液晶電視中的開關電源拓撲與高能效解決方案

摘要：本文根據不同的面板尺寸介紹AC-DC電源和背光架構，并重點闡釋邁向諧振拓撲的結構。還介紹了當今使用不同燈技術對液晶電視進行背光的逆變器驅動架構，并探討諸如液晶電視集成電源(LIPS)和LED背光等重要的背光技術發展趨勢。另外，本文也列出了安森美半導體的高能效、低待機能耗GreenPoint液晶電視電源參考設計，幫助以更低成本實現更佳性能。

關鍵詞：液晶電視；開關電源；拓撲；參考設計

在液晶(LCD)面板平均每英寸的成本越來越低、高清電視(HDTV)廣播服務帶動更先進電視需求以及2008年北京奧運會將刺激消費需求等有利條件的作用下，液晶電視產業近年來經歷了非?？焖俚陌l展，其速度甚至超越了業界早前的預期，且其未來幾年的發展前景持續看好。以中國大陸為例，根據信息產業部(MII)的最新統計數據，2007年上半年中國大陸液晶電視產量達634.4萬臺，比2006年同期增長65.4％；而在中國大中型城市的銷量中，平板電視占據了70％，其中八成以上為液晶電視。

一般而言，業界將尺寸小于21英寸的面板列入小尺寸范疇，而將26至32英寸列入中等尺寸范疇，37英寸則作為較大尺寸面板，而大于40英寸的列為大尺寸范圍。對于液晶電視而言，其面板尺寸越大，功率和功率密度也就越高。為了優化液晶電視的設計，根據面板尺寸和功率等級的不同，需要采用不同的開關電源拓撲，從而為液晶電視中的背光子系統和音頻一視頻信號處理供電。

小尺寸液晶電視開關電源采用反激式拓撲

對于小尺寸液晶電視而言，其功率通常低于70 W，這個數值低于大多數諧波含量標準對功率的要求，因此無須使用功率因數校正(PFC)技術。在這種情況下，使用的是一個開關電源(SMPS)。

此外，市場上也有其它的處理方式，如采用外部電源，適配器遵從各種不同標準和行為準則等。在使用內部電源單元和外部電源單元這兩種方式中，通常都采用到了反激式拓撲結構。

如前所述，不同廠商的液晶電視尺寸并不統一，為了給消費者提供更多選擇，也有廠商推出23英寸的產品。為了方便起見，我們也可把它一并劃入小尺寸范疇。與21英寸以下液晶電視無需PFC不同，23英寸產品的功率相對較高(高于75 w)，就需要采用PFC，如安森美半導體推出的NCP1606就是一個適合的選擇。

中等尺寸液晶電視的兩種開關電源結構對比

對于中等尺寸的液晶電視而言，其功率相比小尺寸產品而言大幅增加，超過75 w，最高可達180 w，這種應用應該遵從歐盟IEC1000-3-2 D類標準或類似區域性諧波含量標準，必須使用PFC技術。

在這種尺寸的液晶電視中，可以考慮采用兩種不同的功率轉換結構。第一種結構采用雙開關電源，如圖1所示。這兩個開關電源都采用反激式拓撲，其中一個提供24 V輸出，專門用于背光，可為面板提供24 V@5A的輸出功率，另一個負責為控制音視頻輸入輸出信號處理(cAVIO)系統供電，可以提供12 V電壓輸出/40 w的功率(某些條件下電壓為5 V)，還能夠用于待機模式。

與第一種結構不同，第二種結構采用單個主開關電源結構，如圖2所示。在這種結構中，主開關電源為LCD面板提供24V輸出，并為CAVIO提供12V輸出，其提供的功率在170 w范圍內。除了這個主開關電源，還有一個專用的待機開關電源；而在待機模式下，主開關電源完全關斷。待機開關電源在正常模式下提供10 w功率，而在待機條件下的電流消耗僅為500 mA。

在第二種結構中，為了適應更高的輸出功率，主開關電源的拓撲不應該還是單開關反激，而應該采用雙開關反激。當然，這個區域也采用了一個半橋諧振雙電感加單電容(LLC)轉換器。需要指出的是，對于功率等級較低的液晶電視(如小尺寸液晶電視)而言，它們通常采用的是準諧振模式，這種模式憑借減小開關損耗而能夠提高能效；而在功率等級更高的液晶電視中，采用諧振拓撲的優勢十分突出，所以，這種模式會引導設計人員采用半橋諧振LLC轉換器。具體而言，這里采用半橋諧振LLC的好處體現在：

·與其它諧振拓撲相比，其輸入電壓范圍和負載范圍更寬，

·諧振槽元件可以集成在單個變壓器內，從而減少元件數量；

·在所有負載條件下用于原邊開關的零電壓開關(ZVS)；

·所有重載條件下用于負邊開關的零電流開關(ZCS)。

這兩種結構比較起來，各有其優勢所在。對于采用雙開關電源的第一種架構而言，它使得功率得到更好的平衡，允許兩個開關電源轉換器采用同一種拓撲結構；此外，它消除了背光數字調光所可能導致的交叉調節問題，而且它的待機性能出色，雖然比起專用待機電源來說還略顯遜色。不僅如此，它還可以對源自信號處理電源(CAVIO電源)的背光信號進行解耦，這樣就能夠在需要新的背光技術(如外置電極熒光燈EEFL、平面熒光燈FFL、發光二極管LED)時簡化技術方案的演進。

如前所述，第二種結構中采用含有半橋LLC轉換器的單個主開關電源。與采用反激式轉換器相比，采用LLC轉換器能夠提高總體效率，而且也解決了背光數字調光所導致的交叉調節問題。此外，由于LLC模式下頻率提高，使得開關電源的尺寸可以更小。值得一指的是，第二種結構中，除了主開關電源外，所采用的專用待機開關電源可以提高待機模式的效率，能夠實現低于1瓦的待機能耗。目前美國和歐盟紛紛出臺有關電視機1瓦待機能耗的法規。

大尺寸液晶電視中PFC電源需采用CCM拓撲

隨著屏幕尺寸的加大，液晶電視的功率也水漲船高。對于37英寸的較大尺寸液晶電視而言，其功率最達可達220W；對40～42英寸的液晶電視而言，功率最高達300 w，而46英寸的功率更高達330W。在這類功率級別，輸入電壓達到了很寬的90V~264V范圍。

其中，以37英寸液晶電視為例，與前文所述的32至32英寸液晶電視一樣，也可以采用雙開關電源和單一主開關電源加專用待機開關電源這兩種結構。不過，雖然雙開關電源結構擁有明顯優勢，但在高達220 W功率范圍下，設計人員必須考慮到輕載性能變得越來越重要，因為CAVIO的功率容量增加了。不僅如此，采用反激等傳統拓撲能夠實現的功率密度在這里則成為一個問題。其它能夠提高能效、減小尺寸和改善交互調節狀況的拓撲必須予以考慮。例如，大多數設計人員已經選擇半橋諧振LLC解決方案來實現這些性能改善目標。

而對于40英寸及更大尺寸的液晶電視來說，最常見的電源結構也是主開關電源加專用待機開關電源，其中主開關電源采用半橋諧振拓撲，能夠同時輸出24 V和12 V電壓。

總的來看，在37英寸及更大尺寸的液晶電視中，就PFC而言，臨界導電模式(CRM)不再實用，必須轉用連續導電模式(CCM)。而且在待機模式中，PFC電源也和主開關電源一樣被關閉，以降低總體功率消耗。對于這個等級液晶電視的PFC而言，安森美半導體的NCP1653/NCP1654是改善傳導干擾和管理較大功率的最佳解決方案。

開關穩壓器在CAVIO系統電源中的應用越來越多

前文根據面板尺寸和功率等級的不同，分析了不同液晶電視所適用的開關電源結構以及相關的最新解決方案。由于液晶電視中的電源主要為背光子系統和控制音視頻信號輸入輸出(CAVIO)供電，接下來我們將分別就CAVIO電源和背光電源作進一步的討論。

對于CAVIO電源而言，這一塊的功率分配正變得越來越復雜，面臨著超來越多的挑戰。例如，芯片組的集成度越來越高，核心處理器的電壓變得更低，而電流卻在提高；此外，各種不同的功能模塊所需要的電壓軌種類越來越多。在這種情況下，如果使用線性穩壓器，則必須提高開關電源的功率；另一方面，高集成度的芯片組也在提高電路板的功率密度?；谶@些有關效率和熱的因素，在CAVIO電源中，開關穩壓器的應用日益增多。

開關穩壓器能夠提高整體能效、減小總占位面積。通過使用開關穩壓器，可以較低的輸出電壓和較大的電流來支持深亞微米設計以及內核電壓朝低于1 V方向邁進的趨勢。

而就開關控制器而言，它的主要發展趨勢包括：輸出電壓更低，適用于邏輯控制板，開關頻率更高，能效也更高，輸入電壓范圍更寬廣。

新型方案降低大尺寸液晶電視系統總成本

傳統上，液晶電視的開關電源中，主開關電源和逆變器是分立的。對于大尺寸液晶電視而言，一種新興的方案是將主開關電源和逆變器集成在一起，形成所謂的高壓型的結合方案LIPS。對于大尺寸液晶電視而言，采用LIPS可以消除24 V轉換階段。由于減少了一級電壓變換，這種方案可以帶來不少的好處，不僅節省系統總功率、減少液晶電視底盤的發熱量，還可節省系統總成本。

在大尺寸液晶電視的LIPS方案中，在PFC電源方面，可以采用安森美半導體的NCP1653/NCP1654 PFC控制器，這兩款器件采用CCM拓撲結構，非常適用于改善傳導干擾，及管理大尺寸液晶電視中超過200 W的功率。而在開關電源方案，可以采用一個專門用于處理CAVIO的開關電源以及一個專用的待機開關電源。

從發展趨勢來看，一般預計，采用LIPS的40英寸或更大尺寸的液晶電視將在2007年底開始面市，而對于32和37英寸液晶電視而言，將可采用LIPS或標準開關電源(LLC)等不同方案。

Green Point液晶電視電源參考設計

安森美半導體推出了尺寸為130×200×25 mm為GreenPoint系列電源參考設計，該設計針對極為纖薄的液晶電視機殼進行了優化，具有極高的能效和極低的待機能耗，可以滿足客戶的應用設計需求。圖4展示的是GreenPoint電源參考設計功能結構圖。

圖5顯示的是GreenPoint系列液晶電視電源參考設計滿載時在不同輸入電壓下的能效。從該圖可以看出，該參考設計擁有極高的效率，在中等及以上功率時的能效高于80％，甚至超過90％。此外，從輕載條件下，該參考設計也擁有低于1瓦的待機能耗，這對于降低液晶電視的待機能源消耗具有重要意義。

結語

對于液晶電視特別是中等及以上尺寸的液晶電視而言，其電源結構正在向半橋諧振LLC拓撲、多輸出DC/DC等高能效、更緊湊的解決方案方向發展。由于液晶電視的用量增加，優化開關電源的結構，使之適應不同地區的具體電壓工作范圍要求也越來越有意義。DC/DC和低壓降穩壓器的使用將會繼續向大電流和低電壓轉移，從而需要新的解決方案。