大部分使用者，觀賞電視機(jī)這個被歸類為家電的設(shè)備時，很少考量到該裝置是否省電，不過在Full HD概念興起，為了觀賞效果讓LCD TV尺寸越來越大，耗電量也直在線升，在經(jīng)濟(jì)大環(huán)境不佳以及環(huán)保節(jié)能概念興起下，這些大尺寸LCD TV的功耗如何降低，成為電源設(shè)計(jì)端很大的挑戰(zhàn)。劉家任攝
根據(jù)日本的研究，家庭耗電中，電視占了10%，雖然乍看之下比例不高，但是在支持Full HD規(guī)格的電視尺寸越來越大后，耗電量也直在線升，故日本在2006年修正通過「省能源法」，將原先未在規(guī)范范圍內(nèi)的LCD TV列入。而LCD TV的節(jié)能設(shè)計(jì)，除了背光模塊外，電源設(shè)計(jì)的重要性亦開始提升，從根本做起改善供電效率，以收釜底抽薪的效果。
Full HD高畫質(zhì)電視已開始贏得消費(fèi)者的青睞。目前，24或26寸以上尺寸的液晶電視已可以支持Full HD，而從實(shí)用角度來看，只有達(dá)到37寸以上的Full HD電視才能帶給消費(fèi)者更佳的顯示效果和觀賞體驗(yàn)。因此，更大尺寸的液晶電視會引領(lǐng)未來的Full HD市場。
圖1，針對32寸液晶電視的全橋高壓LIPS解決方案功能方塊圖。安森美半導(dǎo)體 （點(diǎn)擊放大）
圖2、用兩顆NCP1601 PFC控制器實(shí)現(xiàn)交錯式PFC架構(gòu)的功能方塊圖。安森美半導(dǎo)體 （點(diǎn)擊放大）
然而，對更佳視覺效果的追求也帶來了大大超過以往的功耗挑戰(zhàn)。較高的功耗不僅會增加消費(fèi)者的電費(fèi)開支，而且不配合各國節(jié)能降耗的宏觀推動。各國政府都推出各種綠色效能指令，如美國「能源之星3.0」版電視規(guī)范、PFC規(guī)范等；消費(fèi)者也越來越關(guān)注節(jié)能省電等問題。在效能規(guī)范和環(huán)保意識的推動下，電源設(shè)計(jì)也在不斷推陳出新。
LCD TV傳統(tǒng)電源方案的缺點(diǎn)
傳統(tǒng)液晶電視電源主要由交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換、直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換及高壓逆變器等幾部分組成。AC-DC和DC-DC在同一塊電路板上，逆變器在另一塊電路板上，通常與液晶面板在一起。
其中，AC-DC電源部分將市電110Vac/220Vac電壓進(jìn)行整流、PFC和濾波，再轉(zhuǎn)換為200V/400V的直流高壓。由于傳統(tǒng)逆變器的輸入電壓要求為24V，所以200V/400V 的PFC的輸出電壓要經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生多路輸出電壓，其中一路24V電壓提供給逆變器，即再經(jīng)過直流-交流(DC-AC)轉(zhuǎn)換為超過1,000V甚至達(dá)2,000V的高壓，以便驅(qū)動液晶面板的CCFL背光燈。
取代傳統(tǒng)電源方案的LIPS解決方案
目前，前述傳統(tǒng)電源仍然占市場上的液晶電視電源的大多數(shù)。為了符合各種效能規(guī)范，降低較大尺寸液晶電視的電能消耗，降低系統(tǒng)成本及減小解決方案尺寸，使之更受消費(fèi)者青睞，可以通過多種途徑設(shè)計(jì)液晶電視電源。
針對26寸及以上尺寸的液晶電視，近年來出現(xiàn)了一種新的逆變器概念—高壓液晶顯示整合電源(LCD Integrated Power Supply，縮寫為LIPS)。與采用位于獨(dú)立電路板上逆變器的傳統(tǒng)電源不同，這種LIPS解決方案將AC-DC、DC-DC和逆變器整合在同一塊電路板上，在經(jīng)過對市電的整流、PFC和濾波并獲得200V/400V直流電壓后，將直接采用200V/400V作為逆變器的輸入電壓，通過DC-AC升壓轉(zhuǎn)換為液晶面板所需的1,000V以上，甚至高達(dá)2,000V的電壓。
這樣的作法省去了24V轉(zhuǎn)換段，減少了先降壓至24V再大幅升壓背光源用一兩千伏高壓過程中的大量功率損耗，從而提升了系統(tǒng)效能，減少底盤發(fā)熱量，并降低了總成本。
在這方面的理論確立后，安森美半導(dǎo)體與Microsemi公司發(fā)揮各自專長，合作開發(fā)了適合多種功率等級的高壓LIPS整套解決方案。針對32寸液晶電視的LIPS解決方案如圖1所示。在系統(tǒng)主板電源方面，這個解決方案采用了安森美半導(dǎo)體的NCP1606 PFC控制器，以及作為輔助開關(guān)電源的NCP1351 PWM控制器；在LIPS逆變器部分，采用了Microsemi使用軟開關(guān)技術(shù)的LX6503移相全橋驅(qū)動器，它可以在固定工作頻率進(jìn)行零電壓開關(guān)(ZVS)。
這樣的解決方案與半橋架構(gòu)相比，全橋逆變器解決方案具有顯著優(yōu)勢，如減少電磁干擾(EMI)和功率損耗，同時改善背光燈的驅(qū)動電流波形，無需在橋上使用額外的功率二極管。這個全橋結(jié)構(gòu)所采用的4個MOSFET和變壓器中的電流規(guī)格是半橋結(jié)構(gòu)的一半，這樣就可以通過隔離變壓器直接驅(qū)動功率MOSFET，更易于實(shí)現(xiàn)初級端過流保護(hù)(OCP)等功能。
為了應(yīng)對市場對更大尺寸LIPS液晶電視的需求，安森美半導(dǎo)體計(jì)畫于2009年內(nèi)推出針對46寸的參考設(shè)計(jì)，在LIPS逆變器部分將采用與32寸方案相同的全橋逆變器和背光控制器LX6503，但會大幅提高輸出功率，以驅(qū)動更多的CCFL燈。而在系統(tǒng)主板電源方面，可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求來靈活選擇其它的解決方案，如NCP1601、NCP1606或NCP1631等PFC控制器，以及NCP1351或NCP1379等PWM控制器。
這個新方案采用帶繼電器的專用待機(jī)開關(guān)電源，支持低至150mW的超低待機(jī)功耗，而電路板上的元件高度則低于16mm(系統(tǒng)總厚度低于20mm)，以支持更纖薄液晶電視設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢。此外，針對北美、中國大陸及歐盟等不同區(qū)域市場電源的不同要求，還可以提供符合相應(yīng)規(guī)范的電源方案，使設(shè)計(jì)最佳化、縮小系統(tǒng)尺寸并降低成本。
超薄Full HD LCD TV采微型PFC架構(gòu)
液晶電視的厚度已經(jīng)越來越薄，最新的趨勢是電子模塊部分的厚度接近10 mm以下。如此纖薄的厚度，給電源設(shè)計(jì)帶來了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，通常需要使用低高度的變壓器(這對要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關(guān)鍵)或?qū)⒍鄠€元件(PFC線圈)串聯(lián)起來，并采用低高度的散熱片，對元件進(jìn)行水平安裝，還要將垂直插入的所有電容的高度限制在10 mm以下。
而在PFC方面，以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1606和NCP1654等PFC控制器為例，已經(jīng)可以將液晶電視厚度降到較低；為了支持低至10 mm的超薄設(shè)計(jì)，可以采用兩顆相對較小的NCP1601芯片，用交錯式架構(gòu)來來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。交錯式PFC是在原來放置單個較大PFC的地方并行放置兩個功率為一半的較小PFC。這兩個較小PFC以180度的相移交替工作，在輸入端或輸出端累加時，它們可以抵消每相電流紋波的主要部分。今年推出新的交錯式PFC控制器NCP1631，提供更多可行的選擇。這種單芯片方案，可以替代2顆NCP1601，以同樣極低的設(shè)計(jì)高度適合10 mm厚度的超薄液晶電視設(shè)計(jì)。該方案還擴(kuò)展了功率范圍，以有效減少電流紋波。
待機(jī)功耗低于100mW應(yīng)是下一波趨勢
LCD TV的電源管理技術(shù)，另一個焦點(diǎn)是液晶電視的待機(jī)功耗。2008年11月開始生效的「能源之星 3.0版」電視規(guī)范規(guī)定的待機(jī)功耗的標(biāo)準(zhǔn)是低于1W。盡管不是強(qiáng)制要求，這個標(biāo)準(zhǔn)還是具有很高的市場指導(dǎo)意義。
未來，液晶電視的待機(jī)功耗將會進(jìn)一步下降。例如，在增加小型專用微處理器的條件下，輸出功率為50W時功耗低于600mW；而在采用專用待機(jī)開關(guān)電源條件下代機(jī)功耗將低于400mW；如果采用專用待機(jī)開關(guān)電源并增加繼電器(從而在待機(jī)時斷開所有PFC和開關(guān)電源)，功耗可低于200mW。如制造商想使用更加“綠色”的技術(shù)來使產(chǎn)品差異化，就需要進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，使待機(jī)功耗低于100mW可能成為下一波的趨勢。
無論使用或待機(jī)功耗，利用液晶顯示整合電源(LIPS)替代傳統(tǒng)的24V逆變器電源，以及采用新穎的交錯式架構(gòu)減小PFC模塊厚度，就可以實(shí)現(xiàn)非常薄的Full HD電視設(shè)計(jì)。整體來看，這類方案可滿足消費(fèi)者對大尺寸1,080線逐行掃描(1,080p)垂直分辨率的Full HD電視越來越青睞的需求。