液晶電視中的開關(guān)電源拓?fù)渑c高能效解決方案

摘要：本文根據(jù)不同的面板尺寸介紹AC-DC電源和背光架構(gòu)，并重點(diǎn)闡釋邁向諧振拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。還介紹了當(dāng)今使用不同燈技術(shù)對(duì)液晶電視進(jìn)行背光的逆變器驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，并探討諸如液晶電視集成電源(LIPS)和LED背光等重要的背光技術(shù)發(fā)展趨勢。另外，本文也列出了安森美半導(dǎo)體的高能效、低待機(jī)能耗GreenPoint液晶電視電源參考設(shè)計(jì)，幫助以更低成本實(shí)現(xiàn)更佳性能。

關(guān)鍵詞：液晶電視；開關(guān)電源；拓?fù)洌粎⒖荚O(shè)計(jì)

在液晶(LCD)面板平均每英寸的成本越來越低、高清電視(HDTV)廣播服務(wù)帶動(dòng)更先進(jìn)電視需求以及2008年北京奧運(yùn)會(huì)將刺激消費(fèi)需求等有利條件的作用下，液晶電視產(chǎn)業(yè)近年來經(jīng)歷了非常快速的發(fā)展，其速度甚至超越了業(yè)界早前的預(yù)期，且其未來幾年的發(fā)展前景持續(xù)看好。以中國大陸為例，根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部(MII)的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2007年上半年中國大陸液晶電視產(chǎn)量達(dá)634.4萬臺(tái)，比2006年同期增長65.4％；而在中國大中型城市的銷量中，平板電視占據(jù)了70％，其中八成以上為液晶電視。

一般而言，業(yè)界將尺寸小于21英寸的面板列入小尺寸范疇，而將26至32英寸列入中等尺寸范疇，37英寸則作為較大尺寸面板，而大于40英寸的列為大尺寸范圍。對(duì)于液晶電視而言，其面板尺寸越大，功率和功率密度也就越高。為了優(yōu)化液晶電視的設(shè)計(jì)，根據(jù)面板尺寸和功率等級(jí)的不同，需要采用不同的開關(guān)電源拓?fù)洌瑥亩鵀橐壕щ娨曋械谋彻庾酉到y(tǒng)和音頻一視頻信號(hào)處理供電。

小尺寸液晶電視開關(guān)電源采用反激式拓?fù)?/p>

對(duì)于小尺寸液晶電視而言，其功率通常低于70 W，這個(gè)數(shù)值低于大多數(shù)諧波含量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率的要求，因此無須使用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)。在這種情況下，使用的是一個(gè)開關(guān)電源(SMPS)。

此外，市場上也有其它的處理方式，如采用外部電源，適配器遵從各種不同標(biāo)準(zhǔn)和行為準(zhǔn)則等。在使用內(nèi)部電源單元和外部電源單元這兩種方式中，通常都采用到了反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如前所述，不同廠商的液晶電視尺寸并不統(tǒng)一，為了給消費(fèi)者提供更多選擇，也有廠商推出23英寸的產(chǎn)品。為了方便起見，我們也可把它一并劃入小尺寸范疇。與21英寸以下液晶電視無需PFC不同，23英寸產(chǎn)品的功率相對(duì)較高(高于75 w)，就需要采用PFC，如安森美半導(dǎo)體推出的NCP1606就是一個(gè)適合的選擇。

中等尺寸液晶電視的兩種開關(guān)電源結(jié)構(gòu)對(duì)比

對(duì)于中等尺寸的液晶電視而言，其功率相比小尺寸產(chǎn)品而言大幅增加，超過75 w，最高可達(dá)180 w，這種應(yīng)用應(yīng)該遵從歐盟IEC1000-3-2 D類標(biāo)準(zhǔn)或類似區(qū)域性諧波含量標(biāo)準(zhǔn)，必須使用PFC技術(shù)。

在這種尺寸的液晶電視中，可以考慮采用兩種不同的功率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)采用雙開關(guān)電源，如圖1所示。這兩個(gè)開關(guān)電源都采用反激式拓?fù)洌渲幸粋€(gè)提供24 V輸出，專門用于背光，可為面板提供24 V@5A的輸出功率，另一個(gè)負(fù)責(zé)為控制音視頻輸入輸出信號(hào)處理(cAVIO)系統(tǒng)供電，可以提供12 V電壓輸出/40 w的功率(某些條件下電壓為5 V)，還能夠用于待機(jī)模式。

與第一種結(jié)構(gòu)不同，第二種結(jié)構(gòu)采用單個(gè)主開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在這種結(jié)構(gòu)中，主開關(guān)電源為LCD面板提供24V輸出，并為CAVIO提供12V輸出，其提供的功率在170 w范圍內(nèi)。除了這個(gè)主開關(guān)電源，還有一個(gè)專用的待機(jī)開關(guān)電源；而在待機(jī)模式下，主開關(guān)電源完全關(guān)斷。待機(jī)開關(guān)電源在正常模式下提供10 w功率，而在待機(jī)條件下的電流消耗僅為500 mA。

在第二種結(jié)構(gòu)中，為了適應(yīng)更高的輸出功率，主開關(guān)電源的拓?fù)洳粦?yīng)該還是單開關(guān)反激，而應(yīng)該采用雙開關(guān)反激。當(dāng)然，這個(gè)區(qū)域也采用了一個(gè)半橋諧振雙電感加單電容(LLC)轉(zhuǎn)換器。需要指出的是，對(duì)于功率等級(jí)較低的液晶電視(如小尺寸液晶電視)而言，它們通常采用的是準(zhǔn)諧振模式，這種模式憑借減小開關(guān)損耗而能夠提高能效；而在功率等級(jí)更高的液晶電視中，采用諧振拓?fù)涞膬?yōu)勢十分突出，所以，這種模式會(huì)引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員采用半橋諧振LLC轉(zhuǎn)換器。具體而言，這里采用半橋諧振LLC的好處體現(xiàn)在：

·與其它諧振拓?fù)湎啾龋漭斎腚妷悍秶拓?fù)載范圍更寬，

·諧振槽元件可以集成在單個(gè)變壓器內(nèi)，從而減少元件數(shù)量；

·在所有負(fù)載條件下用于原邊開關(guān)的零電壓開關(guān)(ZVS)；

·所有重載條件下用于負(fù)邊開關(guān)的零電流開關(guān)(ZCS)。

這兩種結(jié)構(gòu)比較起來，各有其優(yōu)勢所在。對(duì)于采用雙開關(guān)電源的第一種架構(gòu)而言，它使得功率得到更好的平衡，允許兩個(gè)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器采用同一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；此外，它消除了背光數(shù)字調(diào)光所可能導(dǎo)致的交叉調(diào)節(jié)問題，而且它的待機(jī)性能出色，雖然比起專用待機(jī)電源來說還略顯遜色。不僅如此，它還可以對(duì)源自信號(hào)處理電源(CAVIO電源)的背光信號(hào)進(jìn)行解耦，這樣就能夠在需要新的背光技術(shù)(如外置電極熒光燈EEFL、平面熒光燈FFL、發(fā)光二極管LED)時(shí)簡化技術(shù)方案的演進(jìn)。

如前所述，第二種結(jié)構(gòu)中采用含有半橋LLC轉(zhuǎn)換器的單個(gè)主開關(guān)電源。與采用反激式轉(zhuǎn)換器相比，采用LLC轉(zhuǎn)換器能夠提高總體效率，而且也解決了背光數(shù)字調(diào)光所導(dǎo)致的交叉調(diào)節(jié)問題。此外，由于LLC模式下頻率提高，使得開關(guān)電源的尺寸可以更小。值得一指的是，第二種結(jié)構(gòu)中，除了主開關(guān)電源外，所采用的專用待機(jī)開關(guān)電源可以提高待機(jī)模式的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)低于1瓦的待機(jī)能耗。目前美國和歐盟紛紛出臺(tái)有關(guān)電視機(jī)1瓦待機(jī)能耗的法規(guī)。

大尺寸液晶電視中PFC電源需采用CCM拓?fù)?/p>

隨著屏幕尺寸的加大，液晶電視的功率也水漲船高。對(duì)于37英寸的較大尺寸液晶電視而言，其功率最達(dá)可達(dá)220W；對(duì)40～42英寸的液晶電視而言，功率最高達(dá)300 w，而46英寸的功率更高達(dá)330W。在這類功率級(jí)別，輸入電壓達(dá)到了很寬的90V~264V范圍。

其中，以37英寸液晶電視為例，與前文所述的32至32英寸液晶電視一樣，也可以采用雙開關(guān)電源和單一主開關(guān)電源加專用待機(jī)開關(guān)電源這兩種結(jié)構(gòu)。不過，雖然雙開關(guān)電源結(jié)構(gòu)擁有明顯優(yōu)勢，但在高達(dá)220 W功率范圍下，設(shè)計(jì)人員必須考慮到輕載性能變得越來越重要，因?yàn)镃AVIO的功率容量增加了。不僅如此，采用反激等傳統(tǒng)拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)的功率密度在這里則成為一個(gè)問題。其它能夠提高能效、減小尺寸和改善交互調(diào)節(jié)狀況的拓?fù)浔仨氂枰钥紤]。例如，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)選擇半橋諧振LLC解決方案來實(shí)現(xiàn)這些性能改善目標(biāo)。

而對(duì)于40英寸及更大尺寸的液晶電視來說，最常見的電源結(jié)構(gòu)也是主開關(guān)電源加專用待機(jī)開關(guān)電源，其中主開關(guān)電源采用半橋諧振拓?fù)洌軌蛲瑫r(shí)輸出24 V和12 V電壓。

總的來看，在37英寸及更大尺寸的液晶電視中，就PFC而言，臨界導(dǎo)電模式(CRM)不再實(shí)用，必須轉(zhuǎn)用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。而且在待機(jī)模式中，PFC電源也和主開關(guān)電源一樣被關(guān)閉，以降低總體功率消耗。對(duì)于這個(gè)等級(jí)液晶電視的PFC而言，安森美半導(dǎo)體的NCP1653/NCP1654是改善傳導(dǎo)干擾和管理較大功率的最佳解決方案。

開關(guān)穩(wěn)壓器在CAVIO系統(tǒng)電源中的應(yīng)用越來越多

前文根據(jù)面板尺寸和功率等級(jí)的不同，分析了不同液晶電視所適用的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的最新解決方案。由于液晶電視中的電源主要為背光子系統(tǒng)和控制音視頻信號(hào)輸入輸出(CAVIO)供電，接下來我們將分別就CAVIO電源和背光電源作進(jìn)一步的討論。

對(duì)于CAVIO電源而言，這一塊的功率分配正變得越來越復(fù)雜，面臨著超來越多的挑戰(zhàn)。例如，芯片組的集成度越來越高，核心處理器的電壓變得更低，而電流卻在提高；此外，各種不同的功能模塊所需要的電壓軌種類越來越多。在這種情況下，如果使用線性穩(wěn)壓器，則必須提高開關(guān)電源的功率；另一方面，高集成度的芯片組也在提高電路板的功率密度。基于這些有關(guān)效率和熱的因素，在CAVIO電源中，開關(guān)穩(wěn)壓器的應(yīng)用日益增多。

開關(guān)穩(wěn)壓器能夠提高整體能效、減小總占位面積。通過使用開關(guān)穩(wěn)壓器，可以較低的輸出電壓和較大的電流來支持深亞微米設(shè)計(jì)以及內(nèi)核電壓朝低于1 V方向邁進(jìn)的趨勢。

而就開關(guān)控制器而言，它的主要發(fā)展趨勢包括：輸出電壓更低，適用于邏輯控制板，開關(guān)頻率更高，能效也更高，輸入電壓范圍更寬廣。

新型方案降低大尺寸液晶電視系統(tǒng)總成本

傳統(tǒng)上，液晶電視的開關(guān)電源中，主開關(guān)電源和逆變器是分立的。對(duì)于大尺寸液晶電視而言，一種新興的方案是將主開關(guān)電源和逆變器集成在一起，形成所謂的高壓型的結(jié)合方案LIPS。對(duì)于大尺寸液晶電視而言，采用LIPS可以消除24 V轉(zhuǎn)換階段。由于減少了一級(jí)電壓變換，這種方案可以帶來不少的好處，不僅節(jié)省系統(tǒng)總功率、減少液晶電視底盤的發(fā)熱量，還可節(jié)省系統(tǒng)總成本。

在大尺寸液晶電視的LIPS方案中，在PFC電源方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1653/NCP1654 PFC控制器，這兩款器件采用CCM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適用于改善傳導(dǎo)干擾，及管理大尺寸液晶電視中超過200 W的功率。而在開關(guān)電源方案，可以采用一個(gè)專門用于處理CAVIO的開關(guān)電源以及一個(gè)專用的待機(jī)開關(guān)電源。

從發(fā)展趨勢來看，一般預(yù)計(jì)，采用LIPS的40英寸或更大尺寸的液晶電視將在2007年底開始面市，而對(duì)于32和37英寸液晶電視而言，將可采用LIPS或標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)電源(LLC)等不同方案。

Green Point液晶電視電源參考設(shè)計(jì)

安森美半導(dǎo)體推出了尺寸為130×200×25 mm為GreenPoint系列電源參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)針對(duì)極為纖薄的液晶電視機(jī)殼進(jìn)行了優(yōu)化，具有極高的能效和極低的待機(jī)能耗，可以滿足客戶的應(yīng)用設(shè)計(jì)需求。圖4展示的是GreenPoint電源參考設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖。

圖5顯示的是GreenPoint系列液晶電視電源參考設(shè)計(jì)滿載時(shí)在不同輸入電壓下的能效。從該圖可以看出，該參考設(shè)計(jì)擁有極高的效率，在中等及以上功率時(shí)的能效高于80％，甚至超過90％。此外，從輕載條件下，該參考設(shè)計(jì)也擁有低于1瓦的待機(jī)能耗，這對(duì)于降低液晶電視的待機(jī)能源消耗具有重要意義。

結(jié)語

對(duì)于液晶電視特別是中等及以上尺寸的液晶電視而言，其電源結(jié)構(gòu)正在向半橋諧振LLC拓?fù)洹⒍噍敵鯠C/DC等高能效、更緊湊的解決方案方向發(fā)展。由于液晶電視的用量增加，優(yōu)化開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)，使之適應(yīng)不同地區(qū)的具體電壓工作范圍要求也越來越有意義。DC/DC和低壓降穩(wěn)壓器的使用將會(huì)繼續(xù)向大電流和低電壓轉(zhuǎn)移，從而需要新的解決方案。