中大尺寸液晶電視AC-DC電源架構及最新LED背光方案

    近年來，液晶電視(LCD TV)市場快速發展。市場研究機構DisplaySearch預計，2008年到2012年間的年復合增長率(CAGR)高達16%，其中2009年的付運總量預計達1.4億臺，而這一數字到2012年將超過2億。

    在市場規模迅速擴大的同時，在規范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版規范及5.0版規范相繼將于2010年5月及2012年5月生效，其中5.0版要求可視屏幕對角尺寸為32英寸、42英寸和60英寸的平板電視平均工作能耗從4.0版的不超過78 W、115 W和210 W下降到不超過55 W、81 W和108 W，相當于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采用新技術來提升背光及面板能效，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，但這個技術能耗高，包含劇毒物質汞不利于環保，燈管呈條型或U型，使用壽命短；相比較而言，新興的發光二極管(LED)背光耗電量更小，不含汞，尺寸更易于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年采用LED背光源的液晶電視比例為3%，預計未來幾年這一比例將迅速提高，到2014年將達到50%，完全可與CCFL背光分庭抗禮，并在這之后進一步取代CCFL背光。

    液晶電視電源包含功率因數校正(PFC)、信號電源、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構可供選擇，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。選擇何種電源架構，需結合應用的屏幕尺寸、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著電源方案的選擇。

圖1：液晶電視電源架構多種多樣

    1) 采用CCFL背光源的32英寸液晶電視電源架構

    例如，目前市場上銷量最大的是32英寸液晶電視。在這類液晶電視中，采用標準24 V逆變器電源的方案在市場上仍占據多數，但新興的高壓液晶電視集成電源(HV-LIPS)的應用也在不斷增多，總體上呈現出并存的態勢。采用標準24 V逆變器的傳統液晶電視在接受110/220 Vac市電輸入后，經過整流、PFC及濾波，轉換為200/400 Vdc的直流高壓。由于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，其中采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。

    與這種采用標準24 V逆變器架構的傳統電源不同，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輸出后，會直接將這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，提升系統總能效，并降低系統成本，還符合“能源之星”等相關能效規范。

圖2：安森美半導體32英寸高壓LIPS液晶電視電源GreenPoint®參考設計功能框圖

    針對高壓LIPS架構的液晶電視需求，安森美半導體與Microsemi公司合作，推出了用于32英寸液晶電視的比高壓LIPS參考設計。這參考設計采用簡單直接的CrM PFC段，且無額外待機開關電源，性價比極高。這參考設計采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。這完整液晶電視LIPS電源參考設計功能框圖見圖2。

    值得一提的， 這參考設計架構具有高度的靈活性，而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。而且由于使用了采用零電壓開關全橋拓撲結構的先進背光控制器，逆變器電源能夠輕易地擴展，支持26英寸到42英寸的多種液晶電視尺寸。客戶利用這高能效先進參考設計，可縮短開發周期，加快產品上市進程。

    2) 46英寸液晶電視電源架構

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

    這電源參考采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準諧振反激轉換控制器或NCP1252固定頻率脈寬調制(PWM)控制器、NCP1053A高能效、低待機能耗開關電源，用于僅關注電源段的性能主導型項目。在第一階段，這電源參考的電路板高度低于13 mm，液晶電視總高度低于17.5 mm；后續第二階段還將使電路板高度降到低于8 mm，總高度低于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，盡管安森美半導體的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，則可以采用安森美半導體新的單芯片交錯式PFC控制器NCP1631，用于高達300 W功率應用，同時也提供140至264 Vac的窄電壓范圍版本，用于功率大于200 W及注重纖薄設計的應用。

圖3：安森美半導體46英寸液晶電視電源參考功能框圖

    在信號電源方面，如上所述，采用的是新的NCP1379準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英寸設計為50 W)，最多提供3路輸出電壓能力(與32英寸相當)，最大輸出電流為4 A。NCP1379提供可變頻率模式，用于超低待機能耗模式，在寬功率范圍內保持高能效。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，采用集成高壓開關穩壓器NCP1053A，非常適合最大功率小于5 W的小型心用待機電視微處理器，提供低于90 mW的極低待機能耗。這器件帶磁滯模式，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，減免可能的噪聲問題。另一種方案是采用待機繼電器，由電視機微處理器直接控制(待機/導通)，并提供可選的ECO“導通/關閉開關”，在230 Vac條件下空載輸入能耗低于20 mW。

    3) 46英寸液晶電視參電源考背光方案

    上述46英寸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用于CCFL/EEFL背光，其中采用2個高端驅動器NCP5111及Microsemi背光控制器。也可采用新的NCP1397準諧振反激轉換器或CAT4026側光式LED驅動器(詳見后文)，提供高直流輸出電壓半橋LLC，用于LED背光驅動器。還可采用已獲市場證明的NCP1392/NCP1392控制器，用于傳統的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，也可采用NCP1397控制器，并增加降壓或升壓轉換器。 

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

圖4：安森美半導體46英寸液晶電視背光方案(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背光提供高于90%的能效，在市場上備受歡迎。而在46英寸電源參考的側光式LED背光單元方面，可以采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(電路板上高度低于8 mm，總高度低于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；相比較而言，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，且易于分級為多達12個或18個通道(相應采用2個或3個控制器)，是一種高性價比的方案，目標能效高于90%，典型能效達94%。此外，這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，包括用于32英寸并可擴展支持26到42英寸的傳統及高壓LIPS液晶電視的電源參考設計、適合任何背光類型的46英寸并可擴展到40到55尺寸應用的電源參考設計，以及46英寸側光式LED背光電源方案。這些參考設計具有高能效、高靈活性等優勢，適合纖薄及超薄液晶電視設計，并提供極大的協同優勢，便于復用方案，幫助客戶加速設計進程，加快產品上市。■