平板電視與開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中的電源設(shè)計(jì)總是給外型、成本以及效率指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。電視市場(chǎng)就是一個(gè)很好的例子。它正在經(jīng)歷從臃腫的，基于CRT的解決方案向使用液晶顯示器（LCD）和等離子顯示器的平板電視的巨大轉(zhuǎn)變。目前LCD主宰平板電視市場(chǎng)，其2008年的預(yù)期銷(xiāo)售量將超過(guò)1億臺(tái)。與此同時(shí)，內(nèi)容已經(jīng)從模擬轉(zhuǎn)變到數(shù)字制式，且新功能也急劇增多，比如用于畫(huà)中畫(huà)功能的多調(diào)諧器、全高清畫(huà)質(zhì)（1080p）、增強(qiáng)型音頻，甚至是因特網(wǎng)訪問(wèn)。

 
此外，CRT所存在的屏幕尺寸限制問(wèn)題將不復(fù)存在。目前，32英寸的寬屏電視最受歡迎，40～42英寸的電視緊隨其后。雖然采用新技術(shù)促進(jìn)了銷(xiāo)售量的增長(zhǎng)并改善了電視用戶(hù)的觀看體驗(yàn)，但是它也造成了功耗的顯著增加。

節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)
在歷史上，用于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，比如美國(guó)能源之星和歐盟生態(tài)標(biāo)簽，主要關(guān)注的是靜態(tài)功耗的影響。但是，隨著向平板電視的轉(zhuǎn)變，人們需要關(guān)心的問(wèn)題擴(kuò)展到了工作（活動(dòng)模式）功耗。

 
實(shí)際測(cè)試表明，42英寸平板電視的功耗在180～500W之間，具體數(shù)值與技術(shù)（LCD或等離子顯示），特性集以及設(shè)計(jì)選擇有關(guān)。比較而言，29英寸CRT電視的功耗大約是100W。

顯然，增加的功耗中，一部分直接與屏幕尺寸的增加有關(guān)，但這并不是唯一的原因。例如，LCD電視顯示屏需要背光子系統(tǒng)；這部分功耗不容忽視而且直接與屏幕尺寸有關(guān)。平均功率的增加，再加上游戲、收看音樂(lè)節(jié)目、網(wǎng)頁(yè)瀏覽以及家庭影院等活動(dòng)造成的使用小時(shí)數(shù)的增多，增加了家庭用電量。

規(guī)范及政府機(jī)構(gòu)正在著手應(yīng)對(duì)這種轉(zhuǎn)變。用于電視的能源之星標(biāo)準(zhǔn)剛經(jīng)過(guò)修訂并推出了3.0版本（自2008年11月啟用），它將包括工作功率限制。這些限制是基于屏幕面積和分辨率（高清晰度或標(biāo)準(zhǔn)清晰度）的，與顯示技術(shù)（LCD、等離子或背投）無(wú)關(guān)。
 
計(jì)算功率限制
根據(jù)屏幕尺寸和分辨率，有多種算法可以計(jì)算功率限制。例如，對(duì)屏幕面積在680～1068平方英寸（4387～6890cm2）范圍內(nèi)的高清電視而言，公式如下：

Pmax=(0.240×面積+27)W

注意：面積的單位是平方英寸。

因此，32英寸高清電視的工作功率限制是120W，而42英寸高清電視的限制則是208W。這些限制是基于對(duì)多家廠商的多種產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)試而制定的。在測(cè)試樣本中，有27.4%通過(guò)了目標(biāo)的工作和靜態(tài)功耗要求。靜態(tài)功耗要求保持不變：自2005年7月以來(lái)就一直是最大值1W的限制。

 
用于32英寸LCD電視的典型電源（見(jiàn)圖1）產(chǎn)生幾種電壓軌來(lái)為各種系統(tǒng)模塊供電，比如音頻，背光和信號(hào)處理模塊。主電源并不提供所需的所有電壓值，相反，各種低電壓軌是由本地線(xiàn)性和DC/DC變換器提供的。

圖1 常見(jiàn)的32英寸LCD電視開(kāi)關(guān)電源

在信號(hào)處理板上可能有5個(gè)或更多個(gè)線(xiàn)性或低壓差穩(wěn)壓器，此外還有幾個(gè)降壓變換器用于為深亞微米數(shù)字信號(hào)處理模塊產(chǎn)生低電壓電源軌。如圖所示，廠商使用支持90～265V交流電壓的統(tǒng)一供電電源的做法相當(dāng)普遍。這種做法，使得根據(jù)電視尺寸對(duì)不同地區(qū)一系列模塊使用單電壓設(shè)計(jì)成為可能，簡(jiǎn)化了物流并降低了開(kāi)發(fā)成本。

如果LCD電視面向全球市場(chǎng)且功率超過(guò)75W，那么這種電視必須符合歐洲用于降低諧波的標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2。在這種情況下，需要使用工作功率因數(shù)控制級(jí)。
 
背光功率
對(duì)26英寸以上的電視而言，背光是功耗最大的部分。24V電壓軌為逆變器級(jí)供電，而后者則驅(qū)動(dòng)背光冷陰極熒光燈（CCFL）。逆變器將24V直流電壓轉(zhuǎn)換為高電壓、低電流的交流信號(hào)，用于啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)這些熒光燈。

2個(gè)主逆變器單元的結(jié)構(gòu)很常見(jiàn)：一個(gè)用于為背光逆變器供電，而另一個(gè)用于控制音頻/視頻以及信號(hào)處理。在歷史上，開(kāi)關(guān)電源級(jí)的功率電平是根據(jù)單開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振（QR）或固定頻率脈寬調(diào)制（PWM）反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)制定的。根據(jù)電視的特性集以及對(duì)12V和5V電壓軌功率要求的不同，電路中可能存在專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)電源用于提供靜態(tài)功率以及滿(mǎn)足1W的靜態(tài)功率限制。

實(shí)際的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
隨著屏幕面積的增加，24V直流電壓軌所需的功率將繼續(xù)增加，直至無(wú)法再使用反激式拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源。因此，許多功率較大的拓?fù)洌ò霕螂p電感加單電容（LLC）拓?fù)?，都被考慮用于在緊湊的空間內(nèi)以低電磁干擾來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。

半橋LLC拓?fù)浔豢醋饕环N串聯(lián)諧振變換器。如圖2所示，LLC指的是電感-電感-電容結(jié)構(gòu)。第1個(gè)電感串聯(lián)在電路中，變壓器代表第2個(gè)電感，而電容連接在變壓器的輸出端。

圖2 簡(jiǎn)單的LLC半橋功率級(jí)

這種方法的基本思想是：半橋場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是由50%占空比的波形驅(qū)動(dòng)的，而功率是通過(guò)改變頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的。通常，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了讓開(kāi)關(guān)頻率超出電路的諧振頻率。

在這個(gè)區(qū)域，電流通過(guò)開(kāi)關(guān)對(duì)電壓進(jìn)行延遲，因此開(kāi)關(guān)在零電壓開(kāi)關(guān)區(qū)域呈開(kāi)啟狀態(tài)，幾乎消除了電容開(kāi)關(guān)損耗。因?yàn)檫@是一個(gè)諧振式拓?fù)?，所以它在很寬的電壓范圍?nèi)的效率都很高。

圖3顯示了基于半橋LLC結(jié)構(gòu)的完整電源的示例。在這個(gè)示例中，HB-LLC級(jí)產(chǎn)生了多路輸出。這種設(shè)計(jì)是安森美半導(dǎo)體公司所開(kāi)發(fā)的一系列Greenpoint參考設(shè)計(jì)中的一部分，展示了高效率的電源拓?fù)?。在這個(gè)示例中，對(duì)115或230V交流主電源而言，在90～220W的范圍內(nèi)，總體效率都大于88%。

圖3 完整的220WLCD電視電源的框圖

除了實(shí)現(xiàn)總體效率高之外，這個(gè)電源的外形也較小，只有25mm高。對(duì)于平板電視而言，電源的高度是很重要的，因?yàn)樗鼤?huì)影響電視的總厚度。人們對(duì)于設(shè)計(jì)能夠很容易地掛在墻上的超薄平板電視的興趣正日益增長(zhǎng)。這種趨勢(shì)對(duì)電源提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)，因?yàn)轶w積需要減小，而通過(guò)電源的氣流可能會(huì)受到更多限制。

 
設(shè)計(jì)高密度、高效率電源的挑戰(zhàn)正推動(dòng)著電源設(shè)計(jì)人員采取創(chuàng)新的電源架構(gòu)來(lái)支持這些快速發(fā)展的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。半橋諧振LLC可以滿(mǎn)足平板電視所要求的效率和體積目標(biāo)，同時(shí)仍然提供消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品所需要的成本低廉的解決方案。

隨著新的工作功率標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，以及消費(fèi)者逐漸認(rèn)識(shí)到轉(zhuǎn)換到大屏幕數(shù)字電視所帶來(lái)的能源消耗，對(duì)高效節(jié)能方案的關(guān)注將與日俱增。這不僅僅需要轉(zhuǎn)而使用高效的電源方案，而且需要?jiǎng)?chuàng)造新的系統(tǒng)體系以降低信號(hào)處理和LCD面板的功耗。