安森美半导体绿色节能技术造就高能效液晶电视
2009-09-03
作者:安森美半导体
摘 要: 阐述了绿色节能规范为液晶电视制造商带来的挑战,分析了安森美半导体液晶电视电源管理解决方案,给出了其架构组成及工作原理,并分析了其应用优势。
关键词: 液晶电视;电源;节能;LIPS;LCD TV
液晶电视(LCD TV)凭借其大屏幕、低厚度和高清晰等众多优势得以在市场上普及,其中尤以32/37英寸液晶电视所占份额最大,而随着面板成本的大幅下降,42/47英寸液晶电视的份额也在不断攀升。
从消费者的使用习惯来说,相当一部分的消费者会在不观看电视时仍将电源插头插在墙式插座上,也就使电视长期处于待机状态。亿万家庭在这方面无谓消耗的电能总量相当可观。因此待机能耗成为各国政府及节能机构关注的重点。众多志愿性及规范机构的标准着眼于如何降低电视机的待机能耗,如美国1 W待机总统令、欧盟行为准则(1 W,配备机顶盒时3 W)、中国中标认证中心(3 W)等。
另一方面,由于液晶电视尺寸越来越大,工作时的能耗相当可观。因此规范机构也越来越关注包括液晶电视在内的平板电视的工作能耗,例如美国环保署(EPA)发布的“能源之星”3.0版电视规范中就规定了非高清及高清电视(HDTV)的工作能耗要求,如表1、表2所示。此外,对于输入功率大于75 W的液晶电视而言,还面临着IEC61000-3-2规范对于谐波减少的要求。
基于上述原因,液晶电视制造商需要采用更高能效的电源使其产品更加绿色环保,以增加产品市场卖点,增强对消费者的吸引力。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商,为了配合客户需求,通过系统途径,采用架构创新,使用更节能的技术(例如跳周期等),帮助提高液晶电视能效、降低待机能耗,并改善功率因数。
标准逆变器电源架构的降耗之道
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)转换以及将低压直流转变为高压交流(DC-AC)的逆变器几个部分。AC-DC和DC-DC位于同一块电路板,而高压逆变器位于独立电路板,通常与液晶面板一起提供。其中,在AC-DC电源部分,市电AC 110/220 V电压经过整流、功率因数校正(PFC)和滤波,转换为DC 200/400 V的直流高压。由于传统高压逆变器的输入电压要求为DC 24 V,所以PFC的输出电压DC 200/400 V经过降压转换,产生多路的输出电压,其中一路DC 24 V电压提供给高压逆变器,即再经过DC-AC转换为超过1 000 V甚至达2 000 V的高压,以驱动液晶面板的冷阴极荧光灯(CCFL)阵列。这种标准24 V逆变器液晶电视开关电源的功能框图如图1所示。
安森美半导体提供丰富的硅器件,帮助提升液晶电视电源转换能效并降低待机能耗。例如,在常见的32英寸液晶电视的功率因数校正(PFC)段中,可采用安森美半导体的NCP1606临界导电模式(CrM)PFC控制器,以改善功率因数,使之符合IEC61000-3-2谐波减少要求。该器件无需输入电压感测即可提供极高的功率因数;支持优化待机能耗。器件在待机时处于关闭状态,以降低待机能耗;其启动电流极低(<40 μA),因此在系统启动时大多数电流都会用于给VCC电容充电,快速达到启动电平;此外,该器件还提供可编程的过压保护(OVP)阈值,而NCP1606B提供较低的OVP阈值,进一步降低应用的待机能耗。
而在主开关电源段,可以采用NCP1392、NCP1396等半桥双电感加单电容(HB LLC)谐振转换器。HB LLC的拓扑结构可帮助提升电源能效并降低电磁干扰(EMI)。这种拓扑结构相对于传统结构的优势在于:
(1)输入电压范围及负载范围更宽;
(2)初级开关使用零电压开关(ZVS)技术,在零漏极电压条件下开关切换,故导电损耗接近于零;
(3)次级二极管使用零电流开关(ZCS)技术,没有反向恢复损耗;
(4)能效及交叉稳压性能更佳;
(5)有利于使用更薄的外部元件,从而减小电源尺寸。
目前,市场上标准逆变器架构的液晶电视电源仍占多数。安森美半导体半导体推出了采用标准逆变器电源架构的高能效GreenPointTM 220 W液晶电视电源参考设计,帮助客户缩短设计周期,加快产品上市进程。
创新的LIPS架构实现更高效电源转换
针对26英寸及26英寸以上的液晶电视,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LIPS(LCD Integrated Power Supply)。与逆变器位于独立电路板的传统电源不同,LIPS解决方案将AC-DC、DC-DC和逆变器组合在同一块电路板上,在对市电进行整流、PFC和滤波并获得200 V/400 V直流电压后,直接采用200 V/400 V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1 000 V~2 000 V的高压。该方案消除了24 V转换段,大量减少了功率损耗,从而提升了系统能效,减少了底盘发热量,并降低了总成本。
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英寸液晶电视的高压LIPS参考设计,如图2所示。该解决方案同样采用了NCP1606 PFC控制器,以及充当辅助开关电源的NCP1351 PWM控制器。NCP1351是安森美半导体专有的高能效反激控制器,它采用准谐振固定导通时间(FON)控制原理,在负载要求变小时降低反激转换器的开关频率,该器件使得大多数液晶电视无需应用专用的待机电源即可工作。置于次级端的2个额外开关会在待机模式断开主电源负载,从而免除待机模式下的寄生损耗。
高压逆变器部分可采用半桥或全桥拓扑结构实现。半桥拓扑结构中,逆变器工作在非常适合液晶电视工作的固定频率,从而避免背光及视频信号之间的干扰,但MOSFET器件的硬开关不可避免,导致MOSFET的过多损耗,产生严重的EMI问题。在半桥拓扑结构中,除了功率MOSFET的高开关损耗问题,还必须集成4个额外的超快二极管来消除可能出现的开关振荡,并避免由MOSFET体二极管所存储的较高磁能及较弱反向恢复行为能力导致的交叉导电风险。为了避免这些劣势,本参考设计中背光逆变器电源段使用了全桥拓扑结构。
在全桥拓扑结构下,由于控制器工作在固定频率,可将开关频率与视频频率同步,避免了背光子系统干扰对视频图像的影响。与半桥相比,全桥拓扑结构拥有众多优势:
(1)固定工作频率时零电压开关(ZVS);
(2)降低EMI及功率损耗;
(3)减轻MOSFET开关应力,减少散热;
(4)改善灯电流开关因数(更接近正弦波形);
(5)桥上无需额外的功率二极管;
(6)MOSFET及变压器电流减半;
(7)更易于实现初级端过流保护(OCP);
(8)由于避免使用快恢复二极管及散热片,故成本降低,与半桥拓扑结构下成本类似。
因此,安森美半导体用于32英寸及更大尺寸的高压LIPS参考设计采用了Microsemi软开关技术的LX6503 CCFL移相全桥逆变器控制器,它可以在固定工作频率下实现零电压开关(ZVS)。与半桥架构相比,该全桥逆变器解决方案具有显著的优势,例如减少了电磁干扰(EMI)和功率损耗;同时改善了背光灯的驱动电流波形;桥上无需使用额外的功率二极管,该全桥结构所采用的4个MOSFET和变压器中的电流规格是半桥结构的一半;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。
在高压LIPS配置中,用于全桥的功率MOSFET位于初级端,而逆变器控制器位于隔离界线外的次级端。输出驱动信号使用推挽式信号格式来驱动2个用于全桥的隔离变压器。隔离变压器提供2项隔离功能:初级与次级间的安全隔离、高端与低端MOSFET间的隔离。因此,源自驱动变压器的输出信号能耦合至功率MOSFET,而无需电平转换功能。软开关全桥驱动的其他优势为死区时间插入功能。图3显示的是整合了死区时间功能的全桥其中一部分驱动电路。
由分析可知,安森美半导体高压LIPS液晶电视电源参考设计配合更高能效电源的需求,满足“能源之星”3.0版电视标准对工作效率及待机能耗的要求,并符合IEC 61000-3-2谐波含量要求。该参考设计在50 mW负载时的典型待机能耗仅为400 mW,超越了世界各地的待机能耗规范要求。安森美半导体充分发挥专有的可变频率控制架构的优势,从反激段实现达60 W的输出,既符合待机要求,又无需另设专用待机电源。
新颖PFC架构配合超薄液晶电视设计
液晶电视电子模块部分厚度趋向低于10 mm。如此纤薄的厚度,给电源设计带来更苛刻的挑战,例如需要使用低高度的变压器(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10 mm以下。
采用安森美半导体的NCP1606和NCP1654等PFC控制器,可以降低液晶电视厚度。为了支持低至10 mm的极纤薄设计,可以采用2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,其主要原理是在原本放置单个较大PFC的地方并行放置2个功率为一半的较小PFC。这2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。
安森美半导体计划于今年推出新的交错式PFC控制器NCP1631单芯片方案,替代2颗NCP1601,它可以实现同样的极低设计高度,适合10 mm厚度的极纤薄液晶电视设计,扩展了其功率范围,减少了电流纹波。
进一步降低待机能耗
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1 W。尽管该标准不是强制要求,但在市场上仍然具有很高的指导意义。未来,液晶电视的待机能耗将进一步降低。例如,在增加小型专用微处理器的条件下输出功率为50 W时能耗低于600 mW,采用专用待机开关电源条件下能耗低于400 mW,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200 mW。
安森美半导体采用系统途径,提升液晶电视电源的转换能效,降低待机能耗及改善功率因数,同时支持液晶电视超薄设计等新趋势。安森美半导体更推出高能效的GreenPoint?誖液晶电视电源参考设计,支持客户加速标准逆变器架构及LIPS架构液晶电视电源的上市进程,尽占绿色节能先机。