LED-TV-Geräte unterliegen einem stetigen Preisverfall bei steigender Nachfrage nach immer flacheren Geräten mit noch mehr Funktionen. Dies gilt vor allem für die neueste Generation von TV-Geräten mit Internet-Anschluss. Bisher wurde bei diesen Geräten ein separates Standby-Netzteil eingebaut. Da in den neuesten Netzteilen der Wirkungsgrad bei geringen Lasten erhöht wurde, kann diese Funktion in das Hauptnetzteil integriert werden. Kleinere TV-Geräte (bis 42 Zoll) verwenden üblicherweise einen Sperrwandler bis 100 W. Das Hinzufügen eines Standby-Modus ist relativ einfach, wird aber bei höheren Leistungen zu einer komplexen Aufgabe, sobald LLC-Resonanzwandler zum Einsatz kommen. Der folgende Beitrag beschreibt, wie sich für das Stromversorgungssystem eines LED-TV-Geräts eine optimale Leistungsfähigkeit mit kombiniertem Haupt- und Standby-Netzteil erzielen lässt.
Nennleistung im eingeschalteten Zustand
Bevor wir näher auf den Standby-Betrieb eingehen, müssen wir die Nennleistung im eingeschalteten Zustand untersuchen, da diese den Gesamtleistungsbedarf definiert. Das Netzteil muss zwei separate Funktionen des LED-TV-Geräts unterstützen.
Die Signalverarbeitung und Audioverstärker erfordern 13 V. Sie werden direkt vom Klasse-D-Vollbrücken-Audioverstärker bereitgestellt, der 2 x 10 W bei 8 Ohm liefert. Mehrere DC/DC-Abwärtswandler stellen geregelte 5 V beziehungsweise 3,3 V sowie jede für die Signalverarbeitung erforderliche Spannung zur Verfügung.
Die Spannung für die LED-Hintergrundbeleuchtung wurde von zuvor 24 V auf einen Wert zwischen 80 und 300 V erhöht, um Größe und Kosten des nachgeschalteten Wandlers zu verringern. Sie versorgt entweder Aufwärts- oder Abwärts-LED-Treiber für die LED-Stränge.
In den meisten Geräten stellt die präzise geregelte 13-V-Schiene in etwa ein Drittel der Gesamtleistung bereit. Sicherheit ist bei Netzteilen im Bereich der Consumer-Elektronik ein wichtiges Anliegen. Um eine Überhitzung im Fall eines Kurzschlusses zu vermeiden, müssen Fehlermodi berücksichtigt werden. Falls kein spezieller Schutz vorliegt, müssen die Bauteile eine entsprechende Größe aufweisen. Dies wirkt sich jedoch negativ auf die Stückkosten aus. Alternativ kann ein sekundärseitiger Stromregler einen Überstrom auf der 13-V-Schiene verhindern. Die Hinzunahme solch eines intelligenten Schutzes erhöht die Sicherheit und verhindert eine Überdimensionierung der Bauteile. Der vollintegrierte Strom- und Spannungsregler (CCCV) NCP4328 von ON Semiconductor kann das Bauteil TL431 vollwertig ersetzen und beseitigt überdimensionierte Dioden und den großen Kühlkörper. Das Bauteil überwacht kontinuierlich den Strom auf der 13-V-Schiene und stellt sicher, dass er den definierten Wert nicht überschreitet. Obwohl dies in einem <100-W-Sperrwandler-Design nicht üblich ist, sind die Sicherheits- und Kostenvorteile erheblich.
Zwei Beispiele für den Standby-Modus
Anhand von zwei Beispielen (mit und ohne Leistungsfaktorkorrektur, PFC) wird der Standby-Modus untersucht:
Sperrwandler ohne PFC (<100 W)
LLC mit PFC (>100 W)
Moderne Sperrwandler lassen sich so auslegen, dass sie die geringen Lasten im Standby-Modus unterstützen. Um die Anforderungen an den Stromverbrauch zu erfüllen (<300 mW bei 230 V) und dennoch genügend Leistung für neue Funktionen bereitzustellen, müssen bei einem Einsatz in LED-TV-Geräten jedoch der Gesamtwirkungsgrad verbessert und der Betrieb des Netzteils geändert werden. Ein höherer Wirkungsgrad kann durch das Absenken der Spannung auf der 13-V-Schiene erzielt werden. Die Spannung ist für den Wandler, der die 3,3-V-Standby-Spannung erzeugt, höher als erforderlich. Eine Absenkung der Schienenspannung auf etwa 6 bis 7 V führt neben einem verbesserten Wirkungsgrad auch zu einem geringeren Stromverbrauch im Primärkreis-IC und im Sekundärkreis-Regelkreis sowie zu einem geringeren Leckstrom in der Versorgung für die Hintergrundbeleuchtung. Der neue, vollintegrierte Eco-Modus-CCCV NCP4352 von ON Semiconductor ermöglicht eine Spannungsregelung auf zwei Ebenen mit automatischer Erkennung geringer Lasten. Sobald das LED-TV-Gerät in den Standby-Modus übergeht, ändert sich die Spannung auf der 13-V-Schiene. Bei Bedarf kann eine Standby-/On-Steuerleitung hinzugefügt werden oder die automatische Erkennung ersetzen.
Eine weitere Verbesserung im Primärkreis betrifft die X2-Kondensatorentladung, wenn der Primärkreis-Controller keine integrierte High-Voltage-Startup-Funktion aufweist. Um der IEC-65 (oder vergleichbar) zu entsprechen, sollten die X2-Kondensatoren in den EMI-Filtern in weniger als einer Sekunde auf unter 100 V entladen werden. Anstatt sperriger Gleichtakt-Drosselspulen kommen größere X2-Kondensatoren zum Einsatz, die leitungsgebundene elektromagnetische Störungen (EMI) beseitigen. Schnelles Entladen ist damit umso mehr von Bedeutung. Widerstände zum Entladen zweier 330-nF-Kondensatoren würden circa 44 mW Leistung oder 15 Prozent des 300-mW-Budgets verbrauchen. Der NCP4810 sorgt für aktive Entladung und entlädt den X2-Kondensator nahezu ohne Stromverbrauch. Für Highend-Anwendungen bietet der Spitzenleistungs-PWM-Controller NCP1249 sowohl High-Voltage-Startup als auch eine aktive Kondensatorentladung.
Bei einem einzelnen Sperrwandler bietet der sekundärseitige Eco-Modus-CCCV mehr Sicherheit und ein besseres Standby-Verhalten. Die Primärseite bietet dann folgende Optionen:
Einen Low-Voltage-Controller (zum Beispiel NCP1256 oder NCP12510) mit Startup-Widerstand und X2-Kondensatorentladung vereint
Einen High-Voltage-Startup-Controller (zum Beispiel NCP1239) mit passiver oder aktiver X2-Kondensatorentladung
Einen Highend-Controller (zum Beispiel NCP1249) mit High-Voltage-Startup und aktiver X2-Kondensatorentladung, zusätzlicher Spitzenleistungsabdeckung sowie Off-Modus-Funktion
Damit können wir eine Hochleistungsanwendung (LLC-Netzteil mit Leistungsfaktorkorrektur) mit Standby-Modus umsetzen. Bei dieser Anwendung nimmt die 13-V-Schiene etwa 25 Prozent des Gesamtleistungsverbrauchs ein. Der Eco-Modus, der bei einem Sperrwandler-Netzteil so gut funktionierte, ist bei dieser Lösung jedoch nicht optimal. Bei LLC-Wandlern geht die Ladeenergie für den Resonanzkondensator in Form von Verlustleistung verloren. Im Skip-Modus hat die Ladung des Resonanzkondensators jedoch einen direkten Einfluss auf die Standby-Performance. Um diesen Einfluss zu minimieren, sollte die Frequenz im Skip-Modus so gering wie möglich sein. In allen LLC-Netzteilen arbeitet der Eco-Modus mit begrenzter Skip-Mode-Welligkeit am Ausgangskondensator, was große Kondensatoren erfordert, um eine niedrige Skip-Mode-Frequenz zu erzielen.
Eine alternative Lösung wäre ein größerer, geregelter Ausgangsspannungshub im Standby-Modus, der sich über den nachgeschalteten Abwärtsregler einstellen lässt. Der NCP4354/55 ist ein vollintegrierter CCCV-Off-Modus-IC, der einen großen Ausgangsspannungshub mit automatischer Erkennung geringer Lasten ermöglicht. Dabei kommt eine Skip-Modus-Erkennung zum Einsatz, um die Spannungsregelung vom On- in den Off-Modus zu ändern. Steigt die Leistung, schaltet der IC das System in den On-Modus zurück. Eine Standby-/On-Steuerleitung für ein schnelleres Einschalten kann hinzugefügt werden. Der Active-On-Controller NCP4355 bietet die beste Leistungsfähigkeit und benötigt nur einen zusätzlichen Optokoppler. Im Off-Modus hängt die Performance vom Spannungshub ab. Eine höhere Leistungsfähigkeit erfordert lediglich größere Ausgangskondensatoren (bei gleichem Design). Der LCC-Primärkreis sollte so ausgelegt sein, dass er diesen Low-Power-/Off-Modus unterstützt. Mit Hilfe sekundärseitiger Steuerleitung und des LLC-Controllers NCP1399 geht der Controller in einen besonders stromsparenden Off-Modus über.
Fazit
Es zeigt sich, dass dank verbesserter Netzteile auch bei geringer Last eine hervorragende Standby-Performance möglich ist, ohne ein spezielles Standby-Netzteil zu benötigen. Ein CCCV-Controller im Sekundärkreis stellt einen Eco- oder einen Off-Modus für den Standby-Betrieb bereit und zerstreut Sicherheitsbedenken dank der aktiven Stromregelung. Sperrwandler können im Eco-Modus betrieben werden. Die LCC-Topologie profitiert jedoch mehr durch den neuen Off-Modus-Betrieb. In einigen Fällen kann eine spezielle Off-Modus-Steuerung das gesamte Netzteil (CCCV+LLC+PFC) ausschalten, um die Leistung maximal zu senken. Durch Hinzufügen eines aktiven X2-Kondensatorentladungs-IC (NCP4810) kann der Standby-Stromverbrauch noch weiter verringert werden. Dieser erlaubt auch größere X2-Kondensatoren für EMI-Filter, ohne den Stromverbrauch zu erhöhen.
Das Gesamtsystem von ON Semiconductor umfasst den NCP1602 PFC, den NCP1399 LLC und den NCP4355 Off-Modus-CCCV. Es stellt eine hochintegrierte, leistungsfähige und flexible Lösung mit geregelten Übergangsphasen bereit. Damit lassen sich alle Standby-Anforderungen neuester LED-TV-Geräte erfüllen. Das System wurde in einer 150-W-Anwendung getestet und zeigte eine Ausgangsleistung von 150 mW, während weniger als 300 mW am 230-VAC-Netz verbraucht wurden.
