摘 要: 闡述了綠色節能規范為液晶電視制造商帶來的挑戰,分析了安森美半導體液晶電視電源管理解決方案,給出了其架構組成及工作原理,并分析了其應用優勢。
關鍵詞: 液晶電視;電源;節能;LIPS;LCD TV
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液晶電視(LCD TV)憑借其大屏幕、低厚度和高清晰等眾多優勢得以在市場上普及,其中尤以32/37英寸液晶電視所占份額最大,而隨著面板成本的大幅下降,42/47英寸液晶電視的份額也在不斷攀升。
從消費者的使用習慣來說,相當一部分的消費者會在不觀看電視時仍將電源插頭插在墻式插座上,也就使電視長期處于待機狀態。億萬家庭在這方面無謂消耗的電能總量相當可觀。因此待機能耗成為各國政府及節能機構關注的重點。眾多志愿性及規范機構的標準著眼于如何降低電視機的待機能耗,如美國1 W待機總統令、歐盟行為準則(1 W,配備機頂盒時3 W)、中國中標認證中心(3 W)等。
另一方面,由于液晶電視尺寸越來越大,工作時的能耗相當可觀。因此規范機構也越來越關注包括液晶電視在內的平板電視的工作能耗,例如美國環保署(EPA)發布的“能源之星”3.0版電視規范中就規定了非高清及高清電視(HDTV)的工作能耗要求,如表1、表2所示。此外,對于輸入功率大于75 W的液晶電視而言,還面臨著IEC61000-3-2規范對于諧波減少的要求。
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基于上述原因,液晶電視制造商需要采用更高能效的電源使其產品更加綠色環保,以增加產品市場賣點,增強對消費者的吸引力。安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商,為了配合客戶需求,通過系統途徑,采用架構創新,使用更節能的技術(例如跳周期等),幫助提高液晶電視能效、降低待機能耗,并改善功率因數。
標準逆變器電源架構的降耗之道
傳統液晶電視電源主要包括交流—直流(AC-DC)轉換、直流—直流(DC-DC)轉換以及將低壓直流轉變為高壓交流(DC-AC)的逆變器幾個部分。AC-DC和DC-DC位于同一塊電路板,而高壓逆變器位于獨立電路板,通常與液晶面板一起提供。其中,在AC-DC電源部分,市電AC 110/220 V電壓經過整流、功率因數校正(PFC)和濾波,轉換為DC 200/400 V的直流高壓。由于傳統高壓逆變器的輸入電壓要求為DC 24 V,所以PFC的輸出電壓DC 200/400 V經過降壓轉換,產生多路的輸出電壓,其中一路DC 24 V電壓提供給高壓逆變器,即再經過DC-AC轉換為超過1 000 V甚至達2 000 V的高壓,以驅動液晶面板的冷陰極熒光燈(CCFL)陣列。這種標準24 V逆變器液晶電視開關電源的功能框圖如圖1所示。
安森美半導體提供豐富的硅器件,幫助提升液晶電視電源轉換能效并降低待機能耗。例如,在常見的32英寸液晶電視的功率因數校正(PFC)段中,可采用安森美半導體的NCP1606臨界導電模式(CrM)PFC控制器,以改善功率因數,使之符合IEC61000-3-2諧波減少要求。該器件無需輸入電壓感測即可提供極高的功率因數;支持優化待機能耗。器件在待機時處于關閉狀態,以降低待機能耗;其啟動電流極低(<40 μA),因此在系統啟動時大多數電流都會用于給VCC電容充電,快速達到啟動電平;此外,該器件還提供可編程的過壓保護(OVP)閾值,而NCP1606B提供較低的OVP閾值,進一步降低應用的待機能耗。
而在主開關電源段,可以采用NCP1392、NCP1396等半橋雙電感加單電容(HB LLC)諧振轉換器。HB LLC的拓撲結構可幫助提升電源能效并降低電磁干擾(EMI)。這種拓撲結構相對于傳統結構的優勢在于:
(1)輸入電壓范圍及負載范圍更寬;
(2)初級開關使用零電壓開關(ZVS)技術,在零漏極電壓條件下開關切換,故導電損耗接近于零;
(3)次級二極管使用零電流開關(ZCS)技術,沒有反向恢復損耗;
(4)能效及交叉穩壓性能更佳;
(5)有利于使用更薄的外部元件,從而減小電源尺寸。
目前,市場上標準逆變器架構的液晶電視電源仍占多數。安森美半導體半導體推出了采用標準逆變器電源架構的高能效GreenPointTM 220 W液晶電視電源參考設計,幫助客戶縮短設計周期,加快產品上市進程。
創新的LIPS架構實現更高效電源轉換
針對26英寸及26英寸以上的液晶電視,近年來涌現出一種新的逆變器概念——高壓液晶顯示集成電源LIPS(LCD Integrated Power Supply)。與逆變器位于獨立電路板的傳統電源不同,LIPS解決方案將AC-DC、DC-DC和逆變器組合在同一塊電路板上,在對市電進行整流、PFC和濾波并獲得200 V/400 V直流電壓后,直接采用200 V/400 V電壓作為逆變器的輸入,通過DC-AC升壓轉換為液晶面板所需的1 000 V~2 000 V的高壓。該方案消除了24 V轉換段,大量減少了功率損耗,從而提升了系統能效,減少了底盤發熱量,并降低了總成本。
安森美半導體與Microsemi公司合作,結合雙方專長,提供適合多種功率等級的高壓LIPS整套解決方案。目前,已合作開發針對32英寸液晶電視的高壓LIPS參考設計,如圖2所示。該解決方案同樣采用了NCP1606 PFC控制器,以及充當輔助開關電源的NCP1351 PWM控制器。NCP1351是安森美半導體專有的高能效反激控制器,它采用準諧振固定導通時間(FON)控制原理,在負載要求變小時降低反激轉換器的開關頻率,該器件使得大多數液晶電視無需應用專用的待機電源即可工作。置于次級端的2個額外開關會在待機模式斷開主電源負載,從而免除待機模式下的寄生損耗。
高壓逆變器部分可采用半橋或全橋拓撲結構實現。半橋拓撲結構中,逆變器工作在非常適合液晶電視工作的固定頻率,從而避免背光及視頻信號之間的干擾,但MOSFET器件的硬開關不可避免,導致MOSFET的過多損耗,產生嚴重的EMI問題。在半橋拓撲結構中,除了功率MOSFET的高開關損耗問題,還必須集成4個額外的超快二極管來消除可能出現的開關振蕩,并避免由MOSFET體二極管所存儲的較高磁能及較弱反向恢復行為能力導致的交叉導電風險。為了避免這些劣勢,本參考設計中背光逆變器電源段使用了全橋拓撲結構。
在全橋拓撲結構下,由于控制器工作在固定頻率,可將開關頻率與視頻頻率同步,避免了背光子系統干擾對視頻圖像的影響。與半橋相比,全橋拓撲結構擁有眾多優勢:
(1)固定工作頻率時零電壓開關(ZVS);
(2)降低EMI及功率損耗;
(3)減輕MOSFET開關應力,減少散熱;
(4)改善燈電流開關因數(更接近正弦波形);
(5)橋上無需額外的功率二極管;
(6)MOSFET及變壓器電流減半;
(7)更易于實現初級端過流保護(OCP);
(8)由于避免使用快恢復二極管及散熱片,故成本降低,與半橋拓撲結構下成本類似。
因此,安森美半導體用于32英寸及更大尺寸的高壓LIPS參考設計采用了Microsemi軟開關技術的LX6503 CCFL移相全橋逆變器控制器,它可以在固定工作頻率下實現零電壓開關(ZVS)。與半橋架構相比,該全橋逆變器解決方案具有顯著的優勢,例如減少了電磁干擾(EMI)和功率損耗;同時改善了背光燈的驅動電流波形;橋上無需使用額外的功率二極管,該全橋結構所采用的4個MOSFET和變壓器中的電流規格是半橋結構的一半;能夠通過隔離變壓器直接驅動功率MOSFET;更易于實現初級端過流保護(OCP)等。
在高壓LIPS配置中,用于全橋的功率MOSFET位于初級端,而逆變器控制器位于隔離界線外的次級端。輸出驅動信號使用推挽式信號格式來驅動2個用于全橋的隔離變壓器。隔離變壓器提供2項隔離功能:初級與次級間的安全隔離、高端與低端MOSFET間的隔離。因此,源自驅動變壓器的輸出信號能耦合至功率MOSFET,而無需電平轉換功能。軟開關全橋驅動的其他優勢為死區時間插入功能。圖3顯示的是整合了死區時間功能的全橋其中一部分驅動電路。
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由分析可知,安森美半導體高壓LIPS液晶電視電源參考設計配合更高能效電源的需求,滿足“能源之星”3.0版電視標準對工作效率及待機能耗的要求,并符合IEC 61000-3-2諧波含量要求。該參考設計在50 mW負載時的典型待機能耗僅為400 mW,超越了世界各地的待機能耗規范要求。安森美半導體充分發揮專有的可變頻率控制架構的優勢,從反激段實現達60 W的輸出,既符合待機要求,又無需另設專用待機電源。
新穎PFC架構配合超薄液晶電視設計
液晶電視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,例如需要使用低高度的變壓器(對要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關鍵)或多個部件(PFC線圈)串聯,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10 mm以下。
采用安森美半導體的NCP1606和NCP1654等PFC控制器,可以降低液晶電視厚度。為了支持低至10 mm的極纖薄設計,可以采用2顆相對較小的NCP1601芯片,采用交錯式架構來予以實現,如圖4所示。所謂交錯式PFC,其主要原理是在原本放置單個較大PFC的地方并行放置2個功率為一半的較小PFC。這2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。
安森美半導體計劃于今年推出新的交錯式PFC控制器NCP1631單芯片方案,替代2顆NCP1601,它可以實現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,擴展了其功率范圍,減少了電流紋波。
進一步降低待機能耗
2008年11月開始生效的“能源之星”3.0版電視規范針對待機能耗的標準是低于1 W。盡管該標準不是強制要求,但在市場上仍然具有很高的指導意義。未來,液晶電視的待機能耗將進一步降低。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,采用專用待機開關電源條件下能耗低于400 mW,及采用專用待機開關電源并增加繼電器(從而在待機時斷開所有PFC和開關電源)時能耗低于200 mW。
安森美半導體采用系統途徑,提升液晶電視電源的轉換能效,降低待機能耗及改善功率因數,同時支持液晶電視超薄設計等新趨勢。安森美半導體更推出高能效的GreenPoint?誖液晶電視電源參考設計,支持客戶加速標準逆變器架構及LIPS架構液晶電視電源的上市進程,盡占綠色節能先機。