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提升LED TV背光系统的中压升压转换器效率

导读: LED TV背光应用需要24V DC输入、 180V DC 0.4A输出升压转换器,相比前面提到的低电压和高电压范围升压转换器,这类中等电压升压转换器很少用于消费电子产品。在这种电压和额定功率值范围中,传导损耗、开关损耗和抗噪声能力均需予以考虑,很难找到一款适合的较廉价的器件。

  低电压范围升压转换器通常用于移动设备,以便将电池电压(1.2V 至4.2V)提升到较高的电压水平(如1.5至20V),从而为应用电路供电。在这个电压范围里,传导损耗是主要的考虑因素。市面上存在许多专门设计用于这些应用的器件,连续传导模式(CCM)是这些器件的主要工作模式。

  高电压范围升压转换器通常用作具有90V至270V AC输入和约400V DC输出的PFC转换器,在这些应用中,传导损耗并不像在低电压升压转换器中那么重要,需要更多地考虑开关损耗和抗噪声能力。因而PFC控制器通常采用某些特别的设计要素如临界导通 (CRM)工作模式、更高的电流感测电压。PFC控制器由于市场巨大而被广泛使用。

  LED TV背光应用需要24V DC输入、 180V DC 0.4A输出升压转换器,相比前面提到的低电压和高电压范围升压转换器,这类中等电压升压转换器很少用于消费电子产品。在这种电压和额定功率值范围中,传导损耗、开关损耗和抗噪声能力均需予以考虑,很难找到一款适合的较廉价的器件。

 

  拓扑和器件选择考虑事项

 

  在设计消费产品解决方案时,始终需要避免使用昂贵的拓扑和器件。而且,由于DC输入节点和输出节点(LED阵列)均位于次级端,因而LED背光照明级无需进行隔离。即便我们还有软开关谐振半/全桥拓扑等其它选择,升压(boost)拓扑是LED TV背光照明电源应用的最佳核心拓扑。

  考虑到用于移动设备的升压控制器具有高PWM频率 (通常为500 KHz 至6MHz)和低噪声兼容性(电压模式或低电流感测电压)。用于AC/DC电源的PWM控制器似乎更合适,因其具有高栅极驱动电压 (超过10V)和高电流感测电压(通常为0.5V-1.2V)。但是,大多数 AC/DC PWM控制器的工作频率为50 kHz至100 kHz。这种频率范围对于90-270VAC输入的电源是合适的,因为它能够平衡开关损耗和电感元件尺寸。不过,对于24VDC输入电源,该频率有些低,因为低工作频率需要使用大电感器。

  CRM PFC控制器是最佳的选择,因为它不仅具备AC/DC PWM控制器的优势(高栅极驱动电压和高电流感测电压),还能够通过选择电感将工作频率设置为最佳数值(200 kHz)。即便CRM PFC控制器的反馈回路在电压模式下工作,但是其锯齿波发生器和比较器内置在芯片中,并具有足够大的振幅。因而,在噪声兼容性方面不会出现问题。

 

  提高效率

 

  使用标准CRM PFC控制器来实现升压转换器,因为具有相对较低的输入/输出电压和临界导通模式工作方式,开关损耗并不是问题,其问题在于传导损耗。图1所示为升压转换器中的主要传导损耗来源。

 

  

 

  我们可以看到导通期间的传导损耗来自于Rsense、Rdson和Rcoil,本文不讨论减小Rcoil的方法,下面将分别探讨如何减小Rsense和Rdson。

  在PFC应用中,Rsense值由最大额定功率来决定,在出现异常过流情况时,Rsense上的电压应当达到逐脉冲限流电平(Vcslim),需要保留 10% 的余量范围,因而可由下式计算Rsense :

 

  

 

  对于本文探讨的应用,我们同样应当遵循这个公式。Rsense的功耗为:

 

  ,因而

 

  

 

  我们可以看到Rsense的功耗与Vcslim成比例。标准PFC控制器的Vcslim约为0.5V至1.2V,以期避免噪声带来的错误触发。在FAN7930CM 中Vcslim为0.8V。因为输入电压相对较高,而IQRMS相对较低,这个数值对于PFC应用是合适的。但对于24V输入应用,这一电压太高,使得PRsense 过大。例如,我们使用飞兆半导体公司提供的设计工具,计算72W PFC (90VAC输入、400V/0.18A输出)的Rsense的功耗。我们得到结果:Rsense = 0.289Ω,Rsense的功耗为0.22W。然后得出Rsense上的效率损失为0.22/72×100%=0.31%,如果我们使用相同的设计工具,计算具有24V输入、180V/0.4A输出的72W PFC控制器,其结果为:Rsense = 0.077Ω,Rsense的功耗为0.96W,因而效率损失为0.96/72×100%=1.33%,相比90VAC输入状况高出三倍。

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