安森美半導(dǎo)體全高清電視電源解決方案

1 前言

全高清(Full HD)電視已開始贏得消費(fèi)者的青睞。目前，24英寸或26英寸以上尺寸的液晶電視已可以支持全高清，而從實(shí)用角度來(lái)看，只有達(dá)到37英寸以上的全高清電視才能帶給消費(fèi)者更佳的顯示效果和觀賞體驗(yàn)。因此，更大尺寸的液晶電視會(huì)引領(lǐng)未來(lái)的全高清市場(chǎng)。

然而，對(duì)更佳視覺效果的追求也帶來(lái)了大大超過(guò)以往的功耗挑戰(zhàn)。較高的功率消耗不僅會(huì)增加消費(fèi)者的電費(fèi)開支，而且不配合各國(guó)節(jié)能降耗的宏觀推動(dòng)。各國(guó)政府都出臺(tái)了各種綠色能效指令，如美國(guó)“能源之星”3.0版電視規(guī)范、功率因數(shù)校正(PFC)規(guī)范等;消費(fèi)者也越來(lái)越關(guān)注小尺寸、多功能、節(jié)能省電等問題。在能效規(guī)范和環(huán)保意識(shí)的推動(dòng)下，電源設(shè)計(jì)也在不斷推陳出新。本文針對(duì)未來(lái)將占據(jù)全高清電視最大市場(chǎng)份額的較大尺寸液晶電視，探討有關(guān)的電源方案。

2 傳統(tǒng)電源方案的弊端

傳統(tǒng)液晶電視電源主要由交流——直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換、直流——直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換及高壓逆變器幾部分組成。AC-DC和DC-DC在同一塊電路板上，逆變器在另一塊電路板上，通常與液晶面板在一起。其中，AC-DC電源部分將市電110Vac/220Vac電壓進(jìn)行整流、PFC和濾波，再轉(zhuǎn)換為200V/400V的直流高壓。由于傳統(tǒng)逆變器的輸入電壓要求為24V，所以200V/400V的PFC的輸出電壓要經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生多路輸出電壓。其中一路24V電壓提供給逆變器，即再經(jīng)過(guò)直流-交流(DC-AC)轉(zhuǎn)換為超過(guò)1,000V甚至高達(dá)2,000V的高壓，以便驅(qū)動(dòng)液晶面板的CCFL背光燈。這種標(biāo)準(zhǔn)24V逆變器液晶電視開關(guān)電源的功能框圖如圖1所示。

3 取代傳統(tǒng)電源方案的LIPS解決方案

目前，上述傳統(tǒng)電源仍然占市場(chǎng)上液晶電視電源的大多數(shù)。為了符合各種能效規(guī)范，降低較大尺寸液晶電視的電能消耗，降低系統(tǒng)成本及減小解決方案尺寸，使之更受消費(fèi)者青睞，可以通過(guò)多種途徑設(shè)計(jì)液晶電視電源。

針對(duì)26英寸及以上尺寸的液晶電視，近年來(lái)出現(xiàn)了一種新的逆變器概念——高壓液晶顯示集成電源(LCD Integrated Power Supply，縮寫為L(zhǎng)IPS)。與采用位于獨(dú)立電路板上逆變器的傳統(tǒng)電源不同，這種LIPS解決方案將AC-DC、DC-DC和逆變器整合在同一塊電路板上，再經(jīng)過(guò)對(duì)市電的整流、PFC和濾波并獲得200V/400V直流電壓后，將直接采用200V/400V作為逆變器的輸入電壓，通過(guò)DC-AC升壓轉(zhuǎn)換為液晶面板所需的1,000V以上甚至高達(dá)2,000V的電壓。這樣就省去了24V轉(zhuǎn)換段，減少了先降壓至24V再大幅升壓，以滿足背光源所需高壓過(guò)程中的大量功率損耗，從而提升了系統(tǒng)能效，減少底盤發(fā)熱量，并降低了總成本。

在這方面，安森美半導(dǎo)體與Microsemi公司充分發(fā)揮各自專長(zhǎng)合作開發(fā)了適合多種功率等級(jí)的高壓LIPS整套解決方案。針對(duì)32英寸液晶電視的LIPS解決方案如圖2所示。在系統(tǒng)主板電源方面，這個(gè)解決方案采用了安森美半導(dǎo)體的NCP1606 PFC控制器，以及作為輔助開關(guān)電源的NCP1351 PWM控制器;在LIPS逆變器部分，采用了Microsemi使用軟開關(guān)技術(shù)的LX6503移相全橋驅(qū)動(dòng)器，它可以在固定工作頻率進(jìn)行零電壓開關(guān)(ZVS)。與半橋架構(gòu)相比，這種全橋逆變器解決方案具有顯著優(yōu)勢(shì)，如減少電磁干擾(EMI)和功率損耗，同時(shí)改善背光燈的驅(qū)動(dòng)電流波形，無(wú)需在橋上使用額外的功率二極管。這個(gè)全橋結(jié)構(gòu)所采用的4個(gè)MOSFET和變壓器中的電流規(guī)格是半橋結(jié)構(gòu)的一半，這樣就可以通過(guò)隔離變壓器直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，更易于實(shí)現(xiàn)初級(jí)過(guò)流保護(hù)(OCP)等功能。

為了更好應(yīng)對(duì)市場(chǎng)對(duì)更大尺寸LIPS液晶電視的需求，安森美半導(dǎo)體計(jì)劃于2009年推出下一代46英寸的參考設(shè)計(jì)，在LIPS逆變器部分將采用與32英寸方案相同的全橋逆變器和背光控制器LX6503，但會(huì)大幅提高輸出功率，以驅(qū)動(dòng)更多的CCFL燈。而在系統(tǒng)主板電源方面，可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求來(lái)靈活選擇安森美半導(dǎo)體的解決方案，如NCP1601、NCP1606或NCP1631等PFC控制器，以及NCP1351或NCP1379等PWM控制器。這個(gè)新方案采用帶繼電器的專用待機(jī)開關(guān)電源，支持低至150mW的超低待機(jī)能耗，而電路板上的元件高度則低于16mm(系統(tǒng)總度度低于20mm)，支持更纖薄液晶電視設(shè)計(jì)。

此外，針對(duì)北美、中國(guó)及歐盟等不同區(qū)域市場(chǎng)電源的不同要求，安森美半導(dǎo)體還可以提供符合相應(yīng)規(guī)范的電源方案，以優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮小系統(tǒng)尺寸并降低成本。

4 超薄全高清電視設(shè)計(jì)的先進(jìn)PFC架構(gòu)

如今，液晶電視的厚度已經(jīng)越來(lái)越薄，最新的趨勢(shì)是電子模塊部分的厚度接近10mm以下。如此纖薄的厚度，給電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，通常需要使用低高度的變壓器(這對(duì)要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關(guān)鍵)或?qū)⒍鄠€(gè)部件(PFC線圈)串聯(lián)起來(lái)，并采用低高度的散熱片，對(duì)部件進(jìn)行水平安裝，還要將垂直插入的所有電容的高度限制在10mm以下。

而在PFC方面，采用安森美半導(dǎo)體的NCP1606和NCP1654等PFC控制器，已經(jīng)可以將液晶電視厚度降到較低。為了支持低至10mm的極纖薄設(shè)計(jì)，可以采用兩顆相對(duì)較小的NCP1601芯片，用交錯(cuò)式架構(gòu)來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。交錯(cuò)式PFC是在原來(lái)放置單個(gè)較大PFC的地方并行放置兩個(gè)功率為一半的較小PFC。這兩個(gè)較小PFC以180°的相移交替工作，在輸入端或輸出端累加時(shí)，它們可以抵消每相電流紋波的主要部分。

安森美半導(dǎo)體還計(jì)劃于2009年推出新的交錯(cuò)式PFC控制器NCP1631，為客戶提供更多可行的選擇。這種單芯片方案，可以替代2顆NCP1601，以同樣極低的設(shè)計(jì)高度適合10mm厚度的極纖薄液晶電視設(shè)計(jì)。該方案還擴(kuò)展了功率范圍，以有效減少電流紋波。

5 待機(jī)輸入能耗低于100mW將是下一波的驅(qū)勢(shì)

另一個(gè)焦點(diǎn)是液晶電視的待機(jī)能耗。2008年11月開始生效的“能源之星”3.0版電視規(guī)范規(guī)定的待機(jī)能耗的標(biāo)準(zhǔn)是低于1W。盡管不是強(qiáng)制要求，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還是具有很高的市場(chǎng)指導(dǎo)意義。

未來(lái)，液晶電視的待機(jī)能耗將會(huì)進(jìn)一步下降。例如，在增加小型專用微處理器的條件下，輸出功率為50W時(shí)能耗低于600mW;而在采用專用待機(jī)開關(guān)電源條件下待機(jī)能耗將低于400mW;如果采用專用待機(jī)開關(guān)電源并增加繼電器(從而在待機(jī)時(shí)斷開所有PFC和開關(guān)電源)，能耗可低于200mW。如制造商想使用更加“綠色”的技術(shù)來(lái)使產(chǎn)品差異化，就需要進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，使待機(jī)能耗低于100mW可能成為下一波的趨勢(shì)。

6 總結(jié)

利用液晶顯示集成電源(LIPS)替代傳統(tǒng)的24V逆變器電源，以及采用新穎的交錯(cuò)式PFC架構(gòu)減小PFC模塊厚度，就可以實(shí)現(xiàn)非常薄的全高清電視設(shè)計(jì)。這類方案可滿足今天消費(fèi)者對(duì)1,080線逐行掃描(1,080p)垂直分辨率的全高清電視越來(lái)越青睞的需求。為了符合世界不同應(yīng)用市場(chǎng)的要求，全球領(lǐng)先的高能效電源管理方案供應(yīng)商安森美半導(dǎo)體提供高性能電源方案及參考設(shè)計(jì)，幫助電子產(chǎn)品制造商縮短全高清電視產(chǎn)品的開發(fā)周期，將新產(chǎn)品更快推向市場(chǎng)。