新一代平板電視電源方案設(shè)計(jì)

隨著超薄平板電視的出現(xiàn)，電視機(jī)已經(jīng)成為更加重要的家居裝飾物件。與此同時(shí)，不斷增大的屏幕尺寸，以及高清(HD)、逐行掃描、200 Hz刷新等新技術(shù)和最新的三維(3D)技術(shù)，正在助推提供更佳觀看體驗(yàn)。增添到新技術(shù)組合中的還有支持因特網(wǎng)內(nèi)容及服務(wù)的智能電視，使電視成為許多人居家生活的焦點(diǎn)。

這樣一來，電視性能受到消費(fèi)者團(tuán)體和立法者密切關(guān)注就不令人意外了；大屏幕、高性能電子產(chǎn)品以及使用增多，表示平均家許能耗與全球降低二氧化碳排放的需求背道而馳。

更高輸出功率，更低輸入功率

新的“能源之星”電視標(biāo)準(zhǔn)在此前已限制待機(jī)能耗的基礎(chǔ)上，更加注重降低電視工作時(shí)的能耗。此標(biāo)準(zhǔn)如今包括根據(jù)屏幕尺寸計(jì)算的最大允許功率限制，其中屏幕尺寸達(dá)50英寸或更大的任何電視的絕對(duì)最大功率為80 W。

業(yè)界正在通過創(chuàng)新來幫助符合當(dāng)前及后續(xù)的能耗標(biāo)準(zhǔn)。其中一項(xiàng)創(chuàng)新便是發(fā)光二極管(LED)背光，不僅相較于冷陰極熒光燈(CCFL)背光燈提升能效，還支持更纖薄的尺寸。目前市場正在向LED背光高速過渡，預(yù)計(jì)到2015年業(yè)界制造的LED背光電視的數(shù)量將達(dá)傳統(tǒng)CCFL背光電視的10倍。圖1顯示了電視產(chǎn)量趨勢(shì)，其中就包括從CCFL到LED背光的過渡。

圖1. 預(yù)測顯示出平板電視從CCFL背光到LED背光高速過渡

此外，更高能效的簡化電源設(shè)計(jì)也正在涌現(xiàn)。這些新設(shè)計(jì)不僅減小能量損耗，還提供比第一代LED背光液晶電視電源性價(jià)比更高的方案。圖2顯示了北美地區(qū)的電視能耗估計(jì)數(shù)值，其中顧及了由于屏幕尺寸增大及功能增多導(dǎo)致的能耗增加因素。如圖所示，新的“能源之星”將使此增長趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)。如果功率半導(dǎo)體、轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及背光電路遵循舊的“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，2014年的總能耗將為2008年的2倍。在改進(jìn)電源設(shè)計(jì)的情況下，我們估計(jì)2014年的總能耗將比2008年約低20%。假定一家500兆瓦(MW)火電廠相當(dāng)于每年3太瓦時(shí)(TWh)的能耗，這就對(duì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境有極大影響。

圖2. 預(yù)計(jì)的屏幕尺寸及電視出貨量能能耗的影響

傳統(tǒng)電視電源

圖3顯示了當(dāng)前LED背光液晶電視典型電源的原理。半橋諧振LLC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生24 V及12 V直流電壓軌，為音頻及處理器子系統(tǒng)等不同的電源域供電。LED的供電電壓源自經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后得來的24 V直流供電電壓，此電壓也為電視音頻子系統(tǒng)供電。

圖3. 當(dāng)前典型的液晶電視電源策略

LED背光陣列驅(qū)動(dòng)電路中總計(jì)包含4條電源段；它們的累積能耗會(huì)將背光電源總能耗降至低于65%。與之類似的是，需要3條電源段來為音頻及處理子系統(tǒng)供電，假定每個(gè)電源段的能效為典型能效等級(jí)，總能效就約為70%。此圖中還包括傳統(tǒng)電視電源中常見的專用待機(jī)電源，此電源會(huì)進(jìn)一步增加能量損耗及物料單(BOM)成本。

下一代電源設(shè)計(jì)

多種新的電源方案正在涌現(xiàn)，旨在幫助設(shè)計(jì)人員提升包括從24英寸至46英寸甚至更大尺寸的寬范圍標(biāo)準(zhǔn)屏幕尺寸LED背光電視的能效。某些關(guān)鍵創(chuàng)新充分利用提供高能效轉(zhuǎn)換及控制的新器件技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使電源設(shè)計(jì)人員能夠省去專用待機(jī)電源等電路，簡化或省去LED背光升壓轉(zhuǎn)換器，因而節(jié)省能耗及物料單成本。

26英寸屏幕大小級(jí)別的典型電視額定功率足夠低，不要求使用功率因數(shù)校正(PFC)。使用諸如安森美半導(dǎo)體NCP1236這樣控制器的單反激轉(zhuǎn)換器可以用于為背光及音頻和信號(hào)處理子系統(tǒng)供電?？梢詢H使用5 V和24 V輸出來為這些子系統(tǒng)供電。NCP1236能夠以5 V電壓、高達(dá)4 A電流為電視的信號(hào)處理電路供電，同時(shí)提供24 V電壓來驅(qū)動(dòng)0WRMS/8Ω半橋音頻放大器及背光驅(qū)動(dòng)器。此器件包含高壓啟動(dòng)電路，可以用于不要求有源X2電容放電的成本敏感型應(yīng)用。

對(duì)于小型背光陣列而言，升壓至約40 V的相對(duì)較低升壓電壓就足夠了，然后設(shè)計(jì)就能使用集成升壓轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)器。

下一代設(shè)計(jì)中也正在消除傳統(tǒng)專用待機(jī)電源。取而代之的是使用像NCP4354/4這樣的次級(jí)端關(guān)閉模式控制器來檢測空載狀況，控制是否進(jìn)入低能耗模式，并以更低的電壓為待機(jī)低壓降(LDO)穩(wěn)壓器供電。這種方法在結(jié)合使用NCP1246反激控制器時(shí)，將待機(jī)能耗降至低于75 mW，并將空載能耗降至低于30 mW；而NCP1246帶有內(nèi)置自供電功能，支持在從待機(jī)模式喚醒時(shí)控制啟動(dòng)電流。這兩款器件通過用于反饋網(wǎng)絡(luò)的同一個(gè)光耦來相互通信，因此不要求額外電路。此外，NCP1246包含專用關(guān)閉模式，如果需要的話，能與NCP4353/4一起使用，由NCP4353/4通知NCP1246進(jìn)入休眠模式。這兩款器件結(jié)合在一起，能夠?qū)⒖蛰d輸入能耗降低至優(yōu)于10 mW的性能。NCP1246的另一項(xiàng)特性是有源X2電容放電功能，此功能在檢測到設(shè)備已從交流電源撥除后觸發(fā)電容放電。在許多消費(fèi)類電子應(yīng)用中，這是一種有效的安全特性。

對(duì)于要求較大背光陣列并因此要求更高LED供電電壓的37至42英寸電視而言，使用專用背光電源方法的能效會(huì)比提升較低直流電壓方法更高。諸如NCP1379這樣的準(zhǔn)諧振控制器為像CAT4024這樣的一系列線性LED驅(qū)動(dòng)器供電是一種有效的方案，使輸出電壓變化能夠跟隨LED因老化及發(fā)熱而產(chǎn)生的要求。不帶PFC的反激電源能夠支持從90至264 Vac的寬輸入電源電壓范圍。

最后，在更高功率的應(yīng)用中，如屏幕尺寸高達(dá)46英寸的現(xiàn)有應(yīng)用通常要求的95至120 W電源中，要求使用PFC。安森美半導(dǎo)體的NCP1611 PFC控制器采用電流控制頻率反走(CCFF)模式工作。在大電流時(shí)，它工作在標(biāo)準(zhǔn)臨界導(dǎo)電模式(CrM)，能夠減小 變壓器次級(jí)線圈的尺寸，并提供跟隨升壓特性，增強(qiáng)音頻/處理及背光電源轉(zhuǎn)換器的輸出能力。在輕載時(shí)，定時(shí)器啟用，根據(jù)電流需求控制下一個(gè)開關(guān)周期開始前的死區(qū)時(shí)間。與CrM模式不同的是，在負(fù)載下降時(shí)，開關(guān)頻率也下降，進(jìn)而減小開關(guān)損耗。開關(guān)頻率可以鉗位至約高于20 kHz，消除CrM設(shè)計(jì)中通常可以聽到的可聽噪聲。這兩種模式結(jié)合在一起，在輕載時(shí)提升能效約10%，是一種更優(yōu)的設(shè)計(jì)。

圖4顯示的是結(jié)合這些增強(qiáng)特性的簡化電源設(shè)計(jì)的示意圖。使用NCP1379及CAT4204的專用背光電源替代LED升壓轉(zhuǎn)換器，沒有單獨(dú)待機(jī)電源，而NCP1236/46同時(shí)為音頻及處理子系統(tǒng)供電。如果要求的話，可以增加NCP1611 PFC控制器。最終設(shè)計(jì)的能效更高，因此省去了多段式電源轉(zhuǎn)換，且因省去一些元器件而使尺寸更小。這種方法支持以類似的電源方案更快地開發(fā)更強(qiáng)固的設(shè)計(jì)，同時(shí)配合寬范圍的電視屏幕尺寸及功率要求。

圖4. 節(jié)省轉(zhuǎn)換能耗及元器件成本的通用電源設(shè)計(jì)

結(jié)論

當(dāng)今的平板電視提供惹人注目的纖薄型設(shè)計(jì)及更佳的用戶體驗(yàn)，獲得了電視擁有者的重視及頻繁觀看，但也增加了降低能耗及提升能效的顧慮。新的“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)更加注重電視的工作能耗，根據(jù)屏幕尺寸來限制工作能耗。采用高能效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制器的更簡單的優(yōu)化電源架構(gòu)可以幫助設(shè)計(jì)人員符合這些需求，而且成本具有競爭力。