發光效率的提高、使用壽命的延長，以及對廣色域需求的不斷增長，推動發光二極管(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。

　　根據其排列方式，LED背光單元(BLU)可劃分為側光式LED BLU和直光式LED BLU兩種，如圖1、2所示。在側光式LED BLU中，需要高效率、高升壓比DC-DC轉換器來驅動串聯的LED串。級聯DC-DC轉換器可以滿足這些要求，但也帶來一些挑戰，比如額外的復雜性和更高的成本。本文將介紹一種能夠解決上述問題的倍壓升壓型轉換器。

　　側光式LED背光照明的功率要求

　　LCD TV中的BLU對于應用總成本的影響很大，因為它可能占LCD TV總成本的30-40%，并且對最終的角亮度(angular luminance)、對比度和亮度起著舉足輕重的作用。

　　作為一種BLU光源，LED在LCD行業迅速嶄露頭角，作為CCFL的替代品，預計其將在未來數年內保持穩健增長。LED在色彩表現力和產品使用壽命方面優于CCFL，因為它擁有不會與實際RGB波長峰值重疊的RGB波長。LED還很容易小型化，且抗震能力極強。但是LED也有一個缺點，那就是它的成本較高。由于側光式的成本優勢以及光學薄膜技術針對不同測光類型的發展，目前側光式LED BLU主要運用于LCD平板電視。

　　在大尺寸TV中，BLU邊緣排列有60個LED，這就需要電源能提供一個高壓穩定電流源。例如，為了將開關電源(SMPS)的24V輸出電壓提高到130V，通常會使用級聯升壓轉換器。如前所述，這種方案存在很多缺點，而且成本和驅動復雜性始終是該方案難以克服的挑戰。因此，有不少論文建議選擇使用高升壓比升壓轉換器。眾所周知，倍壓升壓型轉換器是其中最具競爭力的解決方案之一。利用這種拓撲結構，半導體供應商可以提供最高效、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轉換器的設計，并利用37英寸的LED背光平板電視予以驗證。側光式LED背光的功率要求如表1所示。

表1    DC-DC轉換器的電氣規格

　　倍壓DC-DC轉換器

　　側光式LED背光需要一個高效率、高升壓比的DC-DC轉換器設計。升壓轉換器可以滿足這些要求。圖3所示為一個采用了飛兆半導體MOSFET的倍壓升壓型轉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轉換器

圖4     標注了關鍵電流參考方向的拓撲級

圖5     主要理想波形：倍壓型升壓DC-DC轉換器

    為了便于解釋電路的工作原理，圖4給出了開關周期內圖3所示電路的拓撲級，而圖5所示為其主要波形。

    通過MOSFET的開關轉換，倍壓升壓型轉換器支持兩種工作模式。第一種模式出現MOSFET(Q)導通期間；第二種模式出現在T0 – T1時間間隔內。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。在這個階段，負載電流由濾波器電容Cout2提供。從圖4(a)可以得出：

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

        電壓轉換比可根據電感上的電壓-時間(伏-秒，volt-second)平衡關系計算出。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妨。這意味著升壓轉換器的總體效率隨MSOFET的BVDSS降低而提高。鑒于漏源導通阻抗(RDS(on))與柵極電荷(Qg)值是MOSFET最重要的特性參數，這就有可能選擇比較合適BVDSS的MOSFET。

    電感和電容的設計是獲得快速瞬態響應性能，以及在LED背光應用中實現纖薄設計的關鍵因素之一。由于電感是能量儲存器件，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。電感值可通過下面的方程式4)計算得出：

     這里，fs為開關頻率，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阻抗。

    飛兆半導體的功率解決方案

    電源設計的發展趨勢主要是通過降低損耗來提高效率。電源系統要想獲得高效率，選擇具有低導通阻抗(RDS(ON))和柵極電荷(Qg)特性的開關器件十分重要。飛兆半導體在中壓MOSFET(BVDSS:100 ~ 200V)中引入了新的溝槽技術，使其具有較低的柵極電荷特性和出色的額定導通阻抗，從而能夠降低開關損耗與導通損耗。特別是在應用中，控制MOSFET的開關損耗是提高效率的關鍵所在，因為MOSFET工作在硬開關條件下。飛兆半導體新推出的溝槽技術MOSFET，具有更低的柵極電荷與導通阻抗，針對升壓轉換器進行了充分優化。表2顯示了采用FDD86102與采用同類傳統MOSFET的比較結果。

    由于柵漏電容(米勒電容)的減小，FDD86102的總柵極電荷相比傳統器件減少了40%。在高頻應用中，柵極電荷減少的一個好處是降低了開關損耗，從而提高了高頻應用的效率。

    高效率和低溫特性是LCD顯示器的關鍵性能參數，因為小而薄的結構是顯示器系統的一個關鍵指標。一般而言，在室溫25℃且無空氣對流的情況下，顯示器中的MOSFET和電感器等主要元件的增溫不應該超過65℃。

表3   FSC 100V MOSFET解決方案

    結論

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

        作者：飛兆半導體公司應用工程師 SungJin.Kuen

                    飛兆半導體公司EOM應用工程師 Dong Sup

                    飛兆半導體公司高級應用工程師 Jung Tae Lee

                    飛兆半導體公司高級應用工程師 Sung Geun Yoon