满足日渐严格的全高清电视能效规范 - 全文

关键词： 高清电视 , 规范 , 能效

全高清(Full HD)电视已开始赢得消费者的青睐。目前，24或26英寸以上尺寸的液晶电视已可以支持全高清，而从实用角度来看，只有达到37英寸以上的全高清电视才能带给消费者更佳的显示效果和观赏体验。因此，更大尺寸的液晶电视会引领未来的全高清市场。
然而，对更佳视觉效果的追求也带来了大大超过以往的功耗挑战。较高的功率消耗不仅会增加消费者的电费开支，而且不配合各国节能降耗的宏观推动。各国政府都出台了各种绿色能效指令，如美国“能源之星”3.0版电视规范、功率因数校正(PFC)规范等；消费者也越来越关注小尺寸、多功能、节能省电等问题。在能效规范和环保意识的推动下，电源设计也在不断推陈出新。本文针对未来将占据全高清电视最大市场份额的较大尺寸液晶电视，探讨有关的电源方案。
传统电源方案的弊端

传统液晶电视电源主要由交流-直流(AC-DC)转换、直流-直流(DC-DC)转换及高压逆变器几部分组成。AC-DC和DC-DC在同一块电路板上，逆变器在另一块电路板上，通常与液晶面板在一起。其中，AC-DC电源部分将市电110Vac/220Vac电压进行整流、PFC和滤波，再转换为200V/400V的直流高压。由于传统逆变器的输入电压要求为24V，所以200V/400V的PFC的输出电压要经过降压转换，以产生多路输出电压，其中一路24V电压提供给逆变器，即再经过直流-交流(DC-AC)转换为超过1,000V甚至达2,000V的高压，以便驱动液晶面板的CCFL背光灯。这种标准24V逆变器液晶电视开关电源的功能框图如图1所示。

图1 采用标准直流24V逆变器的传统液晶电视开关电源框图。

取代传统电源方案的LIPS解决方案

目前，上述传统电源仍然占市场上的液晶电视电源的大多数。为了符合各种能效规范，降低较大尺寸液晶电视的电能消耗，降低系统成本及减小解决方案尺寸，使之更受消费者青睐，可以通过多种途径设计液晶电视电源。
针对26英寸及以上尺寸的液晶电视，近年来出现了一种新的逆变器概念——高压液晶显示集成电源(LCD Integrated PowerSupply，缩写为LIPS)。与采用位于独立电路板上逆变器的传统电源不同，这种LIPS解决方案将AC-DC、DC-DC和逆变器整合在同一块电路板上，在经过对市电的整流、PFC和滤波并获得200V/400V直流电压后，将直接采用200V/400V作为逆变器的输入电压，通过DC-AC升压转换为液晶面板所需的1,000V以上，甚至高达2,000 V的电压。这样就省去了24 V转换段，减少了先降压至24V再大幅升压背光源用一两千伏高压过程中的大量功率损耗，从而提升了系统能效，减少底盘发热量，并降低了总成本。

图2 安森美半导体针对32英寸液晶电视的全桥高压LIPS解决方案功能框图。

在这方面，安森美半导体与Microsemi公司充分发挥各自专长合作开发了适合多种功率等级的高压LIPS整套解决方案。针对32英寸液晶电视的LIPS解决方案如图2所示。在系统主板电源方面，这个解决方案采用了安森美半导体的NCP1606PFC控制器，以及作为辅助开关电源的NCP1351PWM控制器；在LIPS逆变器部分，采用了Microsemi使用软开关技术的LX6503移相全桥驱动器，它可以在固定工作频率进行零电压开关(ZVS)。与半桥架构相比，这种全桥逆变器解决方案具有显著优势，如减少电磁干扰(EMI)和功率损耗，同时改善背光灯的驱动电流波形，无需在桥上使用额外的功率二极管。这个全桥结构所采用的4个MOSFET和变压器中的电流规格是半桥结构的一半，这样就可以通过隔离变压器直接驱动功率MOSFET，更易于实现初级端过流保护(OCP)等功能。
为了更好应对市场对更大尺寸LIPS液晶电视的需求，安森美半导体计划于2009年推出下一代46英寸的参考设计，在LIPS逆变器部分将采用与32英寸方案相同的全桥逆变器和背光控制器LX6503，但会大幅提高输出功率，以驱动更多的CCFL灯。而在系统主板电源方面，可以根据具体设计要求来灵活选择安森美半导体的解决方案，如NCP1601、NCP1606或NCP1631等PFC控制器，以及NCP1351或NCP1379等PWM控制器。这个新方案采用带继电器的专用待机开关电源，支持低至150mW的超低待机能耗，而电路板上的元件高度则低于16mm(系统总度度低于20mm)，支持更纤薄液晶电视设计。
此外，针对北美、中国及欧盟等不同区域市场电源的不同要求，安森美半导体针还可以提供符合相应规范的电源方案，以优化设计、缩小系统尺寸并降低成本。
超薄全高清电视设计的先进PFC架构

如今，液晶电视的厚度已经越来越薄，最新的趋势是电子模块部分的厚度接近10mm以下。如此纤薄的厚度，给电源设计带来了更严峻的挑战，通常需要使用低高度的变压器(这对要考虑隔离和漏电的高压LIPS特别关键)或将多个部件(PFC线圈)串联起来，并采用低高度的散热片，对部件进行水平安装，还要将垂直插入的所有电容的高度限制在10mm以下。
而在PFC方面，采用安森美半导体的NCP1606和NCP1654等PFC控制器，已经可以将液晶电视厚度降到较低；为了支持低至10mm的极纤薄设计，可以采用两颗相对较小的NCP1601芯片，用交错式架构来来实现，如图3所示。交错式PFC是在原来放置单个较大PFC的地方并行放置两个功率为一半的较小PFC。这两个较小PFC以180°的相移交替工作，在输入端或输出端累加时，它们可以抵消每相电流纹波的主要部分。

图3 用两颗NCP1601 PFC控制器实现交错式PFC架构的功能框图。

安森美半导体还计划于2009年推出新的交错式PFC控制器NCP1631，为客户提供更多可行的选择。这种单芯片方案，可以替代2颗NCP1601，以同样极低的设计高度适合10 mm厚度的极纤薄液晶电视设计。该方案还扩展了功率范围，以有效减少电流纹波。
待机输入能耗低于100 mW是下一波驱势？

另一个焦点是液晶电视的待机能耗。2008年11月开始生效的“能源之星”3.0版电视规范规定的待机能耗的标准是低于1W。尽管不是强制要求，这个标准还是具有很高的市场指导意义。
未来，液晶电视的待机能耗将会进一步下降。例如，在增加小型专用微处理器的条件下，输出功率为50W时能耗低于600mW；而在采用专用待机开关电源条件下代机能耗将低于400mW；如果采用专用待机开关电源并增加继电器(从而在待机时断开所有PFC和开关电源)，能耗可低于200mW。如制造商想使用更加“绿色”的技术来使产品差异化，就需要进一步改进设计，使待机能耗低于100mW可能成为下一波的趋势。
总结

利用液晶显示集成电源(LIPS)替代传统的24V逆变器电源，以及采用新颖的交错式架构减小PFC模块厚度，就可以实现非常薄的全高清电视设计。这类方案可满足今天消费者对1,080线逐行扫描(1,080p)垂直分辨率的全高清电视越来越青睐的需求。为了符合世界不同应用市场的要求，全球领先的高能效电源管理方案供应商安森美半导体提供高性能电源方案及参考设计，帮助电子产品制造商缩短全高清电视产品的开发周期，将新产品更快推向市场。