全高清電視的電源發(fā)展趨勢(shì)解析

近年來，在高清(HD)概念的基礎(chǔ)上，全高清(Full HD)的概念開始為市場所接受和歡迎。一定尺寸以上的液晶顯示器(LCD Monitor)、液晶電視(LCD TV)和等離子(PDP)電視可以支持全高清分辨率。其中，24或26英寸以上尺寸的液晶顯示器可以支持全高清，而對(duì)液晶電視而言，32英寸的型號(hào)可以支持全高清，但要得到更佳的顯示效果，更具現(xiàn)實(shí)意義的則是37英寸及以上尺寸的液晶電視。

這些大尺寸全高清顯示器或電視在為消費(fèi)者提供更佳的觀看體驗(yàn)的同時(shí)，也伴隨著功率消耗水漲船高的問題。較高的功率消耗會(huì)直接增加消費(fèi)者的電費(fèi)開支，而且與節(jié)能環(huán)保的趨勢(shì)相背離。有鑒于此，各國政府及規(guī)范機(jī)構(gòu)紛紛出臺(tái)或更新針對(duì)電視的能效規(guī)范，如美國環(huán)保署(EPA)發(fā)布的“能源之星”3.0版電視規(guī)范自2008年11月1日開始生效。這規(guī)范中就涵蓋了支持全高清的電視的規(guī)范，如圖1所示。這規(guī)范針對(duì)不同顯示技術(shù)(如液晶、等離子、背投等)呈現(xiàn)中立，也就是不論技術(shù)為何，只需要遵循共同的能效規(guī)范即可。除了美國的“能源之星”，歐盟、日本和中國也正在修訂相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，制定電視的工作能耗要求。

LIPS解決方案取代傳統(tǒng)電源方案

在各種類型的全高清電視中，較大尺寸液晶電視的份額最大。所以本文主要圍繞液晶電視來展開探討。為了降低較大尺寸液晶電視的電能消耗，使其符合各種能效規(guī)范，并幫助降低系統(tǒng)成本及減小解決方案尺寸，使液晶電視更受消費(fèi)者歡迎，就液晶電視電源而言，我們可以采取通過多種途徑。

傳統(tǒng)液晶電視電源主要包括交流/直流(AC/DC)轉(zhuǎn)換、直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換及高壓逆變器這幾個(gè)部分。AC/DC和DC/DC位于同一塊電路板，而逆變器為獨(dú)立電路板，通常與液晶面板一起提供。其中，AC/DC電源部分，市電110Vac/220Vac電壓經(jīng)過整流、功率因數(shù)校正(PFC)和濾波，轉(zhuǎn)換為200V/400V的直流高壓。由于傳統(tǒng)逆變器的輸入電壓要求是24V，所以PFC的輸出電壓200V/400V電壓須經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生多路的輸出電壓，其中一路24V電壓提供給逆變器，即再經(jīng)過直流-交流(DC/AC)轉(zhuǎn)換為超過1,000 V甚至達(dá)2,000V的高壓，去驅(qū)動(dòng)液晶面板的CCFL背光燈。這種標(biāo)準(zhǔn)24V逆變器液晶電視開關(guān)電源的功能框圖如圖2所示。

圖1：“能源之星”電視產(chǎn)品3.0版規(guī)范中針對(duì)部分特征尺寸電視的工作能耗要求。

目前市場上的液晶電視電源中，這種傳統(tǒng)的電源仍然占多數(shù)。而針對(duì)26英寸及以上尺寸的液晶電視，近年來涌現(xiàn)出一種新的逆變器概念——高壓液晶顯示集成電源(LCD Integrated Power Supply，縮寫為LIPS)。與逆變器位于獨(dú)立電路板的傳統(tǒng)電源不同，這種LIPS解決方案將AC/DC、DC/DC和逆變器結(jié)合在同一塊電路板上，在經(jīng)過對(duì)市電進(jìn)行整流、PFC和濾波并獲得200V/400V直流電壓后，會(huì)直接采用200V/400V電壓作為逆變器的輸入，通過DC/AC升壓轉(zhuǎn)換為液晶面板所需的超過1,000V甚至達(dá)2,000V的高壓。這樣就消除24V轉(zhuǎn)換段，減少了先降壓至24V再大幅升壓背光源用一兩千伏高壓過程中存在的大量功率損耗，從而提升系統(tǒng)能效，減少底盤發(fā)熱量，并降低總成本。

圖2：采用標(biāo)準(zhǔn)直流24V逆變器的傳統(tǒng)液晶電視開關(guān)電源框圖。

在這方面，安森美半導(dǎo)體與Microsemi公司合作，結(jié)合雙方專長，提供適合多種功率等級(jí)的高壓LIPS整套解決方案。目前，已合作開發(fā)針對(duì)32英寸液晶電視的LIPS解決方案(如圖3所示)。在系統(tǒng)主板電源方面，這解決方案采用了安森美半導(dǎo)體的NCP1606 PFC控制器，以及充當(dāng)輔助開關(guān)電源的NCP1351 PWM控制器；而在LIPS逆變器部分，采用了Microsemi使用軟開關(guān)技術(shù)的LX6503移相全橋驅(qū)動(dòng)器，它可以在固定工作頻率進(jìn)行零電壓開關(guān)(ZVS)。與半橋架構(gòu)相比，這種全橋逆變器解決方案具有顯著優(yōu)勢(shì)，如減少電磁干擾(EMI)和功率損耗，同時(shí)改善背光燈的驅(qū)動(dòng)電流波形，橋上無需使用額外的功率二極管，這全橋結(jié)構(gòu)所采用的4個(gè)MOSFET和變壓器中的電流規(guī)格是半橋結(jié)構(gòu)的一半，它能夠通過隔離變壓器直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，更易于實(shí)現(xiàn)初級(jí)端過流保護(hù)(OCP)等。

圖3：安森美半導(dǎo)體針對(duì)32英寸液晶電視的全橋高壓LIPS解決方案功能框圖。

為了更好應(yīng)對(duì)市場對(duì)更大尺寸LIPS液晶電視的需求，安森美半導(dǎo)體正在開發(fā)下一代的LIPS液晶電視參考設(shè)計(jì)，并計(jì)劃于2009年中推出46/47英寸參考設(shè)計(jì)。在LIPS逆變器部分，采用與32英寸方案相同的全橋逆變器和背光控制器LX6503，但輸出功率大幅提高，可以驅(qū)動(dòng)更多的CCFL燈。而在系統(tǒng)主板電源方面，可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求來靈活選擇安森美半導(dǎo)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。這新的解決方案采用帶有繼電器的專用待機(jī)開關(guān)電源，支持低至150mW的超低待機(jī)能耗。這解決方案電路板上的元件高度低于16mm(系統(tǒng)總度度低于20mm)，支持更纖薄液晶電視設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體的這些液晶電視參考設(shè)計(jì)完全符合“能源之星”規(guī)范對(duì)全高清電視的能耗要求，并有較大的裕量。

值得一提的是，美國/北美和中國/歐盟等不同區(qū)域市場對(duì)電源的要求不盡相同，安森美半導(dǎo)體針對(duì)世界上不同區(qū)域的不同電源要求，提供相應(yīng)的電源解決方案，旨在優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮小系統(tǒng)尺寸及降低成本。

采用新穎PFC架構(gòu)支持超薄全高清電視設(shè)計(jì)

眾所周知，液晶電視的厚度如今已經(jīng)可以做到較薄，最新的趨勢(shì)是電子模塊部分厚度趨向低于10mm。如此纖薄的厚度，給電源設(shè)計(jì)帶來更苛刻的挑戰(zhàn)，如需要使用低高度的變壓器(這對(duì)要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關(guān)鍵)或多個(gè)部件(PFC線圈)串聯(lián)，并采用低高度的散熱片，對(duì)部件進(jìn)行水平安裝，且將垂直插入的所有電容的高度限制在低于10mm。

而在PFC方面，采用安森美半導(dǎo)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，而為了支持低至10mm的極纖薄設(shè)計(jì)，可以采用兩顆相對(duì)較小的NCP1601芯片，采用交錯(cuò)式架構(gòu)來予以實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。所謂交錯(cuò)式PFC，其主要想法是在原本放置單個(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，它們?cè)谳斎攵嘶蜉敵龆死奂訒r(shí)，每相電流紋波的主要部分將抵消。

圖4：采用兩顆NCP1601 PFC控制器實(shí)現(xiàn)的交錯(cuò)式PFC架構(gòu)的功能框圖。

為了給客戶提供更多選擇，安森美半導(dǎo)體還計(jì)劃于2009年推出新的交錯(cuò)式PFC控制器NCP1631。這是一種單芯片解決方案，替代2顆NCP1601，但可以實(shí)現(xiàn)同樣的極低設(shè)計(jì)高度，適合10mm厚度的極纖薄液晶電視設(shè)計(jì)，還擴(kuò)展功率范圍，減少電流紋波。

待機(jī)能耗趨向低于100mW？

液晶電視的待機(jī)能耗是另一個(gè)值得關(guān)注的點(diǎn)。2008年11月開始生效的“能源之星”3.0版電視規(guī)范針對(duì)待機(jī)能耗的標(biāo)準(zhǔn)是低于1W。盡管這標(biāo)準(zhǔn)不是強(qiáng)制要求，但在市場上仍然具有很高的指導(dǎo)意義。

液晶電視的待機(jī)能耗未來將進(jìn)一步降低。例如，在增加小型專用微處理器的條件下輸出功率為50W時(shí)能耗低于600mW，采用專用待機(jī)開關(guān)電源條件下能耗低于400mW，及采用專用待機(jī)開關(guān)電源并增加繼電器(從而在待機(jī)時(shí)斷開所有PFC和開關(guān)電源)時(shí)能耗低于200mW。如果制造商要使用更加“綠色”的技術(shù)來將產(chǎn)品差異化，樹立更高的品牌形象從而提升利潤率，就需求進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得待機(jī)能耗低于100mW可能成為下一波重要趨勢(shì)。

本文小結(jié)

提供1,080線逐行掃描(1,080p)垂直分辨率的全高清技術(shù)正受到越來越多消費(fèi)者的青睞。本文以支持全高清的較大尺寸液晶電視為例，分析了全高清電視電源的發(fā)展趨勢(shì)，探討了旨在降低能耗、減小尺寸的架構(gòu)及技術(shù)創(chuàng)新途徑，如通過液晶顯示集成電源(LIPS)消除傳統(tǒng)的24V逆變器電源、以及采用新穎的交錯(cuò)式架構(gòu)減小PFC模塊厚度從而支持極纖薄全高清電視的設(shè)計(jì)等。作為全球領(lǐng)先的高能效電源管理解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體提供高性能的電源解決方案及參考設(shè)計(jì)，幫助電子制造商縮短符合全球不同應(yīng)用市場要求的全高清電視產(chǎn)品的開發(fā)周期，加快上市進(jìn)程。