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LED電視待機模式採用單電源
 

【作者: Jean-Paul LOUVEL】   2016年06月23日 星期四

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儘管所有努力都在著手LED電視的新功能,但均價不斷下降迫使電視製造商擠壓電子成本,電源模組不是他們所關注的。這是LED電視停止採用專用待機電源的原因之一,以滿足越來越嚴格的待機功耗標準。當今電源轉換器在輕載條件下提升的能效已有助於設計人員省略這個額外電源,縮減整體尺寸和成本。最終,訊號處理在待機模式的所降低的功耗加強了這個趨勢,但如今的新功能,如連接網路的電視,迎戰了這個趨勢並創造新的挑戰。


這樣的趨勢調整,將返馳轉換器用於42寸電視中有限的功率(<100 W) 相對簡單,但對於更高輸出功率的諧振LLC轉換器則變得複雜許多。本文旨在幫助交換式電源供應器(SMPS)設計人員,當他們必須用獨特的SMPS設計LED電視時,能獲得最佳的整體性能。進入待機模式前,有必要看看額定功率(導通模式)來定義整個概念。這獨特的SMPS必須為LED電視的兩個分離功能的電源提供能量:


‧ 訊號處理和音頻放大器現在普遍使用13 V,直接由全橋 D類音頻放大器(提供約2 x 10 W @ 8歐姆) 和多個DC-DC降壓轉換器使用,DC-DC降壓轉換器提供訊號處理所需的穩定


5 V、3.3 V和其他電壓。


‧ LED背光需要比以往24 V更高的電壓以縮減下行轉換器的尺寸和成本。在大多數LED電視中,電壓在80 V至300 V之間,供給單(或雙)LED串升壓或降壓LED驅動器。


兩個輸出之間的功率比在電視範圍內幾乎恒定,1/3用於13 V訊號和音頻,2/3用於高壓背光。 13 V總是由初級側制器調節,避免由於音頻調變和/或LED背光低頻PWM DIM造成的任何變化。LED下行轉換器調節LED電流和管理80至300 V軌上輸入電壓的變化。初級側控制器限制傳輸到次級測的總功率到所需功率的120%,避免自動回復(hiccup),但在由固定的定時器定義的給定時間後能停止,防止功率過限。


設計人員所面臨的第一個挑戰是安全測試和保護。當13 V在電源位準 (在整流二極體後) 對地短路,極低的阻抗令初級保護能立即啟動,避免在安全標準要求內有嚴重損壞的元件。但同樣的測試應當在這電源線上進行,特別是在訊號處理模組(在長電纜和銅佈線後)和在LED背光關閉時。這種情況下,在初級側控制器的任何開關關斷前,在單13 V上可提供總共功率的120%。這很有可能導致極高的電流流過13 V線的所有元件,如變壓器、二極體和PCB佈線。電流可超過導通模式最大電流的4倍,產生過熱,以及可能損毀元件,不符合安全標準。為避免這樣的災難性故障發生,元件尺寸必須超大,但這將對物料單(BOM)成本有負面影響。


使用次級側電流控制器能以更好的方式解決這問題。避免13 V過流,提升安全性能,無需超大的元件。安森美半導體高度整合的電流控制及電壓控制(CCCV) TSOP-5 IC NCP4328,專門設計用於這樣的功能,取代現有的TL431,可降低整體成本,無需過大的二極體和增添大的低厚度散熱片,防止增加整體PCB表面。受益於此元件優勢,能一直測量在13 V輸出上傳輸的電流能並將其保持在規定值之內。儘管這個方案不常採用返馳轉換器(<100 W),但能簡化重要的安全測試、整體設計,以及縮減總方案成本。


待機模式現在可能是焦點,但為了簡化,我們將重點放在兩種架構:


‧ 返馳無功率因數校正(PFC)(<100 W)


‧ LLC,帶PFC(>100 W)


當今返馳轉換器(PWM固定頻率或準諧振)在設計時採用頻率折返和跳週期模式,易於支援輕載/待機模式,提供好的穩壓輸出,即使輸出功率極低。然而,要保持在功耗要求以下(< 300 mW @ 230 V)並仍提供足夠支援新的高位準功能的功率,有必要提升相對於傳統設計的整體能效。


第一個改進是根據電視模式改變輸出電壓調節。如果導通模式需要13 V輸出,這電壓太高而無法為DC-DC降壓提供3.3 V待機。降至額定值的50%左右提供一些優勢,例如提升降壓能效、次級穩壓電路降低功耗、初級IC由於較低Vcc而降低功耗、初級緩衝電路功率耗散降低,以及背光電源較低的漏電流。安森美半導體新的高度整合的CCCV TSOP-6 IC 「ECO 模式」 NCP4352(在NCP4328 CCCV之上),能以自動輕載檢測提供雙穩壓位準,通過深度跳週期模式檢測將導通的輸出穩壓改變至待機模式。當功率再次升高,該IC自動強制系統以相應的穩壓值回到導通模式。當可用時,可添加「待機/導通」控制線或甚至取代自動檢測。



圖1 : 單端PWM返馳SMPS,帶ECO模式
圖1 : 單端PWM返馳SMPS,帶ECO模式

第二個初級側可能的改進,在初級控制器沒有嵌入高壓啟動時與X2 電容放電和啟動電阻有關。為符合IEC-65(或同類法規),用於EMI濾波器中的X2 電容在100 V以下放電應少於1 s,以避免任何客戶的扼流圈(electrical chock)。為降低整體方案成本和避免大的共模線圈,通常採用較大的X2 電容解決傳導EMI問題,雖然在給定的時間限制內放電越來越重要。例如,兩個330 nF 的電容放電將需要1.2 M?的電阻對應230 V時的44 mW。這些損耗已占300 mW 總功耗預算(300 mW限制)的15%。僅在電源關斷檢測後啟動,IC將很快將X2電容放電,在電源導通時幾乎沒有損耗。


如果轉換器/充電器應用中的高端返馳控制器嵌入高壓啟動,以減少啟動時間和避免增加待機功耗,「總是」處於待機模式在電視應用中是不常見的。啟動時間對於電視不太重要,它可採用X2 電容放電電阻用於初級控制器啟動,避免增加功耗和支援簡單的低壓控制器。兩個X2 電容放電電阻從每一段連接至Vcc,現在將有雙重功能。


對於一些高端應用,具備高壓(HV)啟動和主動X2 電容放電功能是很有用的。NCP1249峰值功率PWM控制器提供這兩大功能,實現更高性能和整合度。


作為簡短總結,對於單端返馳方案,次極側ECO模式CCCV控制器提供更強的安全水準和更好的待機性能。


初級側可以是下列的任一組合:


‧ 低壓控制器如NCP1256,整合啟動電阻和X2 放電電容


‧ 高壓啟動控制器如NCP1239,帶被動或主動X2 放電電容


‧ 高端控制器如NCP1249,整合高壓啟動和主動X2 放電電容,提供增添的峰值功率衝程和關斷模式功能


在中低功率返馳應用後,我們現在將考慮採用PFC和LLC SMPS支援待機模式的更高功率應用。在以前的返馳應用中,在13 V訊號處理輸出和背光電源(現達到1/4和3/4之間)之間的功率比要求添加CCCV功能,以解決安全顧慮,避免過大元件和大的散熱片。然而,如果ECO模式看起來是用於返馳SMPS的好的方案,LLC性能將需要不同的方案。


在返馳轉換器中,存儲在系統中的總能量將被傳遞至次極側,為訊號處理供電。如果有一些優勢降低了跳週期模式頻率,主要是對每一跳週期的軟啟動產生影響,對整體性能的影響則有限。


採用LLC轉換器,諧振電容必須充電方能正確運作,充電的能量將不會被傳遞到次級側(功率損耗)。在跳週期模式時,諧振電容在週期開始時充電,然後在結束時放電,將對待機性能有直接影響。為盡量減少諧振電容能量損失的影響,LLC轉換器應以盡可能低的跳週期模式頻率工作。


ECO模式以有限的/傳統的跳週期模式工作,輸出電容漣波需要大的輸出電容以實現LLC配置中極低的跳週期模式頻率。這將增加尺寸和成本。由於DC-DC降壓功能可以在大的輸入電源電壓範圍穩壓,另一種方案是在待機模式中以更大、受控制的輸出電壓擺幅工作,。


安森美半導體高度整合的CCCV SOIC-8 IC「關斷模式」NCP4354/55,支援兩個電壓位準間的大輸出電壓擺幅,具有自動輕載檢測,通過深度跳週期模式檢測從導通到關斷模式改變電壓調節。當這功率再次增加,IC將自動強制系統以相應的額定穩壓值回到導通模式。雖然關斷模式IC的設計已能支援強負載瞬態,當可用時,可添加「待機/導通」控制線以強制調節到高位準和安全啟動。有兩種「關斷模式」IC,但我們推薦採用「主動導通」型(NCP4355),因為它相對NCP4354「主動關斷」型,以有限的成本(+1光耦合器)提供最佳性能。以下的方塊圖顯示典型的應用。



圖2 : 單端LLC SMPS,帶關斷模式和PFC
圖2 : 單端LLC SMPS,帶關斷模式和PFC

在關斷模式時,性能與電壓擺幅有關,可根據輸出電容很容易地調諧。更高的性能只需使用相同的概念和設計的更大的電容。


關斷模式次極控制器還提供導通/關斷訊號,經由光耦合器傳輸至初級側以切斷初級控制器,從而最大限度地減少IC功耗。「主動導通」將在所有關斷時間內避免任何訊號和功耗,而「主動關斷」方案將強制關斷模式。


LLC初級側也應該特別設計以支援低功率/關斷的模式。由於次極控制線和新的NCP1399安森美半導體LLC控制器通過REM引腳,該控制器將在Vcc以極低功耗進入關斷模式,避免大的Vcc電容或高壓啟動電源功耗,即使是在低跳週期模式頻率。低的Vcc電容值也是確保快速LLC重啟,避免輸出電壓自動回復(hiccup)的關鍵。


如果有些LLC已設計為具備寬範圍能力,待機模式無需PFC,在低電源電壓時藉由修改的匝數比以提供次極側足夠的能量,進而對變壓器設計產生的影響,將影響導通模式/滿載能效。由於PFC模式輸出,NCP1399可直接控制PFC Vcc電源,支援PFC只在LLC跳週期模式的主動段導通。您可使用一個小的Vcc PFC電容以避免任何啟動延遲。該引腳支援採用390 V進行PFC調節,並盡可能限制LLC和PFC IC的功耗。最後,根據需要,這輸出(PFC Vcc下降)還能控制小功率高壓MOS來斷開PFC-Feedback和PFC-Brown Out的連接,進一步降低整體功耗。


總結

得益於輕載性能的提升,現在可獲得好的待機性能而無需專用待機SMPS。次極CCCV控制器完美解決安全問題,並提供實現極佳待機所需的「ECO模式」或「關斷模式」功能。


如果返馳轉換器仍可使用傳統的「ECO模式」,LCC拓墣將充分利用新的具有較大輸出電壓擺幅的「關斷模式」,以保持非常低頻率的跳週期模式。增添的關斷模式專用控制線可在跳週期模式的非主動段關斷總控制器(CCCV + LLC + PFC),以盡可能降低功耗。


新的LLC NCP1399支援關斷模式,無需額外元件,而直接連接至光耦合器,提供次極側資訊。通過將高壓啟動接到電源,該IC將在電源關斷後快速停止,避免3.3 V待機和紅色LED保持太長時間的導通。


整個系統整合NCP1602 PFC、NCP1399 LLC 和NCP4355 CCCV 關斷模式,設計成一個「組合方案」,提供高性能方案,具有很好控制的轉換段、高整合度和高度靈活性,適用於所有最新的電視平台。在150 W應用中實施和測試過該方案,在230 V交流電源下可提供達150 mW 的輸出,功耗低於300 mW。


最後,可添加NCP4810主動X2放電電容以進一步降低待機功耗,並提供可能更大的X2 電容才具備的更高靈活性。


(本文作者Jean-Paul LOUVEL任職於安森美半導體)


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