新一代LCD TV 電源整體解決方案概述

從功耗角度來看，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，對(duì)于不同功率范圍及不同應(yīng)用場合，各國政府及能源機(jī)構(gòu)紛紛制定各種新的能耗標(biāo)準(zhǔn)，與此同時(shí)，更加嚴(yán)格的規(guī)范也在制定之中。ENERGY STAR(EPA V3.0)已經(jīng)明確規(guī)范電視產(chǎn)品的最大功耗(表1)，這一標(biāo)準(zhǔn)將于2008年11月1日正式生效。



表1：ENERGY STAR V3.0版本對(duì)高清晰電視最大功耗的定義。

另外，在EPA V3.0規(guī)范中電視產(chǎn)品允許的最大功耗與其尺寸大小相對(duì)應(yīng)(表2)，其中32??LCD TV的最大功耗要求低于120W，目前市面上銷售的LCD TV產(chǎn)品功耗普遍高于新標(biāo)準(zhǔn)的上限，那么，要通過ENERGY STAR的認(rèn)證，設(shè)計(jì)工程師只有兩個(gè)選擇：對(duì)現(xiàn)有電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮做根本性變革，降低電源轉(zhuǎn)換過程中的功率損失；或是降低背光亮度并減小音響系統(tǒng)的輸出功率，以減小LCD TV的耗電量。



表2：根據(jù)ENERGY STAR V3.0標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各尺寸LCD TV最大允許功耗。



表3：DisplaySearch對(duì)LCD TV成本的近年資料統(tǒng)計(jì)及未來走勢預(yù)測。



表4：傳統(tǒng)LCD TV電源方案與昂寶電子方案優(yōu)缺點(diǎn)之比較。



表5：傳統(tǒng)LCD TV電源方案與昂寶電子方案功耗之比較。



表6：傳統(tǒng)LCD TV電源方案與昂寶電子電源方案主要零件之比較。

顯然，后者是以犧牲用戶的視覺和聽覺感受為代價(jià)，前者才是最佳選擇，這是電源設(shè)計(jì)工程師所面臨的一大挑戰(zhàn)，即如何降低LCD TV的耗電量且不降低視聽效果。



圖1：昂寶電子針對(duì)23英寸以下LCD產(chǎn)品開發(fā)的62W LIPS電源。

LCD TV電源方案分析

LCD TV的電源由于負(fù)載的多樣性，其設(shè)計(jì)也變得相對(duì)復(fù)雜，需要比如AC功率因子校正、隔離式電源轉(zhuǎn)換、非隔離式負(fù)載點(diǎn)電源轉(zhuǎn)換以及各種各樣的電源監(jiān)測保護(hù)功能，LCD TV產(chǎn)品正越來越多的依靠電源管理領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新來確立其在市場上的競爭力。

LCD TV由于整機(jī)功率通常小于75W，不需要配置PFC線路，其供電模塊的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)相對(duì)成熟，早期分立的AC/DC主電源板和DC/AC逆變電源板出于降低制造成本的考慮已經(jīng)被整合到一塊PCB板上，即目前主流的LCD整合電源系統(tǒng)(LCD Integrated Power System，LIPS)結(jié)構(gòu)。

昂寶電子已針對(duì)此類應(yīng)用開發(fā)了多款LIPS電源，AC/DC部分轉(zhuǎn)換電路主要使用OB2263、OB2269和OB2202等芯片，DC/AC部分逆變器電路主要采用OB3316、OB3318和OB494P等芯片，小尺寸LCD TV內(nèi)部只有電源板和訊號(hào)處理主板兩塊PCB，而對(duì)于32?家隕系拇蟪嘰?LCD TV而言，其內(nèi)部會(huì)相對(duì)復(fù)雜。

圖2以傳統(tǒng)32??LCD TV為例，其內(nèi)部主要包括3塊PCB板，即：1. 訊號(hào)處理主板，用于音訊視訊處理及系統(tǒng)控制等功能；2. AC/DC電源板，將市電的220V@50Hz或110V@60Hz交流輸入轉(zhuǎn)換成音訊系統(tǒng)、視訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流電壓，并實(shí)現(xiàn)功率因子校正、與輸入電網(wǎng)安全隔離等功能；3. DC/AC電源板，用于將AC/DC電源板輸出的24V或12V直流電壓再逆變升壓得到1,000V@50KHz的交流電壓，以此高壓高頻正弦交流電壓來驅(qū)動(dòng)背光CCFL燈管，并實(shí)現(xiàn)背光亮度調(diào)節(jié)等功能。



圖2：傳統(tǒng)式LCD TV內(nèi)建訊號(hào)處理、AC/DC電源、DC/AC電源三塊PCB板。

圖3是傳統(tǒng)式LCD TV電源的結(jié)構(gòu)圖，依功能通常可將其劃分為3大模塊，即：PFC模塊；DC/DC主電源模塊；DC/AC逆變電源模塊。



圖3：傳統(tǒng)式LCD TV電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

由于離線式開關(guān)電源不可避免會(huì)產(chǎn)生帶高諧波含量的非正弦輸入電流，這會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定污染，并且會(huì)影響到連接在同一電源線的其它電子設(shè)備，為滿足歐盟IEC61,000-3-2的D類標(biāo)準(zhǔn)或類似的區(qū)域性諧波含量規(guī)范，通常需要在輸入功率大于75W之開關(guān)電源設(shè)計(jì)中加入PFC模塊。大尺寸LCD TV的輸入功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于75W，因此PFC模塊亦是LCD TV電源中不可缺少的部分，PFC模塊透過Boost線路將電網(wǎng)輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的400V直流電壓供給后級(jí)DC/DC電源使用。

DC/DC主電源模塊負(fù)責(zé)將PFC輸出的400V直流電壓轉(zhuǎn)換成各種負(fù)載所需要的低壓直流電平，來滿足DC/AC逆變電源輸入、音響系統(tǒng)、視訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等模塊的工作需要，常見電壓包括24V/18V/12V/5V/3.3V等。國際能源署(IEA)和歐盟制定的1W計(jì)劃要求在2010年將所有產(chǎn)品的待機(jī)功耗降低到1W以內(nèi)，為符合1W待機(jī)功耗之節(jié)能規(guī)范，DC/DC主電源模塊之外通常還需要設(shè)計(jì)一塊獨(dú)立的待機(jī)電源，用于在待機(jī)模式下維持遙控接收器模塊的工作，并將PFC和DC/DC主電源模塊關(guān)閉，以最大限度降低待機(jī)功耗。

DC/DC主電源根據(jù)LCD TV尺寸及功率的大小，其常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：返馳(包括準(zhǔn)諧振)、雙管返馳、雙管正激、諧振半橋(HB LLC)等幾種。對(duì)于50W~100W之功率范圍，單開關(guān)的返馳或準(zhǔn)諧振返馳拓?fù)涫亲罴堰x擇，其中準(zhǔn)諧振控制透過減小開關(guān)損耗來提高轉(zhuǎn)換效率并改善開關(guān)造成的EMI干擾，而對(duì)于更大功率的100W~200W范圍，可以透過雙開關(guān)返馳的方式來應(yīng)對(duì)。正激結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于200W~300W的功率范圍，但由于需在連續(xù)導(dǎo)電模式下工作，解決由于硬開關(guān)所引出的EMI問題是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。諧振半橋結(jié)構(gòu)適用于150W以上的功率應(yīng)用，其在高功率級(jí)的LCD TV應(yīng)用中性能優(yōu)勢十分明顯，全負(fù)載范圍的零電壓開關(guān)(ZVS)及低電流關(guān)斷控制可幫助最大限度降低開關(guān)損耗及減小EMI干擾。

DC/AC逆變電源用于驅(qū)動(dòng)背光模塊，其將DC/DC主電源輸出的24V或12V直流電壓轉(zhuǎn)換為1,000V左右的高壓交流電壓用于驅(qū)動(dòng)背光CCFL燈管并實(shí)現(xiàn)背光亮度(燈管電流)的調(diào)節(jié)功能，LCD TV顯示畫面的對(duì)比度需依靠高亮度的背光來支撐，所以DC/AC逆變電源部分的輸出功率通常占整機(jī)總輸出功率的70%以上，且尺寸越大，背光功耗所占比重越大。



圖4：傳統(tǒng)式LCD TV主電源功率范圍及架構(gòu)選擇。



圖5：昂寶電子LCD TV電源方案結(jié)構(gòu)圖。

透過上述對(duì)傳統(tǒng)LCD TV電源的結(jié)構(gòu)分析，我們不難發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，即其整體效率非常低，因?yàn)檎?0%以上功耗的背光部分的電能在PFC之后經(jīng)歷了降壓再升壓的兩級(jí)轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換過程中的效率損失亦會(huì)引起散熱問題。LCD TV的超簿設(shè)計(jì)及噪音限制使得在機(jī)箱中添加風(fēng)扇沒有可能性，則熱量的堆積會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)殼內(nèi)上下部分溫度的不均勻，再配合CCFL亮度對(duì)溫度的敏感特性，這樣的設(shè)計(jì)給用戶呈現(xiàn)出來的將是面板上下部亮度不均勻的獨(dú)特效果。

為解決上述問題，400V高壓輸入逆變電源方案一直為業(yè)界所討論和提議，而昂寶電子透過整合自身豐富的產(chǎn)品線，已經(jīng)將這一構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，即DC/AC逆變電源的輸入不再采用DC/DC主電源的24V電壓，而是直接取自PFC的400V輸出。這樣背光部分的電能即減少了一級(jí)能量轉(zhuǎn)換，節(jié)省了一級(jí)效率損失，并且DC/DC主電源的設(shè)計(jì)功率可以大幅降低，亦順帶解決了DC/DC主電源的散熱問題，最重要的是DC/DC主電源的制造成本大幅降低。

在不具備高壓輸入DC/AC逆變電源方案的條件下，人們往往透過最佳化AC/DC主電源的方式來降低整機(jī)功耗，如參考文獻(xiàn)2中所討論的透過半橋諧振LLC架構(gòu)來最佳化LCD TV電源，這也是一個(gè)方法，但與之相對(duì)應(yīng)的是昂貴的制造成本，而采用昂寶電子開發(fā)的LCD TV整體電源方案，便宜的的單開關(guān)返馳或準(zhǔn)諧振返馳就足以應(yīng)付大尺寸LCD TV中背光以外的功率需求了。

圖6以150W LCD TV電源為例來對(duì)比傳統(tǒng)方案與昂寶電子之方案，假設(shè)背光滿載消耗100W，其它部分滿載消耗50W，按照常規(guī)架構(gòu)及各模塊轉(zhuǎn)換效率來推算，運(yùn)用傳統(tǒng)方案來設(shè)計(jì)，其理論輸入功率將達(dá)到197W左右，整體效率為76%，而使用昂寶電子的方案來設(shè)計(jì)，其理論輸入功率只需要174W左右，整體效率高達(dá)86%。



圖6：150W LCD TV電源系統(tǒng)傳統(tǒng)方案與昂寶電子方案之功率比較。

而另外一個(gè)重點(diǎn)是，傳統(tǒng)方案需要設(shè)計(jì)168W的DC/DC主電源，而使用昂寶電子的方案設(shè)計(jì)，則只需要設(shè)計(jì)50W的DC/DC主電源，根本不需要采用價(jià)格昂貴的半橋諧振LLC方案。