中大尺寸液晶電視AC-DC電源架構(gòu)及最新LED背光方案

1、.：.；中大尺寸液晶電視AC-DC電源架構(gòu)及最新LED背光方案時(shí)間：2021-01-21 10:09:17 來源：安森美半導(dǎo)體 中大尺寸液晶電視AC-DC電源架構(gòu)及最新LED背光方案近年來，液晶電視(LCD TV)市場快速開展。市場研討機(jī)構(gòu)DisplaySearch估計(jì)，2021年到2021年間的年復(fù)合增長率(CAGR)高達(dá)16%，其中2021年的付運(yùn)總量估計(jì)達(dá)1.4億臺(tái)，而這一數(shù)字到2021年將超越2億。在市場規(guī)模迅速擴(kuò)展的同時(shí)，在規(guī)范規(guī)范及綠色營銷的壓力下，液晶電視的任務(wù)及待機(jī)能耗也越來越低。如“能源之星4.0版規(guī)范及5.0版規(guī)范相繼將于2021年5月及2021年5月生效，其中5.0版要求

2、可視屏幕對(duì)角尺寸為32英寸、42英寸和60英寸的平板電視平均任務(wù)能耗從4.0版的不超越78 W、115 W和210 W下降到不超越55 W、81 W和108 W，相當(dāng)于兩年時(shí)間內(nèi)降低能耗約50%。在液晶電視的總能耗中，統(tǒng)計(jì)顯示，背光所耗費(fèi)的電能比例高達(dá)2/3。故液晶電視的另一項(xiàng)重要趨勢是采用新技術(shù)來提升背光及面板能效，降低能耗。在液晶電視背光源方面，目前冷陰極熒光燈(CCFL)背光源占據(jù)支配位置，但這個(gè)技術(shù)能耗高，包含劇毒物質(zhì)汞不利于環(huán)保，燈管呈條型或U型，運(yùn)用壽命短；相比較而言，新興的發(fā)光二極管(LED)背光耗電量更小，不含汞，尺寸更易于配置為更均勻的背光，運(yùn)用壽命更長，故LED背光在液晶電

3、視中極具運(yùn)用潛力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年采用LED背光源的液晶電視比例為3%，估計(jì)未來幾年這一比例將迅速提高，到2021年將到達(dá)50%，完全可與CCFL背光分庭抗禮，并在這之后進(jìn)一步取代CCFL背光。液晶電視電源包含功率因數(shù)校正(PFC)、信號(hào)電源、背光電源及ECO待機(jī)等多個(gè)組成部分，不同部分往往包含不同的架構(gòu)可供選擇，參見圖1。以PFC段為例，可以選擇如臨界導(dǎo)電方式(CrM)、延續(xù)導(dǎo)電方式(CCM)或交錯(cuò)式頻率鉗位臨界導(dǎo)電方式(FCCrM)等不同的PFC控制器。選擇何種電源架構(gòu)，需結(jié)合運(yùn)用的屏幕尺寸、功率等級(jí)及背光源等要素。另外，作為重要賣點(diǎn)的纖薄設(shè)計(jì)也影響著電源方案的選擇。圖1：液晶電視電源架

4、構(gòu)多種多樣1) 采用CCFL背光源的32英寸液晶電視電源架構(gòu)例如，目前市場上銷量最大的是32英寸液晶電視。在這類液晶電視中，采用規(guī)范24 V逆變器電源的方案在市場上仍占據(jù)多數(shù)，但新興的高壓液晶電視集成電源(HV-LIPS)的運(yùn)用也在不斷增多，總體上呈現(xiàn)出并存的態(tài)勢。采用規(guī)范24 V逆變器的傳統(tǒng)液晶電視在接受110/220 Vac市電輸入后，經(jīng)過整流、PFC及濾波，轉(zhuǎn)換為200/400 Vdc的直流高壓。由于傳統(tǒng)高壓逆變器的輸入電壓要求是24 Vdc，故PFC的輸出電壓200/400 Vdc會(huì)經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生多路輸出電壓，其中一路24 Vdc電壓提供應(yīng)高壓逆變器，再經(jīng)過DC-AC轉(zhuǎn)換為超越1,

5、000 V甚至達(dá)2,000 V的交流高壓，去驅(qū)動(dòng)液晶面板的CCFL陣列。安森美半導(dǎo)體為這類傳統(tǒng)液晶電視推出了220 W液晶電視電源GreenPoint?參考設(shè)計(jì)，其中采用的關(guān)鍵元器件包括NCP1606 CrM PFC控制器、NCP6諧振半橋控制器及NCP1027待機(jī)控制器等。與這種采用規(guī)范24 V逆變器架構(gòu)的傳統(tǒng)電源不同，高壓LIPS方案將AC-DC、DC-DC和逆變器結(jié)合在同一塊電路板上，在獲得200/400 Vdc的PFC輸出后，會(huì)直接將這輸出電壓作為逆變器的輸入，再經(jīng)過DC-AC轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)CCFL陣列所需的超越1,000 Vac甚至達(dá)2,000 Vac的高壓，這就消除了24 V轉(zhuǎn)換段，減

6、少大量功率損耗及降低底盤發(fā)熱量，提升系統(tǒng)總能效，并降低系統(tǒng)本錢，還符合“能源之星等相關(guān)能效規(guī)范。圖2：安森美半導(dǎo)體32英寸高壓LIPS液晶電視電源GreenPoint?參考設(shè)計(jì)功能框圖針對(duì)高壓LIPS架構(gòu)的液晶電視需求，安森美半導(dǎo)體與Microsemi公司協(xié)作，推出了用于32英寸液晶電視的比高壓LIPS參考設(shè)計(jì)。這參考設(shè)計(jì)采用簡單直接的CrM PFC段，且無額外待機(jī)開關(guān)電源，性價(jià)比極高。這參考設(shè)計(jì)采用了安森美半導(dǎo)體的NCP1607 PFC控制器、NCP1或NCP1219帶低待機(jī)能耗方式的反激轉(zhuǎn)換控制器，以及Microsemi的LX6503背光控制器等關(guān)鍵IC。這完好液晶電視LIPS電源參考設(shè)計(jì)

7、功能框圖見圖2。值得一提的， 這參考設(shè)計(jì)架構(gòu)具有高度的靈敏性，而只需對(duì)原理圖及所用元件作出極小改動(dòng)，即可支持多種電壓/電流配置。而且由于運(yùn)用了采用零電壓開關(guān)全橋拓?fù)錁?gòu)造的先進(jìn)背光控制器，逆變器電源可以隨便地?cái)U(kuò)展，支持26英寸到42英寸的多種液晶電視尺寸。客戶利用這高能效先進(jìn)參考設(shè)計(jì)，可縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。2) 46英寸液晶電視電源架構(gòu)安森美半導(dǎo)體還針對(duì)更高功率的液晶電視推出了46英寸液晶電視電源參考，這電源參考適宜任何類型的背光方案，能擴(kuò)展支持40/42英寸或52/55英寸液晶電視，參見圖3。這電源參考采用的關(guān)鍵安森美半導(dǎo)體IC包括新的交錯(cuò)式FCCrM PFC器NCP1631、帶谷

8、底鎖定功能的新NCP9準(zhǔn)諧振反激轉(zhuǎn)換控制器或NCP1252固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)控制器、NCP1053A高能效、低待機(jī)能耗開關(guān)電源，用于僅關(guān)注電源段的性能主導(dǎo)型工程。在第一階段，這電源參考的電路板高度低于13 mm，液晶電視總高度低于17.5 mm；后續(xù)第二階段還將使電路板高度降到低于8 mm，總高度低于12.5 mm。在纖薄設(shè)計(jì)成為液晶電視重要賣點(diǎn)的當(dāng)今，電源設(shè)計(jì)面臨更嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)，如需求運(yùn)用低高度的變壓器、線圈或散熱片，及將多個(gè)部件串聯(lián)或?qū)Τ潭劝惭b等。就PFC控制器而言，雖然安森美半導(dǎo)體的NCP1606或NCP1654等曾經(jīng)可以將電路板高度降到很低，但要支持更低厚度的液晶電視設(shè)計(jì)，那么可

9、以采用安森美半導(dǎo)體新的單芯片交錯(cuò)式PFC控制器NCP1631，用于高達(dá)300 W功率運(yùn)用，同時(shí)也提供140至264 Vac的窄電壓范圍版本，用于功率大于200 W及注重纖薄設(shè)計(jì)的運(yùn)用。圖3：安森美半導(dǎo)體46英寸液晶電視電源參考功能框圖在信號(hào)電源方面，如上所述，采用的是新的NCP9準(zhǔn)諧振反激轉(zhuǎn)換控制器或NCP1252固定頻率反激控制器。其中，NCP9最大功率達(dá)70 W(32英寸設(shè)計(jì)為50 W)，最多提供3路輸出電壓才干(與32英寸相當(dāng))，最大輸出電流為4 A。NCP9提供可變頻率方式，用于超低待機(jī)能耗方式，在寬功率范圍內(nèi)堅(jiān)持高能效。NCP1252提供50 kHz的固定頻率PWM，支持自然的CCM

10、，為多路輸出方案改善電流因數(shù)及變壓器耦合/交叉穩(wěn)壓。而在待機(jī)電源方面，有兩種方案，一種是公用ECO待機(jī)開關(guān)電源，采用集成高壓開關(guān)穩(wěn)壓器NCP1053A，非常適宜最大功率小于5 W的小型心用待機(jī)電視微處置器，提供低于90 mW的極低待機(jī)能耗。這器件帶磁滯方式，提升ECO性能，開關(guān)頻率及IC功率耗費(fèi)更低；低頻方式支持DCM方式，降低開關(guān)損耗；電流受限，減免能夠的噪聲問題。另一種方案是采用待機(jī)繼電器，由電視機(jī)微處置器直接控制(待機(jī)/導(dǎo)通)，并提供可選的ECO“導(dǎo)通/封鎖開關(guān)，在230 Vac條件下空載輸入能耗低于20 mW。3) 46英寸液晶電視參電源考背光方案上述46英寸液晶電視參考電源適宜恣意類

11、型的背光方案，包括單獨(dú)及公用的背光方案。例如，提供高壓LIPS用于CCFL/EEFL背光，其中采用2個(gè)高端驅(qū)動(dòng)器NCP5111及Microsemi背光控制器。也可采用新的NCP7準(zhǔn)諧振反激轉(zhuǎn)換器或CAT4026側(cè)光式LED驅(qū)動(dòng)器(詳見后文)，提供高直流輸出電壓半橋LLC，用于LED背光驅(qū)動(dòng)器。還可采用已獲市場證明的NCP2/NCP2控制器，用于傳統(tǒng)的24 V逆變器方案，為CCFL背光供電。而為了順應(yīng)等離子電視(PDP)運(yùn)用，也可采用NCP7控制器，并添加降壓或升壓轉(zhuǎn)換器。 其中，在CCFL/EEFL背光的46英寸LIPS逆變器方面，所采用的安森美半導(dǎo)體NCP5111高端驅(qū)動(dòng)器可以提升能效及減小

12、全橋500 V功率MOSFET的尺寸，且在修正高壓變壓器設(shè)計(jì)條件下，電路板上高度低于13 mm，從而支持低厚度設(shè)計(jì)。 圖4：安森美半導(dǎo)體46英寸液晶電視背光方案(見黃色背景部分)而在LED背光方面，市場上常見的背光單元包括側(cè)光式及直下式兩種類型，各有其優(yōu)勢和缺乏；但相對(duì)而言，側(cè)光式LED背光提供高于90%的能效，在市場上備受歡迎。而在46英寸電源參考的側(cè)光式LED背光單元方面，可以采用的安森美半導(dǎo)體關(guān)鍵IC包括帶高端驅(qū)動(dòng)器的NCP7初級(jí)側(cè)控制器，以及新的6通道線性LED驅(qū)動(dòng)器控制器CAT4026，適宜超薄液晶電視設(shè)計(jì)(電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm)，參見圖4。其中， NC

13、P7作為LLC段控制器，在背光運(yùn)用中提供眾多優(yōu)勢，如不需求驅(qū)動(dòng)器變壓器，帶來本錢及安裝優(yōu)勢；又如簡單運(yùn)用跳周期方式，適宜調(diào)光所需；以及簡單運(yùn)用過渡維護(hù)，協(xié)助 節(jié)省本錢等。故NCP7是高性價(jià)比及高平安性的方案。 另一方面，市場上現(xiàn)有的6通道側(cè)光式LED驅(qū)動(dòng)器背光方案中，各通道均含公用驅(qū)動(dòng)器IC、電感型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器及開關(guān)；相比較而言，安森美半導(dǎo)體的CAT4026作為多通道LED線性驅(qū)動(dòng)器，以單顆IC支持6通道，且易于分級(jí)為多達(dá)12個(gè)或18個(gè)通道(相應(yīng)采用2個(gè)或3個(gè)控制器)，是一種高性價(jià)比的方案，目的能效高于90%，典型能效達(dá)94%。此外，這驅(qū)動(dòng)器還提供正向電壓監(jiān)測功能，可以限制總體功率耗散；還能運(yùn)用LED開路及過多LED短路等不同LED串缺點(diǎn)?？偨Y(jié)本文分