大尺寸LCD TV电源整体解决方案

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随着成本及售价的不断下降，LCD TV凭借其显示效果和轻薄体积的优势，正逐步取代传统CRT成为家用市场的主流产品，2007年全球LCD TV出货量达到8600万台，较2006年成长58%。根据市场调研公司iSuppli的预测，2008年全球LCD TV出货量将突破1亿台，并在2011年之前达到1.7亿台，除了价格因素之外，现有有线电视网络从模拟信号到数字信号的转换，也将在很大程度上刺激LCD TV的销售。LCD TV电源模块设计面临的挑战与相同尺寸传统CRT相比，中大尺寸LCD TV无论是功耗还是成本都显著高于前者。因此，要想取代CRT成为主流产品，LCD TV必须合理降低功耗和制造成本，因为节能降耗已经成为时代主题，而作为消费类电子产品，价格始终会是用户考虑的主要因素。从功耗角度来看，ENERGY STAR(EPA V3.0)已经明确规范电视产品的最大功耗，这一标准将于2008年11月1日正式生效。在EPA V3.0规范中电视产品允许的最大功耗与其尺寸大小相对应(表2)，其中32英寸LCD TV的最大功耗要求低于120W，目前市面上销售的LCD TV产品的功耗普遍高于新标准的上限。为通过ENERGY STAR的认证，设计工程师只有两个选择：对现有电源系统设计思路做根本性变革，降低电源转换过程中的功率损失；或者降低背光亮度并减小音响系统的输出功率，以减小LCD TV的耗电量。显然后者是以牺牲用户的视觉和听觉感受为代价，前者才是最佳选择，这是电源设计工程师所面临的一大挑战，即如何降低LCD TV的耗电量且不降低视听效果。

表1：ENERGY STAR V3.0版本对高清电视最大功耗的定义。 从成本角度来看，根据市场研究机构DisplaySearch的最新预测报告，未来3年LCD TV的整机制造成本将以10%到16%的比例逐步下滑，而42英寸以上的大尺寸产品成本降幅甚至要达到20%以上。电源模块(包括背光电源)占整机成本相当大的比重，因此工程师需要通过简化电源模块的设计来帮助降低成本。

表2：根据ENERGY STAR V3.0标准计算各尺寸LCD TV最大允许功耗。 为解决以上问题，昂宝电子运用自身的电源行业经验及系统研发能力，对传统LCD TV电源架构进行优化，整合自主开发的PFC、QR、Flyback、Inverter等产品线的控制芯片，成功开发出了应用于大尺寸LCD TV的整体电源解决方案，能够节省约10%的能耗，并大幅降低电源模块的制造成本。

图1：昂宝电子针对23英寸以下LCD产品开发的62W LIPS电源。 LCD TV传统方案分析及存在的问题由于负载的多样性，LCD TV的电源设计也变得相对复杂，需要如AC功率因数校正、隔离式电源转换、非隔离式负载点电源转换以及各种各样的电源监测保护功能，LCD TV产品正越来越多地依靠电源管理领域的技术创新来确立其在市场上的竞争力。23英寸及以下的小尺寸LCD TV由于整机功率通常小于75W，不需要配置PFC线路，其供电模块的设计和制造已经相对成熟，早期分立的AC/DC主电源板和DC/AC逆变电源板出于降低制造成本的考虑已经被整合到一块PCB板上，即目前主流的LIPS(LCD Integrated Power System)结构，昂宝电子针对此类应用开发了多款LIPS电源，AC/DC部分转换电路主要使用OB2263、OB2269和OB2202等芯片，DC/AC部分逆变器电路主要采用OB3316、OB3318和OB494P等芯片，小尺寸LCD TV内部只有电源板和信号处理主板两块PCB，而对于32英寸以上大尺寸LCD TV而言，其内部会相对复杂。图2所示为传统32英寸LCD TV，内部主要包括3块PCB板，即：信号处理主板，用于音频视频处理及系统控制等功能；AC/DC电源板，将市电的220V@50Hz或110V@60Hz交流输入转换成音频系统、视频系统、控制系统等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流电压，并实现功率因数校正、与输入电网安全隔离等功能；DC/AC电源板，用于将AC/DC电源板输出的24V或12V直流电压再逆变升压得到1000V@50Hz的交流电压，以此高压高频正弦交流电压来驱动背光CCFL灯管，并实现背光亮度调节等功能。

图2：传统式LCD TV内置信号处理、AC/DC电源、DC/AC电源三块PCB板。
                          
                       
                          
                                图3是传统式LCD TV电源的结构框图，按照功能通常可将其划分为3大模块，即：PFC模块、DC/DC主电源模块、DC/AC逆变电源模块。

图3：传统式LCD TV电源系统结构框图。 由于离线式开关电源不可避免会产生带高谐波含量的非正弦输入电流，这会对电网产生一定污染，并影响到连接在同一电源线的其它电子设备，为满足欧盟IEC61000-3-2的D类标准或类似的区域性谐波含量规范，通常需要在输入功率大于75W的开关电源设计中加入PFC模块。大尺寸LCD TV的输入功率远远大于75W，因此PFC模块也是LCD TV电源中不可缺少的部分，PFC模块通过Boost线路将电网输入的交流电压转换成稳定的400V直流电压供给后级DC/DC电源使用。

图4：传统式LCD TV主电源功率范围及架构选择。 DC/DC主电源模块负责将PFC输出的400V直流电压转换成各种负载所需的低压直流电平，来满足DC/AC逆变电源输入、音响系统、视频系统、控制系统等模块的工作需要，常见电压包括24V/18V/12V/5V/3.3V等。国际能源署(IEA)和欧盟制定的“1W”计划要求在2010年将所有产品的待机功耗降低到1W以内，为符合1W待机功耗规范，DC/DC主电源模块之外通常还需要设计一块独立的待机电源，用于在待机模式下维持遥控接收器模块的工作，并将PFC和DC/DC主电源模块关闭，以最大限度降低待机功耗。根据LCD TV尺寸及功率的大小，DC/DC主电源的常见拓扑结构包括：反激(包括准谐振)、双管反激、双管正激、谐振半桥(HB LLC)等几种。对于50W～100W的功率范围，单开关的反激或准谐振反激拓扑是最佳选择，其中准谐振控制通过减小开关损耗来提高转换效率并改善开关造成的EMI干扰。而对于更大功率的100W～200W范围，可以通过双开关反激的方式来应对。正激结构可应用于200W～300W的功率范围，但由于需在连续导电模式下工作，解决由于硬开关所带来的EMI问题是一项挑战。谐振半桥结构适用于150W以上的功率应用，该结构在高功率级的LCD TV应用中性能优势十分明显，全负载范围的零电压开关(ZVS)及低电流关断控制可帮助最大限度降低开关损耗及减小EMI干扰。

图5：昂宝电子LCD TV电源方案结构框图。 DC/AC逆变电源用于驱动背光模组，其将DC/DC主电源输出的24V或12V直流电压转换为1000V左右的高压交流电压用于驱动背光CCFL灯管并实现背光亮度(灯管电流)的调节功能，LCD TV显示画面的对比度需依靠高亮度的背光来支撑，所以DC/AC逆变电源部分的输出功率通常占整机总输出功率的70%以上，且尺寸越大，背光功耗所占比重越大。通过上述对传统LCD TV电源的结构分析，我们不难发现一个问题，即整体效率非常低，因为占70%以上功耗的背光部分电能在PFC之后经历了降压再升压的两级转换，且转换过程中的效率损失也会引起散热问题。LCD TV的超簿设计及噪音限制使得无法在机箱中添加风扇，而热量的堆积会直接导致机壳内上下部分温度不均匀，再加上CCFL亮度对温度的敏感特性，这样的设计给用户呈现出来的将是面板上下部亮度不均匀的“独特”效果。为解决上述问题，业界一直在探论400V高压输入逆变电源方案。昂宝电子通过整合自身丰富的产品线，已经将这一构想变为现实，即DC/AC逆变电源的输入不再采用DC/DC主电源的24V电压，而是直接取自PFC的400V输出。这样背光部分的电能可减少一级能量转换，从而节省一级效率损失，并且DC/DC主电源的设计功率可大幅降低，同时解决了DC/DC主电源的散热问题，最重要的是DC/DC主电源的制造成本大幅降低。在不具备高压输入DC/AC逆变电源方案的条件下，人们往往通过优化AC/DC主电源的方式来降低整机功耗，如通过半桥谐振LLC架构来优化LCD TV电源，但与之相对应的是昂贵的制造成本，而采用昂宝电子开发的LCD TV整体电源方案，利用便宜的单开关反激或准谐振反激就能满足大尺寸LCD TV中背光以外的功率需求。

表3：DisplaySearch对LCD TV成本的近年数据统计及未来走势预测。 与传统LCD TV电源方案相比，昂宝电子的方案在效率和成本上都具有优势，并且借助在电源管理领域的全面产品覆盖，LCD TV电源板上全部IC都可由昂宝电子提供，包括PFC控制芯片、Flyback/QR控制芯片、Standby开关器、Inverter控制芯片等。这对LCD TV电源制造商的采购与渠道管理提供了相当大的便捷性，技术支持的快速响应也得到了保证，由此带来的研发及运营成本的降低同样不容忽视。图6以150W LCD TV电源为例来对比传统方案与昂宝电子方案，假设背光满载消耗100W，其它部分满载消耗50W，按照常规架构及各模块转换效率来推算，运用传统方案来设计，其理论输入功率将达到197W左右，整体效率为76%，而使用昂宝电子的方案来设计，理论输入功率只需要174W左右，整体效率高达86%。

图6：150W LCD TV电源系统传统方案与昂宝电子方案的功率比较。
                          
                       
                          
                                另一方面，传统方案需要设计168W的DC/DC主电源，而使用昂宝电子的方案设计，则只需要设计50W的DC/DC主电源，根本不需要采用价格昂贵的半桥谐振LLC方案。昂宝电子LCD TV整体电源方案昂宝电子针对300W以下的LCD TV所开发的整体电源解决方案主要由以下四部分组成：PFC模块，使用OB6563控制芯片。DC/DC主电源模块，使用OB2202控制芯片，QR flyback结构。Standby电源模块，使用OB2358开关器，flyback结构。DC/AC逆变电源模块，使用OB3316控制芯片，400V高压输入半桥结构。系统结构框图如图7所示。传统LCD TV电源中，由于不同模块运用的是不同领域的电源管理技术，各个模块的控制芯片往往需要从不同的供应商采购，这使得对于整体性要求非常高的LCD TV电源设计变得相对复杂，其研发成本和研发周期也相应的被提高和延长，而昂宝电子开发的LCD TV电源整体解决方案各个模块的主控制IC都采用其自主研发的绿色节能芯片。由于昂宝电子对不同领域的电源管理技术具备资源整合能力，使得原本复杂的LCD TV电源模组设计得以简化，LCD TV制造商所看重的技术支持也得以充分保障，这样LCD TV产品可以更好的依赖电源模块的创新所带来的低功耗、低成本、短周期等优势，迅速确立其在市场上的核心竞争力。此外，由于该方案的DC/AC逆变电源采用了400V高压输入技术，整体功率密度、零件数量和PCB尺寸都得以减小，为将原本独立的两快电源板(AC/DC主电源和DC/AC逆变电源)整合成一块(LIPS电源)创造了条件，从而可使37英寸以下LCD TV电源进一步降低制造成本并简化制造流程。

图7：昂宝电子LCD TV电源整体解决方案结构框图。 37英寸以上LCD TV一般需要在面板左右两侧分别放置两片反相位工作的逆变电源板，这主要是出于两方面的考虑：首先，由于灯管长度的延长及漏电流问题，高压端和低压断的亮度差异趋于明显，需要以双边高压的方式来均衡左右两侧的亮度；其次，目前变压器的耐压能力不足以提供高于4000V的点灯电压来点亮大尺寸面板中使用的长灯管，需要以双边驱动的方式来解决单边驱动方式中变压器所面临的耐压问题。针对这类应用，昂宝电子对LIPS结构加以改进，将DC/AC逆变电源的变压器部分单独放置到面板的左右两侧，来实现单支灯管的双边反相位高压驱动，而功率转换及控制部分仍然保留在原来的LIPS板上。
                          
                       
                          
                               

表4：传统LCD TV电源方案与昂宝电子方案优缺点的比较。 传统方案与昂宝电子解决方案的功耗及主要用料情况对比以某知名品牌32"与46"LCD TV进行对比，昂宝电子所开发的LCD TV整体电源解决方案在整体功耗及关键零件数量方面均比传统电源方案有明显的优势：

图8：昂宝电子开发的32" LCD TV LIPS电源板。

图9：昂宝电子开发的46" LCD TV LIPS电源板+外置生压板。 从表5及图10的实际测试数据来看，同等输出条件下昂宝电子的方案其输入功率比传统方案有明显减小，且尺寸越大，差异越明显。

表5：传统LCD TV电源方案与昂宝电子方案功耗的比较。 从表6之比较来看，两种方案的零件差异在DC/DC主电源部分表现的非常明显，采用昂宝电子的方案，其DC/DC主电源部分的设计功率只需是传统方案的三分之一甚至更小，大幅降低了整机电源的制造成本。

表6：传统LCD TV电源方案与昂宝电子电源方案主要零件的比较。 本文小结随着高清时代的到来，LCD TV取代CRT成为家用电视机主流产品已成必然之势，而随着出货量的逐年攀升，LCD TV所面临的能耗及成本压力也不容回避，面对这一形势，昂宝电子充分利用自身对不同领域的电源管理技术均十分熟悉的优势，整合了PFC、AC/DC、DC/AC产品线的相关产品，成功开发了高效能、低成本的LCD TV电源整体解决方案，为解决这一时代难题创造了条件。传统LCD TV电源由于AC/DC主电源与DC/AC逆变电源分两块PCB板，分别由不同供应商提供，AC/DC主电源厂商对DC/AC逆变电源领域及技术不熟悉，DC/AC逆变电源厂商亦对AC/DC主电源领域及技术不熟悉，各自的生产设备目前也不具备兼容这两类电源产品的条件，要解决这一问题，需要电源方案提供商、电源制造商、LCD TV制造商等上、中、下游企业之间通力配合，重新调整产业结构，优化资源配置。相信不久的将来，这一LCD TV电源整体方案将全面取代传统式电源，以帮助LCD TV产品降低制造成本及使用功耗。