一种用于侧光式WLED TV背光应用的功率解决方案

　　发光效率的提高、使用寿命的延长，以及对广色域需求的不断增长，推动发光二极管(LED)取代冷阴极荧光灯(CCFL)成为液晶显示屏(LCD)平板电视的背光选择。为了给大尺寸LCD TV提供足够的亮度，LED背光需要采用许多LED阵列。根据其排列方式，LED背光单元(BLU)可划分为侧光式LED BLU和直光式LED BLU两种，如图1、2所示。在侧光式LED BLU中，需要高效率、高升压比DC-DC转换器来驱动串联的LED串。级联DC-DC转换器可以满足这些要求，但也带来一些挑战，比如额外的复杂性和更高的成本。本文将介绍一种能够解决上述问题的倍压升压型转换器。

侧光式LED背光照明的功率要求

　　LCD TV中的BLU对于应用总成本的影响很大，因为它可能占LCD TV总成本的30-40%，并且对最终的角亮度(angular luminance)、对比度和亮度起着举足轻重的作用。

　　作为一种BLU光源，LED在LCD行业迅速崭露头角，作为CCFL的替代品，预计其将在未来数年内保持稳健增长。LED在色彩表现力和产品使用寿命方面优于CCFL，因为它拥有不会与实际RGB波长峰值重叠的RGB波长。LED还很容易小型化，且抗震能力极强。但是LED也有一个缺点，那就是它的成本较高。由于侧光式的成本优势以及光学薄膜技术针对不同测光类型的发展，目前侧光式LED BLU主要运用于LCD平板电视。

　　在大尺寸TV中，BLU边缘排列有60个LED，这就需要电源能提供一个高压稳定电流源。例如，为了将开关电源(SMPS)的24V输出电压提高到130V，通常会使用级联升压转换器。如前所述，这种方案存在很多缺点，而且成本和驱动复杂性始终是该方案难以克服的挑战。因此，有不少论文建议选择使用高升压比升压转换器。众所周知，倍压升压型转换器是其中最具竞争力的解决方案之一。利用这种拓扑结构，半导体供应商可以提供最高效、最具成本效益的解决方案。

　　下面将介绍一种倍压升压型DC-DC转换器的设计，并利用37英寸的LED背光平板电视予以验证。侧光式LED背光的功率要求如表1所示。

倍压DC-DC转换器

　　侧光式LED背光需要一个高效率、高升压比的DC-DC转换器设计。升压转换器可以满足这些要
求。图3所示为一个采用了飞兆半导体MOSFET的倍压升压型转换器的电源模块示意图。

　　为了便于解释电路的工作原理，图4给出了开关周期内图3所示电路的拓扑级，而图5所示为其主要波形。

　　通过MOSFET的开关转换，倍压升压型转换器支持两种工作模式。第一种模式出现MOSFET(Q)导通期间；第二种模式出现在T0 – T1时间间隔内。如图3所示，这是电感充电，二极管D1反向偏置，隔直电容Cblock从Cout1充电。在这个阶段，负载电流由滤波器电容Cout2提供。从图4(a)可以得出： 　　

　　当MOSFET(Q)关断时，电感电流从MOSFET换流到二极管D1。然后，电感中储存的能量被释放到Cout1，阻断电容Cblock放电到滤波器电容Cout2中。

　　电压转换比可根据电感上的电压-时间(伏-秒，volt-second)平衡关系计算出。从式1)和式2)可得：

　　这里，D是占空比，VOUT为输出电压，而VIN则为输入电源电压。

　　关断期间MOSFET(Q)的漏源电压是输出电压的一半，故可以选择漏源击穿电压(BVDSS)较低的MOSFET，即使其输出电压较高也无妨。这意味着升压转换器的总体效率随MSOFET的BVDSS降低而提高。鉴于漏源导通阻抗(RDS(on))与栅极电荷(Qg)值是MOSFET最重要的特性参数，这就有可能选择比较合适BVDSS的MOSFET。

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　　电感和电容的设计是获得快速瞬态响应性能，以及在LED背光应用中实现纤薄设计的关键因素之一。由于电感是能量储存器件，故需要具有低DCR、高饱和电流的薄型电感。此外，为了获得较低的纹波电流，建议采用较高的电感值。电感值可通过下面的方程式4)计算得出：

　　这里，fs为开关频率，VOUT为输出电压，VIN为输入电源电压，ΔIL为电感纹波电流。
输出电容影响输出电压纹波，而较小的输出电压纹波可降低水波纹干扰(waterfall noise)。一般而言，输出电容值越大，输出纹波电压就越小。输出纹波ΔVOUT的计算公式如下所示：

　　这里，COUT是输出电容，ESR是输出端的等效串联阻抗。

飞兆半导体的功率解决方案

　　电源设计的发展趋势主要是通过降低损耗来提高效率。电源系统要想获得高效率，选择具有低导通阻抗(RDS(ON))和栅极电荷(Qg)特性的开关器件十分重要。飞兆半导体在中压MOSFET(BVDSS:100 ~ 200V)中引入了新的沟槽技术，使其具有较低的栅极电荷特性和出色的额定导通阻抗，从而能够降低开关损耗与导通损耗。特别是在应用中，控制MOSFET的开关损耗是提高效率的关键所在，因为MOSFET工作在硬开关条件下。飞兆半导体新推出的沟槽技术MOSFET，具有更低的栅极电荷与导通阻抗，针对升压转换器进行了充分优化。表2显示了采用FDD86102与采用同类传统MOSFET的比较结果。

　　由于栅漏电容(米勒电容)的减小，FDD86102的总栅极电荷相比传统器件减少了40%。在高频应用中，栅极电荷减少的一个好处是降低了开关损耗，从而提高了高频应用的效率。

　　高效率和低温特性是LCD显示器的关键性能参数，因为小而薄的结构是显示器系统的一个关键指标。一般而言，在室温25℃且无空气对流的情况下，显示器中的MOSFET和电感器等主要元件的增温不应该超过65℃。图8和图9所示为效率及热性能的分析结果。

结论

　　本文对侧光式LED BLU应用中作为高升压比DC-DC转换器的倍压升压型转换器和耦合电感型转换器进行了介绍和分析。为了降低高工作频率应用中的功率损失，飞兆半导体提供面向升压转换器的最优化100V MOSFET，具有低导通阻抗和低栅极电荷。根据LCD平板的尺寸，还可提供Power33、DPAK等不同封装形式。