LCD TV中的电源应用方案

LCD TV电源架构的介绍

图1所示为LCD TV的电源架构，图中架构的输入电压为90-265V，输入频率从47Hz到63Hz，经过调试整流后会经过PFC架构，由于本文主要针对MOS，因此图中没有表示出调试整流部分。PFC根据所使用的IC选择采用DCM或者CCM。从PFC出来后有一个PWM，如果输出功率小于65W，则PWM端采用Flyback或QR模式。现在LCD TV常用的是半桥共振和LLC架构。5V一侧有备用电源，目前LCD TV的备用电源通常采用的是IC绑定MOS。所不同的是逆变器部分，传统输出是24V，此处采用的则是LIPS架构，并从PFC端将400V电压直接加到此处。电压从24V增加到400V的好处是：电流相对变小，因此效率更好；而且24V逆变器采用的是全桥式架构，需4个MOS，而如果采用LIPS架构则采用半桥架构，只需要两个MOS，随着MOS量的减少，成本也随之降低。

图2所示为一个实际的TV板。从图1的电源架构角度看，该电路板中有两个STEP EMI内核，图中标记了红色的部分有一个PFC MOSFET，目前Vishay主推IRFP27N60KPBF，PWM的MOSFET采用的是半桥LLC架构，这一部分用500V MOS即可，该电路板使用的是IRFB840APBF。此外还有3组输出，即5V、12V和24V，以及一个5V的备用电源。

拓扑结构及工作原理

PFC即Power Factor Correction，是一个升压式架构。当PFC控制器的电源大于70W小于200W时，通常会采用DCM结构，这种结构电压比较高，通常需要选择600或650V的MOS。当电源大于200W时，通常采用CCM结构。对于一次侧PWM拓扑架构，如图3所示，一般采用的是Flyback架构。电源为65W或90W以下的适配器会采用Flyback架构，26"和32"电视也可能采用Flyback架构。半桥结构需要两个MOS，而全桥结构需要4个MOS。其实半桥和全桥式架构比较适用于大电源中。目前广为接受的TV电源主要是LLC架构，是由两个MOS Q1和Q2串联Cr、Lr和Lm，以及一个变压器组成，如图3中右下图所示。还有一些情况采用Forward和Double Forward构架，由于Forward电压非常大，可能达到900-1000V，因此电压选择要谨慎。而对于Double Forward而言，500V电压足矣。

零电压切换

由于共振切换方式中电压电流交叉面积变小，相对开关损耗变小，效率变高，温度降低，因此通常采用共振切换的方式，目前最常用的是零电压切换。由于采用LC架构，其共振频率为 f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}，当操作频率大于共振频率时，则操作在ZVS（零电压切换）架构上。从图4中可以看到，当电流增加时电压为零，电压增加时电流为零。只有在电流减小电压增加的瞬间才有小小的切换损耗，而大部分时间无损耗，相对于共振损耗来讲，这种情况损耗更小，因此ZVS架构效率更好。

LLC共振转换器

图5所示为半桥共振LLC共振转换器，这种架构根据 f_{r}=frac{1}{2πsqrt{L_{r}C_{r}}}计算出共振频率的第一个点和第二个点。一般情况下希望将LLC共振设计在ZVS区域内。如果在ZCS区域内损耗比较大，只需将开关频率设计成大于共振频率即可实现。图5中右上角的图表示了开关频率随着电压增益变换关系图。共振LLC转换器应用于LCD TV时的优点有：

1）高效率：初级MOS零电压切换几乎没有损耗，而且次级整流二极管为ZCS切换，损耗较少，因此整体效率得到提升；
2）高电源密度；
3）良好的EMI（低dV/dt和dI/dt）；
4）更好的交叉调整率；
5）较低的输出纹波噪声；
6）低热扰动
7）节约成本

LLC拓扑的工作原理

图6所示为LLC拓扑的工作原理。可以看到左边为两个MOS（高压MOS和低压MOS）串联两个电感，一个电容和一个变压器。二次侧部分有两个整流二极管，为非同步整流方式。图的右侧为电流与电压变化分段示意图。在T0-T1阶段，两个MOS没有导通，电流通过MOS的二极管逆流回去；在T1-T2阶段，高压侧MOS导通，电流从VDC流到地，在二次侧部分的二极管导通；T2-T3唯一改变的是二次侧的二极管关断，电流从Vout流出，两边为隔离状态，高压侧MOS还是导通，低压侧MOS还是关闭的；T3-T4阶段高压MOS关掉，低压MOS没有导通，但是电流通过低压侧MOS的二极管，二次侧的二极管也导通；T4-T5阶段低压MOS完全导通，二次侧的二极管也完全导通；T5-T6阶段二次侧二极管关断，低压MOS导通。

Vishay目前拥有的LCD TV电源的产品

Vishay目前主推的LCD TV高压MOS为Gen6，是一种比较新的技术，以6"晶圆制造，其中包括K-Series与L-Series，可以从器件命名的最后一个字母看到。K-Series比较适用于PFC AC/DC SMPS以及电机驱动，或者硬开关全桥的初级开关、半桥、正向式转换器等。L-Series很适合AC/DC SMPS ZVS全桥中的初级开关。图7和图8列出了1M的电压产品。

应用实例

图9所示为一个采用LLC的LCD TV应用，其中用红色圈起来的部分为针对PFC的MOS和半桥共振的MOS所推荐的型号。在半桥共振部分，实际应用中选择500V的MOS即可。