基于L6564、L6599A和Viper27LN的170W平板电视电源设计

一、引言

在电子设备飞速发展的今天，平板电视等设备对电源的要求越来越高。本次我们要介绍的是一款170W、宽输入市电范围、具备功率因数校正功能的平板电视或工业应用演示板。该设计采用了L6564、L6599A和Viper27LN等芯片，能为平板电视提供高效、稳定的电源。

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二、主要特性与电路描述

1. 电源主要特性

• 输入范围：通用输入市电范围为90 - 264Vac，频率45 - 65Hz。
• 输出电压：提供24V（±5%）/ 6A用于背光和音频供电；12V（±3%）/ 2A用于电视面板供电；5V（±2%）/ 2A用于微处理器供电。
• 谐波与效率：满足EN61000 - 3 - 2 Class - D或JEITA - MITI Class - D的市电谐波标准，待机市电消耗在230Vac时小于150mW（50mW负载），满载时整体效率高于90%。
• 电磁兼容性与安全性：符合EN55022 - Class - B的EMI标准和EN60065的安全标准。
• 尺寸与PCB：尺寸为197x115mm，最大元件高度距PCB为25mm，采用单面70µm、CEM - 1材质的PCB，混合PTH/SMT工艺。

2. 电路结构

电路主要由两部分组成：

• 10W待机电源：产生5V待机输出，为电视微处理器和逻辑电路供电。
• 主电源部分：由PFC前端和LLC谐振转换器组成，提供两个输出电压，分别为电视面板和背光及音频功率放大器供电。PFC阶段提供400V恒定电压，作为LLC阶段和待机电源的预调节器。

3. 启动过程

开机时，待机电源启动并提供5V给电视微处理器和其他逻辑电路，同时通过线性调节器Q7为PFC和LLC控制器提供辅助电源电压。当on/off信号（由微处理器提供）变为高电平时，调节器Q7为L6564 PFC控制器和L6599A LLC控制器提供14V电压。为确保LLC正常工作，电路设计为PFC先启动，然后下游转换器启动。L6599A的LINE引脚可防止谐振转换器在输入电压过低时工作，避免出现电容模式运行。

4. 欠压保护

欠压保护通过Viper的欠压引脚和L6564内部连接到VFF引脚的内部比较器实现，可防止电路在异常市电水平下工作。当输入电压低于约80Vac（典型值）时，电路无法启动。

5. 谐振功率级

下游转换器采用ST L6599A，可驱动谐振转换器，具有50%固定占空比和可变频率。转换器使用集成磁路设计的变压器，利用初级漏电感作为谐振串联电感，磁化电感作为谐振并联电感。变压器次级采用中心抽头，使用功率肖特基二极管作为输出整流器，并在每个输出端添加了额外的LC滤波级以减少高频纹波。

6. 输出电压反馈回路

调节反馈回路通过典型的TL431电路实现，通过调节光耦二极管的电流来调节输出电压。为提高交叉调节性能，采用加权反馈控制，使用单轨调节多个输出。反馈回路通过R37连接到谐振控制器L6599A的RFMIN引脚，设置最大开关频率约为130kHz，以限制轻载时的开关损耗。R36连接到地，设置最小开关频率。R22和C21组成的RC串联电路设置软启动最大频率和持续时间。

7. 过载和短路保护

半桥初级侧电流通过由R53、C36、D14、D12、R55和C38组成的无损电路检测，并输入到ISEN引脚。当发生过流事件时，引脚电压上升到内部比较器阈值（0.8V），触发保护序列：连接到DELAY引脚的软启动电容C10由内部150µA电流发生器充电，并由电阻R12缓慢放电。如果电压达到1.85V，IC停止开关，被锁存关闭，需要on/off信号循环才能重新启动转换器。

8. 过压和开环保护

PFC和谐振阶段都有各自的过压保护。PFC控制器L6564通过连接到PFC_OK引脚的电阻分压器监测输出电压，在环路故障、断开或反馈环路分压器偏离标称值时保护电路。当检测到故障时，L6564被内部电路关闭并锁存，直到市电电压循环。当谐振阶段的24V或12V输出出现过压情况时，齐纳二极管D16和D17导通，使Q10和Q9导通，形成SCR结构，将U5光耦的阳极接地，使Q7无法为控制器提供IC电源电压Vcc，直到市电电压循环。

三、效率测量

1. 整体效率

不同市电电压下的整体效率测量结果表明，满载时115Vac下效率为90.09%，230Vac下效率为91.85%。即使负载降低，效率仍能保持在较高水平。	Vin [Vrms]	Load = 100 %
5 V		12 V		24 V		Pout	[W] Pin	[%] Eff.
Vout [V]	Iout [A]	Vout [V]	Iout [A]	Vout [V]	Iout [A]	[W]
90	5.01	1.99	11.69	2.01	23.47	5.98	173.8	197.5	88.00 %
115	5.01	1.99	11.69	2.01	23.48	5.98	173.9	193.6	90.09 %
230	5.01	1.99	11.69	2.01	23.48	5.98	173.8	189.3	91.85 %
265	5.01	1.99	11.69	2.01	23.48	5.98	173.8	188.9	91.98 %

2. 平均效率

根据ENERGY STAR 2.0标准计算的平均效率结果如图3和图4所示。

3. 待机电源效率

待机电源在额定负载运行时效率在整个输入市电电压范围内（50% - 满载）高于82%。在非常轻负载（如微处理器和唤醒电路）的待机操作中，230Vac时效率高于35%，能以较低的市电消耗为微处理器供电。

四、谐波含量测量

PFC预调节器的主要目的是对输入电流进行整形，将谐波含量降低到相关法规限制以下。该演示板按照欧洲标准EN61000 - 3 - 2 Class - D和日本标准JEITA - MITI Class - D进行测试，在满载和75W输入功率下，在标称输入市电电压下均能有效降低谐波，使其远低于法规限制。

五、功能检查

1. 待机电源

• 工作模式：基于Viper27LN的待机电源在低市电电压下满载时以连续导通模式工作，在高市电电压下以不连续导通模式工作。
• 波形特性：从漏极波形可以看出，关断时的典型振铃受到限制，变压器初级漏电感小，能减少Transil二极管D19的功率损耗，提高额定负载下的效率。D19作为钳位器，可将漏极峰值电压限制在Viper27LN的最大额定值以下。
• 启动过程：Viper27LN上电时，Vcc电容由内部启动电流源充电，直到电压达到开启阈值，然后开始工作，输出电压上升到标称值。启动时，内部数字固定时间软启动可逐渐增加漏极电流，减少对次级二极管的应力，防止变压器饱和。欠压电路可防止Viper27LN在异常市电条件下启动。
• 轻载工作：Viper27LN在轻载时以突发模式工作，每个突发只有几个脉冲，可减少开关损耗，提高轻载效率，适用于低待机功耗要求的设备。
• 过压保护：当输出电压超过内部阈值时，Viper27LN停止工作，提供过压保护。它会被锁存，直到VDD下降到VDD_RESTART（4.5V），然后自动重启。
• 短路保护：当检测到输出短路时，Viper27LN进入安全打嗝模式，防止辅助转换器功率元件过热。只有在短路条件消除后，才会恢复正常工作。
• 负载调节：待机电源在从满载到空载以及反之的转换过程中表现良好，输出电压和Vcc无下降。

2. 功率因数校正阶段

PFC MOSFET的漏极电压、电感电流以及CS和MULT引脚的电压波形显示，通过L6564的THD优化器，电流失真低，功率因数高，总谐波失真显著降低。

六、总结

这款基于L6564、L6599A和Viper27LN的170W电源设计在效率、谐波含量和功能方面都表现出色。它不仅满足了平板电视等设备对电源的高要求，还具备多种保护功能，确保了系统的稳定性和可靠性。对于电子工程师来说，这是一个值得参考和借鉴的设计方案。大家在实际应用中，是否也遇到过类似的电源设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。