中大尺寸液晶電視AC-DC電源架構(gòu)及最新LED背光方案

中大尺寸液晶電視AC-DC電源架構(gòu)及最新LED背光方案

近年來(lái)，液晶電視(LCD TV)市場(chǎng)快速發(fā)展。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)DisplaySearch預(yù)計(jì)，2008年到2012年間的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)高達(dá)16%，其中2009年的付運(yùn)總量預(yù)計(jì)達(dá)1.4億臺(tái)，而這一數(shù)字到2012年將超過(guò)2億。

在市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大的同時(shí)，在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及綠色營(yíng)銷的壓力下，液晶電視的工作及待機(jī)能耗也越來(lái)越低。如“能源之星”4.0版規(guī)范及5.0版規(guī)范相繼將于2010年5月及2012年5月生效，其中5.0版要求可視屏幕對(duì)角尺寸為32英寸、42英寸和60英寸的平板電視平均工作能耗從4.0版的不超過(guò)78 W、115 W和210 W下降到不超過(guò)55 W、81 W和108 W，相當(dāng)于兩年時(shí)間內(nèi)降低能耗約50%。

在液晶電視的總能耗中，統(tǒng)計(jì)顯示，背光所消耗的電能比例高達(dá)2/3。故液晶電視的另一項(xiàng)重要趨勢(shì)是采用新技術(shù)來(lái)提升背光及面板能效，降低能耗。在液晶電視背光源方面，目前冷陰極熒光燈(CCFL)背光源占據(jù)支配地位，但這個(gè)技術(shù)能耗高，包含劇毒物質(zhì)汞不利于環(huán)保，燈管呈條型或U型，使用壽命短；相比較而言，新興的發(fā)光二極管(LED)背光耗電量更小，不含汞，尺寸更易于配置為更均勻的背光，使用壽命更長(zhǎng)，故LED背光在液晶電視中極具應(yīng)用潛力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年采用LED背光源的液晶電視比例為3%，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年這一比例將迅速提高，到2014年將達(dá)到50%，完全可與CCFL背光分庭抗禮，并在這之后進(jìn)一步取代CCFL背光。

液晶電視電源包含功率因數(shù)校正(PFC)、信號(hào)電源、背光電源及ECO待機(jī)等多個(gè)組成部分，不同部分往往包含不同的架構(gòu)可供選擇，參見(jiàn)圖1。以PFC段為例，可以選擇如臨界導(dǎo)電模式(CrM)、連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)或交錯(cuò)式頻率鉗位臨界導(dǎo)電模式(FCCrM)等不同的PFC控制器。選擇何種電源架構(gòu)，需結(jié)合應(yīng)用的屏幕尺寸、功率等級(jí)及背光源等因素。另外，作為重要賣點(diǎn)的纖薄設(shè)計(jì)也影響著電源方案的選擇。

圖1：液晶電視電源架構(gòu)多種多樣

1) 采用CCFL背光源的32英寸液晶電視電源架構(gòu)
例如，目前市場(chǎng)上銷量最大的是32英寸液晶電視。在這類液晶電視中，采用標(biāo)準(zhǔn)24 V逆變器電源的方案在市場(chǎng)上仍占據(jù)多數(shù)，但新興的高壓液晶電視集成電源(HV-LIPS)的應(yīng)用也在不斷增多，總體上呈現(xiàn)出并存的態(tài)勢(shì)。采用標(biāo)準(zhǔn)24 V逆變器的傳統(tǒng)液晶電視在接受110/220 Vac市電輸入后，經(jīng)過(guò)整流、PFC及濾波，轉(zhuǎn)換為200/400 Vdc的直流高壓。由于傳統(tǒng)高壓逆變器的輸入電壓要求是24 Vdc，故PFC的輸出電壓200/400 Vdc會(huì)經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生多路輸出電壓，其中一路24 Vdc電壓提供給高壓逆變器，再經(jīng)過(guò)DC-AC轉(zhuǎn)換為超過(guò)1,000 V甚至達(dá)2,000 V的交流高壓，去驅(qū)動(dòng)液晶面板的CCFL陣列。安森美半導(dǎo)體為這類傳統(tǒng)液晶電視推出了220 W液晶電視電源GreenPoint?參考設(shè)計(jì)，其中采用的關(guān)鍵元器件包括NCP1606 CrM PFC控制器、NCP1396諧振半橋控制器及NCP1027待機(jī)控制器等。

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與這種采用標(biāo)準(zhǔn)24 V逆變器架構(gòu)的傳統(tǒng)電源不同，高壓LIPS方案將AC-DC、DC-DC和逆變器結(jié)合在同一塊電路板上，在獲得200/400 Vdc的PFC輸出后，會(huì)直接將這輸出電壓作為逆變器的輸入，再通過(guò)DC-AC轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)CCFL陣列所需的超過(guò)1,000 Vac甚至達(dá)2,000 Vac的高壓，這就消除了24 V轉(zhuǎn)換段，減少大量功率損耗及降低底盤發(fā)熱量，提升系統(tǒng)總能效，并降低系統(tǒng)成本，還符合“能源之星”等相關(guān)能效規(guī)范。

圖2：安森美半導(dǎo)體32英寸高壓LIPS液晶電視電源GreenPoint?參考設(shè)計(jì)功能框圖

針對(duì)高壓LIPS架構(gòu)的液晶電視需求，安森美半導(dǎo)體與Microsemi公司合作，推出了用于32英寸液晶電視的比高壓LIPS參考設(shè)計(jì)。這參考設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單直接的CrM PFC段，且無(wú)額外待機(jī)開(kāi)關(guān)電源，性價(jià)比極高。這參考設(shè)計(jì)采用了安森美半導(dǎo)體的NCP1607 PFC控制器、NCP1351或NCP1219帶低待機(jī)能耗模式的反激轉(zhuǎn)換控制器，以及Microsemi的LX6503背光控制器等關(guān)鍵IC。這完整液晶電視LIPS電源參考設(shè)計(jì)功能框圖見(jiàn)圖2。

值得一提的， 這參考設(shè)計(jì)架構(gòu)具有高度的靈活性，而只需對(duì)原理圖及所用元件作出極小改動(dòng)，即可支持多種電壓/電流配置。而且由于使用了采用零電壓開(kāi)關(guān)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的先進(jìn)背光控制器，逆變器電源能夠輕易地?cái)U(kuò)展，支持26英寸到42英寸的多種液晶電視尺寸。客戶利用這高能效先進(jìn)參考設(shè)計(jì)，可縮短開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

2) 46英寸液晶電視電源架構(gòu)
安森美半導(dǎo)體還針對(duì)更高功率的液晶電視推出了46英寸液晶電視電源參考，這電源參考適合任何類型的背光方案，能擴(kuò)展支持40/42英寸或52/55英寸液晶電視，參見(jiàn)圖3。

這電源參考采用的關(guān)鍵安森美半導(dǎo)體IC包括新的交錯(cuò)式FCCrM PFC器NCP1631、帶谷底鎖定功能的新NCP1379準(zhǔn)諧振反激轉(zhuǎn)換控制器或NCP1252固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)控制器、NCP1053A高能效、低待機(jī)能耗開(kāi)關(guān)電源，用于僅關(guān)注電源段的性能主導(dǎo)型項(xiàng)目。在第一階段，這電源參考的電路板高度低于13 mm，液晶電視總高度低于17.5 mm；后續(xù)第二階段還將使電路板高度降到低于8 mm，總高度低于12.5 mm。

在纖薄設(shè)計(jì)成為液晶電視重要賣點(diǎn)的當(dāng)今，電源設(shè)計(jì)面臨更嚴(yán)格的挑戰(zhàn)，如需要使用低高度的變壓器、線圈或散熱片，及將多個(gè)部件串聯(lián)或?qū)λ桨惭b等。就PFC控制器而言，盡管安森美半導(dǎo)體的NCP1606或NCP1654等已經(jīng)可以將電路板高度降到很低，但要支持更低厚度的液晶電視設(shè)計(jì)，則可以采用安森美半導(dǎo)體新的單芯片交錯(cuò)式PFC控制器NCP1631，用于高達(dá)300 W功率應(yīng)用，同時(shí)也提供140至264 Vac的窄電壓范圍版本，用于功率大于200 W及注重纖薄設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

圖3：安森美半導(dǎo)體46英寸液晶電視電源參考功能框圖[!--empirenews.page--]

在信號(hào)電源方面，如上所述，采用的是新的NCP1379準(zhǔn)諧振反激轉(zhuǎn)換控制器或NCP1252固定頻率反激控制器。其中，NCP1379最大功率達(dá)70 W(32英寸設(shè)計(jì)為50 W)，最多提供3路輸出電壓能力(與32英寸相當(dāng))，最大輸出電流為4 A。NCP1379提供可變頻率模式，用于超低待機(jī)能耗模式，在寬功率范圍內(nèi)保持高能效。NCP1252提供50 kHz的固定頻率PWM，支持自然的CCM，為多路輸出方案改善電流因數(shù)及變壓器耦合/交叉穩(wěn)壓。

而在待機(jī)電源方面，有兩種方案，一種是專用ECO待機(jī)開(kāi)關(guān)電源，采用集成高壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器NCP1053A，非常適合最大功率小于5 W的小型心用待機(jī)電視微處理器，提供低于90 mW的極低待機(jī)能耗。這器件帶磁滯模式，提升ECO性能，開(kāi)關(guān)頻率及IC功率消耗更低；低頻模式支持DCM模式，降低開(kāi)關(guān)損耗；電流受限，減免可能的噪聲問(wèn)題。另一種方案是采用待機(jī)繼電器，由電視機(jī)微處理器直接控制(待機(jī)/導(dǎo)通)，并提供可選的ECO“導(dǎo)通/關(guān)閉開(kāi)關(guān)”，在230 Vac條件下空載輸入能耗低于20 mW。

3) 46英寸液晶電視參電源考背光方案
上述46英寸液晶電視參考電源適合任意類型的背光方案，包括單獨(dú)及專用的背光方案。例如，提供高壓LIPS用于CCFL/EEFL背光，其中采用2個(gè)高端驅(qū)動(dòng)器NCP5111及Microsemi背光控制器。也可采用新的NCP1397準(zhǔn)諧振反激轉(zhuǎn)換器或CAT4026側(cè)光式LED驅(qū)動(dòng)器(詳見(jiàn)后文)，提供高直流輸出電壓半橋LLC，用于LED背光驅(qū)動(dòng)器。還可采用已獲市場(chǎng)證明的NCP1392/NCP1392控制器，用于傳統(tǒng)的24 V逆變器方案，為CCFL背光供電。而為了適應(yīng)等離子電視(PDP)應(yīng)用，也可采用NCP1397控制器，并增加降壓或升壓轉(zhuǎn)換器。

其中，在CCFL/EEFL背光的46英寸LIPS逆變器方面，所采用的安森美半導(dǎo)體NCP5111高端驅(qū)動(dòng)器能夠提升能效及減小全橋500 V功率MOSFET的尺寸，且在修改高壓變壓器設(shè)計(jì)條件下，電路板上高度低于13 mm，從而支持低厚度設(shè)計(jì)。

圖4：安森美半導(dǎo)體46英寸液晶電視背光方案(見(jiàn)黃色背景部分)

而在LED背光方面，市場(chǎng)上常見(jiàn)的背光單元包括側(cè)光式及直下式兩種類型，各有其優(yōu)勢(shì)和不足；但相對(duì)而言，側(cè)光式LED背光提供高于90%的能效，在市場(chǎng)上備受歡迎。而在46英寸電源參考的側(cè)光式LED背光單元方面，可以采用的安森美半導(dǎo)體關(guān)鍵IC包括帶高端驅(qū)動(dòng)器的NCP1397初級(jí)側(cè)控制器，以及新的6通道線性LED驅(qū)動(dòng)器控制器CAT4026，適合超薄液晶電視設(shè)計(jì)(電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm)，參見(jiàn)圖4。

其中， NCP1397作為L(zhǎng)LC段控制器，在背光應(yīng)用中提供眾多優(yōu)勢(shì)，如不需要驅(qū)動(dòng)器變壓器，帶來(lái)成本及安裝優(yōu)勢(shì)；又如簡(jiǎn)單應(yīng)用跳周期模式，適合調(diào)光所需；以及簡(jiǎn)單應(yīng)用過(guò)渡保護(hù)，幫助節(jié)省成本等。故NCP1397是高性價(jià)比及高安全性的方案。

另一方面，市場(chǎng)上現(xiàn)有的6通道側(cè)光式LED驅(qū)動(dòng)器背光方案中，各通道均含專用驅(qū)動(dòng)器IC、電感型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器及開(kāi)關(guān)；相比較而言，安森美半導(dǎo)體的CAT4026作為多通道LED線性驅(qū)動(dòng)器，以單顆IC支持6通道，且易于分級(jí)為多達(dá)12個(gè)或18個(gè)通道(相應(yīng)采用2個(gè)或3個(gè)控制器)，是一種高性價(jià)比的方案，目標(biāo)能效高于90%，典型能效達(dá)94%。此外，這驅(qū)動(dòng)器還提供正向電壓監(jiān)測(cè)功能，可以限制總體功率耗散；還能應(yīng)用LED開(kāi)路及過(guò)多LED短路等不同LED串故障。

總結(jié)
本文分析了液晶電視的市場(chǎng)及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，介紹了安森美半導(dǎo)體完整的液晶電視電源方案，包括用于32英寸并可擴(kuò)展支持26到42英寸的傳統(tǒng)及高壓LIPS液晶電視的電源參考設(shè)計(jì)、適合任何背光類型的46英寸并可擴(kuò)展到40到55尺寸應(yīng)用的電源參考設(shè)計(jì)，以及46英寸側(cè)光式LED背光電源方案。這些參考設(shè)計(jì)具有高能效、高靈活性等優(yōu)勢(shì)，適合纖薄及超薄液晶電視設(shè)計(jì)，并提供極大的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，便于復(fù)用方案，幫助客戶加速設(shè)計(jì)進(jìn)程，加快產(chǎn)品上市。