中大尺寸液晶电视AC-DC电源架构及最新LED背光方案
2012-10-24 11:56:55
来源：《半导体器件应用》2010年5月刊
1 前言
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2亿台。
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78W、115W和210W下降到不超过55W、81W和108W，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。
2 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24V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，总体上呈现并存的态势。采用标准24V逆变器的传统液晶电视在接受110/220Vac市电输入后，经过整流、PFC及滤波，转换为200/400Vdc的直流高压。由于传统高压逆变器的输入电压要求是24Vdc，故PFC的输出电压200/400Vdc会经过降压转换，产生多路输出电压，其中一路24Vdc电压提供给高压逆变器，再经过DC-AC转换为超过1，000V甚至达2，000V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220W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24V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200/400Vdc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1，000Vac甚至达2，000Vac的高压，这就消除了24V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。
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；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。该完整液晶电视LIPS电源参考设计功能框图见图2。
值得一提的是， 这参考设计架构具有高度的灵活性，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。
3 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13mm，液晶电视总高度低于17.5mm；后续第二阶段还将使电路板高度降到低于8mm，总高度低于12.5mm。
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300W功率应用，同时也提供140Vac至264Vac的窄电压范围版本，用于功率大于200W及注重纤薄设计的应用。
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70W（32英寸设计为50W），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4A。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50kHz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5W的小型心用待机电视微处理器，提供低于90mW的极低待机能耗。该器件带磁滞模式，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230Vac条件下空载输入能耗低于20mW。
4 46英寸液晶电视参考电源背光方案
上述46英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NCP5111及Microsemi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24V逆变器方案，为CCFL背光供电。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46英寸LIPS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能效及减小全桥500V功率MOSFET的尺寸，且在修改高压变压器设计条件下，电路板高度低于13mm，从而支持低厚度设计。
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%的能效，在市场上备受欢迎。而在46英寸电源参考的侧光式LED背光单元方面，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8mm，总高度低于12.5mm），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；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。相比较而言，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个通道（相应采用2个或3个控制器），是一种高性价比的方案，目标能效高于90%，典型能效达94%。此外，这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。
5 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英寸并可扩展支持26英寸到42英寸的传统及高压LIPS液晶电视的电源参考设计、适合任何背光类型的46英寸并可扩展到40英寸到55英寸应用的电源参考设计，以及46英寸侧光式LED背光电源方案。这些参考设计具有高能效、高灵活性等优势，适合纤薄及超薄液晶电视设计，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%20-%20AC-DC%20LCD%20TV%20Power%20Architecture%20-%20bilingual.rev1.pdf，安森美半导体
[2]《180W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
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2亿台。
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78W、115W和210W下降到不超过55W、81W和108W，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。
2 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24V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，总体上呈现并存的态势。采用标准24V逆变器的传统液晶电视在接受110/220Vac市电输入后，经过整流、PFC及滤波，转换为200/400Vdc的直流高压。由于传统高压逆变器的输入电压要求是24Vdc，故PFC的输出电压200/400Vdc会经过降压转换，产生多路输出电压，其中一路24Vdc电压提供给高压逆变器，再经过DC-AC转换为超过1，000V甚至达2，000V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220W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24V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200/400Vdc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1，000Vac甚至达2，000Vac的高压，这就消除了24V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。
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；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。该完整液晶电视LIPS电源参考设计功能框图见图2。
值得一提的是， 这参考设计架构具有高度的灵活性，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。
3 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13mm，液晶电视总高度低于17.5mm；后续第二阶段还将使电路板高度降到低于8mm，总高度低于12.5mm。
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300W功率应用，同时也提供140Vac至264Vac的窄电压范围版本，用于功率大于200W及注重纤薄设计的应用。
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70W（32英寸设计为50W），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4A。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50kHz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5W的小型心用待机电视微处理器，提供低于90mW的极低待机能耗。该器件带磁滞模式，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230Vac条件下空载输入能耗低于20mW。
4 46英寸液晶电视参考电源背光方案
上述46英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NCP5111及Microsemi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24V逆变器方案，为CCFL背光供电。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46英寸LIPS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能效及减小全桥500V功率MOSFET的尺寸，且在修改高压变压器设计条件下，电路板高度低于13mm，从而支持低厚度设计。
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%的能效，在市场上备受欢迎。而在46英寸电源参考的侧光式LED背光单元方面，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8mm，总高度低于12.5mm），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；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。相比较而言，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个通道（相应采用2个或3个控制器），是一种高性价比的方案，目标能效高于90%，典型能效达94%。此外，这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。
5 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英寸并可扩展支持26英寸到42英寸的传统及高压LIPS液晶电视的电源参考设计、适合任何背光类型的46英寸并可扩展到40英寸到55英寸应用的电源参考设计，以及46英寸侧光式LED背光电源方案。这些参考设计具有高能效、高灵活性等优势，适合纤薄及超薄液晶电视设计，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_
[2]《180W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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