从功耗角度来看,为实现节能环保,对于不同功率范围及不同应用场合,各国政府及能源机构纷纷制定各种新的能耗标准,与此同时,更加严格的规范也在制定之中.ENERGY STAR(EPA V3.0)已经明确规范电视产品的最大功耗(表1),这一标准将于2008年11月1日正式生效.
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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规范中电视产品允许的最大功耗与其尺寸大小相对应(表2),其中32吋LCD TV的最大功耗要求低于120W,目前市面上销售的LCD TV产品功耗普遍高于新标准的上限,那么,要通过ENERGY STAR的认证,设计工程师只有两个选择:对现有电源系统设计考虑做根本性变革,降低电源转换过程中的功率损失;或是降低背光亮度并减小音响系统的输出功率,以减小LCD TV的耗电量.
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表2:根據ENERGY STAR V3.0標準計算各尺寸LCD TV最大允許功耗.
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表3:DisplaySearch對LCD TV成本的近年資料統計及未來走勢預測.
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表4:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子方案優缺點之比較.
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表5:傳統LCD TV電源方案與昂寶電子方案功耗之比較.
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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.
显然,后者是以牺牲用户的视觉和听觉感受为代价,前者才是最佳选择,这是电源设计工程师所面临的一大挑战,即如何降低LCD TV的耗电量且不降低视听效果.
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圖1:昂寶電子針對23吋以下LCD產品開發的62W LIPS電源.
LCD TV电源方案分析
LCD TV的电源由于负载的多样性,其设计也变得相对复杂,需要比如AC功率因子校正、隔离式电源转换、非隔离式负载点电源转换以及各种各样的电源监测保护功能,LCD TV产品正越来越多的依靠电源管理领域的技术创新来确立其在市场上的竞争力.
23吋及以下的小尺寸LCD TV由于整机功率通常小于75W,不需要配置PFC线路,其供电模块的设计和制造已经相对成熟,早期分立的AC/DC主电源板和DC/AC逆变电源板出于降低制造成本的考虑已经被整合到一块PCB板上,即目前主流的LCD整合电源系统(LCD Integrated Power System,LIPS)结构.
昂宝电子已针对此类应用开发了多款LIPS电源,AC/DC部分转换电路主要使用OB2263、OB2269和OB2202等芯片,DC/AC部分逆变器电路主要采用OB3316、OB3318和OB494P等芯片,小尺寸LCD TV内部只有电源板和讯号处理主板两块PCB,而对于32吋以上的大尺寸LCD TV而言,其内部会相对复杂.
图2以传统32吋LCD TV为例,其内部主要包括3块PCB板,即:1. 讯号处理主板,用于音讯视讯处理及系统控制等功能;2. AC/DC电源板,将市电的220V@50Hz或110V@60Hz交流输入转换成音讯系统、视讯系统、控制系统等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流电压,并实现功率因子校正、与输入电网安全隔离等功能;3. DC/AC电源板,用于将AC/DC电源板输出的24V或12V直流电压再逆变升压得到1,000V@50KHz的交流电压,以此高压高频正弦交流电压来驱动背光CCFL灯管,并实现背光亮度调节等功能.
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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.
图3是传统式LCD TV电源的结构图,依功能通常可将其划分为3大模块,即:PFC模块;DC/DC主电源模块;DC/AC逆变电源模块.
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圖3:傳統式LCD TV電源系統結構圖.
由于离线式开关电源不可避免会产生带高谐波含量的非正弦输入电流,这会对电网产生一定污染,并且会影响到连接在同一电源线的其它电子设备,为满足欧盟IEC61,000-3-2的D类标准或类似的区域性谐波含量规范,通常需要在输入功率大于75W之开关电源设计中加入PFC模块.大尺寸LCD TV的输入功率远远大于75W,因此PFC模块亦是LCD TV电源中不可缺少的部分,PFC模块透过Boost线路将电网输入的交流电压转换成稳定的400V直流电压供给后级DC/DC电源使用.
DC/DC主电源模块负责将PFC输出的400V直流电压转换成各种负载所需要的低压直流电平,来满足DC/AC逆变电源输入、音响系统、视讯系统、控制系统等模块的工作需要,常见电压包括24V/18V/12V/5V/3.3V等.国际能源署(IEA)和欧盟制定的1W计划要求在2010年将所有产品的待机功耗降低到1W以内,为符合1W待机功耗之节能规范,DC/DC主电源模块之外通常还需要设计一块独立的待机电源,用于在待机模式下维持遥控接收器模块的工作,并将PFC和DC/DC主电源模块关闭,以最大限度降低待机功耗.
DC/DC主电源根据LCD TV尺寸及功率的大小,其常见拓扑结构包括:返驰(包括准谐振)、双管返驰、双管正激、谐振半桥(HB LLC)等几种.对于50W~100W之功率范围,单开关的返驰或准谐振返驰拓扑是最佳选择,其中准谐振控制透过减小开关损耗来提高转换效率并改善开关造成的EMI干扰,而对于更大功率的100W~200W范围,可以透过双开关返驰的方式来应对.正激结构可应用于200W~300W的功率范围,但由于需在连续导电模式下工作,解决由于硬开关所引出的EMI问题是一项挑战.谐振半桥结构适用于150W以上的功率应用,其在高功率级的LCD TV应用中性能优势十分明显,全负载范围的零电压开关(ZVS)及低电流关断控制可帮助最大限度降低开关损耗及减小EMI干扰.
DC/AC逆变电源用于驱动背光模块,其将DC/DC主电源输出的24V或12V直流电压转换为1,000V左右的高压交流电压用于驱动背光CCFL灯管并实现背光亮度(灯管电流)的调节功能,LCD TV显示画面的对比度需依靠高亮度的背光来支撑,所以DC/AC逆变电源部分的输出功率通常占整机总输出功率的70%以上,且尺寸越大,背光功耗所占比重越大.
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圖4:傳統式LCD TV主電源功率範圍及架構選擇.
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圖5:昂寶電子LCD TV電源方案結構圖.
透过上述对传统LCD TV电源的结构分析,我们不难发现一个问题,即其整体效率非常低,因为占70%以上功耗的背光部分的电能在PFC之后经历了降压再升压的两级转换,且转换过程中的效率损失亦会引起散热问题.LCD TV的超簿设计及噪音限制使得在机箱中添加风扇没有可能性,则热量的堆积会直接导致机壳内上下部分温度的不均匀,再配合CCFL亮度对温度的敏感特性,这样的设计给用户呈现出来的将是面板上下部亮度不均匀的独特效果.
为解决上述问题,400V高压输入逆变电源方案一直为业界所讨论和提议,而昂宝电子透过整合自身丰富的产品线,已经将这一构想变为现实,即DC/AC逆变电源的输入不再采用DC/DC主电源的24V电压,而是直接取自PFC的400V输出.这样背光部分的电能即减少了一级能量转换,节省了一级效率损失,并且DC/DC主电源的设计功率可以大幅降低,亦顺带解决了DC/DC主电源的散热问题,最重要的是DC/DC主电源的制造成本大幅降低.
在不具备高压输入DC/AC逆变电源方案的条件下,人们往往透过最佳化AC/DC主电源的方式来降低整机功耗,如参考文献2中所讨论的透过半桥谐振LLC架构来最佳化LCD TV电源,这也是一个方法,但与之相对应的是昂贵的制造成本,而采用昂宝电子开发的LCD TV整体电源方案,便宜的的单开关返驰或准谐振返驰就足以应付大尺寸LCD TV中背光以外的功率需求了.
图6以150W LCD TV电源为例来对比传统方案与昂宝电子之方案,假设背光满载消耗100W,其它部分满载消耗50W,按照常规架构及各模块转换效率来推算,运用传统方案来设计,其理论输入功率将达到197W左右,整体效率为76%,而使用昂宝电子的方案来设计,其理论输入功率只需要174W左右,整体效率高达86%.
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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.
而另外一个重点是,传统方案需要设计168W的DC/DC主电源,而使用昂宝电子的方案设计,则只需要设计50W的DC/DC主电源,根本不需要采用价格昂贵的半桥谐振LLC方案.
完整的LCD TV电源方案
昂宝电子针对300W以下的LCD TV所开发的整体电源解决方案主要由以下四部分组成:PFC模块,使用OB6563控制芯片;DC/DC主电源模块,使用OB2202控制芯片,QR flyback结构;Standby电源模块,使用OB2358开关器,flyback结构;DC/AC逆变电源模块,使用OB3316控制芯片,400V高压输入半桥结构.其系统结构图如下图所示:
传统的LCD TV电源由于不同模块运用的是不同领域的电源管理技术,各个模块的控制芯片往往需要采购于不同的供货商,这使得对于整体性要求非常高的LCD TV电源设计变得相对复杂,其研发成本和研发周期也相应的被提高和延长.由于昂宝电子开发的方案其DC/AC逆变电源采用了400V高压输入技术,整个功率密度、零件数量和PCB尺寸都得以减小,使得原本独立的两快电源板(AC/DC主电源和DC/AC逆变电源)被整合成一块(LIPS电源)创造了条件,这为37吋以下LCD TV电源进一步降低了制造成本和简化了制造流程.
37吋以上LCD TV一般需要在面板左右两侧分别放置两片反相位工作的逆变电源板,主要出于两方面的考虑,首先由于灯管长度的延长及漏电流问题,高压端和低压断的亮度差异趋于明显,需要以双边高压的方式来均衡左右两侧的亮度,其次以目前变压器的耐压能力,不足以提供高于4000V的点灯电压来点亮大尺寸面板中使用的长灯管,需要以双边驱动的方式来解决单边驱动方式中变压器所面临的耐压问题.针对这种应用,昂宝电子对LIPS结构加以改进,将DC/AC逆变电源的变压器部分单独放置到面板的左右两侧,来实现单支灯管的双边反相位高压驱动,而功率转换及控制部分还是保留在原来的LIPS板上.
在本文提及的昂宝电子整体解决方案上采用了4颗主要芯片,其中OB6563是高性能的临界模式(Transition Mode)功率因子校正器(PFC)控制芯片,该产品整合了多项昂宝电子专利技术,对传统的临界模式控制进行了最佳化设计,使系统易于实现接近于1的功率因子和极低的谐波失真,目前提供DIP8、SOP8两种封装形式,符合RoHS标准.
另一颗OB2202是适用于离线(Off line)场合的准谐振PWM控制芯片,透过准谐振工作模式,系统的开关损耗和EMI大大降低,该芯片能够为系统提供超过90%的满载转换效率,完善的保护能够大大提高系统的可靠性,目前提供DIP8、SOP8两种封装形式,符合RoHS标准.
第三款OB2358是PWM控制功率开关芯片,整合了多项保护功能,可实现简单灵活的系统设计,减少了系统组件.OB2358独具可调内部MOSFET的驱动功能,从而使系统设计能够轻易满足对功率输出,EMI及效率/温升的要求.OB2358 DIP8封装内建MOSFET导通阻抗为4.4奥姆,最大输出功率24W.
第四款OB3316应用于推挽式架构的逆变电源系统.此芯片整合了各种控制功能与灯管失效保护功能,可简化系统设计,降低成本,是一款高性价比的冷阴极荧光灯管控制芯片,目前提供DIP16、SOP16两种封装形式,符合RoHS标准.
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圖7:昂寶電子LCD TV電源整體解決方案結構圖.
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圖8:昂寶電子開發的32吋LCD TV LIPS電源板.
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圖9:昂寶電子開發的46吋LCD TV LIPS電源板+外部生壓板.
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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).
本文小结
随着高解析时代的到来,LCD TV取代CRT成为家用电视机主流产品已成必然之势,而随着出货量的逐年攀升,LCD TV所面临的能耗及成本压力亦不容回避,面对这一形势,昂宝电子整合了PFC、AC/DC、DC/AC产品,开发了高效能、低成本的LCD TV电源整体解决方案.
传统LCD TV电源由于AC/DC主电源与DC/AC逆变电源分两块PCB板,分别由不同供货商提供,AC/DC主电源厂商对DC/AC逆变电源领域及技术不熟悉,DC/AC逆变电源厂商亦对AC/DC主电源领域及技术不熟悉,各自的生产设备目前也不具备兼容这两类电源产品的条件,这是目前新技术产业化所面临的问题,要解决这一问题,需要电源方案提供商、电源制造商、LCD TV制造商这上、中、下游企业之间通力配合,重新调整产业结构,最佳化资源配置.相信不久的将来,这一LCD TV电源整体方案将全面取代传统式电源,以帮助LCD TV产品降低制造成本及使用功耗.
