英飛凌面向液晶電視SMPS的整體解決方案

　　1 摘要

　　相對于傳統的陰極射線(xiàn)管電視，液晶電視憑借其高清晰度、大屏幕尺寸和超薄面板等優(yōu)勢，已被越來(lái)越多的用戶(hù)所接受和喜愛(ài)。而液晶電視的電源設計者則在設計方面至少面臨4大挑戰：高能效、高功率密度、低EMI輻射和低成本。此外，整個(gè)系統在待機模式下的功耗應保持在1.0W以下（負載0.5W）。另外值得一提的是，由于對不同尺寸屏幕的液晶電視的功率等級、能效和成本敏感度的要求不同，設計者應相應地選用不同的電源拓撲結構。英飛凌擁有眾多AC/DC IC產(chǎn)品，包括8引腳半橋LLC控制器ICE1HS01G、準諧振反激式控制器ICE2QS0X、準諧振CoolSETICE2QRXX65 （集成式功率IC）、CoolSETF3R 系列、DCM PFC 控制器 TDA4863-2和CCM PFC控制器ICE2PCS0X，可幫助電源設計者輕松滿(mǎn)足所有這些嚴格的要求。本文將簡(jiǎn)要介紹這些產(chǎn)品的特性和設計指南。

　　2.液晶電視電源典型架構

　　
圖1. 32英寸液晶電視面板（后視圖）

　　　　圖1為一個(gè)典型的32英寸液晶電視面板，其背面安裝有三個(gè)電路板，分別為電源單元、低壓逆變器以及聲音與圖像控制電路板。電源單元電路板用于將交流輸入電壓（85Vac~265Vac）轉換成較低的直流輸出電壓（24V/12V/5V/3.3V），這些較低的直流輸出電壓為背光、音頻與信號處理等各種系統供電。輸入功率因數校正（PFC）也由電源單元完成；低壓逆變器電路板用于將低直流輸入電壓（24V或12V）轉換成高交流輸出電壓（1200Vac@50kHz），用于驅動(dòng)CCFL背光燈；聲音與圖像控制電路板用于控制和處理聲音與圖像信號，另外還負責控制整個(gè)系統。

　　圖2 液晶電視傳統電源系統架構

　　圖2 概括介紹了液晶電視傳統電源系統構架，包含一個(gè)電源單元和一個(gè)獨立的DC/AC逆變器。

　　由于輸入功率常常高于75W，因此經(jīng)常需要使用前端PFC級。后續兩級為主DC/DC級和待機功率級。

　　主DC/DC級用于為背光逆變器、系統電路板和音頻系統供電。當功率額定值小于200W時(shí)，由于能夠更好地在性能和成本之間取得平衡，建議在DC/DC級采用準諧振反激式拓撲。若功率額定值超過(guò)200W，可使用LLC諧振轉換器，因為它具備更加出色的效率和EMI性能。

　　待機級用于提供待機部件和微控制器所需的電源。開(kāi)關(guān)集成式反激式電源往往是設計者的首選解決方案。

　　DC/AC逆變器是一個(gè)獨立的單元，負責將24V（12V）直流電壓轉換成高交流電壓（例如1200Vac），為背光燈供電。

　　3 液晶電視功率等級要求

　　在家用電器設備中，電視機的耗電量較大。根據電視機能源之星3.0規定，需要實(shí)現1W的待機輸入功率。

　　此外，還對主動(dòng)模式下的效率提出了要求。為了符合能源之星計劃的要求，電視機不得超過(guò)表1中根據原生垂直分辨率和可視屏幕尺寸計算得出的最大開(kāi)機功耗。

　　表1. 電視機開(kāi)機功率水平要求

　　表2. 不同尺寸電視機的開(kāi)機功率要求

　　　例如，根據IEC 62087標準（“聲頻、視頻和相關(guān)設備功率消耗量的測量方法”）進(jìn)行測試時(shí)，一臺32英寸高清電視功耗不得超過(guò)120W，一臺42英寸高清電視功耗不得超過(guò)208W。

　　實(shí)際上，市場(chǎng)上現有的多數液晶電視都無(wú)法滿(mǎn)足表2所列的功率要求。主要解決方案之一是進(jìn)一步提高現有液晶電視的電源效率。

　　4 液晶電視電源設計挑戰

　　液晶電視的電源單元厚度需要比陰極射線(xiàn)管電視的電源薄很多。液晶電視采用的標準電源單元的厚度通常需要低于25mm。超薄型液晶電視甚至需要電源單元的厚度低于13mm。

　　液晶電視的電源單元功率密度遠高于陰極射線(xiàn)管電視的電源單元的功率密度。

　　需要實(shí)現更高的能效不僅是由于相關(guān)計劃對能效的要求越來(lái)越嚴格，而且也是因為缺少改善熱環(huán)境的風(fēng)扇。

　　如圖1所示，液晶電視的聲音與圖像控制電路板、電源單元和屏幕面板相互緊靠，因此，毫無(wú)疑問(wèn)需要較低的EMI輻射，否則聲音與圖像質(zhì)量可能會(huì )受到影響。

　　液晶電視被看作是消費類(lèi)電子設備，因此成本始終是關(guān)鍵要素。液晶電視電源設計者時(shí)刻面臨這種挑戰。

　　5 液晶電視電源設計趨勢

　　5.1 液晶電視集成電源（LIPS）解決方案

　　圖2已經(jīng)簡(jiǎn)要介紹了液晶電視的傳統電源系統架構。電源單元是個(gè)AC/DC轉換器，而DC/AC逆變器部分則被單獨隔離開(kāi)來(lái)。這個(gè)電源系統主要由三個(gè)系統塊構成：首先是前端PFC預調節器；第二個(gè)是DC/DC級，負責將400V PFC輸出電壓轉換成24V（12V）。第三個(gè)是DC/AC逆變器，負責將24V（12V）電壓轉換成高交流電壓（如1200Vac），為背光燈供電。

　　圖3. 液晶電視集成電源解決方案

　　　　圖3所示的LIPS解決方案省去了圖2中所示的DC/DC級（400V/24V），400V PFC輸出電壓直接饋入后面的DC/AC逆變器，而且PFC級和DC/AC逆變器被集成在一個(gè)電源單元里面。LIPS方案中的DC/DC（400V/20V、12V、5V、3.3V）級的功率額定值要遠遠小于在傳統液晶電視電源中的功率額定值。

　　相對于傳統的電源解決方案，LIPS解決方案的DC/AC逆變器由于具備更高的輸入直流電壓，因此能實(shí)現更高的能效；同時(shí)，DC/DC級的功率損耗也遠遠低于在傳統解決方案中的功率損耗。因此，LIPS解決方案可實(shí)現更高的總能效。另外，由于減少了組件數量，因此降低了尺寸和成本（高達30%）。

　　盡管如此，LIPS解決方案依然面臨幾個(gè)障礙：

　　液晶電視面板供應商通常將面板的銷(xiāo)售與逆變器電路板捆綁起來(lái)。因此，在這種情況下，面板供應商便成了逆變器架構決策者。SMPS廠(chǎng)商如果想開(kāi)發(fā)LIPS解決方案，必須要按照面板供應商提供的規范設計逆變器。此外，必須重新調整電視機市場(chǎng)以往的價(jià)值鏈，電視機面板供應商不會(huì )輕易將他們的利潤與電源供應商分享；

　　目前存在一些有關(guān)背光燈電流平衡電路的專(zhuān)利，電源供應商必須與專(zhuān)利所有者協(xié)商，解決專(zhuān)利問(wèn)題；

　　不同的面板型號對逆變器有不同的要求，因此電源供應商必須采用不同逆變器規范設計LIPS電源，這大大增加了產(chǎn)品所需的研發(fā)成本。

　　盡管LIPS面臨上述的幾個(gè)障礙，但由于具備較低的成本、簡(jiǎn)單的結構和更高的能效，LIPS解決方案依然成為了液晶電視電源的主要發(fā)展趨勢。如今，LIPS解決方案正逐漸被越來(lái)越多的領(lǐng)先電源廠(chǎng)商和液晶電視廠(chǎng)商（例如三星、索尼、LG等）所采用。這些廠(chǎng)商有能力采購到LCD面板（不帶逆變器電路板），所以他們在決定采用什么電源架構上具備了較高的決定權。在某些地區，例如在韓國，LIPS被相信將在今后若干年內占據主導地位。

　　圖3所示的LIPS解決方案和圖2所示的傳統解決方案相比，對原DC/DC級的輸出功率要求大大降低；因此，可建議采用準諧振或固定頻率反激式拓撲，用于執行DC/DC級功能，獲得較高的性能價(jià)格比。

　　5.2 待機輸入功率要求

　　如今，待機性能正日益成為液晶電視電源設計的關(guān)鍵要素。

　　通常情況下，多數液晶電視廠(chǎng)商可完全接受100mW 的待機輸入功率。此外，在一些典型的輕負載條件下也對輸入功率提出了要求，例如當5V輸出電壓產(chǎn)生20mA電流時(shí)，輸入功率應低于0.3W。

　　為了滿(mǎn)足日益嚴格的待機功率要求，LIPS解決方案中多路輸出轉換器（multi converter）和待機轉換器（standby）可通過(guò)兩個(gè)獨立的轉換器實(shí)現，例如多路輸出轉換器采用固定頻率或準諧振反激式拓撲，而另一個(gè)固定頻率反激式拓撲則用于實(shí)現待機轉換器。

　　5.3 液晶電視功率要求

　　如今，消費者都越來(lái)越關(guān)注能源成本的飛速上漲。領(lǐng)先的液晶電視廠(chǎng)商也在持續不斷地開(kāi)發(fā)全新技術(shù)，進(jìn)一步降低電視的總功率，同時(shí)確保電視圖像質(zhì)量與音質(zhì)不受影響。

　　例如，液晶電視領(lǐng)先廠(chǎng)商索尼推出了全新的“BRAVIA” JE1系列（KDL-32JE1）。該系列產(chǎn)品具備業(yè)界32英寸數字液晶電視最高的能效。通過(guò)改善背光燈光發(fā)射效率和光學(xué)膜的光傳導效率，索尼實(shí)現了領(lǐng)先業(yè)界的能效，年功耗僅為86千瓦小時(shí)（這意味著(zhù)平均功耗僅為53W），最大功耗不到89W。

　　因此，建議采用準諧振反激式拓撲代替LLC，用于傳遞電源功率，原因是它能夠在性能與成本之間取得更好的平衡。

　　5.4 LED背光

　　盡管CCFL作為背光源已經(jīng)為電視產(chǎn)品服務(wù)了數十年，但LED等全新技術(shù)已向CCFL的主導地位發(fā)起挑戰。實(shí)際上，幾家領(lǐng)先的液晶電視廠(chǎng)商已經(jīng)推出采用LED背光燈的液晶電視。LED背光燈相對于CCFL背光燈的優(yōu)勢概括如下：

　　LED背光可調節亮度，改善黑電平（通過(guò)降低亮度），因此可提高整體對比度。這相對于原來(lái)的強制性方法是一種更加高效的方法。LCD面板供應商原來(lái)只能通過(guò)提高整體亮度來(lái)提升對比度。

　　LED具備更寬的色域，達到超過(guò)100%的NTSC色域值，而CCFL僅能達到92%（最新進(jìn)展）或 72%（傳統）。

　　LED液晶電視使用壽命是典型CCFL液晶電視使用壽命的兩倍。CCFL的亮度會(huì )慢慢退化，使用壽命約為50，000小時(shí)。而LED在50，000小時(shí)的使用周期內亮度幾乎不變，超過(guò)100，000小時(shí)后，亮度減半。

　　圖4. LED背光液晶電視的電源系統架構

　　　如圖4所示，從CCFL到LED的變化不會(huì )對液晶電視的電源設計造成太大影響。LLC諧振轉換器可用于執行主DC/DC功率級的功能，為L(cháng)ED驅動(dòng)器電路、音頻系統和系統電路板供電。同樣，微控制器和待機部件也需要一個(gè)額外的DC/DC級供電。此外，該DC/DC級也可用來(lái)為音頻系統和系統電路板供電。

英飛凌面向液晶電視電源產(chǎn)品及解決方案#e#

　　6 英飛凌面向液晶電視電源的產(chǎn)品及解決方案

　　針對圖2所示的典型架構，英飛凌可提供整體解決方案（如圖5和圖6所示），包括PFC控制器（DCM PFC TDA4863-2和CCM PFC ICE2PCS0X）、LLC 諧振控制器（8個(gè)引腳LLC ICE1HS01G）、準諧振反激式控制器（ICE2QS02G和ICE2QS03G）、固定頻率反激式控制器（如ICE3BS03LJG）、準諧振CoolSET®（如ICE2QR0665）和固定頻率CoolSET®（如ICE3BR4765）。這些產(chǎn)品可幫助客戶(hù)輕而易舉地獲得經(jīng)濟實(shí)惠的高能效解決方案，輕松滿(mǎn)足上述日益嚴格的要求。

　　針對圖3所示的LIPS解決方案，英飛凌也可為客戶(hù)提供強大的設計支持：固定頻率CoolSETF3R（如ICE3BR1065JF、ICE3BR2565JF）可用于實(shí)現多路輸出轉換器和待機轉換器功能。

　　下面簡(jiǎn)要介紹上述AC/DC IC產(chǎn)品，如欲了解更多信息，敬請參考www.infineon.com網(wǎng)站的產(chǎn)品數據表。

　　圖5. 中低額定功率液晶電視電源架構

　　圖 6. 中高額定功率液晶電視電源架構

　　6.1 PFC控制器

　　具備8個(gè)引腳的DCM PFC IC TDA4863-2采用不連續導通模式，可控制峰值電流。TDA4863-2控制一個(gè)升壓轉換器，從單相電源獲得正弦電流，然后在輸出端提供穩定的直流電壓。這種電路作為諧波濾波器，可限制電容器在傳統電容性輸入整流器電路整流過(guò)程中的脈沖充電電流所產(chǎn)生的諧波電流。功率因數幾乎為1，因此，線(xiàn)電壓波動(dòng)可高效地得到補償。這種IC也可對線(xiàn)電壓可能存在的變化進(jìn)行補償，具備多種保護特性。

　　具備8個(gè)引腳的CCM PFC IC ICE2PCS0X 系列是適用于有源PFC轉換器的寬輸入范圍控制器IC。它針對采用升壓拓撲的轉換器設計，只需少數外部組件。建議采用外置輔助電源為控制器IC供電。在平均電流控制條件下，這種IC采用連續導通模式，在輕載條件下，采用不連續導通模式。通過(guò)外部實(shí)現電流和電壓環(huán)路補償，使用戶(hù)能夠全面控制。這種IC具備多種保護特性，可確保安全的系統運行條件。ICE2PCS0X可滿(mǎn)足具備最少外設組件的PFC應用的所有要求。它具備更寬的電源電壓范圍、改進(jìn)的內置振蕩器和額外的大容量電容器直接過(guò)壓保護，這提高了設計性能和靈活性。

　　6.2 LLC 諧振控制器

　　ICE1HS01G是英飛凌科技最新開(kāi)發(fā)的8引腳LLC控制器。ICE1HS01G經(jīng)過(guò)精心數字化設計，適用于液晶/等離子電視、AC/DC適配器和音響系統中開(kāi)關(guān)電源的應用。ICE1HS01G具備半橋LLC諧振轉換器所需的全部保護特性。ICE1HS01G允許設計者利用外置電阻對振蕩器進(jìn)行設置，從而選擇適宜的工作頻率范圍。另外還提供可限制輸入沖擊電流和輸出電壓過(guò)沖的可編程軟啟動(dòng)功能。此外，ICE1HS01G具備了半橋LLC諧振轉換器所必需的全部保護功能。所有這些使ICE1HS01G成為市場(chǎng)上半橋LLC諧振轉換器的理想產(chǎn)品。

　　6.3 準諧振控制器與準諧振CoolSET®

　　ICE2QS02G 是由英飛凌科技開(kāi)發(fā)的準諧振控制器IC，主要適用于具備輔助待機供電電源的電源系統，例如液晶電視、家用音響設備或打印機設備的電源。這顆IC所需的電源電壓由另外的輔助電源提供。ICE2QS02G擁有數字降頻技術(shù)，該數字降頻技術(shù)使得開(kāi)關(guān)頻率隨著(zhù)負載的降低而降低，并同時(shí)確保在整個(gè)負載范圍內實(shí)現Mosfet谷底開(kāi)通。因此，在整個(gè)負載范圍內，相對于僅具備最大頻率限制的傳統的自由運行準諧振轉換器而言，其系統平均效率可得到大幅提高。此外，ICE2QS02G還具備多種用戶(hù)可調的保護功能，旨在保護系統并使得該IC適用不同的應用場(chǎng)合。在故障模式下，例如開(kāi)環(huán)控制回路/過(guò)載、輸出過(guò)壓和變壓器繞組短路等，該器件將切換至自動(dòng)重啟模式或栓鎖（latch-off）模式。通過(guò)采用逐周期峰值電流限制和折返校正等方法，可降低變壓器尺寸，優(yōu)化次級二極管的電流等級，從而提高設計的成本效率。

　　ICE2QS03G 是由英飛凌科技開(kāi)發(fā)的另一款準諧振控制器IC，主要適用于筆記本、上網(wǎng)本和打印機適配器應用。與ICE2QS02G相同，這種系統得益于數字降頻技術(shù)可大幅提升平均效率。內置的啟動(dòng)單元和主動(dòng)突發(fā)模式運行可帶來(lái)超低的待機功耗和較小、可控的輸出電壓紋波?；贐iCMOS工藝，該產(chǎn)品具備較寬的IC電源工作電壓范圍（高達26V）和較低的功耗。與ICE2QS02G相同，多種保護功能能夠在出現故障的條件下為電源系統提供全面的保護。

　　CoolSET®-Q1 系列ICE2QRxx65 是英飛凌推出的第一代準諧振集成式電源IC。例如，采用DIP 8封裝的ICE2QR0665是一款準諧振CoolSET®，包含準諧振控制器ICE2QS03G和650V CoolMOS®。ICE2QR0665的目標應用是機頂盒、便攜式游戲控制器、DVD播放器、上網(wǎng)本適配器和液晶電視的輔助電源等。由于集成了CoolMOS，該IC可大大簡(jiǎn)化PCB的設計與版圖。在通用交流線(xiàn)路輸入條件下，ICE2QR0665具備高達40W的輸出功率。

　　6.4 固定頻率CoolSET

　　英飛凌已經(jīng)推出一系列固定頻率CoolSET®，它包含固定頻率反激式控制器和650V CoolMOS®。在這些CoolSET產(chǎn)品中，CoolSET®-F3R FullPak （如ICE3BR1065JF、ICE3BR2565JF）是一款新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，目標應用是液晶電視、DVD刻錄機、DVD Combi和機頂盒等產(chǎn)品中的離線(xiàn)適配器和高功率范圍SMPS。如果采用液晶電視LIPS解決方案，CoolSET®-F3R FullPak適用于多路輸出轉換器和待機轉換器相集成的應用場(chǎng)合。因此，相對于分立式解決方案，這可有效減少PCB占位空間和組件數量。此外，由于具備主動(dòng)突發(fā)模式優(yōu)點(diǎn)，它在無(wú)負載和輸入電壓為270Vac的條件下可滿(mǎn)足最低待機功率要求（《100mW）。當需要進(jìn)行過(guò)溫、過(guò)壓、開(kāi)環(huán)和過(guò)載保護時(shí)，它會(huì )進(jìn)入自動(dòng)重啟模式。另外，內置的頻率抖動(dòng)功能可有效地降低EMI噪聲，進(jìn)一步縮小輸入濾波器尺寸。

　　7 結論

　　如今，液晶電視已經(jīng)占據市場(chǎng)主導地位。液晶電視用開(kāi)關(guān)電源面臨的設計挑戰不同于傳統的陰極射線(xiàn)管電視，需要始終關(guān)注更高的能效、更低的EMI輻射和越來(lái)越薄的尺寸。作為一種消費電子產(chǎn)品，成本仍然是決定液晶電視成敗的關(guān)鍵要素。此外，還應根據不同的功率額定值、能效、成本和電視尺寸等需求，選用不同的電源架構。

　　面對如此多的設計挑戰，英飛凌豐富的AC/DC IC產(chǎn)品將會(huì )為液晶電視電源設計者帶來(lái)眾多益處，幫助他們輕松滿(mǎn)足日益嚴格的相關(guān)要求。