新一代LCD TV 電源整體解決方案概述

1、    新一代LCD TV 電源整體解決方案概述    新一代LCD TV 電源整體解決方案概述    類別：消費電子      從功耗角度來看，為實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，對于不同功率范圍及不同應用場合，各國政府及能源機構紛紛制定各種新的能耗標準，與此同時，更加嚴格的規(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)，這一標準將于2008年11月1日正式生效。 表1：ENERGY

2、 STAR V3.0版本對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應(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準的上限，那么，要通過ENERGY STAR的認證，設計工程師只有兩個選擇：對現(xiàn)有電源系統(tǒng)設計考慮做根本性變革，降低電源轉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標準計算各尺寸LCD TV最大允許功耗。表3：DisplaySearch對LCD TV成本的近年資料統(tǒng)計及未來走勢預

3、測。表4：傳統(tǒng)LCD TV電源方案與昂寶電子方案優(yōu)缺點之比較。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，前者才是最佳選擇，這是電源設計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的電源由于負載的多樣性，其設計也變得相對復雜，需要比如AC功率因子校正、隔離式電源轉換、非隔離式負載點電源轉換以及各種各樣的電源監(jiān)測保護功能，LCD TV產(chǎn)品正越

4、來越多的依靠電源管理領域的技術創(chuàng)新來確立其在市場上的競爭力。LCD TV由于整機功率通常小于75W，不需要配置PFC線路，其供電模塊的設計和制造已經(jīng)相對成熟，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)結構。昂寶電子已針對此類應用開發(fā)了多款LIPS電源，AC/DC部分轉換電路主要使用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內部只有電源板和

5、訊號處理主板兩塊PCB，而對于32?家隕系拇蟪嘰?LCD TV而言，其內部會相對復雜。圖2以傳統(tǒng)32?LCD TV為例，其內部主要包括3塊PCB板，即：1. 訊號處理主板，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220V50Hz或110V60Hz交流輸入轉換成音訊系統(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1,000V50KHz的交流電壓，以此高壓高頻正弦交流電壓來驅動背光CCFL燈管，并實現(xiàn)背光

6、亮度調節(jié)等功能。 圖2：傳統(tǒng)式LCD TV內建訊號處理、AC/DC電源、DC/AC電源三塊PCB板。圖3是傳統(tǒng)式LCD TV電源的結構圖，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)結構圖。由于離線式開關電源不可避免會產(chǎn)生帶高諧波含量的非正弦輸入電流，這會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定污染，并且會影響到連接在同一電源線的其它電子設備，為滿足歐盟IEC61,000-3-2的D類標準或類似的區(qū)域性諧波含量規(guī)范，通常需要在輸入功率大于75W之開關電源設計中加入PFC模塊。大尺寸LCD TV的輸入功率遠遠大于75W，因此PFC模塊亦是

7、LCD TV電源中不可缺少的部分，PFC模塊透過Boost線路將電網(wǎng)輸入的交流電壓轉換成穩(wěn)定的400V直流電壓供給后級DC/DC電源使用。 DC/DC主電源模塊負責將PFC輸出的400V直流電壓轉換成各種負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計劃要求在2010年將所有產(chǎn)品的待機功耗降低到1W以內，為符合1W待機功耗之節(jié)能規(guī)范，DC/DC主電源模塊之外通常還需要設計一塊獨立的待機電源，用于在待機模式下維持遙控接收器模塊的工作，并將PFC和DC/

8、DC主電源模塊關閉，以最大限度降低待機功耗。 DC/DC主電源根據(jù)LCD TV尺寸及功率的大小，其常見拓撲結構包括：返馳(包括準諧振)、雙管返馳、雙管正激、諧振半橋(HB LLC)等幾種。對于50W100W之功率范圍，單開關的返馳或準諧振返馳拓撲是最佳選擇，其中準諧振控制透過減小開關損耗來提高轉換效率并改善開關造成的EMI干擾，而對于更大功率的100W200W范圍，可以透過雙開關返馳的方式來應對。正激結構可應用于200W300W的功率范圍，但由于需在連續(xù)導電模式下工作，解決由于硬開關所引出的EMI問題是一項挑戰(zhàn)。諧振半橋結構適用于150W以上的功率應用，其在高功率級的LCD TV應用中性能優(yōu)勢

9、十分明顯，全負載范圍的零電壓開關(ZVS)及低電流關斷控制可幫助最大限度降低開關損耗及減小EMI干擾。 DC/AC逆變電源用于驅動背光模塊，其將DC/DC主電源輸出的24V或12V直流電壓轉換為1,000V左右的高壓交流電壓用于驅動背光CCFL燈管并實現(xiàn)背光亮度(燈管電流)的調節(jié)功能，LCD TV顯示畫面的對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選擇。圖5：昂寶電子LCD TV電源方案結構圖。透過上述對傳統(tǒng)LCD TV電源的結構分析，我們不難發(fā)現(xiàn)一個問題

10、，即其整體效率非常低，因為占70%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轉換，且轉換過程中的效率損失亦會引起散熱問題。LCD TV的超簿設計及噪音限制使得在機箱中添加風扇沒有可能性，則熱量的堆積會直接導致機殼內上下部分溫度的不均勻，再配合CCFL亮度對溫度的敏感特性，這樣的設計給用戶呈現(xiàn)出來的將是面板上下部亮度不均勻的獨特效果。 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)將這一構想變?yōu)楝F(xiàn)實，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

11、少了一級能量轉換，節(jié)省了一級效率損失，并且DC/DC主電源的設計功率可以大幅降低，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功耗，如參考文獻2中所討論的透過半橋諧振LLC架構來最佳化LCD TV電源，這也是一個方法，但與之相對應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，便宜的的單開關返馳或準諧振返馳就足以應付大尺寸LCD TV中背光以外的功率需求了。 圖6以150W LCD TV電源為例來對比傳統(tǒng)方案與昂寶電子之方案，假設背光滿載消耗100W，其它部分滿載消耗50W，按照常規(guī)架構及各模塊轉換效率來推算，運用傳統(tǒng)方案來設計，其理論輸入功率將達到19