全高清电视的电源发展趋势探析

关键词：电源 , 发展 , 高清电视 , 趋势 , 探析
近年来，在高清(hd)概念的基础上，全高清(full hd)的概念开始为市场所接受和欢迎。一定尺寸以上的液晶显示器(lcd monitor)、液晶电视(lcdtv)和等离子(pdp)电视可以支持全高清分辨率。其中，24或26英寸以上尺寸的液晶显示器可以支持全高清，而对液晶电视而言，32英寸的型号可以支持全高清，但要得到更佳的显示效果，更具现实意义的则是37英寸及以上尺寸的液晶电视。这些大尺寸全高清显示器或电视在为消费者提供更佳的观看体验的同时，也伴随着功率消耗水涨船高的问题。较高的功率消耗会直接增加消费者的电费开支，而且与节能环保的趋势相背离。有鉴于此，各国政府及规范机构纷纷出台或更新针对电视的能效规范，如美国环保署(epa)发布的“能源之星”3.0版电视规范自2008年11月1日开始生效。这规范中就涵盖了支持全高清的电视的规范，如图1所示。这规范针对不同显示技术(如液晶、等离子、背投等)呈现中立，也就是不论技术为何，只需要遵循共同的能效规范即可。除了美国的“能源之星”，欧盟、日本和中国也正在修订相关的规范标准，制定电视的工作能耗要求。
lips解决方案取代传统电源方案
在各种类型的全高清电视中，较大尺寸液晶电视的份额最大。所以本文主要围绕液晶电视来展开探讨。为了降低较大尺寸液晶电视的电能消耗，使其符合各种能效规范，并帮助降低系统成本及减小解决方案尺寸，使液晶电视更受消费者欢迎，就液晶电视电源而言，我们可以采取通过多种途径。
传统液晶电视电源主要包括交流/直流(ac/dc)转换、直流/直流(dc/dc)转换及高压逆变器这几个部分。ac/dc和dc/dc位于同一块电路板，而逆变器为独立电路板，通常与液晶面板一起提供。其中，ac/dc电源部分，市电110vac/220vac电压经过整流、功率因数校正(pfc)和滤波，转换为200v/400v的直流高压。由于传统逆变器的输入电压要求是24v，所以pfc的输出电压200v/400v电压须经过降压转换，产生多路的输出电压，其中一路24v电压提供给逆变器，即再经过直流-交流(dc/ac)转换为超过1,000v甚至达2,000v的高压，去驱动液晶面板的ccfl背光灯。这种标准24v逆变器液晶电视开关电源的功能框图如图2所示。
图1：“能源之星”电视产品3.0版规范中针对部分特征尺寸电视的工作能耗要求。
目前市场上的液晶电视电源中，这种传统的电源仍然占多数。而针对26英寸及以上尺寸的液晶电视，近年来涌现出一种新的逆变器概念——高压液晶显示集成电源(lcd integrated powersupply，缩写为lips)。与逆变器位于独立电路板的传统电源不同，这种lips解决方案将ac/dc、dc/dc和逆变器结合在同一块电路板上，在经过对市电进行整流、pfc和滤波并获得200v/400v直流电压后，会直接采用200v/400v电压作为逆变器的输入，通过dc/ac升压转换为液晶面板所需的超过1,000v甚至达2,000v的高压。这样就消除24v转换段，减少了先降压至24v再大幅升压背光源用一两千伏高压过程中存在的大量功率损耗，从而提升系统能效，减少底盘发热量，并降低总成本。
图2：采用标准直流24v逆变器的传统液晶电视开关电源框图。
在这方面，安森美半导体与microsemi公司合作，结合双方专长，提供适合多种功率等级的高压lips整套解决方案。目前，已合作开发针对32英寸液晶电视的lips解决方案(如图3所示)。在系统主板电源方面，这解决方案采用了安森美半导体的ncp1606pfc控制器，以及充当辅助开关电源的ncp1351pwm控制器；而在lips逆变器部分，采用了microsemi使用软开关技术的lx6503移相全桥驱动器，它可以在固定工作频率进行零电压开关(zvs)。与半桥架构相比，这种全桥逆变器解决方案具有显著优势，如减少电磁干扰(emi)和功率损耗，同时改善背光灯的驱动电流波形，桥上无需使用额外的功率二极管，这全桥结构所采用的4个mosfet和变压器中的电流规格是半桥结构的一半，它能够通过隔离变压器直接驱动功率mosfet，更易于实现初级端过流保护(ocp)等。
图3：安森美半导体针对32英寸液晶电视的全桥高压lips解决方案功能框图。
为了更好应对市场对更大尺寸lips液晶电视的需求，安森美半导体正在开发下一代的lips液晶电视参考设计，并计划于2009年中推出46/47英寸参考设计。在lips逆变器部分，采用与32英寸方案相同的全桥逆变器和背光控制器lx6503，但输出功率大幅提高，可以驱动更多的ccfl灯。而在系统主板电源方面，可以根据具体设计要求来灵活选择安森美半导体的解决方案，如ncp1601、ncp1606或ncp1631等pfc控制器，以及ncp1351或ncp1379等pwm控制器。这新的解决方案采用带有继电器的专用待机开关电源，支持低至150mw的超低待机能耗。这解决方案电路板上的元件高度低于16mm(系统总度度低于20mm)，支持更纤薄液晶电视设计。安森美半导体的这些液晶电视参考设计完全符合“能源之星”规范对全高清电视的能耗要求，并有较大的裕量。
值得一提的是，美国/北美和中国/欧盟等不同区域市场对电源的要求不尽相同，安森美半导体针对世界上不同区域的不同电源要求，提供相应的电源解决方案，旨在优化设计、缩小系统尺寸及降低成本。
采用新颖pfc架构支持超薄全高清电视设计
众所周知，液晶电视的厚度如今已经可以做到较薄，最新的趋势是电子模块部分厚度趋向低于10mm。如此纤薄的厚度，给电源设计带来更苛刻的挑战，如需要使用低高度的变压器(这对要考虑隔离和漏电的高压lips特别关键)或多个部件(pfc线圈)串联，并采用低高度的散热片，对部件进行水平安装，且将垂直插入的所有电容的高度限制在低于10mm。
而在pfc方面，采用安森美半导体的ncp1606和ncp1654等pfc控制器，已经可以将液晶电视厚度降到较低，而为了支持低至10mm的极纤薄设计，可以采用两颗相对较小的ncp1601芯片，采用交错式架构来予以实现，如图4所示。所谓交错式pfc，其主要想法是在原本放置单个较大pfc的地方并行放置两个功率为一半的较小pfc。这两个较小pfc以180°的相移交替工作，它们在输入端或输出端累加时，每相电流纹波的主要部分将抵消。
图4：采用两颗ncp1601 pfc控制器实现的交错式pfc架构的功能框图。
为了给客户提供更多选择，安森美半导体还计划于2009年推出新的交错式pfc控制器ncp1631。这是一种单芯片解决方案，替代2颗ncp1601，但可以实现同样的极低设计高度，适合10mm厚度的极纤薄液晶电视设计，还扩展功率范围，减少电流纹波。
待机能耗趋向低于100mw？
液晶电视的待机能耗是另一个值得关注的点。2008年11月开始生效的“能源之星”3.0版电视规范针对待机能耗的标准是低于1w。尽管这标准不是强制要求，但在市场上仍然具有很高的指导意义。
液晶电视的待机能耗未来将进一步降低。例如，在增加小型专用微处理器的条件下输出功率为50w时能耗低于600mw，采用专用待机开关电源条件下能耗低于400mw，及采用专用待机开关电源并增加继电器(从而在待机时断开所有pfc和开关电源)时能耗低于200mw。如果制造商要使用更加“绿色”的技术来将产品差异化，树立更高的品牌形象从而提升利润率，就需求进一步改进设计，使得待机能耗低于100mw可能成为下一波重要趋势。
本文小结
提供1,080线逐行扫描(1,080p)垂直分辨率的全高清技术正受到越来越多消费者的青睐。本文以支持全高清的较大尺寸液晶电视为例，分析了全高清电视电源的发展趋势，探讨了旨在降低能耗、减小尺寸的架构及技术创新途径，如通过液晶显示集成电源(lips)消除传统的24v逆变器电源、以及采用新颖的交错式架构减小pfc模块厚度从而支持极纤薄全高清电视的设计等。作为全球领先的高能效电源管理解决方案供应商，安森美半导体提供高性能的电源解决方案及参考设计，帮助电子制造商缩短符合全球不同应用市场要求的全高清电视产品的开发周期，加快上市进程。