全高清電視的電源發(fā)展趨勢探析

關(guān)鍵詞： 電源 , 發(fā)展 , 高清電視 , 趨勢 , 探析

近年來，在高清(HD)概念的基礎(chǔ)上，全高清(Full HD)的概念開始為市場所接受和歡迎。一定尺寸以上的液晶顯示器(LCD Monitor)、液晶電視(LCDTV)和等離子(PDP)電視可以支持全高清分辨率。其中，24或26英寸以上尺寸的液晶顯示器可以支持全高清，而對液晶電視而言，32英寸的型號可以支持全高清，但要得到更佳的顯示效果，更具現(xiàn)實意義的則是37英寸及以上尺寸的液晶電視。這些大尺寸全高清顯示器或電視在為消費者提供更佳的觀看體驗的同時，也伴隨著功率消耗水漲船高的問題。較高的功率消耗會直接增加消費者的電費開支，而且與節(jié)能環(huán)保的趨勢相背離。有鑒于此，各國政府及規(guī)范機構(gòu)紛紛出臺或更新針對電視的能效規(guī)范，如美國環(huán)保署(EPA)發(fā)布的“能源之星”3.0版電視規(guī)范自2008年11月1日開始生效。這規(guī)范中就涵蓋了支持全高清的電視的規(guī)范，如圖1所示。這規(guī)范針對不同顯示技術(shù)(如液晶、等離子、背投等)呈現(xiàn)中立，也就是不論技術(shù)為何，只需要遵循共同的能效規(guī)范即可。除了美國的“能源之星”，歐盟、日本和中國也正在修訂相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準，制定電視的工作能耗要求。
LIPS解決方案取代傳統(tǒng)電源方案
在各種類型的全高清電視中，較大尺寸液晶電視的份額最大。所以本文主要圍繞液晶電視來展開探討。為了降低較大尺寸液晶電視的電能消耗，使其符合各種能效規(guī)范，并幫助降低系統(tǒng)成本及減小解決方案尺寸，使液晶電視更受消費者歡迎，就液晶電視電源而言，我們可以采取通過多種途徑。
傳統(tǒng)液晶電視電源主要包括交流/直流(AC/DC)轉(zhuǎn)換、直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換及高壓逆變器這幾個部分。AC/DC和DC/DC位于同一塊電路板，而逆變器為獨立電路板，通常與液晶面板一起提供。其中，AC/DC電源部分，市電110Vac/220Vac電壓經(jīng)過整流、功率因數(shù)校正(PFC)和濾波，轉(zhuǎn)換為200V/400V的直流高壓。由于傳統(tǒng)逆變器的輸入電壓要求是24V，所以PFC的輸出電壓200V/400V電壓須經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生多路的輸出電壓，其中一路24V電壓提供給逆變器，即再經(jīng)過直流-交流(DC/AC)轉(zhuǎn)換為超過1,000V甚至達2,000V的高壓，去驅(qū)動液晶面板的CCFL背光燈。這種標(biāo)準24V逆變器液晶電視開關(guān)電源的功能框圖如圖2所示。

圖1：“能源之星”電視產(chǎn)品3.0版規(guī)范中針對部分特征尺寸電視的工作能耗要求。

目前市場上的液晶電視電源中，這種傳統(tǒng)的電源仍然占多數(shù)。而針對26英寸及以上尺寸的液晶電視，近年來涌現(xiàn)出一種新的逆變器概念——高壓液晶顯示集成電源(LCD Integrated PowerSupply，縮寫為LIPS)。與逆變器位于獨立電路板的傳統(tǒng)電源不同，這種LIPS解決方案將AC/DC、DC/DC和逆變器結(jié)合在同一塊電路板上，在經(jīng)過對市電進行整流、PFC和濾波并獲得200V/400V直流電壓后，會直接采用200V/400V電壓作為逆變器的輸入，通過DC/AC升壓轉(zhuǎn)換為液晶面板所需的超過1,000V甚至達2,000V的高壓。這樣就消除24V轉(zhuǎn)換段，減少了先降壓至24V再大幅升壓背光源用一兩千伏高壓過程中存在的大量功率損耗，從而提升系統(tǒng)能效，減少底盤發(fā)熱量，并降低總成本。

圖2：采用標(biāo)準直流24V逆變器的傳統(tǒng)液晶電視開關(guān)電源框圖。

在這方面，安森美半導(dǎo)體與Microsemi公司合作，結(jié)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(fā)針對32英寸液晶電視的LIPS解決方案(如圖3所示)。在系統(tǒng)主板電源方面，這解決方案采用了安森美半導(dǎo)體的NCP1606PFC控制器，以及充當(dāng)輔助開關(guān)電源的NCP1351PWM控制器；而在LIPS逆變器部分，采用了Microsemi使用軟開關(guān)技術(shù)的LX6503移相全橋驅(qū)動器，它可以在固定工作頻率進行零電壓開關(guān)(ZVS)。與半橋架構(gòu)相比，這種全橋逆變器解決方案具有顯著優(yōu)勢，如減少電磁干擾(EMI)和功率損耗，同時改善背光燈的驅(qū)動電流波形，橋上無需使用額外的功率二極管，這全橋結(jié)構(gòu)所采用的4個MOSFET和變壓器中的電流規(guī)格是半橋結(jié)構(gòu)的一半，它能夠通過隔離變壓器直接驅(qū)動功率MOSFET，更易于實現(xiàn)初級端過流保護(OCP)等。

圖3：安森美半導(dǎo)體針對32英寸液晶電視的全橋高壓LIPS解決方案功能框圖。

為了更好應(yīng)對市場對更大尺寸LIPS液晶電視的需求，安森美半導(dǎo)體正在開發(fā)下一代的LIPS液晶電視參考設(shè)計，并計劃于2009年中推出46/47英寸參考設(shè)計。在LIPS逆變器部分，采用與32英寸方案相同的全橋逆變器和背光控制器LX6503，但輸出功率大幅提高，可以驅(qū)動更多的CCFL燈。而在系統(tǒng)主板電源方面，可以根據(jù)具體設(shè)計要求來靈活選擇安森美半導(dǎo)體的解決方案，如NCP1601、NCP1606或NCP1631等PFC控制器，以及NCP1351或NCP1379等PWM控制器。這新的解決方案采用帶有繼電器的專用待機開關(guān)電源，支持低至150mW的超低待機能耗。這解決方案電路板上的元件高度低于16mm(系統(tǒng)總度度低于20mm)，支持更纖薄液晶電視設(shè)計。安森美半導(dǎo)體的這些液晶電視參考設(shè)計完全符合“能源之星”規(guī)范對全高清電視的能耗要求，并有較大的裕量。
值得一提的是，美國/北美和中國/歐盟等不同區(qū)域市場對電源的要求不盡相同，安森美半導(dǎo)體針對世界上不同區(qū)域的不同電源要求，提供相應(yīng)的電源解決方案，旨在優(yōu)化設(shè)計、縮小系統(tǒng)尺寸及降低成本。
采用新穎PFC架構(gòu)支持超薄全高清電視設(shè)計
眾所周知，液晶電視的厚度如今已經(jīng)可以做到較薄，最新的趨勢是電子模塊部分厚度趨向低于10mm。如此纖薄的厚度，給電源設(shè)計帶來更苛刻的挑戰(zhàn)，如需要使用低高度的變壓器(這對要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關(guān)鍵)或多個部件(PFC線圈)串聯(lián)，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低于10mm。
而在PFC方面，采用安森美半導(dǎo)體的NCP1606和NCP1654等PFC控制器，已經(jīng)可以將液晶電視厚度降到較低，而為了支持低至10mm的極纖薄設(shè)計，可以采用兩顆相對較小的NCP1601芯片，采用交錯式架構(gòu)來予以實現(xiàn)，如圖4所示。所謂交錯式PFC，其主要想法是在原本放置單個較大PFC的地方并行放置兩個功率為一半的較小PFC。這兩個較小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。

圖4：采用兩顆NCP1601 PFC控制器實現(xiàn)的交錯式PFC架構(gòu)的功能框圖。

為了給客戶提供更多選擇，安森美半導(dǎo)體還計劃于2009年推出新的交錯式PFC控制器NCP1631。這是一種單芯片解決方案，替代2顆NCP1601，但可以實現(xiàn)同樣的極低設(shè)計高度，適合10mm厚度的極纖薄液晶電視設(shè)計，還擴展功率范圍，減少電流紋波。
待機能耗趨向低于100mW？
液晶電視的待機能耗是另一個值得關(guān)注的點。2008年11月開始生效的“能源之星”3.0版電視規(guī)范針對待機能耗的標(biāo)準是低于1W。盡管這標(biāo)準不是強制要求，但在市場上仍然具有很高的指導(dǎo)意義。
液晶電視的待機能耗未來將進一步降低。例如，在增加小型專用微處理器的條件下輸出功率為50W時能耗低于600mW，采用專用待機開關(guān)電源條件下能耗低于400mW，及采用專用待機開關(guān)電源并增加繼電器(從而在待機時斷開所有PFC和開關(guān)電源)時能耗低于200mW。如果制造商要使用更加“綠色”的技術(shù)來將產(chǎn)品差異化，樹立更高的品牌形象從而提升利潤率，就需求進一步改進設(shè)計，使得待機能耗低于100mW可能成為下一波重要趨勢。
本文小結(jié)
提供1,080線逐行掃描(1,080p)垂直分辨率的全高清技術(shù)正受到越來越多消費者的青睞。本文以支持全高清的較大尺寸液晶電視為例，分析了全高清電視電源的發(fā)展趨勢，探討了旨在降低能耗、減小尺寸的架構(gòu)及技術(shù)創(chuàng)新途徑，如通過液晶顯示集成電源(LIPS)消除傳統(tǒng)的24V逆變器電源、以及采用新穎的交錯式架構(gòu)減小PFC模塊厚度從而支持極纖薄全高清電視的設(shè)計等。作為全球領(lǐng)先的高能效電源管理解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體提供高性能的電源解決方案及參考設(shè)計，幫助電子制造商縮短符合全球不同應(yīng)用市場要求的全高清電視產(chǎn)品的開發(fā)周期，加快上市進程。