液晶電視電源的最新發展趨勢分析
http://www.xibaipo.cc 2009-01-16 10:54 中企顧問網
本文導讀：憑借著大屏幕、低厚度和高清晰等眾多優勢,液晶電視(LCD TV)在市場上的滲透率快速提升,有市場研究預計,2009年液晶電視的總體市場占有率將達到50%.而隨著屏幕尺寸不斷突破,液晶電視的功率也水漲船高.較高的功率消耗會直接增加消費者的電費開支,并與節能環保的趨勢相背離
憑借著大屏幕、低厚度和高清晰等眾多優勢,液晶電視(LCD TV)在市場上的滲透率快速提升,有市場研究預計,2009年液晶電視的總體市場占有率將達到50%.而隨著屏幕尺寸不斷突破,液晶電視的功率也水漲船高.較高的功率消耗會直接增加消費者的電費開支,并與節能環保的趨勢相背離.因此,各國政府及規范機構紛紛出臺或更新針對電視的能效規范,如美國環保署(EPA)發布的“能源之星”3.0版電視規范自2008年11月1日開始生效.
LIPS解決方案取代傳統液晶電視電源為了降低較大尺寸液晶電視的電能消耗,使其符合各種能效規范,并幫助降低系統成本及減小解決方案尺寸,使液晶電視更受消費者歡迎,就液晶電視電源而言,我們可以采取通過多種途徑.
傳統液晶電視電源主要包括交流-直流(AC-DC)轉換、直流-直流(DC-DC)轉換及高壓逆變器這幾個部分.AC-DC和DC-DC位于同一塊電路板,而逆變器為獨立電路板,通常與液晶面板一起提供.其中,AC-DC電源部分,市電110 Vac/220 Vac電壓經過整流、功率因數校正(PFC)和濾波,轉換為200 V/400 V的直流高壓.由于傳統逆變器的輸入電壓要求是24 V,所以PFC的輸出電壓200 V/400 V電壓須經過降壓轉換,產生多路的輸出電壓,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,去驅動液晶面板的CCFL背光燈.這種標準24 V逆變器液晶電視開關電源的功能框圖所示.
目前市場上的液晶電視電源中,這種傳統的電源仍然占多數.值得一提的是,在各種尺寸的液晶電視型號中,大于26英寸特別是32英寸及更大尺寸的液晶電視在市場中占據主導地位.而針對26英寸及以上尺寸的液晶電視,近年來涌現出一種新的逆變器概念——高壓液晶顯示集成電源(LCD Integrated Power Supply,縮寫為LIPS).與逆變器位于獨立電路板的傳統電源不同,這種LIPS解決方案將AC-DC、DC-DC和逆變器結合在同一塊電路板上,在經過對市電進行整流、PFC和濾波并獲得200 V/400 V直流電壓后,會直接采用200 V/400 V電壓作為逆變器的輸入,通過DC-AC升壓轉換為液晶面板所需的超過1,000 V甚至達2,000 V的高壓.這樣就消除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存在的大量功率損耗,從而提升系統能效,減少底盤發熱量,并降低總成本.
在這方面,安森美半導體與Microsemi公司合作,結合雙方專長,提供適合多種功率等級的高壓LIPS整套解決方案.目前,已合作開發針對32英寸液晶電視的LIPS解決方案(如圖2志示).在系統主板電源方面,這解決方案采用了安森美半導體的NCP1606 PFC控制器,以及充當輔助開關電源的NCP1351 PWM控制器;而在LIPS逆變器部分,采用了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,橋上無需使用額外的功率二極管,這全橋結構所采用的4個MOSFET和變壓器中的電流規格是半橋結構的一半,它能夠通過隔離變壓器直接驅動功率MOSFET,更易于實現初級端過流保護(OCP)等.
為了更好應對市場對更大尺寸LIPS液晶電視的需求,安森美半導體正在開發下一代的LIPS液晶電視參考設計,并計劃于2009年中推出46/47英寸參考設計.在LIPS逆變器部分,采用與32英寸方案相同的全橋逆變器和背光控制器LX6503,但輸出功率大幅提高,可以驅動更多的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.這新的解決方案采用帶有繼電器的專用待機開關電源,支持低至150 mW的超低待機能耗.這解決方案電路板上的元件高度低于16 mm(系統總度度低于20 mm),支持更纖薄液晶電視設計.
值得一提的是,美國/北美和中國/歐盟等不同區域市場對電源的要求不盡相同,安森美半導體針對世界上不同區域的不同電源要求,提供相應的電源解決方案,旨在優化設計、縮小系統尺寸及降低成本.
針對輸出電流需求對音視頻信號處理電源采用不同的穩壓器配置對于音視頻信號處理而言,輸入電壓通常為+ 5 V或+12 V,在穩壓器或控制器的配置方面,可以根據輸出電流要求來配置.通常而言,低壓降穩壓器(LDO)用于較低的輸出電流,范圍一般在0.1至1.5 A之間;而大電流LDO、偏置輸入LDO控制器和集成降壓轉換器用于提供1.5 A至5 A的輸出電流.在更大電流方面,可以采用帶外部開關和同步整流器的同步降壓控制器來提供大于5 A的電流輸出.安森美半導體提供一系列的高性能LDO穩壓器,如NCP699/633、NCP5500/5501、NCP3334/3335A、NCP5661/5662/5663、NCP605/606和NCP3520/3521等.
從發展趨勢來看,隨著更多音視頻處理方面的芯片組的集成度越來越高,單顆IC可能需要多個輸出電壓 (如3.3 V I/O和1.25 V內核所需),使得線性方案(LDO)的選擇正在增加.另外,由于電路板尺寸趨向更小,使其能夠分配給LDO功率耗散的板空間減小,相應地,可以采用DFN封裝的LDO來提高功率密度,而集成MOSFET和LDO控制器可以幫助減小PCB占用面積.
另一方面,為了提升電源轉換效率及支持大電流操作和異相操作,一些輸出需要從LDO轉換為開關穩壓器.開關穩壓器和控制器正趨向采用更高開關頻率,如從50 kHz向150 kHz、350 kHz、500 kHz乃至700 k Hz方向發展,從而允許減小外部電感和電容的尺寸,方便制造體積更纖薄的液晶電視.且為了幫助減小系統尺寸及降低成本,開關穩壓器趨向于集成多路輸出,如雙路穩壓器等.此外,某些電壓輸入端上的電流要求越來越高,甚至大于5 A,這就催生了具有更大電流能力的集成開關穩壓器,以及開關頻率更高的分立控制器+場效應管(FET)組合,并促進同步整流技術的應用.
安森美半導體的NCP312x系列雙路2 A/2 A和3 A開關穩壓器非常適合液晶電視信號處理板上的+5 V或+12 V輸入端應用,它們的頻率可在200 kHz至750 kHz范圍之間調節,提供0.8 V±1%的電壓參考,并且支持180°異相操作,且用戶可對自動追蹤和排序功能進行控制.
采用新穎PFC架構支持超薄液晶電視設計眾所周知,液晶電視的厚度如今已經可以做到較薄,最新的趨勢是電子模塊部分厚度趨向低于10 mm.如此纖薄的厚度,給電源設計帶來更苛刻的挑戰,如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)或多個部件(PFC線圈)串聯,并采用低高度的散熱片,對部件進行水平安裝,且將垂直插入的所有電容的高度限制在低于10 mm.
而在PFC方面,采用安森美半導體的NCP1606和NCP1654等PFC控制器,已經可以將液晶電視厚度降到較低,而為了支持低至10 mm的極纖薄設計,可以采用兩顆相對較小的NCP1601芯片,采用交錯式架構來予以實現,如圖3所示.所謂交錯式PFC,其主要想法是在原本放置單個較大PFC的地方并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,它們在輸入端或輸出端累加時,每相電流紋波的主要部分將抵消.
為了給客戶提供更多選擇,安森美半導體還計劃于2009年推出新的交錯式PFC控制器NCP1631.這是一種單芯片解決方案,替代2顆NCP1601,但可以實現同樣的極低設計高度,適合10 mm厚度的極纖薄液晶電視設計,還擴展功率范圍,減少電流紋波.
待機能耗趨向低于100 mW?
液晶電視的待機能耗是另一個值得關注的點.2008年11月開始生效的“能源之星”3.0版電視規范針對待機能耗的標準是低于1 W.盡管這標準不是強制要求,但在市場上仍然具有很高的指導意義.
液晶電視的待機能耗未來將進一步降低.例如,在增加小型專用微處理器的條件下輸出功率為50 W時能耗低于600 mW,采用專用待機開關電源條件下能耗低于400 mW,及采用專用待機開關電源并增加繼電器(從而在待機時斷開所有PFC和開關電源)時能耗低于200 mW.如果制造商要使用更加“綠色”的技術來將產品差異化,樹立更高的品牌形象從而提升利潤率,就需求進一步改進設計,使得待機能耗低于100 mW可能成為下一波重要趨勢.
在液晶電視市場不斷發展壯大的同時,其電源消耗問題也更加受到矚目.電子制造商要在市場競爭中脫穎而出,一個重要途徑就是不斷優化他們的液晶電視電源設計設計,使之符合最新的能效規范要求及其它重要發展趨勢,如采用LIPS方案取代傳統逆變器、通過創新PFC架構支持超薄液晶電視設計等.本文著重分析了這些趨勢對液晶電視電源設計的影響,并結合安森美半導體的產品和參考設計,詳細闡釋了如何支持這些最新趨勢,從而幫助電子制造商縮短符合全球不同應用市場要求的產品的開發周期,加快上市進程.
LIPS解決方案取代傳統液晶電視電源為了降低較大尺寸液晶電視的電能消耗,使其符合各種能效規范,并幫助降低系統成本及減小解決方案尺寸,使液晶電視更受消費者歡迎,就液晶電視電源而言,我們可以采取通過多種途徑.
傳統液晶電視電源主要包括交流-直流(AC-DC)轉換、直流-直流(DC-DC)轉換及高壓逆變器這幾個部分.AC-DC和DC-DC位于同一塊電路板,而逆變器為獨立電路板,通常與液晶面板一起提供.其中,AC-DC電源部分,市電110 Vac/220 Vac電壓經過整流、功率因數校正(PFC)和濾波,轉換為200 V/400 V的直流高壓.由于傳統逆變器的輸入電壓要求是24 V,所以PFC的輸出電壓200 V/400 V電壓須經過降壓轉換,產生多路的輸出電壓,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,去驅動液晶面板的CCFL背光燈.這種標準24 V逆變器液晶電視開關電源的功能框圖所示.
目前市場上的液晶電視電源中,這種傳統的電源仍然占多數.值得一提的是,在各種尺寸的液晶電視型號中,大于26英寸特別是32英寸及更大尺寸的液晶電視在市場中占據主導地位.而針對26英寸及以上尺寸的液晶電視,近年來涌現出一種新的逆變器概念——高壓液晶顯示集成電源(LCD Integrated Power Supply,縮寫為LIPS).與逆變器位于獨立電路板的傳統電源不同,這種LIPS解決方案將AC-DC、DC-DC和逆變器結合在同一塊電路板上,在經過對市電進行整流、PFC和濾波并獲得200 V/400 V直流電壓后,會直接采用200 V/400 V電壓作為逆變器的輸入,通過DC-AC升壓轉換為液晶面板所需的超過1,000 V甚至達2,000 V的高壓.這樣就消除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存在的大量功率損耗,從而提升系統能效,減少底盤發熱量,并降低總成本.
在這方面,安森美半導體與Microsemi公司合作,結合雙方專長,提供適合多種功率等級的高壓LIPS整套解決方案.目前,已合作開發針對32英寸液晶電視的LIPS解決方案(如圖2志示).在系統主板電源方面,這解決方案采用了安森美半導體的NCP1606 PFC控制器,以及充當輔助開關電源的NCP1351 PWM控制器;而在LIPS逆變器部分,采用了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,橋上無需使用額外的功率二極管,這全橋結構所采用的4個MOSFET和變壓器中的電流規格是半橋結構的一半,它能夠通過隔離變壓器直接驅動功率MOSFET,更易于實現初級端過流保護(OCP)等.
為了更好應對市場對更大尺寸LIPS液晶電視的需求,安森美半導體正在開發下一代的LIPS液晶電視參考設計,并計劃于2009年中推出46/47英寸參考設計.在LIPS逆變器部分,采用與32英寸方案相同的全橋逆變器和背光控制器LX6503,但輸出功率大幅提高,可以驅動更多的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.這新的解決方案采用帶有繼電器的專用待機開關電源,支持低至150 mW的超低待機能耗.這解決方案電路板上的元件高度低于16 mm(系統總度度低于20 mm),支持更纖薄液晶電視設計.
值得一提的是,美國/北美和中國/歐盟等不同區域市場對電源的要求不盡相同,安森美半導體針對世界上不同區域的不同電源要求,提供相應的電源解決方案,旨在優化設計、縮小系統尺寸及降低成本.
針對輸出電流需求對音視頻信號處理電源采用不同的穩壓器配置對于音視頻信號處理而言,輸入電壓通常為+ 5 V或+12 V,在穩壓器或控制器的配置方面,可以根據輸出電流要求來配置.通常而言,低壓降穩壓器(LDO)用于較低的輸出電流,范圍一般在0.1至1.5 A之間;而大電流LDO、偏置輸入LDO控制器和集成降壓轉換器用于提供1.5 A至5 A的輸出電流.在更大電流方面,可以采用帶外部開關和同步整流器的同步降壓控制器來提供大于5 A的電流輸出.安森美半導體提供一系列的高性能LDO穩壓器,如NCP699/633、NCP5500/5501、NCP3334/3335A、NCP5661/5662/5663、NCP605/606和NCP3520/3521等.
從發展趨勢來看,隨著更多音視頻處理方面的芯片組的集成度越來越高,單顆IC可能需要多個輸出電壓 (如3.3 V I/O和1.25 V內核所需),使得線性方案(LDO)的選擇正在增加.另外,由于電路板尺寸趨向更小,使其能夠分配給LDO功率耗散的板空間減小,相應地,可以采用DFN封裝的LDO來提高功率密度,而集成MOSFET和LDO控制器可以幫助減小PCB占用面積.
另一方面,為了提升電源轉換效率及支持大電流操作和異相操作,一些輸出需要從LDO轉換為開關穩壓器.開關穩壓器和控制器正趨向采用更高開關頻率,如從50 kHz向150 kHz、350 kHz、500 kHz乃至700 k Hz方向發展,從而允許減小外部電感和電容的尺寸,方便制造體積更纖薄的液晶電視.且為了幫助減小系統尺寸及降低成本,開關穩壓器趨向于集成多路輸出,如雙路穩壓器等.此外,某些電壓輸入端上的電流要求越來越高,甚至大于5 A,這就催生了具有更大電流能力的集成開關穩壓器,以及開關頻率更高的分立控制器+場效應管(FET)組合,并促進同步整流技術的應用.
安森美半導體的NCP312x系列雙路2 A/2 A和3 A開關穩壓器非常適合液晶電視信號處理板上的+5 V或+12 V輸入端應用,它們的頻率可在200 kHz至750 kHz范圍之間調節,提供0.8 V±1%的電壓參考,并且支持180°異相操作,且用戶可對自動追蹤和排序功能進行控制.
采用新穎PFC架構支持超薄液晶電視設計眾所周知,液晶電視的厚度如今已經可以做到較薄,最新的趨勢是電子模塊部分厚度趨向低于10 mm.如此纖薄的厚度,給電源設計帶來更苛刻的挑戰,如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)或多個部件(PFC線圈)串聯,并采用低高度的散熱片,對部件進行水平安裝,且將垂直插入的所有電容的高度限制在低于10 mm.
而在PFC方面,采用安森美半導體的NCP1606和NCP1654等PFC控制器,已經可以將液晶電視厚度降到較低,而為了支持低至10 mm的極纖薄設計,可以采用兩顆相對較小的NCP1601芯片,采用交錯式架構來予以實現,如圖3所示.所謂交錯式PFC,其主要想法是在原本放置單個較大PFC的地方并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,它們在輸入端或輸出端累加時,每相電流紋波的主要部分將抵消.
為了給客戶提供更多選擇,安森美半導體還計劃于2009年推出新的交錯式PFC控制器NCP1631.這是一種單芯片解決方案,替代2顆NCP1601,但可以實現同樣的極低設計高度,適合10 mm厚度的極纖薄液晶電視設計,還擴展功率范圍,減少電流紋波.
待機能耗趨向低于100 mW?
液晶電視的待機能耗是另一個值得關注的點.2008年11月開始生效的“能源之星”3.0版電視規范針對待機能耗的標準是低于1 W.盡管這標準不是強制要求,但在市場上仍然具有很高的指導意義.
液晶電視的待機能耗未來將進一步降低.例如,在增加小型專用微處理器的條件下輸出功率為50 W時能耗低于600 mW,采用專用待機開關電源條件下能耗低于400 mW,及采用專用待機開關電源并增加繼電器(從而在待機時斷開所有PFC和開關電源)時能耗低于200 mW.如果制造商要使用更加“綠色”的技術來將產品差異化,樹立更高的品牌形象從而提升利潤率,就需求進一步改進設計,使得待機能耗低于100 mW可能成為下一波重要趨勢.
在液晶電視市場不斷發展壯大的同時,其電源消耗問題也更加受到矚目.電子制造商要在市場競爭中脫穎而出,一個重要途徑就是不斷優化他們的液晶電視電源設計設計,使之符合最新的能效規范要求及其它重要發展趨勢,如采用LIPS方案取代傳統逆變器、通過創新PFC架構支持超薄液晶電視設計等.本文著重分析了這些趨勢對液晶電視電源設計的影響,并結合安森美半導體的產品和參考設計,詳細闡釋了如何支持這些最新趨勢,從而幫助電子制造商縮短符合全球不同應用市場要求的產品的開發周期,加快上市進程.
