解讀等離子顯示器降功耗技術(shù)

2009年初國(guó)內(nèi)外多家媒體上曾出現(xiàn)關(guān)于歐盟要禁售等離子電視的報(bào)道。歐盟電視產(chǎn)業(yè)研究協(xié)會(huì)的負(fù)責(zé)人Paul Gray否認(rèn)了這一說(shuō)法，但同時(shí)也提到該協(xié)會(huì)有以下的規(guī)劃。

● 將設(shè)定平板電視能量效率的最低標(biāo)準(zhǔn)，并且根據(jù)屏幕的不同尺寸設(shè)定能耗的最大限定值

● 將會(huì)強(qiáng)制性要求電視的待機(jī)能耗低于1W，這個(gè)要求會(huì)給生產(chǎn)廠家大約1年的時(shí)間來(lái)達(dá)成

可以看到，盡管歐盟目前并未真正提出要求禁止銷售等離子電視的議案，但是對(duì)于該類產(chǎn)品的功耗，包括待機(jī)功耗和平均功耗，依然將有明確的限制。這就迫使我們必須花大力就如何降低功耗、提高功率因數(shù)、提高發(fā)光效率進(jìn)行不懈地改良和研究。

那么，在哪些方面可以著手進(jìn)行優(yōu)化和改善，以有效降低PDP整機(jī)的功耗呢?下面我們對(duì)此進(jìn)行定性的分析。

1 電源部分

電源作為PDP的重要組成部分，要求效率高、體積小、能夠提供較大的瞬態(tài)輸出功率，并且具有保護(hù)功能和不同輸出電壓按順序啟動(dòng)的功能。

傳統(tǒng)的PDP電源一般采用兩級(jí)方案，即功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)+DC/DC變換的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它們分別有各自的開關(guān)器件和控制電路。盡管其能夠獲得很好的性能，但體積過(guò)大，成本高，電路比較復(fù)雜。因此，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改造也成了PDP電源技術(shù)研究的一個(gè)方向。

分析可知，不管從傳輸能量角度還是從所占體積的角度，PFC模塊和掃描驅(qū)動(dòng)電極DC/DC變換模塊都占有相當(dāng)大的比例。因此，對(duì)這兩部分的改造就成為PDP開關(guān)電源優(yōu)化改造的一個(gè)切入點(diǎn)。

目前的優(yōu)化方案有以下兩種。

● 單級(jí)功率因數(shù)校正電路(SSPFC)

如圖1所示，SSPFC體積小、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)使其成為PDP開關(guān)電源小型化改造的一個(gè)首選方案。其基本原理是：采用單級(jí)功率因數(shù)校正變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單相交流電經(jīng)全波整流后，通過(guò)串聯(lián)兩個(gè)感性ICS接到雙管反激的DC/DC變換單元。在半個(gè)工頻周期內(nèi)，只有一部分時(shí)間電感LB的電流連續(xù)工作，當(dāng)輸入電壓為交流正弦波時(shí)，其輸入電流為一含有高頻紋波的近似正弦波。兩者相位基本相同，從而提高了輸入端的功率因數(shù)。

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圖1 單級(jí)功率因數(shù)校正電路

● 采用功率因數(shù)控制芯片

如圖2所示，可采用MC34262等功率因數(shù)控制芯片來(lái)進(jìn)行有源功率因數(shù)校正。

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圖2 采用MC34262的功率因數(shù)校正電路

交流市電經(jīng)過(guò)全波整流后的直流電壓經(jīng)分壓，輸入控制芯片內(nèi)乘法器的一個(gè)輸入端，而誤差放大器輸出電壓加到乘法器另一個(gè)輸入端。在較大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，乘法器的傳輸曲線為線性。乘法器輸出電壓控制電流取樣比較器的門限電壓，當(dāng)電壓大于此門限電壓時(shí)，電感釋放能量。此門限電壓近似與輸入電壓成正比，即與交流市電經(jīng)過(guò)全波整流后的直流電壓近似成正比關(guān)系。當(dāng)電感中電流降為零，此時(shí)電感開始儲(chǔ)能。其平均電流呈現(xiàn)與市電電壓同相位的正弦波，可使得功率因數(shù)接近于“1”。

2 驅(qū)動(dòng)電路部分

在PDP的總功耗中，并非只有氣體放電功耗，因?yàn)樵赑DP的驅(qū)動(dòng)電路中，需要大功率、高頻開關(guān)電路來(lái)為PDP提供氣體放電所需要的各種高壓脈沖，雖然PDP顯示屏的寄生電容并不消耗能量，但是它們的充電與放電將導(dǎo)致在電路的電阻及電極引線電阻中的能量耗損。

PDP驅(qū)動(dòng)電路的電壓幅值為負(fù)幾十伏到正幾百伏左右，工作頻率100～233kHz，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)選型對(duì)PDP整機(jī)系統(tǒng)的畫面質(zhì)量、工作效率等尤為重要。

在PDP的驅(qū)動(dòng)電路中，尋址驅(qū)動(dòng)電路的頻率最高，因此，除了在尋址驅(qū)動(dòng)電路中使用能量恢復(fù)技術(shù)之外，降低尋址驅(qū)動(dòng)電路的脈沖電壓也可以顯著降低尋址功耗。降低尋址電壓脈沖可采用以下幾種方法。

● AwD方法——即“尋址的同時(shí)顯示”。尋址、維持、擦除脈沖組合在一起施加，可降低尋址電壓，從而降低無(wú)用功耗。同時(shí)，由于維持時(shí)間占據(jù)了一個(gè)子場(chǎng)的大部分時(shí)間，故維持脈沖的頻率可以降低。

● 擦除尋址方法——即初始化后即進(jìn)入維持發(fā)光階段，待灰度等級(jí)到達(dá)要求后，通過(guò)擦除尋址使這些單元熄滅。因此，每場(chǎng)中單個(gè)像素的尋址只有一次。而且，可以用較低的擦除電壓和電流，有效地降低尋址功耗。

● 改變脈沖電路的工作方式——即使開關(guān)元件盡量工作在開關(guān)管電壓或電流接近零時(shí)開通或關(guān)斷(ZVS或ZCS)狀態(tài)，可降低器件本身的開關(guān)損耗。

在大尺寸的PDP顯示屏中，行、列驅(qū)動(dòng)IC的耗用量很多。其功耗大致分為三部分：邏輯部分、電平移位寄存器和高壓驅(qū)動(dòng)部分。正常情況下，邏輯部分功耗在20mW以下，電平移位寄存器部分在200mW以下，因屏電容部分的充放電而產(chǎn)生的高壓驅(qū)動(dòng)電路的無(wú)效功耗主要來(lái)自于回路中的寄生負(fù)載——電阻分量的損耗。這種電阻分量的存在是不可避免的，但對(duì)于電容充放電的電能，驅(qū)動(dòng)IC可以通過(guò)內(nèi)置能量回收電路的方式設(shè)法回收一部分。

為了滿足高壓器件工作性能的需求，降低高壓驅(qū)動(dòng)部分的無(wú)用功耗，PDP驅(qū)動(dòng)IC在設(shè)計(jì)和工藝上需采取如下比普通的集成電路更為嚴(yán)格的控制措施。

● 采用SOI工藝結(jié)構(gòu)，與常規(guī)功率模塊相比能量損耗可大大降低

● 采用介質(zhì)隔離，使驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部的輸出嵌位二極管可避免串?dāng)_現(xiàn)象

● 對(duì)于內(nèi)部元器件結(jié)構(gòu)和布局等給予特殊地處理，利用內(nèi)部控制可消除高壓開關(guān)時(shí)的穿透電流

3 MOS管的選型

選擇參數(shù)合適的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)可使驅(qū)動(dòng)電路能夠高效率、穩(wěn)定地工作，且壽命滿足要求。要求MOSFET的過(guò)渡要足夠快，以便減少開關(guān)損耗;導(dǎo)通電阻足夠小，以便減少導(dǎo)通損耗;關(guān)斷電阻足夠大，以便提高隔離作用。

其中，漏源導(dǎo)通電阻Rds(on)、反向恢復(fù)時(shí)間trr、輸入電容Ciss和柵極總電荷Qg需認(rèn)真考慮。低的導(dǎo)通電阻有助于減少導(dǎo)通損耗，特別是與“能量回收電路”相關(guān)的MOS管，低的導(dǎo)通電阻有助于提高能量回收的效率，降低PDP的功耗。trr、Ciss、Qg影響MOSFET的開關(guān)速度，低的參數(shù)值能夠加快MOSFET的轉(zhuǎn)換過(guò)程，有助于減少M(fèi)OSFET的開關(guān)損耗。另外，低的Ciss和Qg參數(shù)，能夠減少M(fèi)OSFET柵極的驅(qū)動(dòng)功率，簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

柵極驅(qū)動(dòng)電路是影響MOS管開關(guān)損耗的外界因素，優(yōu)良的柵極驅(qū)動(dòng)電路與高性能的MOSFET相結(jié)合，才能制作出高性能的PDP驅(qū)動(dòng)電路。

4 熒光粉材料

PDP用熒光粉和熒光燈用熒光粉非常相似，PDP主要使用的熒光粉有Y2O3∶Eu紅粉、(Gd,Y)BO3∶Eu紅粉、Zn2SiO4∶Mn和BaAl12O19∶Mn綠粉以及BaMgAl14O23∶Eu和MgBaAl10O17∶Eu藍(lán)粉。(Gd,Y)BO3∶Eu粉和BaAl12O19∶Mn粉的衰減時(shí)間偏長(zhǎng)，Zn2SiO4∶Mn的衰減時(shí)間對(duì)實(shí)際應(yīng)用而言就更長(zhǎng)了，因此需研究開發(fā)新的發(fā)光材料。熒光粉材料直接影響著PDP電視的發(fā)光效率和整機(jī)壽命。通常等離子電視的壽命指標(biāo)是指亮度降到一半時(shí)的時(shí)間。目前新一代長(zhǎng)壽命、高亮度的PDP專用熒光粉已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。

5 電極結(jié)構(gòu)

通過(guò)增加電極間隙來(lái)提高PDP的亮度和發(fā)光效率是一項(xiàng)非常有效的措施，但電極間隙增大，所需的工作電壓會(huì)隨之提高。為解決這一問(wèn)題，可在維持和掃描電極(X電極和Y電極)中間增加一個(gè)浮動(dòng)電極F。浮動(dòng)電極在單元工作期間不加電壓信號(hào)，但在單個(gè)維持電壓脈沖期間，其上會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)電勢(shì)。由于F電極與其兩側(cè)的X、Y電極的間距很小，因而在這兩個(gè)間隙處容易首先產(chǎn)生放電。在它們的導(dǎo)引作用下，引起X、Y之間的長(zhǎng)間隙放電，從而可降低PDP所需的維持電壓。

6 其他

包括邏輯控制部分、主芯板等，都需要充分考慮降低無(wú)用功耗的問(wèn)題，例如，可以在邏輯控制部分采用門控時(shí)鐘的方式，待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉一切內(nèi)部寄存器的動(dòng)作，以此達(dá)到消除無(wú)用功耗的目的。

綜合以上分析，可以看到，降低PDP功耗可以從多個(gè)角度考慮，正確的做法是多管齊下，齊頭并進(jìn)，從電源、驅(qū)動(dòng)方式、熒光粉材料、放電室結(jié)構(gòu)和新型高壓工藝等多方面著手，以求達(dá)到最大程度的效率提高。