新一代LCD TV 電源整體解決方案概述
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表1：ENERGY STAR V3.0版本對高清晰電視最大功耗的定義。
另外，在EPA V3.0規(guī)范中電視產(chǎn)品允許的最大功耗與其尺寸大小相對應(表2)，其中32??LCD TV的最大功耗要求低于120W，目前市面上銷售的LCD TV產(chǎn)品功耗普遍高于新標準的上限，那么，要通過ENERGY STAR的認證，設計工程師只有兩個選擇：對現(xiàn)有電源系統(tǒng)設計考慮做根本性變革，降低電源轉(zhuǎn)換過程中的功率損失；或是降低背光亮度并減小音響系統(tǒng)的輸出功率，以減小LCD TV的耗電量。
表2：根據(jù)ENERGY STAR V3.0標準計算各尺寸LCD TV最大允許功耗。
表3：DisplaySearch對LCD TV成本的近年資料統(tǒng)計及未來走勢預測。
表4：傳統(tǒng)LCD TV電源方案與昂寶電子方案優(yōu)缺點之比較。
表5：傳統(tǒng)LCD TV電源方案與昂寶電子方案功耗之比較。
表6：傳統(tǒng)LCD TV電源方案與昂寶電子電源方案主要零件之比較。
顯然，后者是以犧牲用戶的視覺和聽覺感受為代價，前者才是最佳選擇，這是電源設計工程師所面臨的一大挑戰(zhàn)，即如何降低LCD TV的耗電量且不降低視聽效果。
圖1：昂寶電子針對23英寸以下LCD產(chǎn)品開發(fā)的62W LIPS電源。
LCD TV電源方案分析
LCD TV的電源由于負載的多樣性，其設計也變得相對復雜，需要比如AC功率因子校正、隔離式電源轉(zhuǎn)換、非隔離式負載點電源轉(zhuǎn)換以及各種各樣的電源監(jiān)測保護功能，LCD TV產(chǎn)品正越來越多的依靠電源管理領域的技術創(chuàng)新來確立其在市場上的競爭力。
LCD TV由于整機功率通常小于75W，不需要配置PFC線路，其供電模塊的設計和制造已經(jīng)相對成熟，早期分立的AC/DC主電源板和DC/AC逆變電源板出于降低制造成本的考慮已經(jīng)被整合到一塊PCB板上，即目前主流的LCD整合電源系統(tǒng)(LCD Integrated Power System，LIPS)結(jié)構。
昂寶電子已針對此類應用開發(fā)了多款LIPS電源，AC/DC部分轉(zhuǎn)換電路主要使用OB2263、OB2269和OB2202等芯片，DC/AC部分逆變器電路主要采用OB3316、OB3318和OB494P等芯片，小尺寸LCD TV內(nèi)部只有電源板和訊號處理主板兩塊PCB，而對于32?家隕系拇蟪嘰?LCD TV而言，其內(nèi)部會相對復雜。
圖2以傳統(tǒng)32??LCD TV為例，其內(nèi)部主要包括3塊PCB板，即：1. 訊號處理主板，用于音訊視訊處理及系統(tǒng)控制等功能；2. AC/DC電源板，將市電的220V@50Hz或110V@60Hz交流輸入轉(zhuǎn)換成音訊系統(tǒng)、視訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流電壓，并實現(xiàn)功率因子校正、與輸入電網(wǎng)安全隔離等功能；3. DC/AC電源板，用于將AC/DC電源板輸出的24V或12V直流電壓再逆變升壓得到1,000V@50KHz的交流電壓，以此高壓高頻正弦交流電壓來驅(qū)動背光CCFL燈管，并實現(xiàn)背光亮度調(diào)節(jié)等功能。
圖2：傳統(tǒng)式LCD TV內(nèi)建訊號處理、AC/DC電源、DC/AC電源三塊PCB板。
圖3是傳統(tǒng)式LCD TV電源的結(jié)構圖，依功能通?？蓪⑵鋭澐譃?大模塊，即：PFC模塊；DC/DC主電源模塊；DC/AC逆變電源模塊。
圖3：傳統(tǒng)式LCD TV電源系統(tǒng)結(jié)構圖。
由于離線式開關電源不可避免會產(chǎn)生帶高諧波含量的非正弦輸入電流，這會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定污染，并且會影響到連接在同一電源線的其它電子設備，為滿足歐盟IEC61,000-3-2的D類標準或類似的區(qū)域性諧波含量規(guī)范，通常需要在輸入功率大于75W之開關電源設計中加入PFC模塊。大尺寸LCD TV的輸入功率遠遠大于75W，因此PFC模塊亦是LCD TV電源中不可缺少的部分，PFC模塊透過Boost線路將電網(wǎng)輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的400V直流電壓供給后級DC/DC電源使用。
DC/DC主電源模塊負責將PFC輸出的400V直流電壓轉(zhuǎn)換成各種負載所需要的低壓直流電平，來滿足DC/AC逆變電源輸入、音響系統(tǒng)、視訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等模塊的工作需要，常見電壓包括24V/18V/12V/5V/3.3V等。國際能源署(IEA)和歐盟制定的1W計劃要求在2010年將所有產(chǎn)品的待機功耗降低到1W以內(nèi)，為符合1W待機功耗之節(jié)能規(guī)范，DC/DC主電源模塊之外通常還需要設計一塊獨立的待機電源，用于在待機模式下維持遙控接收器模塊的工作，并將PFC和DC/DC主電源模塊關閉，以最大限度降低待機功耗。
DC/DC主電源根據(jù)LCD TV尺寸及功率的大小，其常見拓撲結(jié)構包括：返馳(包括準諧振)、雙管返馳、雙管正激、諧振半橋(HB LLC)等幾種。對于50W~100W之功率范圍，單開關的返馳或準諧振返馳拓撲是最佳選擇，其中準諧振控制透過減小開關損耗來提高轉(zhuǎn)換效率并改善開關造成的EMI干擾，而對于更大功率的100W~200W范圍，可以透過雙開關返馳的方式來應對。正激結(jié)構可應用于200W~300W的功率范圍，但由于需在連續(xù)導電模式下工作，解決由于硬開關所引出的EMI問題是一項挑戰(zhàn)。諧振半橋結(jié)構適用于150W以上的功率應用，其在高功率級的LCD TV應用中性能優(yōu)勢十分明顯，全負載范圍的零電壓開關(ZVS)及低電流關斷控制可幫助最大限度降低開關損耗及減小EMI干擾。
DC/AC逆變電源用于驅(qū)動背光模塊，其將DC/DC主電源輸出的24V或12V直流電壓轉(zhuǎn)換為1,000V左右的高壓交流電壓用于驅(qū)動背光CCFL燈管并實現(xiàn)背光亮度(燈管電流)的調(diào)節(jié)功能，LCD TV顯示畫面的對比度需依靠高亮度的背光來支撐，所以DC/AC逆變電源部分的輸出功率通常占整機總輸出功率的70%以上，且尺寸越大，背光功耗所占比重越大。
圖4：傳統(tǒng)式LCD TV主電源功率范圍及架構選擇。
圖5：昂寶電子LCD TV電源方案結(jié)構圖。
透過上述對傳統(tǒng)LCD TV電源的結(jié)構分析，我們不難發(fā)現(xiàn)一個問題，即其整體效率非常低，因為占70%以上功耗的背光部分的電能在PFC之后經(jīng)歷了降壓再升壓的兩級轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換過程中的效率損失亦會引起散熱問題。LCD TV的超簿設計及噪音限制使得在機箱中添加風扇沒有可能性，則熱量的堆積會直接導致機殼內(nèi)上下部分溫度的不均勻，再配合CCFL亮度對溫度的敏感特性，這樣的設計給用戶呈現(xiàn)出來的將是面板上下部亮度不均勻的獨特效果。
為解決上述問題，400V高壓輸入逆變電源方案一直為業(yè)界所討論和提議，而昂寶電子透過整合自身豐富的產(chǎn)品線，已經(jīng)將這一構想變?yōu)楝F(xiàn)實，即DC/AC逆變電源的輸入不再采用DC/DC主電源的24V電壓，而是直接取自PFC的400V輸出。這樣背光部分的電能即減少了一級能量轉(zhuǎn)換，節(jié)省了一級效率損失，并且DC/DC主電源的設計功率可以大幅降低，亦順帶解決了DC/DC主電源的散熱問題，最重要的是DC/DC主電源的制造成本大幅降低。
在不具備高壓輸入DC/AC逆變電源方案的條件下，人們往往透過最佳化AC/DC主電源的方式來降低整機功耗，如參考文獻2中所討論的透過半橋諧振LLC架構來最佳化LCD TV電源，這也是一個方法，但與之相對應的是昂貴的制造成本，而采用昂寶電子開發(fā)的LCD TV整體電源方案，便宜的的單開關返馳或準諧振返馳就足以應付大尺寸LCD TV中背光以外的功率需求了。
圖6以150W LCD TV電源為例來對比傳統(tǒng)方案與昂寶電子之方案，假設背光滿載消耗100W，其它部分滿載消耗50W，按照常規(guī)架構及各模塊轉(zhuǎn)換效率來推算，運用傳統(tǒng)方案來設計，其理論輸入功率將達到197W左右，整體效率為76%，而使用昂寶電子的方案來設計，其理論輸入功率只需要174W左右，整體效率高達86%。
圖6：150W LCD TV電源系統(tǒng)傳統(tǒng)方案與昂寶電子方案之功率比較。
而另外一個重點是，傳統(tǒng)方案需要設計168W的DC/DC主電源，而使用昂寶電子的方案設計，則只需要設計50W的DC/DC主電源，根本不需要采用價格昂貴的半橋諧振LLC方案。
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