英飛凌面向液晶電視SMPS的整體解決方案

　　1 摘要

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的陰極射線管電視，液晶電視憑借其高清晰度、大屏幕尺寸和超薄面板等優(yōu)勢，已被越來越多的用戶所接受和喜愛。而液晶電視的電源設(shè)計(jì)者則在設(shè)計(jì)方面至少面臨4大挑戰(zhàn)：高能效、高功率密度、低EMI輻射和低成本。此外，整個(gè)系統(tǒng)在待機(jī)模式下的功耗應(yīng)保持在1.0W以下（負(fù)載0.5W）。另外值得一提的是，由于對(duì)不同尺寸屏幕的液晶電視的功率等級(jí)、能效和成本敏感度的要求不同，設(shè)計(jì)者應(yīng)相應(yīng)地選用不同的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。英飛凌擁有眾多AC/DC IC產(chǎn)品，包括8引腳半橋LLC控制器ICE1HS01G、準(zhǔn)諧振反激式控制器ICE2QS0X、準(zhǔn)諧振CoolSETICE2QRXX65 （集成式功率IC）、CoolSETF3R 系列、DCM PFC 控制器 TDA4863-2和CCM PFC控制器ICE2PCS0X，可幫助電源設(shè)計(jì)者輕松滿足所有這些嚴(yán)格的要求。本文將簡要介紹這些產(chǎn)品的特性和設(shè)計(jì)指南。

　　2.液晶電視電源典型架構(gòu)

　　
圖1. 32英寸液晶電視面板（后視圖）

　　　　圖1為一個(gè)典型的32英寸液晶電視面板，其背面安裝有三個(gè)電路板，分別為電源單元、低壓逆變器以及聲音與圖像控制電路板。電源單元電路板用于將交流輸入電壓（85Vac~265Vac）轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓（24V/12V/5V/3.3V），這些較低的直流輸出電壓為背光、音頻與信號(hào)處理等各種系統(tǒng)供電。輸入功率因數(shù)校正（PFC）也由電源單元完成；低壓逆變器電路板用于將低直流輸入電壓（24V或12V）轉(zhuǎn)換成高交流輸出電壓（1200Vac@50kHz），用于驅(qū)動(dòng)CCFL背光燈；聲音與圖像控制電路板用于控制和處理聲音與圖像信號(hào)，另外還負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)。

　　圖2 液晶電視傳統(tǒng)電源系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖2 概括介紹了液晶電視傳統(tǒng)電源系統(tǒng)構(gòu)架，包含一個(gè)電源單元和一個(gè)獨(dú)立的DC/AC逆變器。

　　由于輸入功率常常高于75W，因此經(jīng)常需要使用前端PFC級(jí)。后續(xù)兩級(jí)為主DC/DC級(jí)和待機(jī)功率級(jí)。

　　主DC/DC級(jí)用于為背光逆變器、系統(tǒng)電路板和音頻系統(tǒng)供電。當(dāng)功率額定值小于200W時(shí)，由于能夠更好地在性能和成本之間取得平衡，建議在DC/DC級(jí)采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)?。若功率額定值超過200W，可使用LLC諧振轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗邆涓映錾男屎虴MI性能。

　　待機(jī)級(jí)用于提供待機(jī)部件和微控制器所需的電源。開關(guān)集成式反激式電源往往是設(shè)計(jì)者的首選解決方案。

　　DC/AC逆變器是一個(gè)獨(dú)立的單元，負(fù)責(zé)將24V（12V）直流電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓（例如1200Vac），為背光燈供電。

　　3 液晶電視功率等級(jí)要求

　　在家用電器設(shè)備中，電視機(jī)的耗電量較大。根據(jù)電視機(jī)能源之星3.0規(guī)定，需要實(shí)現(xiàn)1W的待機(jī)輸入功率。

　　此外，還對(duì)主動(dòng)模式下的效率提出了要求。為了符合能源之星計(jì)劃的要求，電視機(jī)不得超過表1中根據(jù)原生垂直分辨率和可視屏幕尺寸計(jì)算得出的最大開機(jī)功耗。

　　表1. 電視機(jī)開機(jī)功率水平要求

　　表2. 不同尺寸電視機(jī)的開機(jī)功率要求

　　　例如，根據(jù)IEC 62087標(biāo)準(zhǔn)（“聲頻、視頻和相關(guān)設(shè)備功率消耗量的測量方法”）進(jìn)行測試時(shí)，一臺(tái)32英寸高清電視功耗不得超過120W，一臺(tái)42英寸高清電視功耗不得超過208W。

　　實(shí)際上，市場上現(xiàn)有的多數(shù)液晶電視都無法滿足表2所列的功率要求。主要解決方案之一是進(jìn)一步提高現(xiàn)有液晶電視的電源效率。

　　4 液晶電視電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　液晶電視的電源單元厚度需要比陰極射線管電視的電源薄很多。液晶電視采用的標(biāo)準(zhǔn)電源單元的厚度通常需要低于25mm。超薄型液晶電視甚至需要電源單元的厚度低于13mm。

　　液晶電視的電源單元功率密度遠(yuǎn)高于陰極射線管電視的電源單元的功率密度。

　　需要實(shí)現(xiàn)更高的能效不僅是由于相關(guān)計(jì)劃對(duì)能效的要求越來越嚴(yán)格，而且也是因?yàn)槿鄙俑纳茻岘h(huán)境的風(fēng)扇。

　　如圖1所示，液晶電視的聲音與圖像控制電路板、電源單元和屏幕面板相互緊靠，因此，毫無疑問需要較低的EMI輻射，否則聲音與圖像質(zhì)量可能會(huì)受到影響。

　　液晶電視被看作是消費(fèi)類電子設(shè)備，因此成本始終是關(guān)鍵要素。液晶電視電源設(shè)計(jì)者時(shí)刻面臨這種挑戰(zhàn)。

　　5 液晶電視電源設(shè)計(jì)趨勢

　　5.1 液晶電視集成電源（LIPS）解決方案

　　圖2已經(jīng)簡要介紹了液晶電視的傳統(tǒng)電源系統(tǒng)架構(gòu)。電源單元是個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器，而DC/AC逆變器部分則被單獨(dú)隔離開來。這個(gè)電源系統(tǒng)主要由三個(gè)系統(tǒng)塊構(gòu)成：首先是前端PFC預(yù)調(diào)節(jié)器；第二個(gè)是DC/DC級(jí)，負(fù)責(zé)將400V PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換成24V（12V）。第三個(gè)是DC/AC逆變器，負(fù)責(zé)將24V（12V）電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓（如1200Vac），為背光燈供電。

　　圖3. 液晶電視集成電源解決方案

　　　　圖3所示的LIPS解決方案省去了圖2中所示的DC/DC級(jí)（400V/24V），400V PFC輸出電壓直接饋入后面的DC/AC逆變器，而且PFC級(jí)和DC/AC逆變器被集成在一個(gè)電源單元里面。LIPS方案中的DC/DC（400V/20V、12V、5V、3.3V）級(jí)的功率額定值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在傳統(tǒng)液晶電視電源中的功率額定值。

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的電源解決方案，LIPS解決方案的DC/AC逆變器由于具備更高的輸入直流電壓，因此能實(shí)現(xiàn)更高的能效；同時(shí)，DC/DC級(jí)的功率損耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在傳統(tǒng)解決方案中的功率損耗。因此，LIPS解決方案可實(shí)現(xiàn)更高的總能效。另外，由于減少了組件數(shù)量，因此降低了尺寸和成本（高達(dá)30%）。

　　盡管如此，LIPS解決方案依然面臨幾個(gè)障礙：

　　液晶電視面板供應(yīng)商通常將面板的銷售與逆變器電路板捆綁起來。因此，在這種情況下，面板供應(yīng)商便成了逆變器架構(gòu)決策者。SMPS廠商如果想開發(fā)LIPS解決方案，必須要按照面板供應(yīng)商提供的規(guī)范設(shè)計(jì)逆變器。此外，必須重新調(diào)整電視機(jī)市場以往的價(jià)值鏈，電視機(jī)面板供應(yīng)商不會(huì)輕易將他們的利潤與電源供應(yīng)商分享；

　　目前存在一些有關(guān)背光燈電流平衡電路的專利，電源供應(yīng)商必須與專利所有者協(xié)商，解決專利問題；

　　不同的面板型號(hào)對(duì)逆變器有不同的要求，因此電源供應(yīng)商必須采用不同逆變器規(guī)范設(shè)計(jì)LIPS電源，這大大增加了產(chǎn)品所需的研發(fā)成本。

　　盡管LIPS面臨上述的幾個(gè)障礙，但由于具備較低的成本、簡單的結(jié)構(gòu)和更高的能效，LIPS解決方案依然成為了液晶電視電源的主要發(fā)展趨勢。如今，LIPS解決方案正逐漸被越來越多的領(lǐng)先電源廠商和液晶電視廠商（例如三星、索尼、LG等）所采用。這些廠商有能力采購到LCD面板（不帶逆變器電路板），所以他們?cè)跊Q定采用什么電源架構(gòu)上具備了較高的決定權(quán)。在某些地區(qū)，例如在韓國，LIPS被相信將在今后若干年內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　圖3所示的LIPS解決方案和圖2所示的傳統(tǒng)解決方案相比，對(duì)原DC/DC級(jí)的輸出功率要求大大降低；因此，可建議采用準(zhǔn)諧振或固定頻率反激式拓?fù)洌糜趫?zhí)行DC/DC級(jí)功能，獲得較高的性能價(jià)格比。

　　5.2 待機(jī)輸入功率要求

　　如今，待機(jī)性能正日益成為液晶電視電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。

　　通常情況下，多數(shù)液晶電視廠商可完全接受100mW 的待機(jī)輸入功率。此外，在一些典型的輕負(fù)載條件下也對(duì)輸入功率提出了要求，例如當(dāng)5V輸出電壓產(chǎn)生20mA電流時(shí)，輸入功率應(yīng)低于0.3W。

　　為了滿足日益嚴(yán)格的待機(jī)功率要求，LIPS解決方案中多路輸出轉(zhuǎn)換器（multi converter）和待機(jī)轉(zhuǎn)換器（standby）可通過兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，例如多路輸出轉(zhuǎn)換器采用固定頻率或準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)?，而另一個(gè)固定頻率反激式拓?fù)鋭t用于實(shí)現(xiàn)待機(jī)轉(zhuǎn)換器。

　　5.3 液晶電視功率要求

　　如今，消費(fèi)者都越來越關(guān)注能源成本的飛速上漲。領(lǐng)先的液晶電視廠商也在持續(xù)不斷地開發(fā)全新技術(shù)，進(jìn)一步降低電視的總功率，同時(shí)確保電視圖像質(zhì)量與音質(zhì)不受影響。

　　例如，液晶電視領(lǐng)先廠商索尼推出了全新的“BRAVIA” JE1系列（KDL-32JE1）。該系列產(chǎn)品具備業(yè)界32英寸數(shù)字液晶電視最高的能效。通過改善背光燈光發(fā)射效率和光學(xué)膜的光傳導(dǎo)效率，索尼實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)先業(yè)界的能效，年功耗僅為86千瓦小時(shí)（這意味著平均功耗僅為53W），最大功耗不到89W。

　　因此，建議采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)浯鍸LC，用于傳遞電源功率，原因是它能夠在性能與成本之間取得更好的平衡。

　　5.4 LED背光

　　盡管CCFL作為背光源已經(jīng)為電視產(chǎn)品服務(wù)了數(shù)十年，但LED等全新技術(shù)已向CCFL的主導(dǎo)地位發(fā)起挑戰(zhàn)。實(shí)際上，幾家領(lǐng)先的液晶電視廠商已經(jīng)推出采用LED背光燈的液晶電視。LED背光燈相對(duì)于CCFL背光燈的優(yōu)勢概括如下：

　　LED背光可調(diào)節(jié)亮度，改善黑電平（通過降低亮度），因此可提高整體對(duì)比度。這相對(duì)于原來的強(qiáng)制性方法是一種更加高效的方法。LCD面板供應(yīng)商原來只能通過提高整體亮度來提升對(duì)比度。

　　LED具備更寬的色域，達(dá)到超過100%的NTSC色域值，而CCFL僅能達(dá)到92%（最新進(jìn)展）或 72%（傳統(tǒng)）。

　　LED液晶電視使用壽命是典型CCFL液晶電視使用壽命的兩倍。CCFL的亮度會(huì)慢慢退化，使用壽命約為50，000小時(shí)。而LED在50，000小時(shí)的使用周期內(nèi)亮度幾乎不變，超過100，000小時(shí)后，亮度減半。

　　圖4. LED背光液晶電視的電源系統(tǒng)架構(gòu)

　　　如圖4所示，從CCFL到LED的變化不會(huì)對(duì)液晶電視的電源設(shè)計(jì)造成太大影響。LLC諧振轉(zhuǎn)換器可用于執(zhí)行主DC/DC功率級(jí)的功能，為LED驅(qū)動(dòng)器電路、音頻系統(tǒng)和系統(tǒng)電路板供電。同樣，微控制器和待機(jī)部件也需要一個(gè)額外的DC/DC級(jí)供電。此外，該DC/DC級(jí)也可用來為音頻系統(tǒng)和系統(tǒng)電路板供電。

英飛凌面向液晶電視電源產(chǎn)品及解決方案#e#

　　6 英飛凌面向液晶電視電源的產(chǎn)品及解決方案

　　針對(duì)圖2所示的典型架構(gòu)，英飛凌可提供整體解決方案（如圖5和圖6所示），包括PFC控制器（DCM PFC TDA4863-2和CCM PFC ICE2PCS0X）、LLC 諧振控制器（8個(gè)引腳LLC ICE1HS01G）、準(zhǔn)諧振反激式控制器（ICE2QS02G和ICE2QS03G）、固定頻率反激式控制器（如ICE3BS03LJG）、準(zhǔn)諧振CoolSET®（如ICE2QR0665）和固定頻率CoolSET®（如ICE3BR4765）。這些產(chǎn)品可幫助客戶輕而易舉地獲得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高能效解決方案，輕松滿足上述日益嚴(yán)格的要求。

　　針對(duì)圖3所示的LIPS解決方案，英飛凌也可為客戶提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)支持：固定頻率CoolSETF3R（如ICE3BR1065JF、ICE3BR2565JF）可用于實(shí)現(xiàn)多路輸出轉(zhuǎn)換器和待機(jī)轉(zhuǎn)換器功能。

　　下面簡要介紹上述AC/DC IC產(chǎn)品，如欲了解更多信息，敬請(qǐng)參考www.infineon.com網(wǎng)站的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。

　　圖5. 中低額定功率液晶電視電源架構(gòu)

　　圖 6. 中高額定功率液晶電視電源架構(gòu)

　　6.1 PFC控制器

　　具備8個(gè)引腳的DCM PFC IC TDA4863-2采用不連續(xù)導(dǎo)通模式，可控制峰值電流。TDA4863-2控制一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，從單相電源獲得正弦電流，然后在輸出端提供穩(wěn)定的直流電壓。這種電路作為諧波濾波器，可限制電容器在傳統(tǒng)電容性輸入整流器電路整流過程中的脈沖充電電流所產(chǎn)生的諧波電流。功率因數(shù)幾乎為1，因此，線電壓波動(dòng)可高效地得到補(bǔ)償。這種IC也可對(duì)線電壓可能存在的變化進(jìn)行補(bǔ)償，具備多種保護(hù)特性。

　　具備8個(gè)引腳的CCM PFC IC ICE2PCS0X 系列是適用于有源PFC轉(zhuǎn)換器的寬輸入范圍控制器IC。它針對(duì)采用升壓拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，只需少數(shù)外部組件。建議采用外置輔助電源為控制器IC供電。在平均電流控制條件下，這種IC采用連續(xù)導(dǎo)通模式，在輕載條件下，采用不連續(xù)導(dǎo)通模式。通過外部實(shí)現(xiàn)電流和電壓環(huán)路補(bǔ)償，使用戶能夠全面控制。這種IC具備多種保護(hù)特性，可確保安全的系統(tǒng)運(yùn)行條件。ICE2PCS0X可滿足具備最少外設(shè)組件的PFC應(yīng)用的所有要求。它具備更寬的電源電壓范圍、改進(jìn)的內(nèi)置振蕩器和額外的大容量電容器直接過壓保護(hù)，這提高了設(shè)計(jì)性能和靈活性。

　　6.2 LLC 諧振控制器

　　ICE1HS01G是英飛凌科技最新開發(fā)的8引腳LLC控制器。ICE1HS01G經(jīng)過精心數(shù)字化設(shè)計(jì)，適用于液晶/等離子電視、AC/DC適配器和音響系統(tǒng)中開關(guān)電源的應(yīng)用。ICE1HS01G具備半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器所需的全部保護(hù)特性。ICE1HS01G允許設(shè)計(jì)者利用外置電阻對(duì)振蕩器進(jìn)行設(shè)置，從而選擇適宜的工作頻率范圍。另外還提供可限制輸入沖擊電流和輸出電壓過沖的可編程軟啟動(dòng)功能。此外，ICE1HS01G具備了半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器所必需的全部保護(hù)功能。所有這些使ICE1HS01G成為市場上半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的理想產(chǎn)品。

　　6.3 準(zhǔn)諧振控制器與準(zhǔn)諧振CoolSET®

　　ICE2QS02G 是由英飛凌科技開發(fā)的準(zhǔn)諧振控制器IC，主要適用于具備輔助待機(jī)供電電源的電源系統(tǒng)，例如液晶電視、家用音響設(shè)備或打印機(jī)設(shè)備的電源。這顆IC所需的電源電壓由另外的輔助電源提供。ICE2QS02G擁有數(shù)字降頻技術(shù)，該數(shù)字降頻技術(shù)使得開關(guān)頻率隨著負(fù)載的降低而降低，并同時(shí)確保在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)Mosfet谷底開通。因此，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，相對(duì)于僅具備最大頻率限制的傳統(tǒng)的自由運(yùn)行準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器而言，其系統(tǒng)平均效率可得到大幅提高。此外，ICE2QS02G還具備多種用戶可調(diào)的保護(hù)功能，旨在保護(hù)系統(tǒng)并使得該IC適用不同的應(yīng)用場合。在故障模式下，例如開環(huán)控制回路/過載、輸出過壓和變壓器繞組短路等，該器件將切換至自動(dòng)重啟模式或栓鎖（latch-off）模式。通過采用逐周期峰值電流限制和折返校正等方法，可降低變壓器尺寸，優(yōu)化次級(jí)二極管的電流等級(jí)，從而提高設(shè)計(jì)的成本效率。

　　ICE2QS03G 是由英飛凌科技開發(fā)的另一款準(zhǔn)諧振控制器IC，主要適用于筆記本、上網(wǎng)本和打印機(jī)適配器應(yīng)用。與ICE2QS02G相同，這種系統(tǒng)得益于數(shù)字降頻技術(shù)可大幅提升平均效率。內(nèi)置的啟動(dòng)單元和主動(dòng)突發(fā)模式運(yùn)行可帶來超低的待機(jī)功耗和較小、可控的輸出電壓紋波?；贐iCMOS工藝，該產(chǎn)品具備較寬的IC電源工作電壓范圍（高達(dá)26V）和較低的功耗。與ICE2QS02G相同，多種保護(hù)功能能夠在出現(xiàn)故障的條件下為電源系統(tǒng)提供全面的保護(hù)。

　　CoolSET®-Q1 系列ICE2QRxx65 是英飛凌推出的第一代準(zhǔn)諧振集成式電源IC。例如，采用DIP 8封裝的ICE2QR0665是一款準(zhǔn)諧振CoolSET®，包含準(zhǔn)諧振控制器ICE2QS03G和650V CoolMOS®。ICE2QR0665的目標(biāo)應(yīng)用是機(jī)頂盒、便攜式游戲控制器、DVD播放器、上網(wǎng)本適配器和液晶電視的輔助電源等。由于集成了CoolMOS，該IC可大大簡化PCB的設(shè)計(jì)與版圖。在通用交流線路輸入條件下，ICE2QR0665具備高達(dá)40W的輸出功率。

　　6.4 固定頻率CoolSET

　　英飛凌已經(jīng)推出一系列固定頻率CoolSET®，它包含固定頻率反激式控制器和650V CoolMOS®。在這些CoolSET產(chǎn)品中，CoolSET®-F3R FullPak （如ICE3BR1065JF、ICE3BR2565JF）是一款新開發(fā)的產(chǎn)品，目標(biāo)應(yīng)用是液晶電視、DVD刻錄機(jī)、DVD Combi和機(jī)頂盒等產(chǎn)品中的離線適配器和高功率范圍SMPS。如果采用液晶電視LIPS解決方案，CoolSET®-F3R FullPak適用于多路輸出轉(zhuǎn)換器和待機(jī)轉(zhuǎn)換器相集成的應(yīng)用場合。因此，相對(duì)于分立式解決方案，這可有效減少PCB占位空間和組件數(shù)量。此外，由于具備主動(dòng)突發(fā)模式優(yōu)點(diǎn)，它在無負(fù)載和輸入電壓為270Vac的條件下可滿足最低待機(jī)功率要求（《100mW）。當(dāng)需要進(jìn)行過溫、過壓、開環(huán)和過載保護(hù)時(shí)，它會(huì)進(jìn)入自動(dòng)重啟模式。另外，內(nèi)置的頻率抖動(dòng)功能可有效地降低EMI噪聲，進(jìn)一步縮小輸入濾波器尺寸。

　　7 結(jié)論

　　如今，液晶電視已經(jīng)占據(jù)市場主導(dǎo)地位。液晶電視用開關(guān)電源面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)不同于傳統(tǒng)的陰極射線管電視，需要始終關(guān)注更高的能效、更低的EMI輻射和越來越薄的尺寸。作為一種消費(fèi)電子產(chǎn)品，成本仍然是決定液晶電視成敗的關(guān)鍵要素。此外，還應(yīng)根據(jù)不同的功率額定值、能效、成本和電視尺寸等需求，選用不同的電源架構(gòu)。

　　面對(duì)如此多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，英飛凌豐富的AC/DC IC產(chǎn)品將會(huì)為液晶電視電源設(shè)計(jì)者帶來眾多益處，幫助他們輕松滿足日益嚴(yán)格的相關(guān)要求。