流过13 V线的所有元件,如变压器、二极体和PCB布线。电流可超过导通模式最大电流的4倍,产生过热,以及可能损毁元件,不符合安全标准。为避免这样的灾难性故障发生,元件尺寸必须超大,但这将对物料单(BOM)成本有负面影响。


使用次级侧电流控制器能以更好的方式解决这问题。避免13 V过流,提升安全性能,无需超大的元件。安森美半导体高度整合的电流控制及电压控制(CCCV) TSOP-5 IC NCP4328,专门设计用于这样的功能,取代现有的TL431,可降低整体成本,无需过大的二极体和增添大的低厚度散热片,防止增加整体PCB表面。受益于此元件优势,能一直测量在13 V输出上传输的电流能并将其保持在规定值之内。尽管这个方案不常采用返驰转换器(


待机模式现在可能是焦点,但为了简化,我们将重点放在两种架构:


‧ 返驰无功率因数校正(PFC)(


100W)"‧ LLC,带PFC(100W)


当今返驰转换器(PWM固定频率或准谐振)在设计时采用频率折返和跳周期模式,易于支援轻载/待机模式,提供好的稳压输出,即使输出功率极低。然而,要保持在功耗要求以下(


第一个改进是根据电视模式改变输出电压调节。如果导通模式需要13 V输出,这电压太高而无法为DC-DC降压提供3.3 V待机。降至额定值的50%左右提供一些优势,例如提升降压能效、次级稳压电路降低功耗、初级IC由于较低Vcc而降低功耗、初级缓冲电路功率耗散降低,以及背光电源较低的漏电流。安森美半导体新的高度整合的CCCV TSOP-6 IC 「ECO 模式」 NCP4352(在NCP4328 CCCV之上),能以自动轻载检测提供双稳压位准,通过深度跳周期模式检测将导通的输出稳压改变至待机模式。当功率再次升高,该IC自动强制系统以相应的稳压值回到导通模式。当可用时,可添加「待机/导通」控制线或什至取代自动检测。



图1 : 单端PWM返驰SMPS,带ECO模式
图1 : 单端PWM返驰SMPS,带ECO模式

第二个初级侧可能的改进,在初级控制器没有嵌入高压启动时与X2 电容放电和启动电阻有关。为符合IEC-65(或同类法规),用于EMI滤波器中的X2 电容在100 V以下放电应少于1 s,以避免任何客户的扼流圈(electrical chock)。为降低整体方案成本和避免大的共模线圈,通常采用较大的X2 电容解决传导EMI问题,虽然在给定的时间限制内放电越来越重要。例如,两个330 nF 的电容放电将需要1.2 M?的电阻对应230 V时的44 mW。这些损耗已占300 mW 总功耗预算(300 mW限制)的15%。仅在电源关断检测后驱动,IC将很快将X2电容放电,在电源导通时几乎没有损耗。


如果转换器/充电器应用中的高端返驰控制器嵌入高压启动,以减少启动时间和避免增加待机功耗,「总是」处于待机模式在电视应用中是不常见的。启动时间对于电视不太重要,它可采用X2 电容放电电阻用于初级控制器启动,避免增加功耗和支援简单的低压控制器。两个X2 电容放电电阻从每一段连接至Vcc,现在将有双重功能。


对于一些高端应用,具备高压(HV)启动和主动X2 电容放电功能是很有用的。 NCP1249峰值功率PWM控制器提供这两大功能,实现更高性能和整合度。


作为简短总结,对于单端返驰方案,次极侧ECO模式CCCV控制器提供更强的安全水准和更好的待机性能。


初级侧可以是下列的任一组合:


‧ 低压控制器如NCP1256,整合启动电阻和X2 放电电容


‧ 高压启动控制器如NCP1239,带被动或主动X2 放电电容


‧ 高端控制器如NCP1249,整合高压启动和主动X2 放电电容,提供增添的峰值功率冲程和关断模式功能


在中低功率返驰应用后,我们现在将考虑采用PFC和LLC SMPS支援待机模式的更高功率应用。在以前的返驰应用中,在13 V讯号处理输出和背光电源(现达到1/4和3/4之间)之间的功率比要求添加CCCV功能,以解决安全顾虑,避免过大元件和大的散热片。然而,如果ECO模式看起来是用于返驰SMPS的好的方案,LLC性能将需要不同的方案。


在返驰转换器中,存储在系统中的总能量将被传递至次极侧,为讯号处理供电。如果有一些优势降低了跳周期模式频率,主要是对每一跳周期的软启动产生影响,对整体性能的影响则有限。


采用LLC转换器,谐振电容必须充电方能正确运作,充电的能量将不会被传递到次级侧(功率损耗)。在跳周期模式时,谐振电容在周期开始时充电,然后在结束时放电,将对待机性能有直接影响。为尽量减少谐振电容能量损失的影响,LLC转换器应以尽可能低的跳周期模式频率工作。


ECO模式以有限的/传统的跳周期模式工作,输出电容涟波需要大的输出电容以实现LLC配置中极低的跳周期模式频率。这将增加尺寸和成本。由于DC-DC降压功能可以在大的输入电源电压范围稳压,另一种方案是在待机模式中以更大、受控制的输出电压摆幅工作,。


安森美半导体高度整合的CCCV SOIC-8 IC「关断模式」NCP4354/5​​5,支援两个电压位准间的大输出电压摆幅,具有自动轻载检测,通过深度跳周期模式检测从导通到关断模式改变电压调节。当这功率再次增加,IC将自动强制系统以相应的额定稳压值回到导通模式。虽然关断模式IC的设计已能支援强负载瞬态,当可用时,可添加「待机/导通」控制线以强制调节到高位准和安全启动。有两种「关断模式」IC,但我们推荐采用「主动导通」型(NCP4355),因为它相对NCP4354「主动关断」型,以有限的成本(+1光耦合器)提供最佳性能。以下的方块图显示典型的应用。



图2 : 单端LLC SMPS,带关断模式和PFC
图2 : 单端LLC SMPS,带关断模式和PFC

在关断模式时,性能与电压摆幅有关,可根据输出电容很容易地调谐。更高的性能只需使用相同的概念和设计的更大的电容。


关断模式次极控制器还提供导通/关断讯号,经由光耦合器传输至初级侧以切断初级控制器,从而最大限度地减少IC功耗。 「主动导通」将在所有关断时间内避免任何讯号和功耗,而「主动关断」方案将强制关断模式。


LLC初级侧也应该特别设计以支援低功率/关断的模式。由于次极控制线和新的NCP1399安森美半导体LLC控制器通过REM引脚,该控制器将在Vcc以极低功耗进入关断模式,避免大的Vcc电容或高压启动电源功耗,即使是在低跳周期模式频率。低的Vcc电容值也是确保快速LLC重启,避免输出电压自动回复(hiccup)的关键。


如果有些LLC已设计为具备宽范围能力,待机模式无需PFC,在低电源电压时藉由修改的匝数比以提供次极侧足够的能量,进而对变压器设计产生的影响,将影响导通模式/满载能效。由于PFC模式输出,NCP1399可直接控制PFC Vcc电源,支援PFC只在LLC跳周期模式的主动段导通。您可使用一个小的Vcc PFC电容以避免任何启动延迟。该引脚支援采用390 V进行PFC调节,并尽可能限制LLC和PFC IC的功耗。最后,根据需要,这输出(PFC Vcc下降)还能控制小功率高压MOS来断开PFC-Feedback和PFC-Brown Out的连接,进一步降低整体功耗。


总结

得益于轻载性能的提升,现在可获得好的待机性能而无需专用待机SMPS。次极CCCV控制器完美解决安全问题,并提供实现极佳待机所需的「ECO模式」或「关断模式」功能。


如果返驰转换器仍可使用传统的「ECO模式」,LCC拓墣将充分利用新的具有较大输出电压摆幅的「关断模式」,以保持非常低频率的跳周期模式。增添的关断模式专用控制线可在跳周期模式的非主动段关断总控制器(CCCV + LLC + PFC),以尽可能降低功耗。


新的LLC NCP1399支援关断模式,无需额外元件,而直接连接至光耦合器,提供次极侧资讯。通过将高压启动接到电源,该IC将在电源关断后快速停止,避免3.3 V待机和红色LED保持太长时间的导通。


整个系统整合NCP1602 PFC、NCP1399 LLC 和NCP4355 CCCV 关断模式,设计成一个「组合方案」,提供高性能方案,具有很好控制的转换段、高整合度和高度灵活性,适用于所有最新的电视平台。在150 W应用中实施和测试过该方案,在230 V交流电源下可提供达150 mW 的输出,功耗低于300 mW。


最后,可添加NCP4810主动X2放电电容以进一步降低待机功耗,并提供可能更大的X2 电容才具备的更高灵活性。


(本文作者Jean-Paul LOUVEL任职于安森美半导体)


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