發(fā)光效率的提高、使用壽命的延長(zhǎng)，以及對(duì)廣色域需求的不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)發(fā)光二極管(LED)取代冷陰極熒光燈(CCFL)成為液晶顯示屏(LCD)平板電視的背光選擇。為了給大尺寸LCD TV提供足夠的亮度，LED背光需要采用許多LED陣列。

　　根據(jù)其排列方式，LED背光單元(BLU)可劃分為側(cè)光式LED BLU和直光式LED BLU兩種，如圖1、2所示。在側(cè)光式LED BLU中，需要高效率、高升壓比DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的LED串。級(jí)聯(lián)DC-DC轉(zhuǎn)換器可以滿(mǎn)足這些要求，但也帶來(lái)一些挑戰(zhàn)，比如額外的復(fù)雜性和更高的成本。本文將介紹一種能夠解決上述問(wèn)題的倍壓升壓型轉(zhuǎn)換器。

　　側(cè)光式LED背光照明的功率要求

　　LCD TV中的BLU對(duì)于應(yīng)用總成本的影響很大，因?yàn)樗赡苷糒CD TV總成本的30-40%，并且對(duì)最終的角亮度(angular luminance)、對(duì)比度和亮度起著舉足輕重的作用。

　　作為一種BLU光源，LED在LCD行業(yè)迅速嶄露頭角，作為CCFL的替代品，預(yù)計(jì)其將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)保持穩(wěn)健增長(zhǎng)。LED在色彩表現(xiàn)力和產(chǎn)品使用壽命方面優(yōu)于CCFL，因?yàn)樗鼡碛胁粫?huì)與實(shí)際RGB波長(zhǎng)峰值重疊的RGB波長(zhǎng)。LED還很容易小型化，且抗震能力極強(qiáng)。但是LED也有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是它的成本較高。由于側(cè)光式的成本優(yōu)勢(shì)以及光學(xué)薄膜技術(shù)針對(duì)不同測(cè)光類(lèi)型的發(fā)展，目前側(cè)光式LED BLU主要運(yùn)用于LCD平板電視。

　　在大尺寸TV中，BLU邊緣排列有60個(gè)LED，這就需要電源能提供一個(gè)高壓穩(wěn)定電流源。例如，為了將開(kāi)關(guān)電源(SMPS)的24V輸出電壓提高到130V，通常會(huì)使用級(jí)聯(lián)升壓轉(zhuǎn)換器。如前所述，這種方案存在很多缺點(diǎn)，而且成本和驅(qū)動(dòng)復(fù)雜性始終是該方案難以克服的挑戰(zhàn)。因此，有不少論文建議選擇使用高升壓比升壓轉(zhuǎn)換器。眾所周知，倍壓升壓型轉(zhuǎn)換器是其中最具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案之一。利用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體供應(yīng)商可以提供最高效、最具成本效益的解決方案。

　　下面將介紹一種倍壓升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，并利用37英寸的LED背光平板電視予以驗(yàn)證。側(cè)光式LED背光的功率要求如表1所示。

表1    DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣規(guī)格

　　倍壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　側(cè)光式LED背光需要一個(gè)高效率、高升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。升壓轉(zhuǎn)換器可以滿(mǎn)足這些要求。圖3所示為一個(gè)采用了飛兆半導(dǎo)體MOSFET的倍壓升壓型轉(zhuǎn)換器的電源模塊示意圖。

圖3    電源模塊示意圖：倍壓升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器

圖4     標(biāo)注了關(guān)鍵電流參考方向的拓?fù)浼?jí)

圖5     主要理想波形：倍壓型升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

    為了便于解釋電路的工作原理，圖4給出了開(kāi)關(guān)周期內(nèi)圖3所示電路的拓?fù)浼?jí)，而圖5所示為其主要波形。

    通過(guò)MOSFET的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，倍壓升壓型轉(zhuǎn)換器支持兩種工作模式。第一種模式出現(xiàn)MOSFET(Q)導(dǎo)通期間；第二種模式出現(xiàn)在T0 – T1時(shí)間間隔內(nèi)。如圖3所示，這是電感充電，二極管D1反向偏置，隔直電容Cblock從Cout1充電。在這個(gè)階段，負(fù)載電流由濾波器電容Cout2提供。從圖4(a)可以得出：

        當(dāng)MOSFET(Q)關(guān)斷時(shí)，電感電流從MOSFET換流到二極管D1。然后，電感中儲(chǔ)存的能量被釋放到Cout1，阻斷電容Cblock放電到濾波器電容Cout2中。

        電壓轉(zhuǎn)換比可根據(jù)電感上的電壓-時(shí)間(伏-秒，volt-second)平衡關(guān)系計(jì)算出。從式1)和式2)可得：

    這里，D是占空比，VOUT為輸出電壓，而VIN則為輸入電源電壓。

    關(guān)斷期間MOSFET(Q)的漏源電壓是輸出電壓的一半，故可以選擇漏源擊穿電壓(BVDSS)較低的MOSFET，即使其輸出電壓較高也無(wú)妨。這意味著升壓轉(zhuǎn)換器的總體效率隨MSOFET的BVDSS降低而提高。鑒于漏源導(dǎo)通阻抗(RDS(on))與柵極電荷(Qg)值是MOSFET最重要的特性參數(shù)，這就有可能選擇比較合適BVDSS的MOSFET。

    電感和電容的設(shè)計(jì)是獲得快速瞬態(tài)響應(yīng)性能，以及在LED背光應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)纖薄設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。由于電感是能量?jī)?chǔ)存器件，故需要具有低DCR、高飽和電流的薄型電感。此外，為了獲得較低的紋波電流，建議采用較高的電感值。電感值可通過(guò)下面的方程式4)計(jì)算得出：

     這里，fs為開(kāi)關(guān)頻率，VOUT為輸出電壓，VIN為輸入電源電壓，ΔIL為電感紋波電流。

     輸出電容影響輸出電壓紋波，而較小的輸出電壓紋波可降低水波紋干擾(waterfall noise)。一般而言，輸出電容值越大，輸出紋波電壓就越小。輸出紋波ΔVOUT的計(jì)算公式如下所示：

    這里，COUT是輸出電容，ESR是輸出端的等效串聯(lián)阻抗。

    飛兆半導(dǎo)體的功率解決方案

    電源設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)主要是通過(guò)降低損耗來(lái)提高效率。電源系統(tǒng)要想獲得高效率，選擇具有低導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))和柵極電荷(Qg)特性的開(kāi)關(guān)器件十分重要。飛兆半導(dǎo)體在中壓MOSFET(BVDSS:100 ~ 200V)中引入了新的溝槽技術(shù)，使其具有較低的柵極電荷特性和出色的額定導(dǎo)通阻抗，從而能夠降低開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗。特別是在應(yīng)用中，控制MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗是提高效率的關(guān)鍵所在，因?yàn)镸OSFET工作在硬開(kāi)關(guān)條件下。飛兆半導(dǎo)體新推出的溝槽技術(shù)MOSFET，具有更低的柵極電荷與導(dǎo)通阻抗，針對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了充分優(yōu)化。表2顯示了采用FDD86102與采用同類(lèi)傳統(tǒng)MOSFET的比較結(jié)果。

    由于柵漏電容(米勒電容)的減小，F(xiàn)DD86102的總柵極電荷相比傳統(tǒng)器件減少了40%。在高頻應(yīng)用中，柵極電荷減少的一個(gè)好處是降低了開(kāi)關(guān)損耗，從而提高了高頻應(yīng)用的效率。

    高效率和低溫特性是LCD顯示器的關(guān)鍵性能參數(shù)，因?yàn)樾《〉慕Y(jié)構(gòu)是顯示器系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。一般而言，在室溫25℃且無(wú)空氣對(duì)流的情況下，顯示器中的MOSFET和電感器等主要元件的增溫不應(yīng)該超過(guò)65℃。

表3   FSC 100V MOSFET解決方案

    結(jié)論

    本文對(duì)側(cè)光式LED BLU應(yīng)用中作為高升壓比DC-DC轉(zhuǎn)換器的倍壓升壓型轉(zhuǎn)換器和耦合電感型轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了介紹和分析。為了降低高工作頻率應(yīng)用中的功率損失，飛兆半導(dǎo)體提供面向升壓轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)化100V MOSFET，具有低導(dǎo)通阻抗和低柵極電荷。根據(jù)LCD平板的尺寸，還可提供Power33、DPAK等不同封裝形式。

        作者：飛兆半導(dǎo)體公司應(yīng)用工程師 SungJin.Kuen

                    飛兆半導(dǎo)體公司EOM應(yīng)用工程師 Dong Sup

                    飛兆半導(dǎo)體公司高級(jí)應(yīng)用工程師 Jung Tae Lee

                    飛兆半導(dǎo)體公司高級(jí)應(yīng)用工程師 Sung Geun Yoon