專門針對數字光投影儀而優化的電源設計

投影系統中的電源設計優化體現在高強度放電 (HID) 或 LED 要求、功率因數校正以及能效方面。

TI 開發的數字光投影儀 (DLP) 顯示技術采用光半導體來進行數字化光處理。DLP 芯片作為一款純數字器件，能夠為大量產品提供高品質的圖片，其中所涉及的產品包括大屏幕數字 HDTV、商用/家用或適合專業場所的投影儀以及數字影院。由于光源（其可能為高強度放電燈泡或 LED 陣列）的不同而造成對電源的要求各異，并且在功率因數校正 (PFC) 和能效方面也提出了基于標準的要求，因此這些應用就提出了一些獨特的電源設計挑戰。

為了滿足這些電源要求，設計人員需要了解 DLP 芯片的基本工作原理以及在應用中用于提供電力的一些選項。

DLP 工作原理

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

DLP 芯片的每個微鏡都安裝使它們在 DLP 投影系統（打開時）中或遠離投影系統（關閉時）時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。輸入半導體的位流圖像編碼可指令每個微鏡進行開關操作，其速度可高達每秒幾千次。當微鏡開啟時的頻率大于關閉時的頻率時，它就會反射淺灰色的像素；而當微鏡關閉時的頻率更高一些時，則會反射深灰色的像素。這樣一來，DLP 投影系統中的微鏡就能反射高達 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化為一個非常復雜的灰度級圖像。

DLP 投影系統中的燈泡所產生的白光會在其傳輸到 DLP 芯片的表面時通過一個紅、綠和藍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 芯片上以形成一個具有多達 1670 萬色的圖像。某些 DLP 投影系統包含了一個可投射出多達 35 萬億色的三芯片架構。

每個微鏡的開關狀態會與這三種基本的構建色塊進行相互協調。例如，負責投射紫色像素的微鏡將只反射紅色和藍色的光到投影表面。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期的色調（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現高分辨率圖像

DLP 系統供電

圖 2 顯示了一款典型 DLP HDTV 電源系統的結構圖，其供給的總功率可達 200W。因為這些產品專供歐洲市場，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，在關閉期間還有一個可供給較小持續負載的備用電源。通常，此備用電源應為節能型或綠色環保電源。為了符合“能源之星”標準，在無負載的情況下，該電源所消耗的輸入功率必須要低于 0.5W。

圖 2 鎮流器是 HID TV 的最大負載

采用 LED 作為光源是另一個可直接影響到 DLP 產品電源設計的趨勢。除了無需鎮流器之外，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計和旋轉速度，這樣就能獲得更多的混頻選項并通過電流電平管理來提供更快的開關切換速度和強度控制。LED 光引擎的小尺寸設計在便攜式產品也是一個很明顯的優勢。

圖 3 顯示了 LED 投影儀的電源結構圖。和 DLP LED HDTV 非常類似，它也提供了一個備用電源、PFC 電路、主電源和 LED 電源。在此結構圖中，LED 是由其中一個主電源輸出來驅動的。備用的電路結構則通過 PFC 的 400V 輸出為 LED 驅動器供電。盡管這些電源在結構圖中看起來非常簡單，但實際上它們都有其各自的設計挑戰。

圖 3 LED 省去了便攜式投影儀中的 HID 燈

轉移模式還是連續導電模式？

在采用 HID 燈和鎮流器的 DLP 應用中，必須要在使用轉移模式 PFC 還是連續導電模式 (CCM) PFC 之間做出決定。兩種拓撲結構均為非隔離型升壓轉換器，這種轉換器可從全波整流的 AC 線路輸入生成穩定的 400V DC 輸出。除了生成一個 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。

連續導電模式 (CCM) 和轉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 來調節電感中的平均電流。因此，PFC MOSFET 就必須在電流仍流經電感和二極管時保持開啟狀態，這樣就會導致較高的開關和逆向恢復損耗。超快二極管雖然會使成本有所增加，但通常將其用于 CCM PFC 中以降低逆向恢復損耗。

圖 4 轉移模式控制 PFC 消除了逆向恢復損耗

相反，轉移模式 PFC 可調節電感的峰值電流，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和開啟損耗，但同時也會導致更高的峰值電流。高峰值電流可導致在 PFC 電感中出現鄰近損耗和一個相當大的 EMI 濾波器。此外，轉移模式開關頻率為可變量，這就使 EMI 濾波器設計變得更加復雜。

與 CCM 控制器相比，轉移模式控制器更簡單且更便宜。如表中所示，典型的經驗法則是采用轉移模式來實現低于 200W 的輸出功率，采用 CCM 模式來實現高于 200W 的輸出功率。

鎮流器供電

當 TV 中的燈光來自于 HID 燈時，就需要使用電子鎮流器來控制 HID 燈。HID 燈由兩個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生的 30kV 脈沖在燈泡的氣體內部形成一個電弧。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，于是電壓就會發生短暫的改變。當電極末端受到侵蝕且間隙長度增加時，電壓也會出現長時間的變化。此時，電子鎮流器必須要對燈泡的功率進行調節以保持燈輸出長時間穩定。

如圖 5 所示，必須將多個保護特性內置于 HID 鎮流器電源之中。一旦將點火器點燃，即會做出燈是否能保持電弧持續不變的決定。如果不能，則會增加一個計數器，并做出是否重試點火的決定。如果存在持續電弧，就么就會限制鎮流器電源的功率并隨即監控輸出電壓。如果電壓監控器感應到由于燈老化或開路而導致的過壓狀態，那么就會禁用電源。最后，就留下許多常規事務需要處理，并對燈的預熱和冷卻進行控制，如果電源進入了待機模式則還必須禁用 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控的最佳選擇，并且對于電源的 PWM 部分而言也是切實可行的。

圖 5 HID 鎮壓流器采用了一個控制算法來監控燈的多種故障

節能

根據節能計劃和電視類型的不同，全球范圍內的待機功耗要求介于 1W 到 15W 之間不等。例如，為了獲得 EPA 的“能源之星”認證，數字電視在待機模式下其功耗必須要低于 3W。

降低待機功耗的一種顯著方式是最小化待機模式時系統所需的功耗。遺憾的是，通常電源設計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算中提供大約 300 mW 的負擔。雖然這可能看上去很容易實現，但 PFC 和 250W 的主電源通常會在無負載運行時耗用足夠多的功率，從而造成遠高于可接受限值的損耗。因此，在待機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現。

幸運的是，IC 廠商已注意到高效率輕負載控制器的必要性，并且現在提供了專門針對這些應用而設計的控制器。圖 6 顯示了 PFC 和綠色環保模式反向轉換器待機電源的示例。該電路采用了節能的 UCC28600 來最小化待機模式下的功耗。UCC28600 能夠在輕負載時進入猝發模式運行，并提供一個信號以禁用至 PFC 控制器的偏置電源。

圖 6 UCC28600 控制器（其實施了一個反向轉換器作為待機電源）在提供一個信號以禁用至 PFC 控制器的偏置電源的同時在輕負載時進入了猝發模式

圖 6 中所顯示的電路足以將待機功耗降至 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 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致另外 200mW 不必要的損耗。將這些損耗加到一起就能使待機損耗遠高于可接受的限值。在這些情況下，可能就需要使用繼電器來斷開至 PFC 和所有下行轉換器的 AC 電源。該繼電器可與專用的待機電源配合使用。此外，當系統處于待機模式時，只要該繼電器不需要顯著的偏置電源，它就可以為固態型繼電器。

利用 LED 降低功耗

最基本的 LED 光引擎由紅色、綠色和藍色 LED 組成，這些 LED 會在模仿彩色圖像濾波器旋轉的負載占空比和頻率下進行脈沖啟動和停止運行。每個顏色的單獨開/關信號將從微處理器發送到 LED 驅動器，并且每個顏色的強度也會通過光學傳感器反饋給微處理器。為了獲得適當的顏色平衡，微處理器會向 LED 驅動器發送信號以調節各個 LED 中的電流。

圖 7 顯示了一個便攜式 DLP 投影儀 LED 驅動器電路的示例。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 開啟時作為電流源運行，而在 LED 關閉時則作為電壓源運行。從微處理器發出的 LED 開/關信號通過打開 FET Q1 并將開關 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 LED 關閉時，S1 將返回至向上的位置，這樣就允許 TPS40071 調節驅動器的輸出電壓。通過改變由微處理器發送的 10kHz 數字脈沖序列的脈沖寬度，即可對 LED 電流進行控制。PWM 信號在完成濾波后將被加到 TPS40071 的反饋引腳中。

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