液晶电视电源的最新发展趋势探析
2009-02-04 09:55:41
来源：《半导体器件应用》2009年1-2月刊
凭借着大屏幕、低厚度和高清晰等众多优势，液晶电视（LCD TV）在市场上的渗透率快速提升，有市场研究预计，2009年液晶电视的总体市场占有率将达到50%。而随着屏幕尺寸不断突破，液晶电视的功率也水涨船高。较高的功率消耗会直接增加消费者的电费开支，并与节能环保的趋势相背离。因此，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。
LIPS解决方案取代传统液晶电视电源
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1所示。
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。值得一提的是，在各种尺寸的液晶电视型号中，大于26英寸特别是32英寸及更大尺寸的液晶电视在市场中占据主导地位。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 Power Supply，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/400 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。
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2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NCP1606 PFC控制器，以及充当辅助开关电源的NCP1351 PWM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。
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20 mm），支持更纤薄液晶电视设计。
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。
针对输出电流需求对音视频信号处理电源采用不同的稳压器配置
对于音视频信号处理而言，输入电压通常为+5V或+12V，在稳压器或控制器的配置方面，可以根据输出电流要求来配置。通常而言，低压降稳压器（LDO）用于较低的输出电流，范围一般在0.1至1.5A之间；而大电流LDO、偏置输入LDO控制器和集成降压转换器用于提供1.5A至5A的输出电流。在更大电流方面，可以采用带外部开关和同步整流器的同步降压控制器来提供大于5A的电流输出。安森美半导体提供一系列的高性能LDO稳压器，如NCP699/633、NCP5500/5501、NCP3334/3335A、NCP5661/5662/5663、NCP605/606和NCP3520/3521等。
从发展趋势来看，随着更多音视频处理方面的芯片组的集成度越来越高，单颗IC可能需要多个输出电压（如3.3V I/O和1.25V内核所需），使得线性方案（LDO）的选择正在增加。另外，由于电路板尺寸趋向更小，使其能够分配给LDO功率耗散的板空间减小，相应地，可以采用DFN封装的LDO来提高功率密度，而集成MOSFET和LDO控制器可以帮助减小PCB占用面积。
另一方面，为了提升电源转换效率及支持大电流操作和异相操作，一些输出需要从LDO转换为开关稳压器。开关稳压器和控制器正趋向采用更高开关频率，如从50kHz向150kHz、350kHz、500kHz乃至700kHz方向发展，从而允许减小外部电感和电容的尺寸，方便制造体积更纤薄的液晶电视。且为了帮助减小系统尺寸及降低成本，开关稳压器趋向于集成多路输出，如双路稳压器等。此外，某些电压输入端上的电流要求越来越高，甚至大于5A，这就催生了具有更大电流能力的集成开关稳压器，以及开关频率更高的分立控制器+场效应管（FET）组合，并促进同步整流技术的应用。
安森美半导体的NCP312x系列双路2A/2A和3A开关稳压器非常适合液晶电视信号处理板上的+5V或+12V输入端应用，它们的频率可在200kHz至750kHz范围之间调节，提供0.8V±1%的电压参考，并且支持180°异相操作，且用户可对自动追踪和排序功能进行控制。
采用新颖PFC架构支持超薄液晶电视设计
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3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。
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
LIPS解决方案取代传统液晶电视电源
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1所示。
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。值得一提的是，在各种尺寸的液晶电视型号中，大于26英寸特别是32英寸及更大尺寸的液晶电视在市场中占据主导地位。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 Power Supply，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/400 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。
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2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NCP1606 PFC控制器，以及充当辅助开关电源的NCP1351 PWM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。
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20 mm），支持更纤薄液晶电视设计。
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。
针对输出电流需求对音视频信号处理电源采用不同的稳压器配置
对于音视频信号处理而言，输入电压通常为+5V或+12V，在稳压器或控制器的配置方面，可以根据输出电流要求来配置。通常而言，低压降稳压器（LDO）用于较低的输出电流，范围一般在0.1至1.5A之间；而大电流LDO、偏置输入LDO控制器和集成降压转换器用于提供1.5A至5A的输出电流。在更大电流方面，可以采用带外部开关和同步整流器的同步降压控制器来提供大于5A的电流输出。安森美半导体提供一系列的高性能LDO稳压器，如NCP699/633、NCP5500/5501、NCP3334/3335A、NCP5661/5662/5663、NCP605/606和NCP3520/3521等。
从发展趋势来看，随着更多音视频处理方面的芯片组的集成度越来越高，单颗IC可能需要多个输出电压（如3.3V I/O和1.25V内核所需），使得线性方案（LDO）的选择正在增加。另外，由于电路板尺寸趋向更小，使其能够分配给LDO功率耗散的板空间减小，相应地，可以采用DFN封装的LDO来提高功率密度，而集成MOSFET和LDO控制器可以帮助减小PCB占用面积。
另一方面，为了提升电源转换效率及支持大电流操作和异相操作，一些输出需要从LDO转换为开关稳压器。开关稳压器和控制器正趋向采用更高开关频率，如从50kHz向150kHz、350kHz、500kHz乃至700kHz方向发展，从而允许减小外部电感和电容的尺寸，方便制造体积更纤薄的液晶电视。且为了帮助减小系统尺寸及降低成本，开关稳压器趋向于集成多路输出，如双路稳压器等。此外，某些电压输入端上的电流要求越来越高，甚至大于5A，这就催生了具有更大电流能力的集成开关稳压器，以及开关频率更高的分立控制器+场效应管（FET）组合，并促进同步整流技术的应用。
安森美半导体的NCP312x系列双路2A/2A和3A开关稳压器非常适合液晶电视信号处理板上的+5V或+12V输入端应用，它们的频率可在200kHz至750kHz范围之间调节，提供0.8V±1%的电压参考，并且支持180°异相操作，且用户可对自动追踪和排序功能进行控制。
采用新颖PFC架构支持超薄液晶电视设计
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3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。
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
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