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控制技術/MCU  

新一代LCD TV電源整體解決方案概述

上網時間: 2008年04月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LCD TV  CRT  電視  電源  PFC 

對中大尺寸LCD TV而言,與相同尺寸傳統CRT相比,無論是功耗還是成本,都要顯著高於前者,要取代CRT成為主流產品,LCD TV必須要實現合理降低功耗,並降低製造成本,因為節能降耗已經成為時代主題,而作為消費類電子產品,價格始終亦會是用戶考慮的主要因素。

從功耗角度來看,為實現節能環保,對於不同功率範圍及不同應用場合,各國政府及能源機構紛紛制定各種新的能耗標準,與此同時,更加嚴格的規範也在制定之中。ENERGY STAR(EPA V3.0)已經明確規範電視產品的最大功耗(表1),這一標準將於2008年11月1日正式生效。

表1:ENERGY STAR V3.0版本對高解析電視最大功耗的定義。
表1:ENERGY STAR V3.0版本對高解析電視最大功耗的定義。

另外,在EPA V3.0規範中電視產品允許的最大功耗與其尺寸大小相對應(表2),其中32吋LCD TV的最大功耗要求低於120W,目前市面上銷售的LCD TV產品功耗普遍高於新標準的上限,那麼,要通過ENERGY STAR的認證,設計工程師只有兩個選擇:對現有電源系統設計考量做根本性變革,降低電源轉換過程中的功率損失;或是降低背光亮度並減小音響系統的輸出功率,以減小LCD TV的耗電量。

表2:根據ENERGY STAR V3.0標準計算各尺寸LCD TV最大允許功耗。
表2:根據ENERGY STAR V3.0標準計算各尺寸LCD TV最大允許功耗。

表3:DisplaySearch對LCD TV成本的近年資料統計及未來走勢預測。
表3:DisplaySearch對LCD TV成本的近年資料統計及未來走勢預測。

表4:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子方案優缺點之比較。
表4:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子方案優缺點之比較。

表5:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子方案功耗之比較。
表5:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子方案功耗之比較。

表6:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子電源方案主要零件之比較。
表6:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子電源方案主要零件之比較。

顯然,後者是以犧牲用戶的視覺和聽覺感受為代價,前者才是最佳選擇,這是電源設計工程師所面臨的一大挑戰,即如何降低LCD TV的耗電量且不降低視聽效果。

圖1:昂寶電子針對23吋以下LCD產品開發的62W LIPS電源。
圖1:昂寶電子針對23吋以下LCD產品開發的62W LIPS電源。

LCD TV電源方案分析

LCD TV的電源由於負載的多樣性,其設計也變得相對複雜,需要比如AC功率因數校正、隔離式電源轉換、非隔離式負載點電源轉換以及各種各樣的電源監測保護功能,LCD TV產品正越來越多的依靠電源管理領域的技術創新來確立其在市場上的競爭力。

23吋及以下的小尺寸LCD TV由於整機功率通常小於75W,不需要配置PFC線路,其供電模組的設計和製造已經相對成熟,早期分立的AC/DC主電源板和DC/AC逆變電源板出於降低製造成本的考慮已經被整合到一塊PCB板上,即目前主流的LCD整合電源系統(LCD Integrated Power System,LIPS)結構。

昂寶電子已針對此類應用開發了多款LIPS電源,AC/DC部分轉換電路主要使用OB2263、OB2269和OB2202等晶片,DC/AC部分逆變器電路主要採用OB3316、OB3318和OB494P等晶片,小尺寸LCD TV內部只有電源板和訊號處理主板兩塊PCB,而對於32吋以上的大尺寸LCD TV而言,其內部會相對複雜。

圖2以傳統32吋LCD TV為例,其內部主要包括3塊PCB板,即:1. 訊號處理主板,用於音訊視訊處理及系統控制等功能;2. AC/DC電源板,將市電的220V@50Hz或110V@60Hz交流輸入轉換成音訊系統、視訊系統、控制系統等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流電壓,並實現功率因數校正、與輸入電網安全隔離等功能;3. DC/AC電源板,用於將AC/DC電源板輸出的24V或12V直流電壓再逆變升壓得到1,000V@50KHz的交流電壓,以此高壓高頻正弦交流電壓來驅動背光CCFL燈管,並實現背光亮度調節等功能。

圖2:傳統式LCD TV內建訊號處理、AC/DC電源、DC/AC電源三塊PCB板。
圖2:傳統式LCD TV內建訊號處理、AC/DC電源、DC/AC電源三塊PCB板。

圖3是傳統式LCD TV電源的結構圖,依功能通常可將其劃分為3大模組,即:PFC模組;DC/DC主電源模組;DC/AC逆變電源模組。

圖3:傳統式LCD TV電源系統結構圖。
圖3:傳統式LCD TV電源系統結構圖。

由於離線式開關電源不可避免會產生帶高諧波含量的非正弦輸入電流,這會對電網產生一定污染,並且會影響到連接在同一電源線的其他電子設備,為滿足歐盟IEC61,000-3-2的D類標準或類似的區域性諧波含量規範,通常需要在輸入功率大於75W之開關電源設計中加入PFC模組。大尺寸LCD TV的輸入功率遠遠大於75W,因此PFC模組亦是LCD TV電源中不可缺少的部分,PFC模組透過Boost線路將電網輸入的交流電壓轉換成穩定的400V直流電壓供給後級DC/DC電源使用。

DC/DC主電源模組負責將PFC輸出的400V直流電壓轉換成各種負載所需要的低壓直流電平,來滿足DC/AC逆變電源輸入、音響系統、視訊系統、控制系統等模組的工作需要,常見電壓包括24V/18V/12V/5V/3.3V等。國際能源署(IEA)和歐盟制定的1W計劃要求在2010年將所有產品的待機功耗降低到1W以內,為符合1W待機功耗之節能規範,DC/DC主電源模組之外通常還需要設計一塊獨立的待機電源,用於在待機模式下維持遙控接收器模組的工作,並將PFC和DC/DC主電源模組關閉,以最大限度降低待機功耗。

DC/DC主電源根據LCD TV尺寸及功率的大小,其常見拓撲結構包括:返馳(包括準諧振)、雙管返馳、雙管正激、諧振半橋(HB LLC)等幾種。對於50W~100W之功率範圍,單開關的返馳或準諧振返馳拓撲是最佳選擇,其中準諧振控制透過減小開關損耗來提高轉換效率並改善開關造成的EMI干擾,而對於更大功率的100W~200W範圍,可以透過雙開關返馳的方式來應對。正激結構可應用於200W~300W的功率範圍,但由於需在連續導電模式下工作,解決由於硬開關所引出的EMI問題是一項挑戰。諧振半橋結構適用於150W以上的功率應用,其在高功率級的LCD TV應用中性能優勢十分明顯,全負載範圍的零電壓開關(ZVS)及低電流關斷控制可幫助最大限度降低開關損耗及減小EMI干擾。

DC/AC逆變電源用於驅動背光模組,其將DC/DC主電源輸出的24V或12V直流電壓轉換為1,000V左右的高壓交流電壓用於驅動背光CCFL燈管並實現背光亮度(燈管電流)的調節功能,LCD TV顯示畫面的對比度需依靠高亮度的背光來支撐,所以DC/AC逆變電源部分的輸出功率通常佔整機總輸出功率的70%以上,且尺寸越大,背光功耗所佔比重越大。

圖4:傳統式LCD TV主電源功率範圍及架構選擇。
圖4:傳統式LCD TV主電源功率範圍及架構選擇。

圖5:昂寶電子LCD TV電源方案結構圖。
圖5:昂寶電子LCD TV電源方案結構圖。

透過上述對傳統LCD TV電源的結構分析,我們不難發現一個問題,即其整體效率非常低,因為佔70%以上功耗的背光部分的電能在PFC之後經歷了降壓再升壓的兩級轉換,且轉換過程中的效率損失亦會引起散熱問題。LCD TV的超簿設計及噪音限制使得在機箱中添加風扇沒有可能性,則熱量的堆積會直接導致機殼內上下部分溫度的不均勻,再配合CCFL亮度對溫度的敏感特性,這樣的設計給用戶呈現出來的將是面板上下部亮度不均勻的獨特效果。

為解決上述問題,400V高壓輸入逆變電源方案一直為業界所討論和提議,而昂寶電子透過整合自身豐富的產品線,已經將這一構想變為現實,即DC/AC逆變電源的輸入不再採用DC/DC主電源的24V電壓,而是直接取自PFC的400V輸出。這樣背光部分的電能即減少了一級能量轉換,節省了一級效率損失,並且DC/DC主電源的設計功率可以大幅降低,亦順帶解決了DC/DC主電源的散熱問題,最重要的是DC/DC主電源的製造成本大幅降低。

在不具備高壓輸入DC/AC逆變電源方案的條件下,人們往往透過最佳化AC/DC主電源的方式來降低整機功耗,如參考文獻2中所討論的透過半橋諧振LLC架構來最佳化LCD TV電源,這也是一個方法,但與之相對應的是昂貴的製造成本,而採用昂寶電子開發的LCD TV整體電源方案,便宜的的單開關返馳或準諧振返馳就足以應付大尺寸LCD TV中背光以外的功率需求了。

圖6以150W LCD TV電源為例來對比傳統方案與昂寶電子之方案,假設背光滿載消耗100W,其他部分滿載消耗50W,按照常規架構及各模組轉換效率來推算,運用傳統方案來設計,其理論輸入功率將達到197W左右,整體效率為76%,而使用昂寶電子的方案來設計,其理論輸入功率只需要174W左右,整體效率高達86%。

圖6:150W LCD TV電源系統傳統方案與昂寶電子方案之功率比較。
圖6:150W LCD TV電源系統傳統方案與昂寶電子方案之功率比較。

而另外一個重點是,傳統方案需要設計168W的DC/DC主電源,而使用昂寶電子的方案設計,則只需要設計50W的DC/DC主電源,根本不需要採用價格昂貴的半橋諧振LLC方案。

完整的LCD TV電源方案

昂寶電子針對300W以下的LCD TV所開發的整體電源解決方案主要由以下四部分組成:PFC模組,使用OB6563控制晶片;DC/DC主電源模組,使用OB2202控制晶片,QR flyback結構;Standby電源模組,使用OB2358開關器,flyback結構;DC/AC逆變電源模組,使用OB3316控制晶片,400V高壓輸入半橋結構。其系統結構圖如下圖所示:

傳統的LCD TV電源由於不同模組運用的是不同領域的電源管理技術,各個模組的控制晶片往往需要採購於不同的供應商,這使得對於整體性要求非常高的LCD TV電源設計變得相對複雜,其研發成本和研發周期也相應的被提高和延長。由於昂寶電子開發的方案其DC/AC逆變電源採用了400V高壓輸入技術,整個功率密度、零件數量和PCB尺寸都得以減小,使得原本獨立的兩快電源板(AC/DC主電源和DC/AC逆變電源)被整合成一塊(LIPS電源)創造了條件,這為37吋以下LCD TV電源進一步降低了製造成本和簡化了製造流程。

37吋以上LCD TV一般需要在面板左右兩側分別放置兩片反相位工作的逆變電源板,主要出於兩方面的考慮,首先由於燈管長度的延長及漏電流問題,高壓端和低壓斷的亮度差異趨於明顯,需要以雙邊高壓的方式來均衡左右兩側的亮度,其次以目前變壓器的耐壓能力,不足以提供高於4000V的點燈電壓來點亮大尺寸面板中使用的長燈管,需要以雙邊驅動的方式來解決單邊驅動方式中變壓器所面臨的耐壓問題。針對這種應用,昂寶電子對LIPS結構加以改進,將DC/AC逆變電源的變壓器部分單獨放置到面板的左右兩側,來實現單支燈管的雙邊反相位高壓驅動,而功率轉換及控制部分還是保留在原來的LIPS板上。

在本文提及的昂寶電子整體解決方案上採用了4顆主要晶片,其中OB6563是高性能的臨界模式(Transition Mode)功率因數校正器(PFC)控制晶片,該產品整合了多項昂寶電子專利技術,對傳統的臨界模式控制進行了最佳化設計,使系統易於實現接近於1的功率因數和極低的諧波失真,目前提供DIP8、SOP8兩種封裝形式,符合RoHS標準。

另一顆OB2202是適用於離線(Off line)場合的準諧振PWM控制晶片,透過準諧振工作模式,系統的開關損耗和EMI大大降低,該晶片能夠為系統提供超過90%的滿載轉換效率,完善的保護能夠大大提高系統的可靠性,目前提供DIP8、SOP8兩種封裝形式,符合RoHS標準。

第三款OB2358是PWM控制功率開關晶片,整合了多項保護功能,可實現簡單靈活的系統設計,減少了系統元件。OB2358獨具可調內部MOSFET的驅動功能,從而使系統設計能夠輕易滿足對功率輸出,EMI及效率/溫升的要求。OB2358 DIP8封裝內建MOSFET導通阻抗為4.4歐姆,最大輸出功率24W。

第四款OB3316應用於推挽式架構的逆變電源系統。此晶片整合了各種控制功能與燈管失效保護功能,可簡化系統設計,降低成本,是一款高性價比的冷陰極螢光燈管控制晶片,目前提供DIP16、SOP16兩種封裝形式,符合RoHS標準。

圖7:昂寶電子LCD TV電源整體解決方案結構圖。
圖7:昂寶電子LCD TV電源整體解決方案結構圖。

圖8:昂寶電子開發的32吋LCD TV LIPS電源板。
圖8:昂寶電子開發的32吋LCD TV LIPS電源板。

圖9:昂寶電子開發的46吋LCD TV LIPS電源板+外部生壓板。
圖9:昂寶電子開發的46吋LCD TV LIPS電源板+外部生壓板。

圖10:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子電源方案輸入功率對比測試(32吋&46吋同等輸出條件)。
圖10:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子電源方案輸入功率對比測試(32吋&46吋同等輸出條件)。

本文小結

隨著高解析時代的到來,LCD TV取代CRT成為家用電視機主流產品已成必然之勢,而隨著出貨量的逐年攀升,LCD TV所面臨的能耗及成本壓力亦不容迴避,面對這一形勢,昂寶電子整合了PFC、AC/DC、DC/AC產品,開發了高效能、低成本的LCD TV電源整體解決方案。

傳統LCD TV電源由於AC/DC主電源與DC/AC逆變電源分兩塊PCB板,分別由不同供應商提供,AC/DC主電源廠商對DC/AC逆變電源領域及技術不熟悉,DC/AC逆變電源廠商亦對AC/DC主電源領域及技術不熟悉,各自的生產設備目前也不具備相容這兩類電源產品的條件,這是目前新技術產業化所面臨的問題,要解決這一問題,需要電源方案提供商、電源製造商、LCD TV製造商這上、中、下游企業之間通力配合,重新調整產業結構,最佳化資源配置。相信不久的將來,這一LCD TV電源整體方案將全面取代傳統式電源,以幫助LCD TV產品降低製造成本及使用功耗。

作者:張昌山

系統部總監

昂寶電子(上海)有限公司





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