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专门针对数字光投影仪而优化的电源设计
作者:德州仪器 Brian King 和 Robert Kollman
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投影系统中的电源设计优化体现在高强度放电 (HID) 或 LED 要求、功率因数校正以及能效方面。

TI 开发的数字光投影仪 (DLP) 显示技术采用光半导体来进行数字化光处理。DLP 芯片作为一款纯数字器件,能够为大量产品提供高品质的图片,其中所涉及的产品包括大屏幕数字 HDTV、商用/家用或适合专业场所的投影仪以及数字影院。由于光源(其可能为高强度放电灯泡或 LED 阵列)的不同而造成对电源的要求各异,并且在功率因数校正 (PFC) 和能效方面也提出了基于标准的要求,因此这些应用就提出了一些独特的电源设计挑战。

为了满足这些电源要求,设计人员需要了解 DLP 芯片的基本工作原理以及在应用中用于提供电力的一些选项。

DLP 工作原理

DLP 芯片是一种复杂的电灯开关,其中内含一个由多达 200 万个安装在铰链上的微镜所组成的矩形阵列,每个微镜的尺寸为 16 微米×16 微米。当 DLP 芯片与数字视频或图形信号、光源和投影镜头相互协调工作时,其镜面就会将纯数字图像反射到屏幕或其他表面上。

DLP 芯片的每个微镜都安装使它们在 DLP 投影系统(打开时)中或远离投影系统(关闭时)时都能对着光源倾斜的微型铰链上,从而使投影表面上的像素或明或暗。输入半导体的位流图像编码可指令每个微镜进行开关操作,其速度可高达每秒几千次。当微镜开启时的频率大于关闭时的频率时,它就会反射浅灰色的像素;而当微镜关闭时的频率更高一些时,则会反射深灰色的像素。这样一来,DLP 投影系统中的微镜就能反射高达 1024 级灰度梯度的像素,以便将输入 DLP 芯片的视频或图形信号转化为一个非常复杂的灰度级图像。

DLP 投影系统中的灯泡所产生的白光会在其传输到 DLP 芯片的表面时通过一个红、绿和蓝三色彩色图像滤波器。在通过该滤波器之后,彩色光随后将按顺序落到 DLP 芯片上以形成一个具有多达 1670 万色的图像。某些 DLP 投影系统包含了一个可投射出多达 35 万亿色的三芯片架构。

每个微镜的开关状态会与这三种基本的构建色块进行相互协调。例如,负责投射紫色像素的微镜将只反射红色和蓝色的光到投影表面。随后,我们的眼睛会将这些快速地交替闪烁的颜色混合起来,于是在投射的图像中就可看到预期的色调(请参见图 1)。

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图1 DLP 芯片中的大量微镜将光反射到屏幕上以实现高分辨率图像

DLP 系统供电

图 2 显示了一款典型 DLP HDTV 电源系统的结构图,其供给的总功率可达 200W。因为这些产品专供欧洲市场,因此通常还需要提供 PFC 电路以满足他们的谐波要求。PFC 电路可提供稳定的 400V 电压,用于为灯泡、低压逻辑和模拟电路供电。此外,在关闭期间还有一个可供给较小持续负载的备用电源。通常,此备用电源应为节能型或绿色环保电源。为了符合“能源之星”标准,在无负载的情况下,该电源所消耗的输入功率必须要低于 0.5W。

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图 2 镇流器是 HID TV 的最大负载

采用 LED 作为光源是另一个可直接影响到 DLP 产品电源设计的趋势。除了无需镇流器之外,LED 还带来了更长的灯泡使用寿命和更高的光效,并且还去除了彩色图像滤波器。LED 为生成质量极佳的图像提供了一系列全新的可能性。颜色分块不再依赖于彩色图像滤波器设计和旋转速度,这样就能获得更多的混频选项并通过电流电平管理来提供更快的开关切换速度和强度控制。LED 光引擎的小尺寸设计在便携式产品也是一个很明显的优势。

图 3 显示了 LED 投影仪的电源结构图。和 DLP LED HDTV 非常类似,它也提供了一个备用电源、PFC 电路、主电源和 LED 电源。在此结构图中,LED 是由其中一个主电源输出来驱动的。备用的电路结构则通过 PFC 的 400V 输出为 LED 驱动器供电。尽管这些电源在结构图中看起来非常简单,但实际上它们都有其各自的设计挑战。

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图 3 LED 省去了便携式投影仪中的 HID 灯

转移模式还是连续导电模式?

在采用 HID 灯和镇流器的 DLP 应用中,必须要在使用转移模式 PFC 还是连续导电模式 (CCM) PFC 之间做出决定。两种拓扑结构均为非隔离型升压转换器,这种转换器可从全波整流的 AC 线路输入生成稳定的 400V DC 输出。除了生成一个 DC 电压之外,PFC 还会迫使线路电流(即 PFC 升压电感中的电流)在波形和相位上顺从输入电压。这样就减少了线路频率谐波并提高了功率因数。

连续导电模式 (CCM) 和转移模式控制之间的差异如图 4 所示。一款采用 CCM 的 PFC 会使用固定频率的 PWM 来调节电感中的平均电流。因此,PFC MOSFET 就必须在电流仍流经电感和二极管时保持开启状态,这样就会导致较高的开关和逆向恢复损耗。超快二极管虽然会使成本有所增加,但通常将其用于 CCM PFC 中以降低逆向恢复损耗。

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图 4 转移模式控制 PFC 消除了逆向恢复损耗

相反,转移模式 PFC 可调节电感的峰值电流,并在下一脉冲开始之前一直等待,直到电感电流归零为止。这样就显著降低了逆向恢复和开启损耗,但同时也会导致更高的峰值电流。高峰值电流可导致在 PFC 电感中出现邻近损耗和一个相当大的 EMI 滤波器。此外,转移模式开关频率为可变量,这就使 EMI 滤波器设计变得更加复杂。

与 CCM 控制器相比,转移模式控制器更简单且更便宜。如表中所示,典型的经验法则是采用转移模式来实现低于 200W 的输出功率,采用 CCM 模式来实现高于 200W 的输出功率。

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镇流器供电

当 TV 中的灯光来自于 HID 灯时,就需要使用电子镇流器来控制 HID 灯。HID 灯由两个位于高压充气灯泡中的相反电极所组成。高压气必须被击穿以便电流在灯中流动,并随后利用高压电路所产生的 30kV 脉冲在灯泡的气体内部形成一个电弧。在把间隙击穿之后,它就具有大约 40V 几乎恒压的特性。由于灯泡中的气体变热而使得压力增大,于是电压就会发生短暂的改变。当电极末端受到侵蚀且间隙长度增加时,电压也会出现长时间的变化。此时,电子镇流器必须要对灯泡的功率进行调节以保持灯输出长时间稳定。

如图 5 所示,必须将多个保护特性内置于 HID 镇流器电源之中。一旦将点火器点燃,即会做出灯是否能保持电弧持续不变的决定。如果不能,则会增加一个计数器,并做出是否重试点火的决定。如果存在持续电弧,就么就会限制镇流器电源的功率并随即监控输出电压。如果电压监控器感应到由于灯老化或开路而导致的过压状态,那么就会禁用电源。最后,就留下许多常规事务需要处理,并对灯的预热和冷却进行控制,如果电源进入了待机模式则还必须禁用 PFC。满足了上面这些开销,微控制器就能成为适合电源全面控制和故障监控的最佳选择,并且对于电源的 PWM 部分而言也是切实可行的。

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图 5 HID 镇压流器采用了一个控制算法来监控灯的多种故障

节能

根据节能计划和电视类型的不同,全球范围内的待机功耗要求介于 1W 到 15W 之间不等。例如,为了获得 EPA 的“能源之星”认证,数字电视在待机模式下其功耗必须要低于 3W。

降低待机功耗的一种显著方式是最小化待机模式时系统所需的功耗。遗憾的是,通常电源设计人员会对此束手无策,并且他们还得承受不得不从有限的输入功率预算中提供大约 300 mW 的负担。虽然这可能看上去很容易实现,但 PFC 和 250W 的主电源通常会在无负载运行时耗用足够多的功率,从而造成远高于可接受限值的损耗。因此,在待机期间禁用所有未使用的电源(包括 PFC)是非常有必要的。一般情况下,这可通过栅极控制至电源控制器的偏置电源来实现。

幸运的是,IC 厂商已注意到高效率轻负载控制器的必要性,并且现在提供了专门针对这些应用而设计的控制器。图 6 显示了 PFC 和绿色环保模式反向转换器待机电源的示例。该电路采用了节能的 UCC28600 来最小化待机模式下的功耗。UCC28600 能够在轻负载时进入猝发模式运行,并提供一个信号以禁用至 PFC 控制器的偏置电源。

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图 6 UCC28600 控制器(其实施了一个反向转换器作为待机电源)在提供一个信号以禁用至 PFC 控制器的偏置电源的同时在轻负载时进入了猝发模式

图 6 中所显示的电路足以将待机功耗降至 3W 以下,但是不足以获得低于 1W 的输入功率。PFC 控制器需要电阻分压器来感应 AC 线路电压和 PFC 输出电压。这些电阻器很轻松地就能耗散超过 200mW 的功率。此外,PFC 输出电容器的漏电流也可导致另外 200mW 不必要的损耗。将这些损耗加到一起就能使待机损耗远高于可接受的限值。在这些情况下,可能就需要使用继电器来断开至 PFC 和所有下行转换器的 AC 电源。该继电器可与专用的待机电源配合使用。此外,当系统处于待机模式时,只要该继电器不需要显著的偏置电源,它就可以为固态型继电器。

利用 LED 降低功耗

最基本的 LED 光引擎由红色、绿色和蓝色 LED 组成,这些 LED 会在模仿彩色图像滤波器旋转的负载占空比和频率下进行脉冲启动和停止运行。每个颜色的单独开/关信号将从微处理器发送到 LED 驱动器,并且每个颜色的强度也会通过光学传感器反馈给微处理器。为了获得适当的颜色平衡,微处理器会向 LED 驱动器发送信号以调节各个 LED 中的电流。

图 7 显示了一个便携式 DLP 投影仪 LED 驱动器电路的示例。在该电路中,TPS40071 控制器用于控制同步降压功率级,该功率级在 LED 开启时作为电流源运行,而在 LED 关闭时则作为电压源运行。从微处理器发出的 LED 开/关信号通过打开 FET Q1 并将开关 S1 移至向下的位置(这样可提供电流反馈信号)即可开启 LED。而当 LED 关闭时,S1 将返回至向上的位置,这样就允许 TPS40071 调节驱动器的输出电压。通过改变由微处理器发送的 10kHz 数字脉冲序列的脉冲宽度,即可对 LED 电流进行控制。PWM 信号在完成滤波后将被加到 TPS40071 的反馈引脚中。

在图 7 中,专门设计了 R1 和 R2 的电阻分压器,以便 LED 处于关闭状态时的稳定电压能够完美匹配 LED 处于开启状态时的正向压降。这不仅可保持TPS40071 内部误差放大器的输出在两种状态下都处于几乎相同的电平,而且还最小化了在 LED 开启时 LED 电流的上升时间。由于快速的电流上升时间可在投影灯的数字控制方面提供更高的灵活性,因此这就显得非常重要。

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图 7 驱动 LED 需要有精确的时序、占空比以及振幅控制

图 8 中的波形显示了转换期间的输出电压和 LED 电流。对于这些波形而言,LED 驱动器将为两个串联的 1A 绿色 LED 供电。同步降压电流源大约为 100kHz 的带宽有助于最小化电流的上升时间。

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图 8 具有宽带宽的降压稳压器为 LED 供电

DLP 之外的优势

与任何独特的产品一样,DLP 技术也给设计人员带来了一些需要解决的新问题。但是这些问题为组件的开发带来了灵感,这可能会使其他应用受益匪浅并满足 DLP 系统的要求。

目前已开发出了如先前所述的控制器来为 HID 灯供电。因为该控制器要求在绿色环保模式下运行,因此就需要开发出可关断部分电源系统的变频控制系统。

与此同时,LED 在推进快速转换率电源发展的同时也为 DLP 投影仪带来了更高的可靠性。最后,PFC 级中对转移模式控制的需求还使电路的成本和尺寸都有所降低。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (8/31/2009)
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