安森美半導體全高清電視電源解決方案

1 前言

全高清(Full HD)電視已開(kāi)始贏(yíng)得消費者的青睞。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，只有達到37英寸以上的全高清電視才能帶給消費者更佳的顯示效果和觀(guān)賞體驗。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，對更佳視覺(jué)效果的追求也帶來(lái)了大大超過(guò)以往的功耗挑戰。較高的功率消耗不僅會(huì )增加消費者的電費開(kāi)支，而且不配合各國節能降耗的宏觀(guān)推動(dòng)。各國政府都出臺了各種綠色能效指令，如美國“能源之星”3.0版電視規范、功率因數校正(PFC)規范等;消費者也越來(lái)越關(guān)注小尺寸、多功能、節能省電等問(wèn)題。在能效規范和環(huán)保意識的推動(dòng)下，電源設計也在不斷推陳出新。本文針對未來(lái)將占據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 傳統電源方案的弊端

傳統液晶電視電源主要由交流——直流(AC-DC)轉換、直流——直流(DC-DC)轉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，再轉換為200V/400V的直流高壓。由于傳統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)轉換為超過(guò)1,000V甚至高達2,000V的高壓，以便驅動(dòng)液晶面板的CCFL背光燈。這種標準24V逆變器液晶電視開(kāi)關(guān)電源的功能框圖如圖1所示。

3 取代傳統電源方案的LIPS解決方案

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

針對26英寸及以上尺寸的液晶電視，近年來(lái)出現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(xiě)為L(cháng)IPS)。與采用位于獨立電路板上逆變器的傳統電源不同，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升壓轉換為液晶面板所需的1,000V以上甚至高達2,000V的電壓。這樣就省去了24V轉換段，減少了先降壓至24V再大幅升壓，以滿(mǎn)足背光源所需高壓過(guò)程中的大量功率損耗，從而提升了系統能效，減少底盤(pán)發(fā)熱量，并降低了總成本。

在這方面，安森美半導體與Microsemi公司充分發(fā)揮各自專(zhuān)長(cháng)合作開(kāi)發(fā)了適合多種功率等級的高壓LIPS整套解決方案。針對32英寸液晶電視的LIPS解決方案如圖2所示。在系統主板電源方面，這個(gè)解決方案采用了安森美半導體的NCP1606 PFC控制器，以及作為輔助開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)的LX6503移相全橋驅動(dòng)器，它可以在固定工作頻率進(jìn)行零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)。與半橋架構相比，這種全橋逆變器解決方案具有顯著(zhù)優(yōu)勢，如減少電磁干擾(EMI)和功率損耗，同時(shí)改善背光燈的驅動(dòng)電流波形，無(wú)需在橋上使用額外的功率二極管。這個(gè)全橋結構所采用的4個(gè)MOSFET和變壓器中的電流規格是半橋結構的一半，這樣就可以通過(guò)隔離變壓器直接驅動(dòng)功率MOSFET，更易于實(shí)現初級過(guò)流保護(OCP)等功能。

為了更好應對市場(chǎng)對更大尺寸LIPS液晶電視的需求，安森美半導體計劃于2009年推出下一代46英寸的參考設計，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，以驅動(dòng)更多的CCFL燈。而在系統主板電源方面，可以根據具體設計要求來(lái)靈活選擇安森美半導體的解決方案，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(zhuān)用待機開(kāi)關(guān)電源，支持低至150mW的超低待機能耗，而電路板上的元件高度則低于16mm(系統總度度低于20mm)，支持更纖薄液晶電視設計。

此外，針對北美、中國及歐盟等不同區域市場(chǎng)電源的不同要求，安森美半導體還可以提供符合相應規范的電源方案，以?xún)?yōu)化設計、縮小系統尺寸并降低成本。

4 超薄全高清電視設計的先進(jìn)PFC架構

如今，液晶電視的厚度已經(jīng)越來(lái)越薄，最新的趨勢是電子模塊部分的厚度接近10mm以下。如此纖薄的厚度，給電源設計帶來(lái)了更嚴峻的挑戰，通常需要使用低高度的變壓器(這對要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關(guān)鍵)或將多個(gè)部件(PFC線(xiàn)圈)串聯(lián)起來(lái)，并采用低高度的散熱片，對部件進(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的極纖薄設計，可以采用兩顆相對較小的NCP1601芯片，用交錯式架構來(lái)來(lái)實(shí)現，如圖3所示。交錯式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。

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

5 待機輸入能耗低于100mW將是下一波的驅勢

另一個(gè)焦點(diǎn)是液晶電視的待機能耗。2008年11月開(kāi)始生效的“能源之星”3.0版電視規范規定的待機能耗的標準是低于1W。盡管不是強制要求，這個(gè)標準還是具有很高的市場(chǎng)指導意義。

未來(lái)，液晶電視的待機能耗將會(huì )進(jìn)一步下降。例如，在增加小型專(zhuān)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(zhuān)用待機開(kāi)關(guān)電源條件下待機能耗將低于400mW;如果采用專(zhuān)用待機開(kāi)關(guān)電源并增加繼電器(從而在待機時(shí)斷開(kāi)所有PFC和開(kāi)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)設計，使待機能耗低于100mW可能成為下一波的趨勢。

6 總結

利用液晶顯示集成電源(LIPS)替代傳統的24V逆變器電源，以及采用新穎的交錯式PFC架構減小PFC模塊厚度，就可以實(shí)現非常薄的全高清電視設計。這類(lèi)方案可滿(mǎn)足今天消費者對1,080線(xiàn)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用市場(chǎng)的要求，全球領(lǐng)先的高能效電源管理方案供應商安森美半導體提供高性能電源方案及參考設計，幫助電子產(chǎn)品制造商縮短全高清電視產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，將新產(chǎn)品更快推向市場(chǎng)。