圖1:46英寸液晶電視面板背部剖視圖。

圖2提供傳統液晶電視系統的架構圖,其中綠色突出顯示部分為電源系統模塊。前端是交流-直流(AC-DC)轉換器,負責接受通用交流輸入(90-265V_rms),并在應用前面的功率因數校正(PFC)功能后,將交流電壓轉換為單路或多路隔離的直流電壓。對于屏幕尺寸較小的液晶電視而言,如果其功率輸入低于75W,PFC就不是一項強制要求。AC-DC轉換器產生的其中一路主電壓(典型值為24V)主要負責為背光逆變器供電,而其電流/功率要求取決于顯示器所使用的冷陰極熒光燈(CCFL)的燈管數量(屏幕尺寸越大,功率要求越高)。在大尺寸液晶電視中,背光能占超過80%的總功耗。自AC-DC轉換器輸出的第二路重要電壓是用于音頻子系統和下行系統電源的12V輸出,其中下行系統電源在一個經DC-DC轉換之后為低壓信號處理電路和處理器供電。小尺寸液晶電視可使用12V電源進行背光和為音頻放大器供電。此外還要求一個具有高達2A電流能力的5V待機電源。

圖2:典型的液晶電視功能模塊圖,其中綠色顯示部分為電源處理模塊。

系統要求的所有其他電壓都是采用低壓降(LDO)穩壓器或DC-DC轉換器為其他處理功能供電,這些處理功能的物理位置和選擇取決于當前的要求和尺寸限制等。

典型電源平臺

根據面板尺寸、面板制造商、音頻要求和所用的芯片組等因素的不同,各個電源設計的要求也會不同,但對于電視制造商和其電源原設計制造商(ODM)而言,他們需要的是標準平臺, 能夠快速適用于不同的要求(如某平臺用于尺寸最大為26英寸的液晶電視,另一種用于尺寸介于26至32英寸之間的液晶電視,依此類推)。平臺的選擇主要由成本因素來確定。由于小屏幕尺寸(小于26英寸,功率小于150W)設計的功率較低,且對成本更為敏感,它們多由簡單的反激式設計主導。如果需要PFC,便會采用臨界導電模式(CrM)電路,將成本降到最低。然而,如要求低EMI和高能效,便須采用谷底開關(valley-switching)或準諧振反激技術。將電視內部的發熱降到最低也很重要,因為液晶電視采用被動冷卻方式,而且電視機內部的頂端和底端存在的顯著溫差可能會影響CCFL燈管光輸出的一致性。業界已經證明,采用適當的半導體解決方案,從傳統的固頻反激轉向谷底開關的成本影響可說是微不足道。低端設計中整合了單個12 V輸出電源,并使用后處理器 (post-processor) 來產生5V電源。在這種方法中,待機管理比較棘手,因為需要額外的負載開關。

另一個平臺等級適用于26至37英寸電視,功率介于150和250W之間。對于這些系統,電源板內必須含有一個獨立的待機轉換器,否則要在負載下滿足小于1W輸入功率的待機要求就變得很困難。此外,還須轉換為24V輸出電壓以用于背光逆變器。其他信號處理電路和音頻仍然需要12V總線,因此典型使用的是多輸出轉換器。雖然傳統的和較低端的平臺仍然在主轉換器和待機轉換器中使用反激拓撲,但如今趨向利用雙電感加單電容(LLC)半橋轉換器的軟開關拓撲來提高能效及減少EMI。

對高于250W的更大屏幕尺寸(大于37英寸)而言,在主電源中使用LLC半橋轉換器就更為平常了。而且PFC功能通常是采用連續導電模式(CCM)電路來實現,電平和要求的復雜程度都有增加。因此,輔助電源通過反激轉換器來處理。主電源的第二個輸入端提供高達14 V電壓,以支持更高的音頻功率要求。

PFC概述

雖然PFC應用的推動力主要是歐洲有關諧波減少的標準IEC61000-3-2,有源PFC前端的額外效益使其幾乎成為絕大多數平板電視的通用選擇。這與CRT電視形成了鮮明對比,因為在CRT電視中PFC解決方案主要是無源、大體積的方案。隨著近來NCP1653等簡化型CCM控制器和相關支持器件的推出,PFC前端的設計挑戰已經得到舒解。如上所述,低端解決方案的共同選擇就是CrM拓撲結構,例如NCP1606控制器等。然而,近期出現一個變化—頻率鉗位CrM方法(例如NCP1605)正在憑借其改善的待機管理和更低的EMI而日受歡迎。

為平板顯示應用選擇PFC拓撲結構時,考慮諸如電源段的排序、保持時間、輸出電壓范圍、待機和輕載下工作等問題也很重要。

LLC半橋概述

主電源段適合拓撲結構的選擇取決于電平、設計人員熟悉程度和輸出要求等因素。表1提供了適合不同屏幕尺寸的不同解決方案的簡單總結。雖然反激式方法非常流行,但LLC半橋轉換器需特別提到。

表1:不同屏幕尺寸的開關電源拓撲結構選擇

這種拓撲結構因消除導通開關損耗而顯著提高電源效率。此外,如圖3所示,這種結構與其他諧振方式不同,它不需要輸出電感,相對比較簡單。諧振回路能夠通過將諧振電感集成到主變壓器中得到簡化。它還將開關電壓應力限制到輸入電壓的最大值。這些優點使LLC半橋轉換器拓撲結構成為大功率LCD和等離子電視電源設計的非常便利的選擇。由于開關頻率并不會顯著變化,存在著穩定的PFC電壓端簡化了設計過程。然而,使用這種拓撲結構來設計電源需要一些特別的考量和設計折衷,其中包括諧振回路、輸入和輸出電容的選擇,以及變壓器的設計。使用LLC半橋拓撲結構已經被證明能夠實現高于90%的能效。

圖3:LLC半橋轉換器的簡化原理示意圖。

新興架構及趨勢

隨著液晶電視市場的高速增長,業界面臨構建更高性價比及更高能效電源的壓力也在增加,業界有兩個主要的行動方向來滿足這些需求。

第一個便是市場認識到輸出電壓范圍的差異性可提供特定市場定制電源的商機。舉例來說,單獨針對北美市場設計的電源會將輸入電壓范圍限制在90-132V_rms,并消除了PFC強制要求,這會使成本顯著下降并可優化電源。同理,如針對歐洲電源要求,帶有PFC的設計能夠實現優化設計。

第二個重要的架構趨勢是將背光逆變器集成到電源中,也就是大家所知的LCD集成電源(LIPS)。這種方法消除了用于背光逆變器的24 V電源端的需求,改從PFC輸出電壓 (390V)直接為逆變器供電。這就降低了系統總功率,減少了主板的發熱量,并降低了成本。然而,由于涉及到融合電視機的兩個不同部分,且這兩個部分的采購來源各不相同(一個來自面板供應商,另一個來自電源ODM),從供應鏈管理來看,這種趨勢存在著挑戰,因為電源必須針對特定的面板制造商和燈管配置進行優化。

解決方案示例

本文所列舉的新要求表明要滿足這些新要求對電視制造商及其供應商而言都是持續的挑戰,再加之極短的設計周期,電視制造商通常選用經過驗證的平臺。安森美半導體率先針對這些液晶電視電源要求積極提供完整的參考設計解決方案,這些參考設計結合了經過驗證并符合所有系統要求的完整解決方案。圖4中顯示的就是其中的一個參考設計。

圖4:用于220 W液晶電視電源的安森美半導體GreenPoint參考設計。

該參考設計包含一個PFC,它集成了頻率鉗位CrM拓撲結構,具備良好的待機性能,并且使用跳周期模式操作來實現在輸出維持穩健的電壓端。它還有一個使用了NCP1027穩壓器的待機電源,用于5V、輸出。而LLC半橋轉換器產生三路輸出(用于背光的24V、6A輸出；用于面板和音頻功能的12 V、3 A輸出；30 V、1 A輸出)。在輸入電壓為230V_ac時,該參考設計的能效高于90%,而在待機負載時其輸入功率證明低于1W。它符合IEC61000-3-2的諧波要求。

本文小結

本文簡述了平板電視電源架構的新興電源設計挑戰和發展趨勢。這些趨勢源自于降低功耗以管理發熱、減少EMI和永恒的降低成本的要求。隨著電視制造商爭相推出更纖薄的LCD面板,這方面的挑戰也變得更棘手。許多變化來自背光技術,如帶有LIPS的CCFL、外置電極熒光燈(EEFL)或者甚至是紅綠藍(RGB) LED光源。未來幾年內,這些變化必使電源設計人員保持警覺,驅使他們持續提供更創新的解決方案。最后,液晶電視日趨普及的程度已引起標準制定機構的注意,這些機構正在考慮在不遠的將來制定相關的能耗標準。

作者:Dhaval Dalal

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Bernie Weir

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安森美半導體公司