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中大尺寸液晶电视AC-DC电源架构及最新LED背光方案时间：2010-01-21 10:09:17 来源：安森美半导体 作者：中大尺寸液晶电视AC-DC电源架构及最新LED背光方案近年来，液晶电视(LCD TV)市场快速发展。市场研究机构DisplaySearch预计，2008年到2012年间的年复合增长率(CAGR)高达16%，其中2009年的付运总量预计达1.4亿台，而这一数字到2012年将超过2亿。在市场规模迅速扩大的同时，在规范标准及绿色营销的压力下，液晶电视的工作及待机能耗也越来越低。如“能源之星”4.0版规范及5.0版规范相继将于2010年5月及2012年5月生效，其中5.0版要求可视屏幕对角尺寸为32英寸、42英寸和60英寸的平板电视平均工作能耗从4.0版的不超过78 W、115 W和210 W下降到不超过55 W、81 W和108 W，相当于两年时间内降低能耗约50%。在液晶电视的总能耗中，统计显示，背光所消耗的电能比例高达2/3。故液晶电视的另一项重要趋势是采用新技术来提升背光及面板能效，降低能耗。在液晶电视背光源方面，目前冷阴极荧光灯(CCFL)背光源占据支配地位，但这个技术能耗高，包含剧毒物质汞不利于环保，灯管呈条型或U型，使用寿命短；相比较而言，新兴的发光二极管(LED)背光耗电量更小，不含汞，尺寸更易于配置为更均匀的背光，使用寿命更长，故LED背光在液晶电视中极具应用潜力。据统计，2009年采用LED背光源的液晶电视比例为3%，预计未来几年这一比例将迅速提高，到2014年将达到50%，完全可与CCFL背光分庭抗礼，并在这之后进一步取代CCFL背光。液晶电视电源包含功率因数校正(PFC)、信号电源、背光电源及ECO待机等多个组成部分，不同部分往往包含不同的架构可供选择，参见图1。以PFC段为例，可以选择如临界导电模式(CrM)、连续导电模式(CCM)或交错式频率钳位临界导电模式(FCCrM)等不同的PFC控制器。选择何种电源架构，需结合应用的屏幕尺寸、功率等级及背光源等因素。另外，作为重要卖点的纤薄设计也影响着电源方案的选择。图1：液晶电视电源架构多种多样1) 采用CCFL背光源的32英寸液晶电视电源架构例如，目前市场上销量最大的是32英寸液晶电视。在这类液晶电视中，采用标准24 V逆变器电源的方案在市场上仍占据多数，但新兴的高压液晶电视集成电源(HV-LIPS)的应用也在不断增多，总体上呈现出并存的态势。采用标准24 V逆变器的传统液晶电视在接受110/220 Vac市电输入后，经过整流、PFC及滤波，转换为200/400 Vdc的直流高压。由于传统高压逆变器的输入电压要求是24 Vdc，故PFC的输出电压200/400 Vdc会经过降压转换，产生多路输出电压，其中一路24 Vdc电压提供给高压逆变器，再经过DC-AC转换为超过1,000 V甚至达2,000 V的交流高压，去驱动液晶面板的CCFL阵列。安森美半导体为这类传统液晶电视推出了220 W液晶电视电源GreenPoint?参考设计，其中采用的关键元器件包括NCP1606 CrM PFC控制器、NCP1396谐振半桥控制器及NCP1027待机控制器等。与这种采用标准24 V逆变器架构的传统电源不同，高压LIPS方案将AC-DC、DC-DC和逆变器结合在同一块电路板上，在获得200/400 Vdc的PFC输出后，会直接将这输出电压作为逆变器的输入，再通过DC-AC转换为驱动CCFL阵列所需的超过1,000 Vac甚至达2,000 Vac的高压，这就消除了24 V转换段，减少大量功率损耗及降低底盘发热量，提升系统总能效，并降低系统成本，还符合“能源之星”等相关能效规范。图2：安森美半导体32英寸高压LIPS液晶电视电源GreenPoint?参考设计功能框图针对高压LIPS架构的液晶电视需求，安森美半导体与Microsemi公司合作，推出了用于32英寸液晶电视的比高压LIPS参考设计。这参考设计采用简单直接的CrM PFC段，且无额外待机开关电源，性价比极高。这参考设计采用了安森美半导体的NCP1607 PFC控制器、NCP1351或NCP1219带低待机能耗模式的反激转换控制器，以及Microsemi的LX6503背光控制器等关键IC。这完整液晶电视LIPS电源参考设计功能框图见图2。值得一提的， 这参考设计架构具有高度的灵活性，而只需对原理图及所用元件作出极小改动，即可支持多种电压/电流配置。而且由于使用了采用零电压开关全桥拓扑结构的先进背光控制器，逆变器电源能够轻易地扩展，支持26英寸到42英寸的多种液晶电视尺寸。客户利用这高能效先进参考设计，可缩短开发周期，加快产品上市进程。2) 46英寸液晶电视电源架构安森美半导体还针对更高功率的液晶电视推出了46英寸液晶电视电源参考，这电源参考适合任何类型的背光方案，能扩展支持40/42英寸或52/55英寸液晶电视，参见图3。这电源参考采用的关键安森美半导体IC包括新的交错式FCCrM PFC器NCP1631、带谷底锁定功能的新NCP1379准谐振反激转换控制器或NCP1252固定频率脉宽调制(PWM)控制器、NCP1053A高能效、低待机能耗开关电源，用于仅关注电源段的性能主导型项目。在第一阶段，这电源参考的电路板高度低于13 mm，液晶电视总高度低于17.5 mm；后续第二阶段还将使电路板高度降到低于8 mm，总高度低于12.5 mm。在纤薄设计成为液晶电视重要卖点的当今，电源设计面临更严格的挑战，如需要使用低高度的变压器、线圈或散热片，及将多个部件串联或对水平安装等。就PFC控制器而言，尽管安森美半导体的NCP1606或NCP1654等已经可以将电路板高度降到很低，但要支持更低厚度的液晶电视设计，则可以采用安森美半导体新的单芯片交错式PFC控制器NCP1631，用于高达300 W功率应用，同时也提供140至264 Vac的窄电压范围版本，用于功率大于200 W及注重纤薄设计的应用。图3：安森美半导体46英寸液晶电视电源参考功能框图在信号电源方面，如上所述，采用的是新的NCP1379准谐振反激转换控制器或NCP1252固定频率反激控制器。其中，NCP1379最大功率达70 W(32英寸设计为50 W)，最多提供3路输出电压能力(与32英寸相当)，最大输出电流为4 A。NCP1379提供可变频率模式，用于超低待机能耗模式，在宽功率范围内保持高能效。NCP1252提供50 kHz的固定频率PWM，支持自然的CCM，为多路输出方案改善电流因数及变压器耦合/交叉稳压。而在待机电源方面，有两种方案，一种是专用ECO待机开关电源，采用集成高压开关稳压器NCP1053A，非常适合最大功率小于5 W的小型心用待机电视微处理器，提供低于90 mW的极低待机能耗。这器件带磁滞模式，提升ECO性能，开关频率及IC功率消耗更低；低频模式支持DCM模式，降低开关损耗；电流受限，减免可能的噪声问题。另一种方案是采用待机继电器，由电视机微处理器直接控制(待机/导通)，并提供可选的ECO“导通/关闭开关”，在230 Vac条件下空载输入能耗低于20 mW。3) 46英寸液晶电视参电源考背光方案上述46英寸液晶电视参考电源适合任意类型的背光方案，包括单独及专用的背光方案。例如，提供高压LIPS用于CCFL/EEFL背光，其中采用2个高端驱动器NCP5111及Microsemi背光控制器。也可采用新的NCP1397准谐振反激转换器或CAT4026侧光式LED驱动器(详见后文)，提供高直流输出电压半桥LLC，用于LED背光驱动器。还可采用已获市场证明的NCP1392/NCP1392控制器，用于传统的24 V逆变器方案，为CCFL背光供电。而为了适应等离子电视(PDP)应用，也可采用NCP1397控制器，并增加降压或升压转换器。 其中，在CCFL/EEFL背光的46英寸LIPS逆变器方面，所采用的安森美半导体NCP5111高端驱动器能够提升能效及减小全桥500 V功率MOSFET的尺寸，且在修改高压变压器设计条件下，电路板上高度低于13 mm，从而支持低厚度设计。 图4：安森美半导体46英寸液晶电视背光方案(见黄色背景部分)而在LED背光方面，市场上常见的背光单元包括侧光式及直下式两种类型，各有其优势和不足；但相对而言，侧光式LED背光提供高于90%的能效，在市场上备受欢迎。而在46英寸电源参考的侧光式LED背光单元方面，可以采用的安森美半导体关键IC包括带高端驱动器的NCP1397初级侧控制器，以及新的6通道线性LED驱动器控制器CAT4026，适合超薄液晶电视设计(电路板上高度低于8 mm，总高度低于12.5 mm)，参见图4。其中， NCP1397作为LLC段控制器，在背光应用中提供众多优势，如不需要驱动器变压器，带来成本及安装优势；又如简单应用跳周期模式，适合调光所需；以及简单应用过渡保护，帮助节省成本等。故NCP1397是高性价比及高安全性的方案。 另一方面，市场上现有的6通道侧光式LED驱动器背光方案中，各通道均含专用驱动器IC、电感型DC-DC升压转换器及开关；相比较而言，安森美半导体的CAT4026作为多通道LED线性驱动器，以单颗IC支持6通道，且易于分级为多达12个或18个通道(相应采用2个或3个控制器)，是一种高性价比的方案，目标能效高于90%，典型能效达94%。此外，这驱动器还提供正向电压监测功能，可以限制总体功率耗散；还能应用LED开路及过多LED短路等不同LED串故障。总结本文分析了液晶电视的市场及技术发展趋势，介绍了安森美半导体完整的液晶电视电源方案，包括用于32英寸并可扩展支持26到42英寸的传统及高压LIPS液晶电视的电源参考设计、适合任何背光类型的46英寸并可扩展到40到55尺寸应用的电源参考设计，以及46英寸侧光式LED背光电源方案。这些参考设计具有高能效、高灵活性等优势，适合纤薄及超薄液晶电视设计，并提供极大的协同优势，便于复用方案，帮助客户加速设计进程，加快产品上市。