專門針對數(shù)字光投影儀而優(yōu)化的電源設(shè)計(jì)

    投影系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)優(yōu)化體現(xiàn)在高強(qiáng)度放電 (HID) 或 LED 要求、功率因數(shù)校正以及能效方面。

    TI 開發(fā)的數(shù)字光投影儀 (DLP) 顯示技術(shù)采用光半導(dǎo)體來進(jìn)行數(shù)字化光處理。DLP 芯片作為一款純數(shù)字器件，能夠?yàn)榇罅慨a(chǎn)品提供高品質(zhì)的圖片，其中所涉及的產(chǎn)品包括大屏幕數(shù)字 HDTV、商用/家用或適合專業(yè)場所的投影儀以及數(shù)字影院。由于光源（其可能為高強(qiáng)度放電燈泡或 LED 陣列）的不同而造成對電源的要求各異，并且在功率因數(shù)校正 (PFC) 和能效方面也提出了基于標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此這些應(yīng)用就提出了一些獨(dú)特的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

    為了滿足這些電源要求，設(shè)計(jì)人員需要了解 DLP 芯片的基本工作原理以及在應(yīng)用中用于提供電力的一些選項(xiàng)。

    DLP 工作原理

    DLP 芯片是一種復(fù)雜的電燈開關(guān)，其中內(nèi)含一個(gè)由多達(dá) 200 萬個(gè)安裝在鉸鏈上的微鏡所組成的矩形陣列，每個(gè)微鏡的尺寸為 16 微米×16 微米。當(dāng) DLP 芯片與數(shù)字視頻或圖形信號、光源和投影鏡頭相互協(xié)調(diào)工作時(shí)，其鏡面就會將純數(shù)字圖像反射到屏幕或其他表面上。

    DLP 芯片的每個(gè)微鏡都安裝使它們在 DLP 投影系統(tǒng)（打開時(shí)）中或遠(yuǎn)離投影系統(tǒng)（關(guān)閉時(shí)）時(shí)都能對著光源傾斜的微型鉸鏈上，從而使投影表面上的像素或明或暗。輸入半導(dǎo)體的位流圖像編碼可指令每個(gè)微鏡進(jìn)行開關(guān)操作，其速度可高達(dá)每秒幾千次。當(dāng)微鏡開啟時(shí)的頻率大于關(guān)閉時(shí)的頻率時(shí)，它就會反射淺灰色的像素；而當(dāng)微鏡關(guān)閉時(shí)的頻率更高一些時(shí)，則會反射深灰色的像素。這樣一來，DLP 投影系統(tǒng)中的微鏡就能反射高達(dá) 1024 級灰度梯度的像素，以便將輸入 DLP 芯片的視頻或圖形信號轉(zhuǎn)化為一個(gè)非常復(fù)雜的灰度級圖像。

    DLP 投影系統(tǒng)中的燈泡所產(chǎn)生的白光會在其傳輸?shù)?DLP 芯片的表面時(shí)通過一個(gè)紅、綠和藍(lán)三色彩色圖像濾波器。在通過該濾波器之后，彩色光隨后將按順序落到 DLP 芯片上以形成一個(gè)具有多達(dá) 1670 萬色的圖像。某些 DLP 投影系統(tǒng)包含了一個(gè)可投射出多達(dá) 35 萬億色的三芯片架構(gòu)。

    每個(gè)微鏡的開關(guān)狀態(tài)會與這三種基本的構(gòu)建色塊進(jìn)行相互協(xié)調(diào)。例如，負(fù)責(zé)投射紫色像素的微鏡將只反射紅色和藍(lán)色的光到投影表面。隨后，我們的眼睛會將這些快速地交替閃爍的顏色混合起來，于是在投射的圖像中就可看到預(yù)期的色調(diào)（請參見圖 1）。

    圖 1 DLP 芯片中的大量微鏡將光反射到屏幕上以實(shí)現(xiàn)高分辨率圖像

    DLP 系統(tǒng)供電

    圖 2 顯示了一款典型 DLP HDTV 電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其供給的總功率可達(dá) 200W。因?yàn)檫@些產(chǎn)品專供歐洲市場，因此通常還需要提供 PFC 電路以滿足他們的諧波要求。PFC 電路可提供穩(wěn)定的 400V 電壓，用于為燈泡、低壓邏輯和模擬電路供電。此外，在關(guān)閉期間還有一個(gè)可供給較小持續(xù)負(fù)載的備用電源。通常，此備用電源應(yīng)為節(jié)能型或綠色環(huán)保電源。為了符合“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)，在無負(fù)載的情況下，該電源所消耗的輸入功率必須要低于 0.5W。

    圖 2 鎮(zhèn)流器是 HID TV 的最大負(fù)載

    采用 LED 作為光源是另一個(gè)可直接影響到 DLP 產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)的趨勢。除了無需鎮(zhèn)流器之外，LED 還帶來了更長的燈泡使用壽命和更高的光效，并且還去除了彩色圖像濾波器。LED 為生成質(zhì)量極佳的圖像提供了一系列全新的可能性。顏色分塊不再依賴于彩色圖像濾波器設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)速度，這樣就能獲得更多的混頻選項(xiàng)并通過電流電平管理來提供更快的開關(guān)切換速度和強(qiáng)度控制。LED 光引擎的小尺寸設(shè)計(jì)在便攜式產(chǎn)品也是一個(gè)很明顯的優(yōu)勢。

    圖 3 顯示了 LED 投影儀的電源結(jié)構(gòu)圖。和 DLP LED HDTV 非常類似，它也提供了一個(gè)備用電源、PFC 電路、主電源和 LED 電源。在此結(jié)構(gòu)圖中，LED 是由其中一個(gè)主電源輸出來驅(qū)動的。備用的電路結(jié)構(gòu)則通過 PFC 的 400V 輸出為 LED 驅(qū)動器供電。盡管這些電源在結(jié)構(gòu)圖中看起來非常簡單，但實(shí)際上它們都有其各自的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

    圖 3 LED 省去了便攜式投影儀中的 HID 燈

    轉(zhuǎn)移模式還是連續(xù)導(dǎo)電模式？

    在采用 HID 燈和鎮(zhèn)流器的 DLP 應(yīng)用中，必須要在使用轉(zhuǎn)移模式 PFC 還是連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM) PFC 之間做出決定。兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為非隔離型升壓轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可從全波整流的 AC 線路輸入生成穩(wěn)定的 400V DC 輸出。除了生成一個(gè) DC 電壓之外，PFC 還會迫使線路電流（即 PFC 升壓電感中的電流）在波形和相位上順從輸入電壓。這樣就減少了線路頻率諧波并提高了功率因數(shù)。

    連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM) 和轉(zhuǎn)移模式控制之間的差異如圖 4 所示。一款采用 CCM 的 PFC 會使用固定頻率的 PWM 來調(diào)節(jié)電感中的平均電流。因此，PFC MOSFET 就必須在電流仍流經(jīng)電感和二極管時(shí)保持開啟狀態(tài)，這樣就會導(dǎo)致較高的開關(guān)和逆向恢復(fù)損耗。超快二極管雖然會使成本有所增加，但通常將其用于 CCM PFC 中以降低逆向恢復(fù)損耗。

    圖 4 轉(zhuǎn)移模式控制 PFC 消除了逆向恢復(fù)損耗

    相反，轉(zhuǎn)移模式 PFC 可調(diào)節(jié)電感的峰值電流，并在下一脈沖開始之前一直等待，直到電感電流歸零為止。這樣就顯著降低了逆向恢復(fù)和開啟損耗，但同時(shí)也會導(dǎo)致更高的峰值電流。高峰值電流可導(dǎo)致在 PFC 電感中出現(xiàn)鄰近損耗和一個(gè)相當(dāng)大的 EMI 濾波器。此外，轉(zhuǎn)移模式開關(guān)頻率為可變量，這就使 EMI 濾波器設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

    與 CCM 控制器相比，轉(zhuǎn)移模式控制器更簡單且更便宜。如表中所示，典型的經(jīng)驗(yàn)法則是采用轉(zhuǎn)移模式來實(shí)現(xiàn)低于 200W 的輸出功率，采用 CCM 模式來實(shí)現(xiàn)高于 200W 的輸出功率。

    當(dāng) TV 中的燈光來自于 HID 燈時(shí)，就需要使用電子鎮(zhèn)流器來控制 HID 燈。HID 燈由兩個(gè)位于高壓充氣燈泡中的相反電極所組成。高壓氣必須被擊穿以便電流在燈中流動，并隨后利用高壓電路所產(chǎn)生的 30kV 脈沖在燈泡的氣體內(nèi)部形成一個(gè)電弧。在把間隙擊穿之后，它就具有大約 40V 幾乎恒壓的特性。由于燈泡中的氣體變熱而使得壓力增大，于是電壓就會發(fā)生短暫的改變。當(dāng)電極末端受到侵蝕且間隙長度增加時(shí)，電壓也會出現(xiàn)長時(shí)間的變化。此時(shí)，電子鎮(zhèn)流器必須要對燈泡的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持燈輸出長時(shí)間穩(wěn)定。

    如圖 5 所示，必須將多個(gè)保護(hù)特性內(nèi)置于 HID 鎮(zhèn)流器電源之中。一旦將點(diǎn)火器點(diǎn)燃，即會做出燈是否能保持電弧持續(xù)不變的決定。如果不能，則會增加一個(gè)計(jì)數(shù)器，并做出是否重試點(diǎn)火的決定。如果存在持續(xù)電弧，就么就會限制鎮(zhèn)流器電源的功率并隨即監(jiān)控輸出電壓。如果電壓監(jiān)控器感應(yīng)到由于燈老化或開路而導(dǎo)致的過壓狀態(tài)，那么就會禁用電源。最后，就留下許多常規(guī)事務(wù)需要處理，并對燈的預(yù)熱和冷卻進(jìn)行控制，如果電源進(jìn)入了待機(jī)模式則還必須禁用 PFC。滿足了上面這些開銷，微控制器就能成為適合電源全面控制和故障監(jiān)控的最佳選擇，并且對于電源的 PWM 部分而言也是切實(shí)可行的。

    圖 5 HID 鎮(zhèn)壓流器采用了一個(gè)控制算法來監(jiān)控?zé)舻亩喾N故障

    節(jié)能

    根據(jù)節(jié)能計(jì)劃和電視類型的不同，全球范圍內(nèi)的待機(jī)功耗要求介于 1W 到 15W 之間不等。例如，為了獲得 EPA 的“能源之星”認(rèn)證，數(shù)字電視在待機(jī)模式下其功耗必須要低于 3W。

    降低待機(jī)功耗的一種顯著方式是最小化待機(jī)模式時(shí)系統(tǒng)所需的功耗。遺憾的是，通常電源設(shè)計(jì)人員會對此束手無策，并且他們還得承受不得不從有限的輸入功率預(yù)算中提供大約 300 mW 的負(fù)擔(dān)。雖然這可能看上去很容易實(shí)現(xiàn)，但 PFC 和 250W 的主電源通常會在無負(fù)載運(yùn)行時(shí)耗用足夠多的功率，從而造成遠(yuǎn)高于可接受限值的損耗。因此，在待機(jī)期間禁用所有未使用的電源（包括 PFC）是非常有必要的。一般情況下，這可通過柵極控制至電源控制器的偏置電源來實(shí)現(xiàn)。

    幸運(yùn)的是，IC 廠商已注意到高效率輕負(fù)載控制器的必要性，并且現(xiàn)在提供了專門針對這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)的控制器。圖 6 顯示了 PFC 和綠色環(huán)保模式反向轉(zhuǎn)換器待機(jī)電源的示例。該電路采用了節(jié)能的 UCC28600 來最小化待機(jī)模式下的功耗。UCC28600 能夠在輕負(fù)載時(shí)進(jìn)入猝發(fā)模式運(yùn)行，并提供一個(gè)信號以禁用至 PFC 控制器的偏置電源。

    圖 6 UCC28600 控制器（其實(shí)施了一個(gè)反向轉(zhuǎn)換器作為待機(jī)電源）在提供一個(gè)信號以禁用至 PFC 控制器的偏置電源的同時(shí)在輕負(fù)載時(shí)進(jìn)入了猝發(fā)模式

    圖 6 中所顯示的電路足以將待機(jī)功耗降至 3W 以下，但是不足以獲得低于 1W 的輸入功率。PFC 控制器需要電阻分壓器來感應(yīng) AC 線路電壓和 PFC 輸出電壓。這些電阻器很輕松地就能耗散超過 200mW 的功率。此外，PFC 輸出電容器的漏電流也可導(dǎo)致另外 200mW 不必要的損耗。將這些損耗加到一起就能使待機(jī)損耗遠(yuǎn)高于可接受的限值。在這些情況下，可能就需要使用繼電器來斷開至 PFC 和所有下行轉(zhuǎn)換器的 AC 電源。該繼電器可與專用的待機(jī)電源配合使用。此外，當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)模式時(shí)，只要該繼電器不需要顯著的偏置電源，它就可以為固態(tài)型繼電器。

    利用 LED 降低功耗

    最基本的 LED 光引擎由紅色、綠色和藍(lán)色 LED 組成，這些 LED 會在模仿彩色圖像濾波器旋轉(zhuǎn)的負(fù)載占空比和頻率下進(jìn)行脈沖啟動和停止運(yùn)行。每個(gè)顏色的單獨(dú)開/關(guān)信號將從微處理器發(fā)送到 LED 驅(qū)動器，并且每個(gè)顏色的強(qiáng)度也會通過光學(xué)傳感器反饋給微處理器。為了獲得適當(dāng)?shù)念伾�平衡，微處理器會�?LED 驅(qū)動器發(fā)送信號以調(diào)節(jié)各個(gè) LED 中的電流。

    圖 7 顯示了一個(gè)便攜式 DLP 投影儀 LED 驅(qū)動器電路的示例。在該電路中，TPS40071 控制器用于控制同步降壓功率級，該功率級在 LED 開啟時(shí)作為電流源運(yùn)行，而在 LED 關(guān)閉時(shí)則作為電壓源運(yùn)行。從微處理器發(fā)出的 LED 開/關(guān)信號通過打開 FET Q1 并將開關(guān) S1 移至向下的位置（這樣可提供電流反饋信號）即可開啟 LED。而當(dāng) LED 關(guān)閉時(shí)，S1 將返回至向上的位置，這樣就允許 TPS40071 調(diào)節(jié)驅(qū)動器的輸出電壓。通過改變由微處理器發(fā)送的 10kHz 數(shù)字脈沖序列的脈沖寬度，即可對 LED 電流進(jìn)行控制。PWM 信號在完成濾波后將被加到 TPS40071 的反饋引腳中。

    在圖 7 中，專門設(shè)計(jì)了 R1 和 R2 的電阻分壓器，以便 LED 處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定電壓能夠完美匹配 LED 處于開啟狀態(tài)時(shí)的正向壓降。這不僅可保持TPS40071 內(nèi)部誤差放大器的輸出在兩種狀態(tài)下都處于幾乎相同的電平，而且還最小化了在 LED 開啟時(shí) LED 電流的上升時(shí)間。由于快速的電流上升時(shí)間可在投影燈的數(shù)字控制方面提供更高的靈活性，因此這就顯得非常重要。

    圖 7 驅(qū)動 LED 需要有精確的時(shí)序、占空比以及振幅控制

    圖 8 中的波形顯示了轉(zhuǎn)換期間的輸出電壓和 LED 電流。對于這些波形而言，LED 驅(qū)動器將為兩個(gè)串聯(lián)的 1A 綠色 LED 供電。同步降壓電流源大約為 100kHz 的帶寬有助于最小化電流的上升時(shí)間。

    圖 8 具有寬帶寬的降壓穩(wěn)壓器為 LED 供電

    DLP 之外的優(yōu)勢

    與任何獨(dú)特的產(chǎn)品一樣，DLP 技術(shù)也給設(shè)計(jì)人員帶來了一些需要解決的新問題。但是這些問題為組件的開發(fā)帶來了靈感，這可能會使其他應(yīng)用受益匪淺并滿足 DLP 系統(tǒng)的要求。

    目前已開發(fā)出了如先前所述的控制器來為 HID 燈供電。因?yàn)樵摽刂破饕�求在綠色環(huán)保模式下運(yùn)行，因此就需要開發(fā)出可關(guān)斷部分電源系統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)。

    與此同時(shí)，LED 在推進(jìn)快速轉(zhuǎn)換率電源發(fā)展的同時(shí)也為 DLP 投影儀帶來了更高的可靠性。最后，PFC 級中對轉(zhuǎn)移模式控制的需求還使電路的成本和尺寸都有所降低