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介绍一种完整的液晶电视电源方案

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介绍一种完整的液晶电视电源方案
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2021-6-8 06:02:13   评论 分享淘帖 邀请回答
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  近年来,液晶电视(LCD TV)市场快速发展。
  在市场规模迅速扩大的同时,在规范标准及绿色营销的压力下,液晶电视的工作及待机能耗也越来越低。如“能源之星”4.0版规范及5.0版规范相继将于2010年5月及2012年5月生效,其中5.0版要求可视屏幕对角尺寸为32英寸、42英寸和60英寸的平板电视平均工作能耗从4.0版的不超过78 W、115 W和210 W下降到不超过55 W、81 W和108 W,相当于两年时间内降低能耗约50%。
  在液晶电视的总能耗中,统计显示,背光所消耗的电能比例高达2/3。故液晶电视的另一项重要趋势是采用新技术来提升背光及面板能效,降低能耗。在液晶电视背光源方面,目前冷阴极荧光灯(CCFL)背光源占据支配地位,但这个技术能耗高,包含剧毒物质汞不利于环保,灯管呈条型或U型,使用寿命短;相比较而言,新兴的发光二极管(LED)背光耗电量更小,不含汞,尺寸更易于配置为更均匀的背光,使用寿命更长,故LED背光在液晶电视中极具应用潜力。据统计,2009年采用LED背光源的液晶电视比例为3%,预计未来几年这一比例将迅速提高,到2014年将达到50%,完全可与CCFL背光分庭抗礼,并在这之后进一步取代CCFL背光。
  液晶电视电源包含功率因数校正(PFC)、信号电源、背光电源及ECO待机等多个组成部分,不同部分往往包含不同的架构可供选择,参见图1。以PFC段为例,可以选择如临界导电模式(CrM)、连续导电模式(CCM)或交错式频率钳位临界导电模式(FCCrM)等不同的PFC控制器。选择何种电源架构,需结合应用的屏幕尺寸、功率等级及背光源等因素。另外,作为重要卖点的纤薄设计也影响着电源方案的选择。
  
  图1:液晶电视电源架构多种多样
  1) 采用CCFL背光源的32英寸液晶电视电源架构
  例如,目前市场上销量最大的是32英寸液晶电视。在这类液晶电视中,采用标准24 V逆变器电源的方案在市场上仍占据多数,但新兴的高压液晶电视集成电源(HV-LIPS)的应用也在不断增多,总体上呈现出并存的态势。采用标准24 V逆变器的传统液晶电视在接受110/220 Vac市电输入后,经过整流、PFC及滤波,转换为200/400 Vdc的直流高压。由于传统高压逆变器的输入电压要求是24 Vdc,故PFC的输出电压200/400 Vdc会经过降压转换,产生多路输出电压,其中一路24 Vdc电压提供给高压逆变器,再经过DC-AC转换为超过1,000 V甚至达2,000 V的交流高压,去驱动液晶面板的CCFL阵列。安森美半导体为这类传统液晶电视推出了220 W液晶电视电源GreenPoint®参考设计,其中采用的关键元器件包括NCP1606 CrM PFC控制器、NCP1396谐振半桥控制器及NCP1027待机控制器等。
  与这种采用标准24 V逆变器架构的传统电源不同,高压LIPS方案将AC-DC、DC-DC和逆变器结合在同一块电路板上,在获得200/400 Vdc的PFC输出后,会直接将这输出电压作为逆变器的输入,再通过DC-AC转换为驱动CCFL阵列所需的超过1,000 Vac甚至达2,000 Vac的高压,这就消除了24 V转换段,减少大量功率损耗及降低底盘发热量,提升系统总能效,并降低系统成本,还符合“能源之星”等相关能效规范。
  
  图2:安森美半导体32英寸高压LIPS液晶电视电源GreenPoint®参考设计功能框图
  针对高压LIPS架构的液晶电视需求,安森美半导体与Microsemi公司合作,推出了用于32英寸液晶电视的比高压LIPS参考设计。这参考设计采用简单直接的CrM PFC段,且无额外待机开关电源,性价比极高。这参考设计采用了安森美半导体的NCP1607 PFC控制器、NCP1351或NCP1219带低待机能耗模式的反激转换控制器,以及Microsemi的LX6503背光控制器等关键IC。这完整液晶电视LIPS电源参考设计功能框图见图2。
  值得一提的, 这参考设计架构具有高度的灵活性,而只需对原理图及所用元件作出极小改动,即可支持多种电压/电流配置。而且由于使用了采用零电压开关全桥拓扑结构的先进背光控制器,逆变器电源能够轻易地扩展,支持26英寸到42英寸的多种液晶电视尺寸。客户利用这高能效先进参考设计,可缩短开发周期,加快产品上市进程。
  2) 46英寸液晶电视电源架构
  安森美半导体还针对更高功率的液晶电视推出了46英寸液晶电视电源参考,这电源参考适合任何类型的背光方案,能扩展支持40/42英寸或52/55英寸液晶电视,参见图3。
  这电源参考采用的关键安森美半导体IC包括新的交错式FCCrM PFC器NCP1631、带谷底锁定功能的新NCP1379准谐振反激转换控制器或NCP1252固定频率脉宽调制(PWM)控制器、NCP1053A高能效、低待机能耗开关电源,用于仅关注电源段的性能主导型项目。在第一阶段,这电源参考的电路板高度低于13 mm,液晶电视总高度低于17.5 mm;后续第二阶段还将使电路板高度降到低于8 mm,总高度低于12.5 mm。
  在纤薄设计成为液晶电视重要卖点的当今,电源设计面临更严格的挑战,如需要使用低高度的变压器、线圈或散热片,及将多个部件串联或对水平安装等。就PFC控制器而言,尽管安森美半导体的NCP1606或NCP1654等已经可以将电路板高度降到很低,但要支持更低厚度的液晶电视设计,则可以采用安森美半导体新的单芯片交错式PFC控制器NCP1631,用于高达300 W功率应用,同时也提供140至264 Vac的窄电压范围版本,用于功率大于200 W及注重纤薄设计的应用。
  
  图3:安森美半导体46英寸液晶电视电源参考功能框图
  在信号电源方面,如上所述,采用的是新的NCP1379准谐振反激转换控制器或NCP1252固定频率反激控制器。其中,NCP1379最大功率达70 W(32英寸设计为50 W),最多提供3路输出电压能力(与32英寸相当),最大输出电流为4 A。NCP1379提供可变频率模式,用于超低待机能耗模式,在宽功率范围内保持高能效。NCP1252提供50 kHz的固定频率PWM,支持自然的CCM,为多路输出方案改善电流因数及变压器耦合/交叉稳压。
  而在待机电源方面,有两种方案,一种是专用ECO待机开关电源,采用集成高压开关稳压器NCP1053A,非常适合最大功率小于5 W的小型心用待机电视微处理器,提供低于90 mW的极低待机能耗。这器件带磁滞模式,提升ECO性能,开关频率及IC功率消耗更低;低频模式支持DCM模式,降低开关损耗;电流受限,减免可能的噪声问题。另一种方案是采用待机继电器,由电视机微处理器直接控制(待机/导通),并提供可选的ECO“导通/关闭开关”,在230 Vac条件下空载输入能耗低于20 mW。
  3) 46英寸液晶电视参电源考背光方案
  上述46英寸液晶电视参考电源适合任意类型的背光方案,包括单独及专用的背光方案。例如,提供高压LIPS用于CCFL/EEFL背光,其中采用2个高端驱动器NCP5111及Microsemi背光控制器。也可采用新的NCP1397准谐振反激转换器或CAT4026侧光式LED驱动器(详见后文),提供高直流输出电压半桥LLC,用于LED背光驱动器。还可采用已获市场证明的NCP1392/NCP1392控制器,用于传统的24 V逆变器方案,为CCFL背光供电。而为了适应等离子电视(PDP)应用,也可采用NCP1397控制器,并增加降压或升压转换器。
  其中,在CCFL/EEFL背光的46英寸LIPS逆变器方面,所采用的安森美半导体NCP5111高端驱动器能够提升能效及减小全桥500 V功率MOSFET的尺寸,且在修改高压变压器设计条件下,电路板上高度低于13 mm,从而支持低厚度设计。
  
  图4:安森美半导体46英寸液晶电视背光方案(见黄色背景部分)
  而在LED背光方面,市场上常见的背光单元包括侧光式及直下式两种类型,各有其优势和不足;但相对而言,侧光式LED背光提供高于90%的能效,在市场上备受欢迎。而在46英寸电源参考的侧光式LED背光单元方面,可以采用的安森美半导体关键IC包括带高端驱动器的NCP1397初级侧控制器,以及新的6通道线性LED驱动器控制器CAT4026,适合超薄液晶电视设计(电路板上高度低于8 mm,总高度低于12.5 mm),参见图4。
  其中, NCP1397作为LLC段控制器,在背光应用中提供众多优势,如不需要驱动器变压器,带来成本及安装优势;又如简单应用跳周期模式,适合调光所需;以及简单应用过渡保护,帮助节省成本 等。故NCP1397是高性价比及高安全性的方案。
  另一方面,市场上现有的6通道侧光式LED驱动器背光方案中,各通道均含专用驱动器IC、电感型DC-DC升压转换器及开关;相比较而言,安森美半导体的CAT4026作为多通道LED线性驱动器,以单颗IC支持6通道,且易于分级为多达12个或18个通道(相应采用2个或3个控制器),是一种高性价比的方案,目标能效高于90%,典型能效达94%。此外,这驱动器还提供正向电压监测功能,可以限制总体功率耗散;还能应用LED开路及过多LED短路等不同LED串故障。
  总结
  本文分析了液晶电视的市场及技术发展趋势,介绍了安森美半导体完整的液晶电视电源方案,包括用于32英寸并可扩展支持26到42英寸的传统及高压LIPS液晶电视的电源参考设计、适合任何背光类型的46英寸并可扩展到40到55尺寸应用的电源参考设计,以及46英寸侧光式LED背光电源方案。这些参考设计具有高能效、高灵活性等优势,适合纤薄及超薄液晶电视设计,并提供极大的协同优势,便于复用方案,帮助客户加速设计进程,加快产品上市。
2021-6-8 09:20:49 评论

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