數(shù)字平板電視的電源設(shè)計技術(shù)要求分析

數(shù)字平板電視持續(xù)增長，可望2008年在全球的電視市場取得超過50%的份額。平板電視(包括等離子電視和液晶電視)的電源設(shè)計挑戰(zhàn)與傳統(tǒng)的陰極射線管(CRT)電視有很大不同。首要挑戰(zhàn)是使電源配合平板電視纖薄的面板形狀，其次是管理視頻電路的發(fā)熱和電磁干擾(EMI)問題。與CRT的要求相比，平板電視所要求的電平較高，且要求的電壓也不同，因此使電源設(shè)計問題更復(fù)雜。若將顯示面板的成本排除在外，電源占據(jù)液晶電視材料清單(BOM)成本約12%。而從物理尺寸來看，電源也占了液晶電視屏幕背面區(qū)域頗大的一部分(見圖1)。

圖1：46英寸液晶電視面板背部剖視圖。

圖2提供傳統(tǒng)液晶電視系統(tǒng)的架構(gòu)圖，其中綠色突出顯示部分為電源系統(tǒng)模塊。前端是交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)接受通用交流輸入(90-265V_rms)，并在應(yīng)用前面的功率因數(shù)校正(PFC)功能后，將交流電壓轉(zhuǎn)換為單路或多路隔離的直流電壓。對于屏幕尺寸較小的液晶電視而言，如果其功率輸入低于75W，PFC就不是一項強制要求。AC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的其中一路主電壓(典型值為24V)主要負(fù)責(zé)為背光逆變器供電，而其電流/功率要求取決于顯示器所使用的冷陰極熒光燈(CCFL)的燈管數(shù)量(屏幕尺寸越大，功率要求越高)。在大尺寸液晶電視中，背光能占超過80%的總功耗。自AC-DC轉(zhuǎn)換器輸出的第二路重要電壓是用于音頻子系統(tǒng)和下行系統(tǒng)電源的12V輸出，其中下行系統(tǒng)電源在一個經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換之后為低壓信號處理電路和處理器供電。小尺寸液晶電視可使用12V電源進(jìn)行背光和為音頻放大器供電。此外還要求一個具有高達(dá)2A電流能力的5V待機電源。

圖2：典型的液晶電視功能模塊圖，其中綠色顯示部分為電源處理模塊。

系統(tǒng)要求的所有其他電壓都是采用低壓降(LDO)穩(wěn)壓器或DC-DC轉(zhuǎn)換器為其他處理功能供電，這些處理功能的物理位置和選擇取決于當(dāng)前的要求和尺寸限制等。

典型電源平臺

根據(jù)面板尺寸、面板制造商、音頻要求和所用的芯片組等因素的不同，各個電源設(shè)計的要求也會不同，但對于電視制造商和其電源原設(shè)計制造商(ODM)而言，他們需要的是標(biāo)準(zhǔn)平臺, 能夠快速適用于不同的要求(如某平臺用于尺寸最大為26英寸的液晶電視，另一種用于尺寸介于26至32英寸之間的液晶電視，依此類推)。平臺的選擇主要由成本因素來確定。由于小屏幕尺寸(小于26英寸，功率小于150W)設(shè)計的功率較低，且對成本更為敏感，它們多由簡單的反激式設(shè)計主導(dǎo)。如果需要PFC，便會采用臨界導(dǎo)電模式(CrM)電路，將成本降到最低。然而，如要求低EMI和高能效，便須采用谷底開關(guān)(valley-switching)或準(zhǔn)諧振反激技術(shù)。將電視內(nèi)部的發(fā)熱降到最低也很重要，因為液晶電視采用被動冷卻方式，而且電視機內(nèi)部的頂端和底端存在的顯著溫差可能會影響CCFL燈管光輸出的一致性。業(yè)界已經(jīng)證明，采用適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體解決方案，從傳統(tǒng)的固頻反激轉(zhuǎn)向谷底開關(guān)的成本影響可說是微不足道。低端設(shè)計中整合了單個12 V輸出電源，并使用后處理器 (post-processor) 來產(chǎn)生5V電源。在這種方法中，待機管理比較棘手，因為需要額外的負(fù)載開關(guān)。

另一個平臺等級適用于26至37英寸電視，功率介于150和250W之間。對于這些系統(tǒng)，電源板內(nèi)必須含有一個獨立的待機轉(zhuǎn)換器，否則要在0.5W負(fù)載下滿足小于1W輸入功率的待機要求就變得很困難。此外，還須轉(zhuǎn)換為24V輸出電壓以用于背光逆變器。其他信號處理電路和音頻仍然需要12V總線，因此典型使用的是多輸出轉(zhuǎn)換器。雖然傳統(tǒng)的和較低端的平臺仍然在主轉(zhuǎn)換器和待機轉(zhuǎn)換器中使用反激拓?fù)?，但如今趨向利用雙電感加單電容(LLC)半橋轉(zhuǎn)換器的軟開關(guān)拓?fù)鋪硖岣吣苄Ъ皽p少EMI。

對高于250W的更大屏幕尺寸(大于37英寸)而言，在主電源中使用LLC半橋轉(zhuǎn)換器就更為平常了。而且PFC功能通常是采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)電路來實現(xiàn)，電平和要求的復(fù)雜程度都有增加。因此，輔助電源通過反激轉(zhuǎn)換器來處理。主電源的第二個輸入端提供高達(dá)14 V電壓，以支持更高的音頻功率要求。

PFC概述

雖然PFC應(yīng)用的推動力主要是歐洲有關(guān)諧波減少的標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2，有源PFC前端的額外效益使其幾乎成為絕大多數(shù)平板電視的通用選擇。這與CRT電視形成了鮮明對比，因為在CRT電視中PFC解決方案主要是無源、大體積的方案。隨著近來NCP1653等簡化型CCM控制器和相關(guān)支持器件的推出，PFC前端的設(shè)計挑戰(zhàn)已經(jīng)得到舒解。如上所述，低端解決方案的共同選擇就是CrM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如NCP1606控制器等。然而，近期出現(xiàn)一個變化—頻率鉗位CrM方法(例如NCP1605)正在憑借其改善的待機管理和更低的EMI而日受歡迎。

為平板顯示應(yīng)用選擇PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，考慮諸如電源段的排序、保持時間、輸出電壓范圍、待機和輕載下工作等問題也很重要。

LLC半橋概述

主電源段適合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇取決于電平、設(shè)計人員熟悉程度和輸出要求等因素。表1提供了適合不同屏幕尺寸的不同解決方案的簡單總結(jié)。雖然反激式方法非常流行，但LLC半橋轉(zhuǎn)換器需特別提到。

表1：不同屏幕尺寸的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因消除導(dǎo)通開關(guān)損耗而顯著提高電源效率。此外，如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)與其他諧振方式不同，它不需要輸出電感，相對比較簡單。諧振回路能夠通過將諧振電感集成到主變壓器中得到簡化。它還將開關(guān)電壓應(yīng)力限制到輸入電壓的最大值。這些優(yōu)點使LLC半橋轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為大功率LCD和等離子電視電源設(shè)計的非常便利的選擇。由于開關(guān)頻率并不會顯著變化，存在著穩(wěn)定的PFC電壓端簡化了設(shè)計過程。然而，使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來設(shè)計電源需要一些特別的考量和設(shè)計折衷，其中包括諧振回路、輸入和輸出電容的選擇，以及變壓器的設(shè)計。使用LLC半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明能夠?qū)崿F(xiàn)高于90%的能效。

圖3：LLC半橋轉(zhuǎn)換器的簡化原理示意圖。

新興架構(gòu)及趨勢

隨著液晶電視市場的高速增長，業(yè)界面臨構(gòu)建更高性價比及更高能效電源的壓力也在增加，業(yè)界有兩個主要的行動方向來滿足這些需求。

第一個便是市場認(rèn)識到輸出電壓范圍的差異性可提供特定市場定制電源的商機。舉例來說，單獨針對北美市場設(shè)計的電源會將輸入電壓范圍限制在90-132V_rms，并消除了PFC強制要求，這會使成本顯著下降并可優(yōu)化電源。同理，如針對歐洲電源要求，帶有PFC的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。

第二個重要的架構(gòu)趨勢是將背光逆變器集成到電源中，也就是大家所知的LCD集成電源(LIPS)。這種方法消除了用于背光逆變器的24 V電源端的需求，改從PFC輸出電壓 (390V)直接為逆變器供電。這就降低了系統(tǒng)總功率，減少了主板的發(fā)熱量，并降低了成本。然而，由于涉及到融合電視機的兩個不同部分，且這兩個部分的采購來源各不相同(一個來自面板供應(yīng)商，另一個來自電源ODM)，從供應(yīng)鏈管理來看，這種趨勢存在著挑戰(zhàn)，因為電源必須針對特定的面板制造商和燈管配置進(jìn)行優(yōu)化。

解決方案示例

本文所列舉的新要求表明要滿足這些新要求對電視制造商及其供應(yīng)商而言都是持續(xù)的挑戰(zhàn)，再加之極短的設(shè)計周期，電視制造商通常選用經(jīng)過驗證的平臺。安森美半導(dǎo)體率先針對這些液晶電視電源要求積極提供完整的參考設(shè)計解決方案，這些參考設(shè)計結(jié)合了經(jīng)過驗證并符合所有系統(tǒng)要求的完整解決方案。圖4中顯示的就是其中的一個參考設(shè)計。

圖4：用于220 W液晶電視電源的安森美半導(dǎo)體GreenPoint參考設(shè)計。

該參考設(shè)計包含一個PFC，它集成了頻率鉗位CrM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備良好的待機性能，并且使用跳周期模式操作來實現(xiàn)在輸出維持穩(wěn)健的電壓端。它還有一個使用了NCP1027穩(wěn)壓器的待機電源，用于5V、2.5A輸出。而LLC半橋轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生三路輸出(用于背光的24V、6A輸出；用于面板和音頻功能的12 V、3 A輸出；30 V、1 A輸出)。在輸入電壓為230V_ac時，該參考設(shè)計的能效高于90%，而在待機0.5W負(fù)載時其輸入功率證明低于1W。它符合IEC61000-3-2的諧波要求。

本文小結(jié)

本文簡述了平板電視電源架構(gòu)的新興電源設(shè)計挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。這些趨勢源自于降低功耗以管理發(fā)熱、減少EMI和永恒的降低成本的要求。隨著電視制造商爭相推出更纖薄的LCD面板，這方面的挑戰(zhàn)也變得更棘手。許多變化來自背光技術(shù)，如帶有LIPS的CCFL、外置電極熒光燈(EEFL)或者甚至是紅綠藍(lán)(RGB) LED光源。未來幾年內(nèi)，這些變化必使電源設(shè)計人員保持警覺，驅(qū)使他們持續(xù)提供更創(chuàng)新的解決方案。最后，液晶電視日趨普及的程度已引起標(biāo)準(zhǔn)制定機構(gòu)的注意，這些機構(gòu)正在考慮在不遠(yuǎn)的將來制定相關(guān)的能耗標(biāo)準(zhǔn)。