新一代LCD TV 电源整体解决方案概述

发布时间：2010-11-11 12:26 发布者：designer

从功耗角度来看，为实现节能环保，对于不同功率范围及不同应用场合，各国政府及能源机构纷纷制定各种新的能耗标准，与此同时，更加严格的规范也在制定之中。ENERGY STAR(EPA V3.0)已经明确规范电视产品的最大功耗(表1)，这一标准将于2008年11月1日正式生效。

表1：ENERGY STAR V3.0版本对高清晰电视最大功耗的定义。

另外，在EPA V3.0规范中电视产品允许的最大功耗与其尺寸大小相对应(表2)，其中32??LCD TV的最大功耗要求低于120W，目前市面上销售的LCD TV产品功耗普遍高于新标准的上限，那么，要通过ENERGY STAR的认证，设计工程师只有两个选择：对现有电源系统设计考虑做根本性变革，降低电源转换过程中的功率损失；或是降低背光亮度并减小音响系统的输出功率，以减小LCD TV的耗电量。

表2：根据ENERGY STAR V3.0标准计算各尺寸LCD TV最大允许功耗。

表3：DisplaySearch对LCD TV成本的近年资料统计及未来走势预测。

表4：传统LCD TV电源方案与昂宝电子方案优缺点之比较。

表5：传统LCD TV电源方案与昂宝电子方案功耗之比较。

表6：传统LCD TV电源方案与昂宝电子电源方案主要零件之比较。

显然，后者是以牺牲用户的视觉和听觉感受为代价，前者才是最佳选择，这是电源设计工程师所面临的一大挑战，即如何降低LCD TV的耗电量且不降低视听效果。

图1：昂宝电子针对23英寸以下LCD产品开发的62W LIPS电源。

LCD TV电源方案分析

LCD TV的电源由于负载的多样性，其设计也变得相对复杂，需要比如AC功率因子校正、隔离式电源转换、非隔离式负载点电源转换以及各种各样的电源监测保护功能，LCD TV产品正越来越多的依靠电源管理领域的技术创新来确立其在市场上的竞争力。

LCD TV由于整机功率通常小于75W，不需要配置PFC线路，其供电模块的设计和制造已经相对成熟，早期分立的AC/DC主电源板和DC/AC逆变电源板出于降低制造成本的考虑已经被整合到一块PCB板上，即目前主流的LCD整合电源系统(LCD Integrated Power System，LIPS)结构。

昂宝电子已针对此类应用开发了多款LIPS电源，AC/DC部分转换电路主要使用OB2263、OB2269和OB2202等芯片，DC/AC部分逆变器电路主要采用OB3316、OB3318和OB494P等芯片，小尺寸LCD TV内部只有电源板和讯号处理主板两块PCB，而对于32?家陨系拇蟪叽?LCD TV而言，其内部会相对复杂。

图2以传统32??LCD TV为例，其内部主要包括3块PCB板，即：1. 讯号处理主板，用于音讯视讯处理及系统控制等功能；2. AC/DC电源板，将市电的220V@50Hz或110V@60Hz交流输入转换成音讯系统、视讯系统、控制系统等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流电压，并实现功率因子校正、与输入电网安全隔离等功能；3. DC/AC电源板，用于将AC/DC电源板输出的24V或12V直流电压再逆变升压得到1,000V@50KHz的交流电压，以此高压高频正弦交流电压来驱动背光CCFL灯管，并实现背光亮度调节等功能。

图2：传统式LCD TV内建讯号处理、AC/DC电源、DC/AC电源三块PCB板。

图3是传统式LCD TV电源的结构图，依功能通常可将其划分为3大模块，即：PFC模块；DC/DC主电源模块；DC/AC逆变电源模块。

图3：传统式LCD TV电源系统结构图。

由于离线式开关电源不可避免会产生带高谐波含量的非正弦输入电流，这会对电网产生一定污染，并且会影响到连接在同一电源线的其它电子设备，为满足欧盟IEC61,000-3-2的D类标准或类似的区域性谐波含量规范，通常需要在输入功率大于75W之开关电源设计中加入PFC模块。大尺寸LCD TV的输入功率远远大于75W，因此PFC模块亦是LCD TV电源中不可缺少的部分，PFC模块透过Boost线路将电网输入的交流电压转换成稳定的400V直流电压供给后级DC/DC电源使用。

DC/DC主电源模块负责将PFC输出的400V直流电压转换成各种负载所需要的低压直流电平，来满足DC/AC逆变电源输入、音响系统、视讯系统、控制系统等模块的工作需要，常见电压包括24V/18V/12V/5V/3.3V等。国际能源署(IEA)和欧盟制定的1W计划要求在2010年将所有产品的待机功耗降低到1W以内，为符合1W待机功耗之节能规范，DC/DC主电源模块之外通常还需要设计一块独立的待机电源，用于在待机模式下维持遥控接收器模块的工作，并将PFC和DC/DC主电源模块关闭，以最大限度降低待机功耗。

DC/DC主电源根据LCD TV尺寸及功率的大小，其常见拓扑结构包括：返驰(包括准谐振)、双管返驰、双管正激、谐振半桥(HB LLC)等几种。对于50W"100W之功率范围，单开关的返驰或准谐振返驰拓扑是最佳选择，其中准谐振控制透过减小开关损耗来提高转换效率并改善开关造成的EMI干扰，而对于更大功率的100W"200W范围，可以透过双开关返驰的方式来应对。正激结构可应用于200W"300W的功率范围，但由于需在连续导电模式下工作，解决由于硬开关所引出的EMI问题是一项挑战。谐振半桥结构适用于150W以上的功率应用，其在高功率级的LCD TV应用中性能优势十分明显，全负载范围的零电压开关(ZVS)及低电流关断控制可帮助最大限度降低开关损耗及减小EMI干扰。

DC/AC逆变电源用于驱动背光模块，其将DC/DC主电源输出的24V或12V直流电压转换为1,000V左右的高压交流电压用于驱动背光CCFL灯管并实现背光亮度(灯管电流)的调节功能，LCD TV显示画面的对比度需依靠高亮度的背光来支撑，所以DC/AC逆变电源部分的输出功率通常占整机总输出功率的70%以上，且尺寸越大，背光功耗所占比重越大。

图4：传统式LCD TV主电源功率范围及架构选择。

图5：昂宝电子LCD TV电源方案结构图。

透过上述对传统LCD TV电源的结构分析，我们不难发现一个问题，即其整体效率非常低，因为占70%以上功耗的背光部分的电能在PFC之后经历了降压再升压的两级转换，且转换过程中的效率损失亦会引起散热问题。LCD TV的超簿设计及噪音限制使得在机箱中添加风扇没有可能性，则热量的堆积会直接导致机壳内上下部分温度的不均匀，再配合CCFL亮度对温度的敏感特性，这样的设计给用户呈现出来的将是面板上下部亮度不均匀的独特效果。

为解决上述问题，400V高压输入逆变电源方案一直为业界所讨论和提议，而昂宝电子透过整合自身丰富的产品线，已经将这一构想变为现实，即DC/AC逆变电源的输入不再采用DC/DC主电源的24V电压，而是直接取自PFC的400V输出。这样背光部分的电能即减少了一级能量转换，节省了一级效率损失，并且DC/DC主电源的设计功率可以大幅降低，亦顺带解决了DC/DC主电源的散热问题，最重要的是DC/DC主电源的制造成本大幅降低。

在不具备高压输入DC/AC逆变电源方案的条件下，人们往往透过最佳化AC/DC主电源的方式来降低整机功耗，如参考文献2中所讨论的透过半桥谐振LLC架构来最佳化LCD TV电源，这也是一个方法，但与之相对应的是昂贵的制造成本，而采用昂宝电子开发的LCD TV整体电源方案，便宜的的单开关返驰或准谐振返驰就足以应付大尺寸LCD TV中背光以外的功率需求了。

图6以150W LCD TV电源为例来对比传统方案与昂宝电子之方案，假设背光满载消耗100W，其它部分满载消耗50W，按照常规架构及各模块转换效率来推算，运用传统方案来设计，其理论输入功率将达到197W左右，整体效率为76%，而使用昂宝电子的方案来设计，其理论输入功率只需要174W左右，整体效率高达86%。