中大尺寸液晶电视AC-DC电源架构及LED背光方案

近年来，液晶电视(LCD TV)市场快速发展。市场研究机构DisplaySearch预计，2008年到2012年间的年复合增长率(CAGR)高达16%，其中2009年的付运总量预计达1.4亿台，而这一数字到2012年将超过2亿。

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。