新一代LCD TV 電源整體解決方案概述

從功耗角度來(lái)看，為實(shí)現節能環(huán)保，對于不同功率范圍及不同應用場(chǎng)合，各國政府及能源機構紛紛制定各種新的能耗標準，與此同時(shí)，更加嚴格的規范也在制定之中。ENERGY STAR(EPA V3.0)已經(jīng)明確規范電視產(chǎn)品的最大功耗(表1)，這一標準將于2008年11月1日正式生效。



表1：ENERGY STAR V3.0版本對高清晰電視最大功耗的定義。

另外，在EPA V3.0規范中電視產(chǎn)品允許的最大功耗與其尺寸大小相對應(表2)，其中32??LCD TV的最大功耗要求低于120W，目前市面上銷(xiāo)售的LCD TV產(chǎn)品功耗普遍高于新標準的上限，那么，要通過(guò)ENERGY STAR的認證，設計工程師只有兩個(gè)選擇：對現有電源系統設計考慮做根本性變革，降低電源轉換過(guò)程中的功率損失；或是降低背光亮度并減小音響系統的輸出功率，以減小LCD TV的耗電量。



表2：根據ENERGY STAR V3.0標準計算各尺寸LCD TV最大允許功耗。



表3：DisplaySearch對LCD TV成本的近年資料統計及未來(lái)走勢預測。



表4：傳統LCD TV電源方案與昂寶電子方案優(yōu)缺點(diǎn)之比較。



表5：傳統LCD TV電源方案與昂寶電子方案功耗之比較。



表6：傳統LCD TV電源方案與昂寶電子電源方案主要零件之比較。

顯然，后者是以犧牲用戶(hù)的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)感受為代價(jià)，前者才是最佳選擇，這是電源設計工程師所面臨的一大挑戰，即如何降低LCD TV的耗電量且不降低視聽(tīng)效果。



圖1：昂寶電子針對23英寸以下LCD產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的62W LIPS電源。

LCD TV電源方案分析

LCD TV的電源由于負載的多樣性，其設計也變得相對復雜，需要比如AC功率因子校正、隔離式電源轉換、非隔離式負載點(diǎn)電源轉換以及各種各樣的電源監測保護功能，LCD TV產(chǎn)品正越來(lái)越多的依靠電源管理領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng )新來(lái)確立其在市場(chǎng)上的競爭力。

LCD TV由于整機功率通常小于75W，不需要配置PFC線(xiàn)路，其供電模塊的設計和制造已經(jīng)相對成熟，早期分立的AC/DC主電源板和DC/AC逆變電源板出于降低制造成本的考慮已經(jīng)被整合到一塊PCB板上，即目前主流的LCD整合電源系統(LCD Integrated Power System，LIPS)結構。

昂寶電子已針對此類(lèi)應用開(kāi)發(fā)了多款LIPS電源，AC/DC部分轉換電路主要使用OB2263、OB2269和OB2202等芯片，DC/AC部分逆變器電路主要采用OB3316、OB3318和OB494P等芯片，小尺寸LCD TV內部只有電源板和訊號處理主板兩塊PCB，而對于32?家隕系拇蟪嘰?LCD TV而言，其內部會(huì )相對復雜。

圖2以傳統32??LCD TV為例，其內部主要包括3塊PCB板，即：1. 訊號處理主板，用于音訊視訊處理及系統控制等功能；2. AC/DC電源板，將市電的220V@50Hz或110V@60Hz交流輸入轉換成音訊系統、視訊系統、控制系統等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流電壓，并實(shí)現功率因子校正、與輸入電網(wǎng)安全隔離等功能；3. DC/AC電源板，用于將AC/DC電源板輸出的24V或12V直流電壓再逆變升壓得到1,000V@50KHz的交流電壓，以此高壓高頻正弦交流電壓來(lái)驅動(dòng)背光CCFL燈管，并實(shí)現背光亮度調節等功能。



圖2：傳統式LCD TV內建訊號處理、AC/DC電源、DC/AC電源三塊PCB板。

圖3是傳統式LCD TV電源的結構圖，依功能通?？蓪⑵鋭澐譃?大模塊，即：PFC模塊；DC/DC主電源模塊；DC/AC逆變電源模塊。



圖3：傳統式LCD TV電源系統結構圖。

由于離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源不可避免會(huì )產(chǎn)生帶高諧波含量的非正弦輸入電流，這會(huì )對電網(wǎng)產(chǎn)生一定污染，并且會(huì )影響到連接在同一電源線(xiàn)的其它電子設備，為滿(mǎn)足歐盟IEC61,000-3-2的D類(lèi)標準或類(lèi)似的區域性諧波含量規范，通常需要在輸入功率大于75W之開(kāi)關(guān)電源設計中加入PFC模塊。大尺寸LCD TV的輸入功率遠遠大于75W，因此PFC模塊亦是LCD TV電源中不可缺少的部分，PFC模塊透過(guò)Boost線(xiàn)路將電網(wǎng)輸入的交流電壓轉換成穩定的400V直流電壓供給后級DC/DC電源使用。

DC/DC主電源模塊負責將PFC輸出的400V直流電壓轉換成各種負載所需要的低壓直流電平，來(lái)滿(mǎn)足DC/AC逆變電源輸入、音響系統、視訊系統、控制系統等模塊的工作需要，常見(jiàn)電壓包括24V/18V/12V/5V/3.3V等。國際能源署(IEA)和歐盟制定的1W計劃要求在2010年將所有產(chǎn)品的待機功耗降低到1W以?xún)?，為符?W待機功耗之節能規范，DC/DC主電源模塊之外通常還需要設計一塊獨立的待機電源，用于在待機模式下維持遙控接收器模塊的工作，并將PFC和DC/DC主電源模塊關(guān)閉，以最大限度降低待機功耗。

DC/DC主電源根據LCD TV尺寸及功率的大小，其常見(jiàn)拓撲結構包括：返馳(包括準諧振)、雙管返馳、雙管正激、諧振半橋(HB LLC)等幾種。對于50W~100W之功率范圍，單開(kāi)關(guān)的返馳或準諧振返馳拓撲是最佳選擇，其中準諧振控制透過(guò)減小開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高轉換效率并改善開(kāi)關(guān)造成的EMI干擾，而對于更大功率的100W~200W范圍，可以透過(guò)雙開(kāi)關(guān)返馳的方式來(lái)應對。正激結構可應用于200W~300W的功率范圍，但由于需在連續導電模式下工作，解決由于硬開(kāi)關(guān)所引出的EMI問(wèn)題是一項挑戰。諧振半橋結構適用于150W以上的功率應用，其在高功率級的LCD TV應用中性能優(yōu)勢十分明顯，全負載范圍的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)及低電流關(guān)斷控制可幫助最大限度降低開(kāi)關(guān)損耗及減小EMI干擾。

DC/AC逆變電源用于驅動(dòng)背光模塊，其將DC/DC主電源輸出的24V或12V直流電壓轉換為1,000V左右的高壓交流電壓用于驅動(dòng)背光CCFL燈管并實(shí)現背光亮度(燈管電流)的調節功能，LCD TV顯示畫(huà)面的對比度需依靠高亮度的背光來(lái)支撐，所以DC/AC逆變電源部分的輸出功率通常占整機總輸出功率的70%以上，且尺寸越大，背光功耗所占比重越大。



圖4：傳統式LCD TV主電源功率范圍及架構選擇。



圖5：昂寶電子LCD TV電源方案結構圖。

透過(guò)上述對傳統LCD TV電源的結構分析，我們不難發(fā)現一個(gè)問(wèn)題，即其整體效率非常低，因為占70%以上功耗的背光部分的電能在PFC之后經(jīng)歷了降壓再升壓的兩級轉換，且轉換過(guò)程中的效率損失亦會(huì )引起散熱問(wèn)題。LCD TV的超簿設計及噪音限制使得在機箱中添加風(fēng)扇沒(méi)有可能性，則熱量的堆積會(huì )直接導致機殼內上下部分溫度的不均勻，再配合CCFL亮度對溫度的敏感特性，這樣的設計給用戶(hù)呈現出來(lái)的將是面板上下部亮度不均勻的獨特效果。

為解決上述問(wèn)題，400V高壓輸入逆變電源方案一直為業(yè)界所討論和提議，而昂寶電子透過(guò)整合自身豐富的產(chǎn)品線(xiàn)，已經(jīng)將這一構想變?yōu)楝F實(shí)，即DC/AC逆變電源的輸入不再采用DC/DC主電源的24V電壓，而是直接取自PFC的400V輸出。這樣背光部分的電能即減少了一級能量轉換，節省了一級效率損失，并且DC/DC主電源的設計功率可以大幅降低，亦順帶解決了DC/DC主電源的散熱問(wèn)題，最重要的是DC/DC主電源的制造成本大幅降低。

在不具備高壓輸入DC/AC逆變電源方案的條件下，人們往往透過(guò)最佳化AC/DC主電源的方式來(lái)降低整機功耗，如參考文獻2中所討論的透過(guò)半橋諧振LLC架構來(lái)最佳化LCD TV電源，這也是一個(gè)方法，但與之相對應的是昂貴的制造成本，而采用昂寶電子開(kāi)發(fā)的LCD TV整體電源方案，便宜的的單開(kāi)關(guān)返馳或準諧振返馳就足以應付大尺寸LCD TV中背光以外的功率需求了。

圖6以150W LCD TV電源為例來(lái)對比傳統方案與昂寶電子之方案，假設背光滿(mǎn)載消耗100W，其它部分滿(mǎn)載消耗50W，按照常規架構及各模塊轉換效率來(lái)推算，運用傳統方案來(lái)設計，其理論輸入功率將達到197W左右，整體效率為76%，而使用昂寶電子的方案來(lái)設計，其理論輸入功率只需要174W左右，整體效率高達86%。



圖6：150W LCD TV電源系統傳統方案與昂寶電子方案之功率比較。

而另外一個(gè)重點(diǎn)是，傳統方案需要設計168W的DC/DC主電源，而使用昂寶電子的方案設計，則只需要設計50W的DC/DC主電源，根本不需要采用價(jià)格昂貴的半橋諧振LLC方案。