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運用自定時電壓檢測技術提高LCD電視電源效率

上網時間: 2010年09月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LCD  電視  諧振轉換  MOSFET  電源轉換 

在力求縮小LCD電視體積趨勢的推動下,諧振電源轉換器的優點越來越受到電視電源工程師的關注,因為它們能支援電源半導體元件,使其運作在非常高的開關頻率,因而有助於電源變壓器和濾波電容的小型化。本文將討論如何利用基於ZXGD3101同步控制器的自定時電壓檢測同步MOSFET控制原理,協助LCD電視等消費電子產品設計實現高電源轉換效率。

透過對MOSFET的初級側實施零電壓開關(ZVS)可以實現上述要求,因為ZVS大幅降低了開關損耗。開關損耗越低、效率越高、MOSFET的熱管理越簡單。然而,電源輸出二極體的低效率嚴重阻礙了設備體積的進一步微型化。

在大螢幕電視中,要求在諧振電源內使用表面黏著MOSFET取代帶散熱器的輸出二極體。不過,由於時序複雜性、成本和現有同步整流器解決方案欠佳的表現,迄今為止,採用這一替代方案的數量非常有限。

本文將揭示自定時電壓檢測同步MOSFET控制方案如何提升電源轉換效率。

諧振轉換器的優點

諧振轉換器內的半導體開關具有軟開關特性,它獨立於負載並降低了峰值電流,因而有可能縮小電源變壓器和散熱器的體積。減少的電磁干擾(EMI)則是另一個優點。

傳統的硬開關轉換器往往更容易受寄生電容和漏電感的影響。這種影響表現為高頻振鈴、大電流尖峰和開關損耗,以及不期望的電磁干擾。

如果用在LCD電視內,由於液晶面板、電源和音效卡都緊鄰彼此,所以電磁干擾污染會嚴重影響影像和聲音品質。具有ZVS特性的諧振轉換器則不會產生此類電磁干擾。

在不同諧振拓撲中,對前端DC匯流排轉換來說,LLC諧振轉換器一直是最有吸引力的拓撲結構。圖1即為該設計原理。

圖1:帶中心抽頭次級繞組的諧振LLC轉換器。
圖1:帶中心抽頭次級繞組的諧振LLC轉換器。

使用電容與整合磁性變壓器的磁感和漏感相結合的方法,在軟開關部份建構了一個複雜的帶降壓升壓(buck boost)轉換特性的諧振槽。LLC諧振轉換器透過調節互補初級開關的開關頻率來調整輸入電壓和輸出負載。

由於LCD電視電源需遵守IEC61000-3-2標準,所以在主輸入橋式整流器後採用了主動功率因子校正(PFC)升壓預調節器。PFC調節器將為諧振轉換器的輸入提供穩壓後的390V,在正常工作時,其幅值變化不大。

在標稱直流輸入電壓下,可使諧振轉換器工作在接近串聯的諧振槽頻率fr的頻率對其實施最佳化,其中,fr?= 1/(2π)(LlkCres)0.5)。

因此,可借助相對窄的開關頻率變化,針對寬泛的負載變化對輸出電壓進行調節。在負載很輕和無載條件下,諧振轉換器或是工作在最高頻或是進入跨周(pulse-skipping)模式,以降低功耗。

如何降低功率損耗

至關重要的是,因為即使高性能的蕭特基二極體在流過大電流時都會產生較高的正向電壓,所以諧振轉換器的輸出整流器是導通損耗的一個重要來源。因此,次級側同步整流是公認的改善傳統二極體整流效率的有效方法。有兩種控制方法可用。

第一種方法是透過同步其閘極驅動訊號與初級側MOSFET的閘極驅動來驅動同步MOSFET。採用高頻變壓器將初級側MOSFET的閘極驅動訊號傳輸到電源變壓器的次級側。但對工作在寬負載範圍的LLC諧振轉換器來說,這種方法難以產生最佳化的次級側閘極驅動訊號。

在中載和輕載條件下,圖1中,由於諧振槽電壓和電流的相移,無法使用初級側的訊號驅動輸出同步整流器S1和S2。在輕載條件下,轉換器工作在諧振頻率fr以上的區域,輸出整流器電流變得不連續,且在諧振槽的電壓和電流間存在相差。

這一時序上的不匹配,導致輸出電容在不連續的整流器電流間歇期放電。由輸出電容放電導致的輸出和電源變壓器之間的無功(reactive power)能流是使轉換效率低下的原因。因此,該控制方案僅限於用在為負載變化不大的應用設計諧振轉換器。

第二個控制方法是採用取自變壓器次級側的訊號驅動同步MOSFET。感測同步MOSFET電流的方法之一是借助一個電流檢測變壓器加上一個分離比較器。然後利用比較器的輸出訊號再透過緩衝電晶體來驅動次級側MOSFET。

雖然可根據其目前電流狀態開/關MOSFET,這種方法仍受限於很高的電路複雜性和比較器的時序延遲。最近,IC設計進步使同步整流出現了從傳統的基於電流變壓器的檢測方法向無損耗漏極電壓感知技術(如下圖2所示)轉移的跡象。

圖2:帶類比閘極驅動、用於諧振轉換器漏極電壓感測的同步控制器。
圖2:帶類比閘極驅動、用於諧振轉換器漏極電壓感測的同步控制器。

除了將MOSFET次級側的無功電流損耗降至最低外,這種新技術還進一步提高了轉換效率,同時也由於不再需要電流檢測變壓器,加上拿掉了快速回應比較器,因而降低了系統成本。


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