新一代平板電視電源方案設計

隨著超薄平板電視的出現(xiàn)，電視機已經(jīng)成為更加重要的家居裝飾物件。與此同時，不斷增大的屏幕尺寸，以及高清(HD)、逐行掃描、200 Hz刷新等新技術和最新的三維(3D)技術，正在助推提供更佳觀看體驗。增添到新技術組合中的還有支持因特網(wǎng)內容及服務的智能電視，使電視成為許多人居家生活的焦點。

這樣一來，電視性能受到消費者團體和立法者密切關注就不令人意外了；大屏幕、高性能電子產品以及使用增多，表示平均家許能耗與全球降低二氧化碳排放的需求背道而馳。

更高輸出功率，更低輸入功率

新的“能源之星”電視標準在此前已限制待機能耗的基礎上，更加注重降低電視工作時的能耗。此標準如今包括根據(jù)屏幕尺寸計算的最大允許功率限制，其中屏幕尺寸達50英寸或更大的任何電視的絕對最大功率為80 W。

業(yè)界正在通過創(chuàng)新來幫助符合當前及后續(xù)的能耗標準。其中一項創(chuàng)新便是發(fā)光二極管(LED)背光，不僅相較于冷陰極熒光燈(CCFL)背光燈提升能效，還支持更纖薄的尺寸。目前市場正在向LED背光高速過渡，預計到2015年業(yè)界制造的LED背光電視的數(shù)量將達傳統(tǒng)CCFL背光電視的10倍。圖1顯示了電視產量趨勢，其中就包括從CCFL到LED背光的過渡。

圖1. 預測顯示出平板電視從CCFL背光到LED背光高速過渡

此外，更高能效的簡化電源設計也正在涌現(xiàn)。這些新設計不僅減小能量損耗，還提供比第一代LED背光液晶電視電源性價比更高的方案。圖2顯示了北美地區(qū)的電視能耗估計數(shù)值，其中顧及了由于屏幕尺寸增大及功能增多導致的能耗增加因素。如圖所示，新的“能源之星”將使此增長趨勢逆轉。如果功率半導體、轉換器拓撲結構及背光電路遵循舊的“能源之星”標準進行設計，2014年的總能耗將為2008年的2倍。在改進電源設計的情況下，我們估計2014年的總能耗將比2008年約低20%。假定一家500兆瓦(MW)火電廠相當于每年3太瓦時(TWh)的能耗，這就對經(jīng)濟及環(huán)境有極大影響。

圖2. 預計的屏幕尺寸及電視出貨量能能耗的影響

傳統(tǒng)電視電源

圖3顯示了當前LED背光液晶電視典型電源的原理。半橋諧振LLC轉換器產生24 V及12 V直流電壓軌，為音頻及處理器子系統(tǒng)等不同的電源域供電。LED的供電電壓源自經(jīng)過電壓轉換后得來的24 V直流供電電壓，此電壓也為電視音頻子系統(tǒng)供電。

圖3. 當前典型的液晶電視電源策略

LED背光陣列驅動電路中總計包含4條電源段；它們的累積能耗會將背光電源總能耗降至低于65%。與之類似的是，需要3條電源段來為音頻及處理子系統(tǒng)供電，假定每個電源段的能效為典型能效等級，總能效就約為70%。此圖中還包括傳統(tǒng)電視電源中常見的專用待機電源，此電源會進一步增加能量損耗及物料單(BOM)成本。

下一代電源設計

多種新的電源方案正在涌現(xiàn)，旨在幫助設計人員提升包括從24英寸至46英寸甚至更大尺寸的寬范圍標準屏幕尺寸LED背光電視的能效。某些關鍵創(chuàng)新充分利用提供高能效轉換及控制的新器件技術的優(yōu)勢，使電源設計人員能夠省去專用待機電源等電路，簡化或省去LED背光升壓轉換器，因而節(jié)省能耗及物料單成本。

26英寸屏幕大小級別的典型電視額定功率足夠低，不要求使用功率因數(shù)校正(PFC)。使用諸如安森美半導體NCP1236這樣控制器的單反激轉換器可以用于為背光及音頻和信號處理子系統(tǒng)供電?？梢詢H使用5 V和24 V輸出來為這些子系統(tǒng)供電。NCP1236能夠以5 V電壓、高達4 A電流為電視的信號處理電路供電，同時提供24 V電壓來驅動0WRMS/8Ω半橋音頻放大器及背光驅動器。此器件包含高壓啟動電路，可以用于不要求有源X2電容放電的成本敏感型應用。

對于小型背光陣列而言，升壓至約40 V的相對較低升壓電壓就足夠了，然后設計就能使用集成升壓轉換器和驅動器。

下一代設計中也正在消除傳統(tǒng)專用待機電源。取而代之的是使用像NCP4354/4這樣的次級端關閉模式控制器來檢測空載狀況，控制是否進入低能耗模式，并以更低的電壓為待機低壓降(LDO)穩(wěn)壓器供電。這種方法在結合使用NCP1246反激控制器時，將待機能耗降至低于75 mW，并將空載能耗降至低于30 mW；而NCP1246帶有內置自供電功能，支持在從待機模式喚醒時控制啟動電流。這兩款器件通過用于反饋網(wǎng)絡的同一個光耦來相互通信，因此不要求額外電路。此外，NCP1246包含專用關閉模式，如果需要的話，能與NCP4353/4一起使用，由NCP4353/4通知NCP1246進入休眠模式。這兩款器件結合在一起，能夠將空載輸入能耗降低至優(yōu)于10 mW的性能。NCP1246的另一項特性是有源X2電容放電功能，此功能在檢測到設備已從交流電源撥除后觸發(fā)電容放電。在許多消費類電子應用中，這是一種有效的安全特性。

對于要求較大背光陣列并因此要求更高LED供電電壓的37至42英寸電視而言，使用專用背光電源方法的能效會比提升較低直流電壓方法更高。諸如NCP1379這樣的準諧振控制器為像CAT4024這樣的一系列線性LED驅動器供電是一種有效的方案，使輸出電壓變化能夠跟隨LED因老化及發(fā)熱而產生的要求。不帶PFC的反激電源能夠支持從90至264 Vac的寬輸入電源電壓范圍。

最后，在更高功率的應用中，如屏幕尺寸高達46英寸的現(xiàn)有應用通常要求的95至120 W電源中，要求使用PFC。安森美半導體的NCP1611 PFC控制器采用電流控制頻率反走(CCFF)模式工作。在大電流時，它工作在標準臨界導電模式(CrM)，能夠減小 變壓器次級線圈的尺寸，并提供跟隨升壓特性，增強音頻/處理及背光電源轉換器的輸出能力。在輕載時，定時器啟用，根據(jù)電流需求控制下一個開關周期開始前的死區(qū)時間。與CrM模式不同的是，在負載下降時，開關頻率也下降，進而減小開關損耗。開關頻率可以鉗位至約高于20 kHz，消除CrM設計中通?？梢月牭降目陕犜肼暋＿@兩種模式結合在一起，在輕載時提升能效約10%，是一種更優(yōu)的設計。

圖4顯示的是結合這些增強特性的簡化電源設計的示意圖。使用NCP1379及CAT4204的專用背光電源替代LED升壓轉換器，沒有單獨待機電源，而NCP1236/46同時為音頻及處理子系統(tǒng)供電。如果要求的話，可以增加NCP1611 PFC控制器。最終設計的能效更高，因此省去了多段式電源轉換，且因省去一些元器件而使尺寸更小。這種方法支持以類似的電源方案更快地開發(fā)更強固的設計，同時配合寬范圍的電視屏幕尺寸及功率要求。

圖4. 節(jié)省轉換能耗及元器件成本的通用電源設計

結論

當今的平板電視提供惹人注目的纖薄型設計及更佳的用戶體驗，獲得了電視擁有者的重視及頻繁觀看，但也增加了降低能耗及提升能效的顧慮。新的“能源之星”標準更加注重電視的工作能耗，根據(jù)屏幕尺寸來限制工作能耗。采用高能效拓撲結構及控制器的更簡單的優(yōu)化電源架構可以幫助設計人員符合這些需求，而且成本具有競爭力。