针对数字光投影仪优化的电源设计

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摘要：本文详细介绍了数字光投影仪(DLP)芯片的基本工作原理以及在应用中用于提供电力的一些选项。

关键词：DLP；LED；连续导电模式；功率因数校正

投影系统中的电源设计优化体现在高强度放电(HID)或LED要求、功率因数校正以及能效方面。

数字光投影仪(DLP)芯片作为一款纯数字器件，能够为大量产品提供高品质的图片，其中所涉及的产品包括大屏幕数字HDTV、商用／家用或适合专业场所的投影仪以及数字影院。由于光源(其可能为高强度放电灯泡或LED阵列)的不同而造成对电源的要求各异，并且在功率因数校正(PFC)和能效方面也提出了基于标准的要求，因此这些应用就提出了一些独特的电源设计挑战。

为了满足这些电源要求，设计人员需要了解DLP芯片的基本工作原理，以及在应用中用于提供电力的一些选项。

DLP工作原理

DLP芯片是一种复杂的电灯开关，其中内含一个由多达200万个贴装在铰链上的微镜所组成的矩形阵列，每个微镜的尺寸为16μm×16gm。当DLP芯片与数字视频或图形信号、光源及投影镜头相互协调工作时，其镜面就会将纯数字图像反射到屏幕或其他表面上。

DLP芯片的每个微镜都安装在使它们在DLP投影系统(打开时)中或远离投影系统(关闭时)时都能对着光源倾斜的微型铰链上，从而使投影表面上的像素或明或暗。输入半导体的位流图像编码可控制每个微镜进行开关操作，其速度可高达每秒几千次。当微镜开启时的频率大于关闭时的频率时，它就会反射浅灰色的像素；而当微镜关闭时的频率更高一些时，则会反射深灰色的像素。这样一来，DLP投影系统中的微镜就能反射高达1024级灰度梯度的像素，以便将输入DLP芯片的视频或图形信号转化为一个非常复杂的灰度级图像。

DLP投影系统中的灯泡所产生的白光会在其传输到DLP芯片表面时通过一个红、绿和蓝彩色图像滤波器。在通过该滤波器之后，彩色光随后将按顺序落到DLP芯片上，以形成一个具有多达1670万色的图像。某些DLP投影系统包含一个可投射出多达35万亿色的三芯片架构。

每个微镜的开关状态会与这三种基本的构建色块进行协调。例如，负责投射紫色像素的微镜将只反射红色和蓝色的光到投影表面。随后，人们的眼睛会将这些快速交替闪烁的颜色混合起来，于是在投射的图像中就可看到预期的色调。

DLP系统供电

图1所示为一款典型DLPHDTV电源系统的结构图，其供给的总功率可达200W。因为这些产品专供欧洲市场，因此通常还需要提供PFC电路以满足他们的谐波要求。PFC电路可提供稳定的400V电压，用于为灯泡、低压逻辑和模拟电路供电。此外，在关闭期间还有一个可供给较小持续负载的备用电源。通常，此备用电源应为节能型或绿色环保电源。为了符合“能源之星”标准，在无负载的情况下，该电源所消耗的输入功率必须要低于0.5W。

采用LED作为光源是另一个可直接影响到DLP产品电源设计的趋势。除了无需镇流器之外，LED还带来了更长的灯泡使用寿命和更高的光效，并且还去除了彩色图像滤波器。LED为生成质量极佳的图像提供了新的可能性。颜色分块不再依赖于彩色图像滤波器设计和旋转速度，这样就能获得更多的混频选项并通过电流电平管理来提供更快的开关切换速度和强度控制。LED光引擎的小尺寸设计在便携式产品中也是一个很明显的优势。

图2所示为LED投影仪的电源结构图。和DLP LED HDTV非常类似，它也提供了一个备用电源、PFC电路、主电源和LED电源。在此结构图中，LED是由其中一个主电源输出来驱动的。备用的电路结构则通过PFC的400V输出为LED驱动器供电。尽管这些电源在结构图中看起来非常简单，但实际上它们都有各自的设计挑战。

转移模式还是连续导电模式?

在采用HID灯和镇流器的DLP应用中，必须要在使用转移模式PFC还是连续导电模式(CCM)PFC之间做出决定。两种拓扑结构均为非隔离型升压转换器，这种转换器可从全波整流的交流(AC)线路输入生成稳定的400V直流(Dc)输出。除了生成一个DC电压之外，PFC还会迫使线路电流(即PFC升压电感中的电流)在波形和相位上跟随输入电压，这样就减少了工频谐波，并提高了功率因数。

CCM和转移模式控制之间的差异如图3所示。一款采用CCM的PFC会使用固定频率的PWM来调节电感中的平均电流。因此，PFCMOSFET就必须在电流仍流经电感和二极管时保持开启状态，这样就会导致较高的开关和逆向恢复损耗。超高速二极管虽然会使成本有所增加，但通常将其用于CCMPFC中以降低逆向恢复损耗。

相反，转移模式PFC可调节电感的峰值电流，并在下一脉冲开始之前一直等待，直到电感电流归零为止。这样就显著降低了逆向恢复和开启损耗，但同时也会导致更高的峰值电流。高峰值电流可导致在PFC电感中出现邻近损耗并需要一个相当大的EMI滤波器。此外，转移模式开关频率为可变量，这就使EMI滤波器设计变得更加复杂。

与CCM控制器相比，转移模式控制器更简单且更便宜。如表1所示，典型的经验法则是采用转移模式来实现低于200W的输出功率，采用CCM模式来实现高于200W的输出功率。

镇流器供电

当TV中的灯光来自于HID灯时，就需要使用电子镇流器来控制HID灯。HID灯由两个位于高压充气灯泡中的相反电极组成。高压气体必须被击穿以便电流在灯中流动，并随后利用高压电路所产生的30kV脉冲在灯泡的气体内部形成一个电弧。在把间隙击穿之后，它就具有约40V几乎恒压的特性。由于灯泡中的气体变热而使得压力增大，于是电压会发生短暂的改变。当电极末端受到侵蚀且间隙长度增加时，电压也会出现长时间的变化。此时，电子镇流器必须要对灯泡的功率进行调节以保持灯输出长时间稳定。

如图4所示，必须将多个保护特性内置于HID镇流器电源之中。一旦将点火器点燃，即会做出灯是否能保持电弧持续不变的决定。如果不能，则会增加一个计数器，并做出是否重试点火的决定。如果存在持续电弧，就会限制镇流器电源的功率并随即监控输出电压。如果电压监控器感应到由于灯老化或开路而导致的过压状态，那么就会禁用电源。最后，留下许多常规事务需要处理，并对灯的预热和冷却进行控制，如果电源进入了待机模式，则还必须禁用PFC。满足了上面这些动作，微控制器就能成为适合电源全面控制和故障监控的最佳