平板電視中的開關電源發(fā)展趨勢

消費電子應用的電源設計一直都存在著外型、成本和能效目標等方面的困難挑戰(zhàn)。電視終端市場已經(jīng)從陰極射線管(CRT)技術轉(zhuǎn)向等離子、液晶顯示(LCD)和背投多種數(shù)字電視顯示技術。其中，LCD已經(jīng)確立了明顯的領先優(yōu)勢，據(jù)預測，2008年液晶電視(LCD TV)的全球付運量將首次超過CRT電視的付運量，預計達到1億部。與此同時，內(nèi)容已經(jīng)從模擬轉(zhuǎn)變到數(shù)字制式，顯示器分辨率也已經(jīng)增加，并已廣泛采納寬屏制式，也增添了畫中畫功能的多調(diào)諧器、全高清(1080p)、增強型音頻甚至是因特網(wǎng)訪問等增強型特性。此外，CRT所存在的屏幕尺寸限制問題也消失，平均屏幕尺寸已經(jīng)增大，以致32英寸的寬屏電視如今成為最受歡迎的型號，40～42英寸范圍則緊隨其后，而屏幕尺寸大于50英寸的電視也很常見。雖然采用新技術推動了市場增長并改善了用戶的觀看體驗，但這種轉(zhuǎn)變對全球能耗的影響也引起越來越多的關注。

從歷史來看，美國的“能源之星(ENERGYSTAR)”和歐盟的“生態(tài)標簽(Eco-lable)”等面向消費電子領域的自愿性節(jié)能標準將重點放在待機能耗的影響方面，但隨著數(shù)字平板電視的普及，相關的注意力已經(jīng)拓展到工作模式的能耗。真實世界中42英寸平板電視的能耗根據(jù)技術(液晶或等離子)、特性集和設計選擇的不同介于180～500W之間。將這個功率范圍與29英寸CRT電視約100 W的能耗相比，可以看出，能耗增加的部分原因要歸結于增大的屏幕面積。但這不是全部的緣由，因為顯示技術各不相同。舉例來說，液晶電視在面板后面有一個背光子系統(tǒng)，這就增加了平均功率。同時，因游戲、音樂觀看、網(wǎng)頁瀏覽等活動引起的電視機使用時間也增加，而且家庭影院系統(tǒng)也推動了家庭增多使用能源。這樣一來，規(guī)范和政府機構紛紛考慮如何應對這種轉(zhuǎn)變。針對電視機的“能源之星”標準正修改為3.0版的進程之中，將首次納入工作功率(active power)的相關規(guī)范。該標準目前正處在最終草案審查階段，目標是從2008年11月開始生效。其中的最大工作功率限制與顯示技術(液晶、等離子或背投)無關，僅與屏幕面積和分辯率(高清或標清)有關。高清(HD)定義為分辨率高于垂直480線。根據(jù)屏幕尺寸和分辨率的不同，有幾種算法可用于計算最大工作功率限制。舉例來說，面積介于680～1 068平方英寸(4387～6890cm2)之間范圍的高清電視所用的公式是：

Pmax=(0.240屏幕面積+27)W

注意，面積的單位是平方英尺。

因此，一臺32英寸的高清電視可能會有120W的工作功率限制，而一臺42英寸液晶電視的工作功率限制則會有208W。這些限制是根據(jù)對源自多家制造商，結合不同顯示類型的多種代表性樣品進行測試而設定的。對于受測樣品而言，其中有27.4%通過了建議的工作和待機要求。3.0版本的待機能耗要求并未改變，最大1W的限制已經(jīng)自2005年7月開始實施。

圖1 典型的32英寸液晶電視SMPS用電源

圖1顯示的是典型的32英寸液晶電視電源的功能框圖。不同的電壓輸入端要為音頻、背光、控制和信號處理等不同系統(tǒng)模塊供電。主電源在電視機內(nèi)并不產(chǎn)生所需的所有這些電壓，相反，采用的是本地線性和DC/DC轉(zhuǎn)換器來為接口模塊、模擬電路和信號處理電路供電。在控制音視頻信號板上可能有5個或者更多的線性或低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，并有幾個降壓轉(zhuǎn)換器來為深亞微米數(shù)字信號處理模塊產(chǎn)生低壓電源輸入端。如圖1所示，電視機制造商采用支持90～265Vac電壓的通用電源相當普遍。這就使單個電源設計適用于不同地區(qū)相同電視尺寸范圍的一系列電視機型號，并簡化物流及降低開發(fā)成本。如果液晶電視旨在用于全球市場且功率高于75W，就有必要符合歐洲諧波減少標準IEC 61000-3-2，因此就要使用工作功率因數(shù)控制段。對于尺寸大于26英寸的液晶電視而言，背光模塊消耗最大部分的電能，而24V電源輸入端用于為逆變器段供電，逆變器驅(qū)動用于屏幕背光的冷陰極熒光燈(CCFL)。逆變器功能用于將24Vdc電壓轉(zhuǎn)換至高電壓、低電流的交流信號，用于點亮及驅(qū)動燈。通常有兩個主電源段，其中一個用于背光，另一個用于控制音/視頻和信號處理。而在這個功率電平，SMPS段基于單開關準諧振(QR)或固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)反激拓撲結構來實現(xiàn)。根據(jù)電視的特性集和12 V及5 V輸入端所需要的電源不同，也可能有一個專用開關電源用作待機電源，以符合1W限制的待機要求。對于較大尺寸的電視而言，所包括的特性更多，而且用于音頻、信號處理和控制功能的功率也在增加，使專用待機電源的使用變得更加常見。

圖2 基本的LLC半橋功率段

隨著屏幕面積增加，24Vdc輸入端所要求的功率持續(xù)增加，直至不能再應用反激拓撲結構的開關電源。這樣一來，多種支持更高功率的拓撲結構，包括半橋雙單感加單電容(HB LLC)拓撲結構等已被考慮用于緊湊的空間上，實現(xiàn)高能效而且產(chǎn)生極低的電磁干擾(EMI)。這種拓撲結構被視作串行諧振轉(zhuǎn)換器。如圖2所示，其中的LLC指的是電感-電感-電容配置。第一個電感與代表第二個電感的變壓器串聯(lián)，而電容位于變壓器的輸出。這種方法背后的基本概念是半橋場效應管(FET)由50%占空比的波形驅(qū)動，而功率通過改變頻率來調(diào)節(jié)。通常情況下，這樣設計使開關頻率高于電路的諧振頻率。在那個區(qū)域，電流以開關來對電壓進行延遲，并在零電壓開關(ZVS)區(qū)域?qū)ㄩ_關，這實際上消除了電容開關損耗；而且由于這是諧振模式拓撲結構，它在極寬的功率范圍內(nèi)都有很高的能效。

圖3 完整的220 W液晶電視電源功能框圖

圖3顯示基于半橋LLC的完整電源的例子。在這個示例中，半橋LLC段產(chǎn)生多路輸出。這設計是安森美半導體開發(fā)的Greenpoint參考設計系列的組成部分，展示不同應用高能效電源拓撲結構。在這個示例中，在115和230 Vac主電源下，覆蓋90～220W功率范圍的這電源都有著高于88%的總體能效。

除了在寬廣功率范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的總體能效，這電源還設計為低高度，最高度僅為25mm。對于平板電視而言，電源高度非常重要，因為它是電視機總厚度的一個主要影響因素。業(yè)界對于設計可以方便地掛裝在墻上的極薄平板電視的興趣與日俱增。隨著電視機殼體減小，且經(jīng)過電源的氣流可能會有更多限制，纖薄輕穎的平板電視趨勢為電源設計提出了進一步的挑戰(zhàn)。

隨著大屏幕平板電視的增長，設計需要更高能效的高密度電源的挑戰(zhàn)推動著電源設計人員采納創(chuàng)新的電源架構。半橋諧振LLC能夠?qū)崿F(xiàn)平板電視所需要的能效和空間目標，同時還為價格敏感的消費電子產(chǎn)品提供高性價比的解決方案。此外，隨著新的工作功率標準不斷涌現(xiàn)而且消費者意識到轉(zhuǎn)向大屏幕所需要付出的能源成本，越來越多的注意力放在高能效解決方案方面。這不僅涉及轉(zhuǎn)向更高能效的電源解決方案，還涉及到LCD面板。