- 液晶電視電源的最新發(fā)展趨勢
- 采用LIPS解決方案取代傳統(tǒng)液晶電視電源
- 針對輸出電流需求對音視頻信號處理電源采用不同的穩(wěn)壓器配置
- 采用新穎PFC架構(gòu)支持超薄液晶電視設計
- 待機能耗趨向低于100 mW
- 采用LIPS可提升系統(tǒng)能效，減少底盤發(fā)熱，降低總成本
- 采用DFN封裝的LDO來提高功率密度
- 集成MOSFET和LDO控制器可以幫助減小PCB占用面積
- 開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器正趨向采用更高開關(guān)頻率以減少外部電容、電感體積
- 開關(guān)穩(wěn)壓器趨向于集成多路輸出，可幫助減小系統(tǒng)尺寸及降低尺寸
- 集成開關(guān)穩(wěn)壓器，分立控制器+場效應管(FET)組合，滿足電壓輸入端上更高電流需求
- 采用交錯式PFC實現(xiàn)超薄液晶電視設計
- 采用專用待機開關(guān)電源并增加繼電器降低待機能耗到200 mW以下
憑借著大屏幕、低厚度和高清晰等眾多優(yōu)勢，液晶電視(LCD TV)在市場上的滲透率快速提升，有市場研究預計，2009年液晶電視的總體市場占有率將達到50%。而隨著屏幕尺寸不斷突破，液晶電視的功率也水漲船高。較高的功率消耗會直接增加消費者的電費開支，并與節(jié)能環(huán)保的趨勢相背離。因此，各國政府及規(guī)范機構(gòu)紛紛出臺或更新針對電視的能效規(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。
LIPS解決方案取代傳統(tǒng)液晶電視電源
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者歡迎，就液晶電視電源而言，我們可以采取通過多種途徑。
圖1：采用標準直流24 V逆變器的傳統(tǒng)液晶電視開關(guān)電源框圖。
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部分。AC-DC和DC-DC位于同一塊電路板，而逆變器為獨立電路板，通常與液晶面板一起提供。其中，AC-DC電源部分，市電110 Vac/220 Vac電壓經(jīng)過整流、功率因數(shù)校正(PFC)和濾波，轉(zhuǎn)換為200 V/400 V的直流高壓。由于傳統(tǒng)逆變器的輸入電壓要求是24 V，所以PFC的輸出電壓200 V/400 V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24 V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2,000 V的高壓，去驅(qū)動液晶面板的CCFL背光燈。這種標準24 V逆變器液晶電視開關(guān)電源的功能框圖如圖1所示。
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)。值得一提的是，在各種尺寸的液晶電視型號中，大于26英寸特別是32英寸及更大尺寸的液晶電視在市場中占據(jù)主導地位。而針對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)過對市電進行整流、PFC和濾波并獲得200 V/400 V直流電壓后，會直接采用200 V/400 V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1,000 V甚至達2,000 V的高壓。這樣就消除24 V轉(zhuǎn)換段，減少了先降壓至24 V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：安森美半導體針對32英寸液晶電視的全橋高壓LIPS解決方案功能框圖。
在這方面，安森美半導體與Microsemi公司合作，結(jié)合雙方專長，提供適合多種功率等級的高壓LIPS整套解決方案。目前，已合作開發(fā)針對32英寸液晶電視的LIPS解決方案(如圖2志示)。在系統(tǒng)主板電源方面，這解決方案采用了安森美半導體的NCP1606 PFC控制器，以及充當輔助開關(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)動器，它可以在固定工作頻率進行零電壓開關(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，如減少電磁干擾(EMI)和功率損耗，同時改善背光燈的驅(qū)動電流波形，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)動功率MOSFET，更易于實現(xiàn)初級端過流保護(OCP)等。
為了更好應對市場對更大尺寸LIPS液晶電視的需求，安森美半導體正在開發(fā)下一代的LIPS液晶電視參考設計，并計劃于2009年中推出46/47英寸參考設計。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)動更多的CCFL燈。而在系統(tǒng)主板電源方面，可以根據(jù)具體設計要求來靈活選擇安森美半導體的解決方案，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開關(guān)電源，支持低至150 mW的超低待機能耗。這解決方案電路板上的元件高度低于16 mm(系統(tǒng)總度度低于20 mm)，支持更纖薄液晶電視設計。
值得一提的是，美國/北美和中國/歐盟等不同區(qū)域市場對電源的要求不盡相同，安森美半導體針對世界上不同區(qū)域的不同電源要求，提供相應的電源解決方案，旨在優(yōu)化設計、縮小系統(tǒng)尺寸及降低成本。
針對輸出電流需求對音視頻信號處理電源采用不同的穩(wěn)壓器配置
對于音視頻信號處理而言，輸入電壓通常為+ 5 V或+12 V，在穩(wěn)壓器或控制器的配置方面，可以根據(jù)輸出電流要求來配置。通常而言，低壓降穩(wěn)壓器(LDO)用于較低的輸出電流，范圍一般在0.1至1.5 A之間；而大電流LDO、偏置輸入LDO控制器和集成降壓轉(zhuǎn)換器用于提供1.5 A至5 A的輸出電流。在更大電流方面，可以采用帶外部開關(guān)和同步整流器的同步降壓控制器來提供大于5 A的電流輸出。安森美半導體提供一系列的高性能LDO穩(wěn)壓器，如NCP699/633、NCP5500/5501、NCP3334/3335A、NCP5661/5662/5663、NCP605/606和NCP3520/3521等。
從發(fā)展趨勢來看，隨著更多音視頻處理方面的芯片組的集成度越來越高，單顆IC可能需要多個輸出電壓 (如3.3 V I/O和1.25 V內(nèi)核所需)，使得線性方案(LDO)的選擇正在增加。另外，由于電路板尺寸趨向更小，使其能夠分配給LDO功率耗散的板空間減小，相應地，可以采用DFN封裝的LDO來提高功率密度，而集成MOSFET和LDO控制器可以幫助減小PCB占用面積。
另一方面，為了提升電源轉(zhuǎn)換效率及支持大電流操作和異相操作，一些輸出需要從LDO轉(zhuǎn)換為開關(guān)穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器正趨向采用更高開關(guān)頻率，如從50 kHz向150 kHz、350 kHz、500 kHz乃至700 kHz方向發(fā)展，從而允許減小外部電感和電容的尺寸，方便制造體積更纖薄的液晶電視。且為了幫助減小系統(tǒng)尺寸及降低成本，開關(guān)穩(wěn)壓器趨向于集成多路輸出，如雙路穩(wěn)壓器等。此外，某些電壓輸入端上的電流要求越來越高，甚至大于5 A，這就催生了具有更大電流能力的集成開關(guān)穩(wěn)壓器，以及開關(guān)頻率更高的分立控制器+場效應管(FET)組合，并促進同步整流技術(shù)的應用。
安森美半導體的NCP312x系列雙路2 A/2 A和3 A開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合液晶電視信號處理板上的+5 V或+12 V輸入端應用，它們的頻率可在200 kHz至750 kHz范圍之間調(diào)節(jié)，提供0.8 V±1%的電壓參考，并且支持180°異相操作，且用戶可對自動追蹤和排序功能進行控制。
采用新穎PFC架構(gòu)支持超薄液晶電視設計
眾所周知，液晶電視的厚度如今已經(jīng)可以做到較薄，最新的趨勢是電子模塊部分厚度趨向低于10 mm。如此纖薄的厚度，給電源設計帶來更苛刻的挑戰(zhàn)，如需要使用低高度的變壓器(這對要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關(guān)鍵)或多個部件(PFC線圈)串聯(lián)，并采用低高度的散熱片，對部件進行水平安裝，且將垂直插入的所有電容的高度限制在低于10 mm。
圖3：采用兩顆NCP1601 PFC控制器實現(xiàn)的交錯式PFC架構(gòu)的功能框圖。
而在PFC方面，采用安森美半導體的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10 mm的極纖薄設計，可以采用兩顆相對較小的NCP1601芯片，采用交錯式架構(gòu)來予以實現(xiàn)，如圖3所示。所謂交錯式PFC，其主要想法是在原本放置單個較大PFC的地方并行放置兩個功率為一半的較小PFC。這兩個較小PFC以180°的相移交替工作，它們在輸入端或輸出端累加時，每相電流紋波的主要部分將抵消。
為了給客戶提供更多選擇，安森美半導體還計劃于2009年推出新的交錯式PFC控制器NCP1631。這是一種單芯片解決方案，替代2顆NCP1601，但可以實現(xiàn)同樣的極低設計高度，適合10 mm厚度的極纖薄液晶電視設計，還擴展功率范圍，減少電流紋波。
待機能耗趨向低于100 mW？
液晶電視的待機能耗是另一個值得關(guān)注的點。2008年11月開始生效的“能源之星”3.0版電視規(guī)范針對待機能耗的標準是低于1 W。盡管這標準不是強制要求，但在市場上仍然具有很高的指導意義。
液晶電視的待機能耗未來將進一步降低。例如，在增加小型專用微處理器的條件下輸出功率為50 W時能耗低于600 mW，采用專用待機開關(guān)電源條件下能耗低于400 mW，及采用專用待機開關(guān)電源并增加繼電器(從而在待機時斷開所有PFC和開關(guān)電源)時能耗低于200 mW。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，就需求進一步改進設計，使得待機能耗低于100 mW可能成為下一波重要趨勢。
總結(jié)：
在液晶電視市場不斷發(fā)展壯大的同時，其電源消耗問題也更加受到矚目。電子制造商要在市場競爭中脫穎而出，一個重要途徑就是不斷優(yōu)化他們的液晶電視電源設計設計，使之符合最新的能效規(guī)范要求及其它重要發(fā)展趨勢，如采用LIPS方案取代傳統(tǒng)逆變器、通過創(chuàng)新PFC架構(gòu)支持超薄液晶電視設計等。本文著重分析了這些趨勢對液晶電視電源設計的影響，并結(jié)合安森美半導體的產(chǎn)品和參考設計，詳細闡釋了如何支持這些最新趨勢，從而幫助電子制造商縮短符合全球不同應用市場要求的產(chǎn)品的開發(fā)周期，加快上市進程。
