中大尺寸液晶电视AC-DC电源架搆及最新LED背光解决方案

在市场规模迅速扩大的同时,在规范 标准及绿色产品的压力下,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20105月及20125月生效,其中5.0版要 求萤幕对角尺寸32寸、42寸和60寸的平板电视平均工作能耗从4.0版不超过78 W115 W210 W, 下降到不超过55 W81 W108 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 来提升背光及面板效能,降低能耗。在液晶电视背光源方面,目 前冷阴极萤光灯(CCFL)背光源占据支配地位,但此技术不 但能耗高,且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;相较而言,新兴的发光二极体(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%,预计未来几年此一比例将迅速提高,到2014年将达到50%,完全可与CCFL背光分庭抗礼,并进一步取代CCFL背光。

液晶电视电源包含功率因数校正 (PFC)、讯号电源、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)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,需结合应用的萤幕尺寸、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。

 

 

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多数,但新兴的高压液晶电视整合电源(HV-LIPS)的应用也不断增多,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-DCDC-DC和逆变器结合在同一块电路板上,在获得200/400 VdcPFC输出 后,会直接将此输出电压作为 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,提升系统总效能,并降低系统成本,更符合能源之星等相 关效能规范。 

 

 

2: 安森美半导体32英寸高压LIPS液 晶电视电源GreenPoint参考 设计功能方块图

 

 

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寸液晶电视的高压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。此 参考设计采用了安森美半导体的NCP1607 PFC控制器、NCP1351NCP1219带 低待机能耗模式的 反激转换控制器,以及MicrosemiLX6503背光控制器等关键IC。 此完整液晶电视LIPS电源参考设计功能方 块图见图2

 

 

此参考设计架构具有高度的弹性,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进阶背光控制器,逆变器电源能够轻易地扩展,支 持26寸到42寸的多种液晶电视尺寸。客户利用这高效能先进参考设计,可缩短开发周期,加快产品上市进程。

 

2) 46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寸液晶电视电源参考,此电源参考适合任何类型的背光方案,能扩展支 持40/42寸或52/55寸液晶电视,参见图3

此电源参考采用的关键安森美半导体 IC包括新的交错式FCCrM PFCNCP1631、带谷底锁定功能的新NCP1379准谐振反激转换控制器或NCP1252固定频率脉冲宽调变(PWM)控制器、NCP1053A高效能、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,此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NCP1606NCP1654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140264 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。

 

 

3: 安森美半导体46寸液晶电视电源参考功能方 块图

在讯号电源方面,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寸设计为50 W),最多提供3路 输出电压能力(32寸相当)最大输出电流为4 ANCP1379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效能。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,采用整合高压开关稳压器NCP1053A,非常适合最大功率小于5 W的小型专用待机电视微处理器,提供低于90 mW的极低待机能耗。此元件带磁滞模式,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,减少可能的噪音问 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寸液晶电视参电源考背光方案

46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NCP5111Microsemi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46LIPS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效能及减小全桥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,从而支援低厚度设计。

 

 

4: 安森美半导体46寸侧光式液晶电视背光方案(见黄色背景部)

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%的效能,在市场上备受 欢迎。而在46寸电源参考的侧光式LED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(相应采用2个或3个控制 器),是一种高性价比的方案,目 标效能高于90%,典型效能达94%。此外,此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寸且可扩展支持2642寸的传统及高压LIPS液晶电视的电源参考设计,适合任何背光型的46寸且可扩展到4055寸应用的电源参考设计,以及46寸 侧光式LED背光电源方案。这些参 考设计具有高效能、高灵活性等优势,适合纤薄及超薄的液 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。

参考资料:

1、 《液晶电视AC-DC电源架构及LED背光》,www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/LCD - AC-DC LCD TV%20Power Architecture -%20bilingual.rev1.pdf,安森美半导体

2、 《180 W高 压LIPS液晶 电视电源GreenPoint®参考设计》,www.onsemi.com/pub/Collateral/TND360-D.PDF,安森美半导体

 

 

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