Full HD高畫質電視效能規範日趨嚴格

Full HD高畫質電視已開始贏得消費者的青睞。目前,24或26吋以上尺寸的液晶電視已可以支援Full HD,而從實用角度來看,只有達到37吋以上的Full HD電視才能帶給消費者更佳的顯示效果和觀賞體驗。因此,更大尺寸的液晶電視會引領未來的Full HD市場。

然而,對更佳視覺效果的追求也帶來了大大超過以往的功耗挑戰。較高的功耗不僅會增加消費者的電費開支,而且不配合各國節能降耗的宏觀推動。各國政府都推出各種綠色效能指令,如美國“能源之星”3.0版電視規範、PFC規範等;消費者也越來越關注小尺寸、多功能、節能省電等問題。在效能規範和環保意識的推動下,電源設計也在不斷推陳出新。本文針對未來將佔據Full HD電視最大市場比重的較大尺寸液晶電視,探討有關的電源方案。

傳統電源方案的缺點
傳統液晶電視電源主要由交流-直流(AC-DC)轉換、直流-直流(DC-DC)轉換及高壓逆變器等幾部分組成。AC-DC和DC-DC在同一塊電路板上,逆變器在另一塊電路板上,通常與液晶面板在一起。其中,AC-DC電源部分將市電110 Vac/220 Vac電壓進行整流、PFC和濾波,再轉換為200 V/400 V的直流高壓。由於傳統逆變器的輸入電壓要求為24 V,所以200 V/400 V 的PFC的輸出電壓要經過降壓轉換,以產生多路輸出電壓,其中一路24 V電壓提供給逆變器,即再經過直流-交流(DC-AC)轉換為超過1,000 V甚至達2,000 V的高壓,以便驅動液晶面板的CCFL背光燈。

取代傳統電源方案的LIPS解決方案
目前,上述傳統電源仍然占市場上的液晶電視電源的大多數。為了符合各種效能規範,降低較大尺寸液晶電視的電能消耗,降低系統成本及減小解決方案尺寸,使之更受消費者青睞,可以通過多種途徑設計液晶電視電源。

針對26吋及以上尺寸的液晶電視,近年來出現了一種新的逆變器概念——高壓液晶顯示整合電源(LCD Integrated Power Supply,縮寫為LIPS)。與採用位於獨立電路板上逆變器的傳統電源不同,這種LIPS解決方案將AC-DC、DC-DC和逆變器整合在同一塊電路板上,在經過對市電的整流、PFC和濾波並獲得200 V/400 V直流電壓後,將直接採用200 V/400 V作為逆變器的輸入電壓,通過DC-AC升壓轉換為液晶面板所需的1,000 V以上,甚至高達2,000 V的電壓。這樣就省去了24 V轉換段,減少了先降壓至24 V再大幅升壓背光源用一兩千伏高壓過程中的大量功率損耗,從而提升了系統效能,減少底盤發熱量,並降低了總成本。


圖1:安森美半導體針對32吋液晶電視的全橋高壓LIPS解決方案功能方塊圖。

在這方面,安森美半導體與Microsemi公司充分發揮各自專長合作開發了適合多種功率等級的高壓LIPS整套解決方案。針對32吋液晶電視的LIPS解決方案如圖1所示。在系統主板電源方面,這個解決方案採用了安森美半導體的NCP1606 PFC控制器,以及作為輔助開關電源的NCP1351 PWM控制器;在LIPS逆變器部分,採用了Microsemi使用軟開關技術的LX6503移相全橋驅動器,它可以在固定工作頻率進行零電壓開關(ZVS)。與半橋架構相比,這種全橋逆變器解決方案具有顯著優勢,如減少電磁干擾(EMI)和功率損耗,同時改善背光燈的驅動電流波形,無需在橋上使用額外的功率二極體。這個全橋結構所採用的4個MOSFET和變壓器中的電流規格是半橋結構的一半,這樣就可以通過隔離變壓器直接驅動功率MOSFET,更易於實現初級端過流保護(OCP)等功能。

為了更好應對市場對更大尺寸LIPS液晶電視的需求,安森美半導體計畫於2009年推出下一代46吋的參考設計,在LIPS逆變器部分將採用與32吋方案相同的全橋逆變器和背光控制器LX6503,但會大幅提高輸出功率,以驅動更多的CCFL燈。而在系統主板電源方面,可以根據具體設計要求來靈活選擇安森美半導體的解決方案,如NCP1601、NCP1606或NCP1631等PFC控制器,以及NCP1351或NCP1379等PWM控制器。這個新方案採用帶繼電器的專用待機開關電源,支援低至150 mW的超低待機功耗,而電路板上的元件高度則低於16 mm(系統總度度低於20 mm),支援更纖薄液晶電視設計。

此外,針對北美、中國及歐盟等不同區域市場電源的不同要求,安森美半導體還可以提供符合相應規範的電源方案,使設計最佳化、縮小系統尺寸並降低成本。

超薄Full HD電視設計的先進PFC架構
如今,液晶電視的厚度已經越來越薄,最新的趨勢是電子模組部分的厚度接近10 mm以下。如此纖薄的厚度,給電源設計帶來了更嚴峻的挑戰,通常需要使用低高度的變壓器(這對要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關鍵)或將多個元件(PFC線圈)串聯起來,並採用低高度的散熱片,對元件進行水準安裝,還要將垂直插入的所有電容的高度限制在10 mm以下。

而在PFC方面,採用安森美半導體的NCP1606和NCP1654等PFC控制器,已經可以將液晶電視厚度降到較低;為了支援低至10 mm的超薄設計,可以採用兩顆相對較小的NCP1601晶片,用交錯式架構來來實現,如圖2所示。交錯式PFC是在原來放置單個較大PFC的地方並行放置兩個功率為一半的較小PFC。這兩個較小PFC以180°的相移交替工作,在輸入端或輸出端累加時,它們可以抵消每相電流紋波的主要部分。


圖2:用兩顆NCP1601 PFC控制器實現交錯式PFC架構的功能方塊圖。

安森美半導體會於今年推出新的交錯式PFC控制器NCP1631,為客戶提供更多可行的選擇。這種單晶片方案,可以替代2顆NCP1601,以同樣極低的設計高度適合10 mm厚度的超薄液晶電視設計。該方案還擴展了功率範圍,以有效減少電流紋波。

待機輸入功耗低於100 mW是下一波驅勢?
另一個焦點是液晶電視的待機功耗。2008年11月開始生效的“能源之星”3.0版電視規範規定的待機功耗的標準是低於1 W。儘管不是強制要求,這個標準還是具有很高的市場指導意義。

未來,液晶電視的待機功耗將會進一步下降。例如,在增加小型專用微處理器的條件下,輸出功率為50 W時功耗低於600 mW;而在採用專用待機開關電源條件下代機功耗將低於400 mW;如果採用專用待機開關電源並增加繼電器(從而在待機時斷開所有PFC和開關電源),功耗可低於200 mW。如製造商想使用更加“綠色”的技術來使產品差異化,就需要進一步改進設計,使待機功耗低於100 mW可能成為下一波的趨勢。

總結
利用液晶顯示整合電源(LIPS)替代傳統的24 V逆變器電源,以及採用新穎的交錯式架構減小PFC模組厚度,就可以實現非常薄的Full HD電視設計。這類方案可滿足今天消費者對1,080線逐行掃描(1,080p)垂直解析度的Full HD電視越來越青睞的需求。為了符合世界不同應用市場的要求,全球領先的高效能電源管理方案供應商安森美半導體提供高性能電源方案及參考設計,幫助電子產品製造商縮短Full HD電視產品的開發週期,將新產品更快推向市場。

供稿:安森美半導體

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