中大尺寸液晶電視AC-DC電源架搆及最新LED背光方案

近年來,液晶電視(LCD TV)市場快速發展。市場研究機搆DisplaySearch預計,2008年到2012年間的年復合成長率(CAGR)高達16%,其中2009年的出貨總量預計達1.4億台,而這個數字到2012年將超過2億。

在市場規模迅速擴大的同時,在規範標準及綠色營銷的壓力下,液晶電視的工作及待機能耗也越來越低。如“能源之星”4.0版規範及5.0版規範相繼將於2010年5月及2012年5月生效,其中5.0版要求螢幕對角尺寸32吋、42吋和60吋的平板電視平均工作能耗從4.0版不超過78 W、115 W和210 W,下降到不超過55 W、81 W和108 W,相當於兩年時間內降低能耗約50%。

在液晶電視的總能耗中,統計顯示,背光所消耗的電能比例高達2/3。故液晶電視的另一項重要趨勢是採用新技術來提升背光及面板效能,降低能耗。在液晶電視背光源方面,目前冷陰極熒光燈(CCFL)背光源占據支配地位,但此技術不但能耗高,且包含劇毒物質汞不利於環保,燈管呈條型或U型,使用壽命短;相較而言,新興的發光二極體(LED)背光耗電量更小,不含汞,尺寸更易於配置為更均勻的背光,使用壽命更長,故LED背光在液晶電視中極具應用潛力。據統計,2009年採用LED背光源的液晶電視比例為3%,預計未來幾年此一比例將迅速提高,到2014年將達到50%,完全可與CCFL背光分庭抗禮,並進一步取代CCFL背光。

液晶電視電源包含功率因數校正(PFC)、訊號電源、背光電源及ECO待機等多個組成部分,不同部分往往包含不同的架搆可供選擇,參見圖1。以PFC段為例,可以選擇如臨界導電模式(CrM)、連續導電模式(CCM)或交錯式頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)等不同的PFC控制器。選擇何種電源架搆,需結合應用的螢幕尺寸、功率等級及背光源等因素。另外,作為重要賣點的纖薄設計也影響着電源方案的選擇。

圖1:液晶電視電源架搆多種多樣

1) 採用CCFL背光源的32英寸液晶電視電源架搆

例如,目前市場上銷量最大的是32吋液晶電視。在這類液晶電視中,採用標準24 V逆變器電源的方案在市場上仍占多數,但新興的高壓液晶電視整合電源(HV-LIPS)的應用也不斷增多,總體上呈現出並存的態勢。採用標准24 V逆變器的傳統液晶電視在接受110/220 Vac市電輸入後,經過整流、PFC及濾波,轉換為200/400 Vdc的直流高壓。由於傳統高壓逆變器的輸入電壓要求是24 Vdc,故PFC的輸出電壓200/400 Vdc會經過降壓轉換,產生多路輸出電壓,其中一路24 Vdc電壓提供給高壓逆變器,再經過DC-AC轉換為超過1,000 V甚至達2,000 V的交流高壓,去驅動液晶面板的CCFL陣列。安森美半導體為這類傳統液晶電視推出了220 W液晶電視電源GreenPoint®參考設計,其中採用的關鍵元器件包括NCP1606 CrM PFC控制器、NCP1396諧振半橋控制器及NCP1027待機控制器等。

與這種採用標準24 V逆變器架搆的傳統電源不同,高壓LIPS方案將AC-DC、DC-DC和逆變器結合在同一塊電路板上,在獲得200/400 Vdc的PFC輸出後,會直接將此輸出電壓作為逆變器的輸入,再通過DC-AC轉換為驅動CCFL陣列所需的超過1,000 Vac甚至達2,000 Vac的高壓,這就消除了24 V轉換段,減少大量功率損耗及降低底盤發熱量,提升系統總效能,並降低系統成本,更符合“能源之星”等相關效能規範。


圖2:安森美半導體32英吋高壓LIPS液晶電視電源GreenPoint®參考設計功能方塊圖

針對高壓LIPS架搆的液晶電視需求,安森美半導體與Microsemi公司合作,推出了用於32吋液晶電視的高壓LIPS參考設計。這參考設計採用簡單直接的CrM PFC段,且無額外待機開關電源,性價比極高。此參考設計採用了安森美半導體的NCP1607 PFC控制器、NCP1351或NCP1219帶低待機能耗模式的反激轉換控制器,以及Microsemi的LX6503背光控制器等關鍵IC。此完整液晶電視LIPS電源參考設計功能方塊圖見圖2。

值得一提的,此參考設計架搆具有高度的彈性,只需對原理圖及所用元件作出極小改動即可支持多種電壓/電流配置。而且由於使用了採用零電壓開關全橋拓撲結搆的進階背光控制器,逆變器電源能夠輕易地擴展,支持26吋到42吋的多種液晶電視尺寸。客戶利用這高效能先進參考設計,可縮短開發周期,加快產品上市進程。

2) 46吋液晶電視電源架搆

安森美半導體還針對更高功率的液晶電視推出了46吋液晶電視電源參考,此電源參考適合任何類型的背光方案,能擴展支持40/42吋或52/55吋液晶電視,參見圖3。

此電源參考採用的關鍵安森美半導體IC包括新的交錯式FCCrM PFC器NCP1631、帶谷底鎖定功能的新NCP1379准諧振反激轉換控制器或NCP1252固定頻率脈衝寬調變(PWM)控制器、NCP1053A高效能、低待機能耗開關電源,用於僅關注電源段的性能主導型項目。在第一階段,此電源參考的電路板高度低於13 mm,液晶電視總高度低於17.5 mm;後續第二階段還將使電路板高度降到低於8 mm,總高度低於12.5 mm。

在纖薄設計成為液晶電視重要賣點的當今,電源設計面臨更嚴格的挑戰,如需要使用低高度的變壓器、線圈或散熱片,及將多個部件串聯或對水平安裝等。就PFC控制器而言,儘管安森美半導體的NCP1606或NCP1654等已經可以將電路板高度降到很低,但要支持更低厚度的液晶電視設計,則可以採用安森美半導體新的單芯片交錯式PFC控制器NCP1631,用於高達300 W功率應用,同時也提供140至264 Vac的窄電壓範圍版本,用於功率大於200 W及注重纖薄設計的應用。


圖3:安森美半導體46吋液晶電視電源參考功能方塊圖

在訊號電源方面,如上所述,採用的是新的NCP1379准諧振反激轉換控制器或NCP1252固定頻率反激控制器。其中,NCP1379最大功率達70 W(32吋設計為50 W),最多提供3路輸出電壓能力(與32吋相當),最大輸出電流為4 A。NCP1379提供可變頻率模式,用於超低待機能耗模式,在寬功率範圍內保持高效能。NCP1252提供50 kHz的固定頻率PWM,支持自然的CCM,為多路輸出方案改善電流因數及變壓器耦合/交叉穩壓。

而在待機電源方面,有兩種方案,一種是專用ECO待機開關電源,採用整合高壓開關穩壓器NCP1053A,非常適合最大功率小於5 W的小型專用待機電視微處理器,提供低於90 mW的極低待機能耗。此元件帶磁滯模式,提升ECO性能,開關頻率及IC功率消耗更低;低頻模式支持DCM模式,降低開關損耗;電流受限,減少可能的噪音問題。另一種方案是採用待機繼電器,由電視機微處理器直接控制(待機/導通),並提供可選的ECO“導通/關閉開關”,在230 Vac條件下空載輸入能耗低於20 mW。

3) 46吋液晶電視參電源考背光方案

上述46吋液晶電視參考電源適合任意類型的背光方案,包括單獨及專用的背光方案。例如,提供高壓LIPS用於CCFL/EEFL背光,其中採用2個高端驅動器NCP5111及Microsemi背光控制器。也可採用新的NCP1397准諧振反激轉換器或CAT4026側光式LED驅動器(詳見後文),提供高直流輸出電壓半橋LLC,用於LED背光驅動器。還可採用已獲市場證明的NCP1392/NCP1392控制器,用於傳統的24 V逆變器方案,為CCFL背光供電。而為了適應等離子電視(PDP)應用,也可採用NCP1397控制器,並增加降壓或升壓轉換器。

其中,在CCFL/EEFL背光的46吋LIPS逆變器方面,所採用的安森美半導體NCP5111高端驅動器能夠提升效能及減小全橋500 V功率MOSFET的尺寸,且在修改高壓變壓器設計條件下,電路板上高度低於13 mm,從而支持低厚度設計。


圖4:安森美半導體46吋側光式液晶電視背光方案(見黃色背景部分)

而在LED背光方面,市場上常見的背光單元包括側光式及直下式兩種類型,各有其優勢和不足;但相對而言,側光式LED背光提供高於90%的效能,在市場上備受歡迎。而在46吋電源參考的側光式LED背光單元方面,可以採用的安森美半導體關鍵IC包括帶高端驅動器的NCP1397初級側控制器,以及新的6通道線性LED驅動器控制器CAT4026,適合超薄液晶電視設計(電路板上高度低於8 mm,總高度低於12.5 mm),參見圖4。

其中, NCP1397作為LLC段控制器,在背光應用中提供眾多優勢,如不需要驅動器變壓器,帶來成本及安裝優勢;又如簡單應用跳周期模式,適合調光所需;以及簡單應用過渡保護,幫助節省成本 等。故NCP1397是高性價比及高安全性的方案。

另一方面,市場上現有的6通道側光式LED驅動器背光方案中,各通道均含專用驅動器IC、電感型DC-DC升壓轉換器及開關;相較而言,安森美半導體的CAT4026作為多通道LED線性驅動器,以單顆IC支持6通道,且易於分級為多達12個或18個通道(相應採用2個或3個控制器),是一種高性價比的方案,目標效能高於90%,典型效能達94%。此外,此驅動器還提供正向電壓監測功能,可以限制總體功率耗散;還能應用LED開路及過多LED短路等不同LED串故障。

總結

本文分析了液晶電視的市場及技術發展趨勢,介紹了安森美半導體完整的液晶電視電源方案,包括用於32吋且可擴展支持26到42吋的傳統及高壓LIPS液晶電視的電源參考設計,適合任何背光型的46吋且可擴展到40到55吋應用的電源參考設計,以及46吋側光式LED背光電源方案。這些參考設計具有高效能、高靈活性等優勢,適合纖薄及超薄的液晶電視設計,並提供極大的協同優勢,便於復用方案,幫助客戶加速設計進程,加快產品上市。

供稿:安森美半導體

參考資料:

1、《液晶電視AC-DC電源架搆及LED背光》,www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/LCD%20-%20AC-DC%20LCD%20TV%20Power%20Architecture%20-%20bilingual.rev1.pdf,安森美半導體

2、《180 W高壓LIPS液晶電視電源GreenPoint®參考設計》,www.onsemi.com/pub/Collateral/TND360-D.PDF,安森美半導體

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