大屏及8K電視3DR高效節(jié)能技術應用

0   引言

近年來，隨著顯示技術的日益發(fā)展，以及國家大力推進消費升級和數字化轉型，大屏化和8K 顯示技術已成為電視的發(fā)展趨勢，越來越受消費者的青睞！但是，目前大屏以及8K 模組存在功率大、整機能耗高的問題，不符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保的理念，亟待攻關解決。針對匹配大屏及8K 電視，若采用傳統(tǒng)電源架構，如升壓（boost）或降壓（buck）拓撲^[1]，電源及背光電路需經兩級能量轉換，且由于通道數多、燈條電壓高、燈條電流大，使得傳統(tǒng)電路效率低，系統(tǒng)極其復雜，恒流模塊器件多、成本高，不利于大屏及8K 電視的普及和推廣。同時，隨著國家倡導的“碳達峰”、“碳中和”觀念的不斷深入，降低大屏及8K 電視能耗也成為電視發(fā)展的必然趨勢。因此，在研究如何匹配大屏及8K 電視的電源及恒流系統(tǒng)基礎上，提出一種雙直驅式諧振網絡（dual-direct-driver resonance）技術，簡稱3DR 技術，大大提高了大屏及8K 電視背光轉換效率，降低整機能耗和系統(tǒng)成本，同時在TV 行業(yè)內積極倡導節(jié)能減排、綠色環(huán)保理念，具有極大的經濟和社會效益。

1   傳統(tǒng)技術方案

在LED 電視及顯示行業(yè)，傳統(tǒng)采用升壓（boost）或降壓（buck）恒流驅動方式匹配背光模組燈條。電源系統(tǒng)經過AC/DC 轉換后輸出DC 電壓，DC 電壓再經過降壓或升壓電路實現LED 燈條所需的燈條電壓，同時與系統(tǒng)匹配實現恒流輸出。不論是升壓（boost）還是降壓（buck）恒流系統(tǒng)，從交流輸入到LED 燈條均需經兩級能量轉換^[2]，以應用較多的升壓拓撲為例，如圖1a所示。

采用傳統(tǒng)技術方案匹配8CH 大屏及8K 電視，電源系統(tǒng)架構如圖1b 所示。從圖1b 可以看出，傳統(tǒng)電源架構經兩級能量轉換，匹配8CH 屏體，需8 路獨立的恒流驅動電路，效率低，系統(tǒng)復雜，恒流模塊器件多，系統(tǒng)成本高。為了簡化電源架構，提高電源及恒流的轉換效率，降低整機功耗和系統(tǒng)成本，提出一種3DR 技術新架構，可大大提高大屏及8K 電視背光轉換效率，降低整機功耗和系統(tǒng)成本。

2   3DR技術

3DR 技術是針對目前大屏及8K 電視的背光模組燈條匹配提高背光轉換效率的一種新的電源及恒流架構系統(tǒng)技術，其包含2 個關鍵技術：3DR 半周期分流技術，3DR 通道倍增技術，分別說明如下。

2.1 3DR半周期分流技術

AC 接通系統(tǒng)后，燈條分配網絡通過諧振網絡半周期分流技術將橋式整流的正負半周（t1、t2）分成兩組電流通道，形成兩個燈條并聯(lián)輸出，如圖2a 紅色和藍色電流通路所示。采用電容均流技術確保每組燈條電流相等，使在燈條電壓不等的情況下也能實現均流，從而實現模組背光燈條對稱或非對稱設計。

圖2a 3DR半周期分流技術原理

圖2b 3DR通道倍增技術原理圖

2.2 3DR通道倍增技術

當大屏及8K 電視背光模組燈條通道數增加時，通過燈條正負壓通道倍增技術將兩組并聯(lián)燈條變換成兩組正負壓串聯(lián)燈條，最終形成兩并兩串的四通道設計，如圖2b 所示。通過模塊級聯(lián)方式靈活實現通道的擴展，以滿足大屏及8K 模組背光燈條多通道設計的要求。

2.3 3DR技術應用

由于大屏及8K 電視屏體玻璃透過率低、T-CON功率大，模組功率較普通產品增加約30%。在整機系統(tǒng)中，特別是大屏及8K 電視，模組功耗占比達到80%以上，為了降低整機功耗，需要提升模組背光電路的轉換效率。以匹配8CH 大屏及8K 電視為例，3DR 新系統(tǒng)架構原理如圖3 所示。

從圖3a 和3b 可以看出，3DR 技術省去了背光轉換電路，省去一級能量轉換，由燈條分配網絡直接給模組燈條供電，大大提高背光模組的轉換效率。根據3DR技術原理，模組燈條可選擇諧振網絡和諧振網絡匹配不同燈條通道的模組，同時，諧振網絡還可以分別匹配2CH 或4CH 的背光模組燈條，因此整個新系統(tǒng)架構可實現靈活匹配2/4/6/8CH 背光模組燈條。且根據3DR 技術原理，當背光模組燈條電壓不一致時，由于存在均流電容，如圖2b 中的電容，可分擔燈條不對稱的壓差，因此，該架構也可直接匹配，實現燈條的對稱與非對稱設計。由于該系統(tǒng)省去一級電路轉換，恒流器件少，大大降低了電源及恒流系統(tǒng)成本。因此， 基于3DR 技術的高效節(jié)能諧振網絡是目前匹配大屏及8K 電視的新的電源及恒流系統(tǒng)架構，應用性及可推廣性強。

圖3a 3DR電源架構原理

3   3DR技術實驗結果

根據實際設計的一款86 英寸8CH 8K LED 電視電源及恒流，分別對傳統(tǒng)升壓恒流方案和3DR 技術方案進行對比。

1）電源及恒流系統(tǒng)效率對比

P1 為傳統(tǒng)升壓方案電源輸入功率，P2 為3DR 技術方案的電源輸入功率，數據對比如下。

表1 86英寸8CH電路元器件數量對比

2）測試條件

輸入：220 V AC，50 Hz，570 W（P1），515 W（P2）

輸出：① LED 燈條電壓130.2 V（CH1/CH2/CH5/CH6/CH7/CH8）和167.4 V（CH3/CH4）

② LED 燈條電流360 mA

③ +12 V/3 A，+20 V/1 A

3）實驗結果

①若電源及恒流系統(tǒng)采用傳統(tǒng)升壓恒流架構，計算結果如下：

η1（電源及恒流效率）=×100%=×81%

② 3DR 技術方案電源效率計算結果如下：

η2（電源及恒流效率）=×100%=×100%=89.6%

從以上實際測試數據計算結果看，采用3DR 技術方案相比普通方案電源轉換效率提高約8.6%，此外，該方案匹配的模組功率越大，整機功耗降低越大。

4）器件數對比

從表1 可以看出，以86 英寸（注：1 英寸=2.54 cm）8K 電視（8CH）為例，電路元器件數量減少約30%。一方面節(jié)省了系統(tǒng)成本，另一方面節(jié)省的器件可有效減少對自然資源的損耗，實現節(jié)能降耗和綠色環(huán)保。

4   結束語

本文詳細介紹了3DR 技術工作原理，對比了傳統(tǒng)技術方案與3DR 技術電源及恒流架構的差異，并結合實際案例和應用，比較傳統(tǒng)拓撲架構和3DR 技術架構背光系統(tǒng)的轉換效率和節(jié)省的器件數。實際結果顯示，以86 英寸整機為例，效率提升約8.6%，節(jié)省器件數約上百個。該方案一方面通過提升整機效率實現節(jié)能降耗，另一方面通過節(jié)省電子元器件來減少對資源的損耗，實現真正的節(jié)能環(huán)保。同時，3DR 技術可降低整機系統(tǒng)成本，大量推廣后可產生明顯的經濟和社會效益，此外，該技術的實施對大屏及8K 電視的節(jié)能減排起著巨大推動作用。

參考文獻：

[1] 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2] WINDER S. LED驅動電路設計[M].謝運祥,王曉剛,譯.北京:人民郵電出版社,2009.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年11月期）