基于L6564、L6599A和Viper27LN的170W平板電視電源設(shè)計(jì)

一、引言

在電子設(shè)備飛速發(fā)展的今天，平板電視等設(shè)備對(duì)電源的要求越來(lái)越高。本次我們要介紹的是一款170W、寬輸入市電范圍、具備功率因數(shù)校正功能的平板電視或工業(yè)應(yīng)用演示板。該設(shè)計(jì)采用了L6564、L6599A和Viper27LN等芯片，能為平板電視提供高效、穩(wěn)定的電源。

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二、主要特性與電路描述

1. 電源主要特性

• 輸入范圍：通用輸入市電范圍為90 - 264Vac，頻率45 - 65Hz。
• 輸出電壓：提供24V（±5%）/ 6A用于背光和音頻供電；12V（±3%）/ 2A用于電視面板供電；5V（±2%）/ 2A用于微處理器供電。
• 諧波與效率：滿足EN61000 - 3 - 2 Class - D或JEITA - MITI Class - D的市電諧波標(biāo)準(zhǔn)，待機(jī)市電消耗在230Vac時(shí)小于150mW（50mW負(fù)載），滿載時(shí)整體效率高于90%。
• 電磁兼容性與安全性：符合EN55022 - Class - B的EMI標(biāo)準(zhǔn)和EN60065的安全標(biāo)準(zhǔn)。
• 尺寸與PCB：尺寸為197x115mm，最大元件高度距PCB為25mm，采用單面70μm、CEM - 1材質(zhì)的PCB，混合PTH/SMT工藝。

2. 電路結(jié)構(gòu)

電路主要由兩部分組成：

• 10W待機(jī)電源：產(chǎn)生5V待機(jī)輸出，為電視微處理器和邏輯電路供電。
• 主電源部分：由PFC前端和LLC諧振轉(zhuǎn)換器組成，提供兩個(gè)輸出電壓，分別為電視面板和背光及音頻功率放大器供電。PFC階段提供400V恒定電壓，作為L(zhǎng)LC階段和待機(jī)電源的預(yù)調(diào)節(jié)器。

3. 啟動(dòng)過(guò)程

開(kāi)機(jī)時(shí)，待機(jī)電源啟動(dòng)并提供5V給電視微處理器和其他邏輯電路，同時(shí)通過(guò)線性調(diào)節(jié)器Q7為PFC和LLC控制器提供輔助電源電壓。當(dāng)on/off信號(hào)（由微處理器提供）變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，調(diào)節(jié)器Q7為L(zhǎng)6564 PFC控制器和L6599A LLC控制器提供14V電壓。為確保LLC正常工作，電路設(shè)計(jì)為PFC先啟動(dòng)，然后下游轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)。L6599A的LINE引腳可防止諧振轉(zhuǎn)換器在輸入電壓過(guò)低時(shí)工作，避免出現(xiàn)電容模式運(yùn)行。

4. 欠壓保護(hù)

欠壓保護(hù)通過(guò)Viper的欠壓引腳和L6564內(nèi)部連接到VFF引腳的內(nèi)部比較器實(shí)現(xiàn)，可防止電路在異常市電水平下工作。當(dāng)輸入電壓低于約80Vac（典型值）時(shí)，電路無(wú)法啟動(dòng)。

5. 諧振功率級(jí)

下游轉(zhuǎn)換器采用ST L6599A，可驅(qū)動(dòng)諧振轉(zhuǎn)換器，具有50%固定占空比和可變頻率。轉(zhuǎn)換器使用集成磁路設(shè)計(jì)的變壓器，利用初級(jí)漏電感作為諧振串聯(lián)電感，磁化電感作為諧振并聯(lián)電感。變壓器次級(jí)采用中心抽頭，使用功率肖特基二極管作為輸出整流器，并在每個(gè)輸出端添加了額外的LC濾波級(jí)以減少高頻紋波。

6. 輸出電壓反饋回路

調(diào)節(jié)反饋回路通過(guò)典型的TL431電路實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)光耦二極管的電流來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。為提高交叉調(diào)節(jié)性能，采用加權(quán)反饋控制，使用單軌調(diào)節(jié)多個(gè)輸出。反饋回路通過(guò)R37連接到諧振控制器L6599A的RFMIN引腳，設(shè)置最大開(kāi)關(guān)頻率約為130kHz，以限制輕載時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。R36連接到地，設(shè)置最小開(kāi)關(guān)頻率。R22和C21組成的RC串聯(lián)電路設(shè)置軟啟動(dòng)最大頻率和持續(xù)時(shí)間。

7. 過(guò)載和短路保護(hù)

半橋初級(jí)側(cè)電流通過(guò)由R53、C36、D14、D12、R55和C38組成的無(wú)損電路檢測(cè)，并輸入到ISEN引腳。當(dāng)發(fā)生過(guò)流事件時(shí)，引腳電壓上升到內(nèi)部比較器閾值（0.8V），觸發(fā)保護(hù)序列：連接到DELAY引腳的軟啟動(dòng)電容C10由內(nèi)部150μA電流發(fā)生器充電，并由電阻R12緩慢放電。如果電壓達(dá)到1.85V，IC停止開(kāi)關(guān)，被鎖存關(guān)閉，需要on/off信號(hào)循環(huán)才能重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器。

8. 過(guò)壓和開(kāi)環(huán)保護(hù)

PFC和諧振階段都有各自的過(guò)壓保護(hù)。PFC控制器L6564通過(guò)連接到PFC_OK引腳的電阻分壓器監(jiān)測(cè)輸出電壓，在環(huán)路故障、斷開(kāi)或反饋環(huán)路分壓器偏離標(biāo)稱值時(shí)保護(hù)電路。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，L6564被內(nèi)部電路關(guān)閉并鎖存，直到市電電壓循環(huán)。當(dāng)諧振階段的24V或12V輸出出現(xiàn)過(guò)壓情況時(shí)，齊納二極管D16和D17導(dǎo)通，使Q10和Q9導(dǎo)通，形成SCR結(jié)構(gòu)，將U5光耦的陽(yáng)極接地，使Q7無(wú)法為控制器提供IC電源電壓Vcc，直到市電電壓循環(huán)。

三、效率測(cè)量

1. 整體效率

2. 平均效率

根據(jù)ENERGY STAR 2.0標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的平均效率結(jié)果如圖3和圖4所示。

3. 待機(jī)電源效率

待機(jī)電源在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)效率在整個(gè)輸入市電電壓范圍內(nèi)（50% - 滿載）高于82%。在非常輕負(fù)載（如微處理器和喚醒電路）的待機(jī)操作中，230Vac時(shí)效率高于35%，能以較低的市電消耗為微處理器供電。

四、諧波含量測(cè)量

PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的主要目的是對(duì)輸入電流進(jìn)行整形，將諧波含量降低到相關(guān)法規(guī)限制以下。該演示板按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000 - 3 - 2 Class - D和日本標(biāo)準(zhǔn)JEITA - MITI Class - D進(jìn)行測(cè)試，在滿載和75W輸入功率下，在標(biāo)稱輸入市電電壓下均能有效降低諧波，使其遠(yuǎn)低于法規(guī)限制。

五、功能檢查

1. 待機(jī)電源

• 工作模式：基于Viper27LN的待機(jī)電源在低市電電壓下滿載時(shí)以連續(xù)導(dǎo)通模式工作，在高市電電壓下以不連續(xù)導(dǎo)通模式工作。
• 波形特性：從漏極波形可以看出，關(guān)斷時(shí)的典型振鈴受到限制，變壓器初級(jí)漏電感小，能減少Transil二極管D19的功率損耗，提高額定負(fù)載下的效率。D19作為鉗位器，可將漏極峰值電壓限制在Viper27LN的最大額定值以下。
• 啟動(dòng)過(guò)程：Viper27LN上電時(shí)，Vcc電容由內(nèi)部啟動(dòng)電流源充電，直到電壓達(dá)到開(kāi)啟閾值，然后開(kāi)始工作，輸出電壓上升到標(biāo)稱值。啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)部數(shù)字固定時(shí)間軟啟動(dòng)可逐漸增加漏極電流，減少對(duì)次級(jí)二極管的應(yīng)力，防止變壓器飽和。欠壓電路可防止Viper27LN在異常市電條件下啟動(dòng)。
• 輕載工作：Viper27LN在輕載時(shí)以突發(fā)模式工作，每個(gè)突發(fā)只有幾個(gè)脈沖，可減少開(kāi)關(guān)損耗，提高輕載效率，適用于低待機(jī)功耗要求的設(shè)備。
• 過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)輸出電壓超過(guò)內(nèi)部閾值時(shí)，Viper27LN停止工作，提供過(guò)壓保護(hù)。它會(huì)被鎖存，直到VDD下降到VDD_RESTART（4.5V），然后自動(dòng)重啟。
• 短路保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到輸出短路時(shí)，Viper27LN進(jìn)入安全打嗝模式，防止輔助轉(zhuǎn)換器功率元件過(guò)熱。只有在短路條件消除后，才會(huì)恢復(fù)正常工作。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)：待機(jī)電源在從滿載到空載以及反之的轉(zhuǎn)換過(guò)程中表現(xiàn)良好，輸出電壓和Vcc無(wú)下降。

2. 功率因數(shù)校正階段

PFC MOSFET的漏極電壓、電感電流以及CS和MULT引腳的電壓波形顯示，通過(guò)L6564的THD優(yōu)化器，電流失真低，功率因數(shù)高，總諧波失真顯著降低。

六、總結(jié)

這款基于L6564、L6599A和Viper27LN的170W電源設(shè)計(jì)在效率、諧波含量和功能方面都表現(xiàn)出色。它不僅滿足了平板電視等設(shè)備對(duì)電源的高要求，還具備多種保護(hù)功能，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于電子工程師來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)值得參考和借鑒的設(shè)計(jì)方案。大家在實(shí)際應(yīng)用中，是否也遇到過(guò)類似的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。