- LCDTV電源模塊設計面臨的挑戰
- LCDTV傳統方案分析及存在的問題
- LCDTV整體電源方案
- 采用專用的電源管理模塊
- 采用雙邊驅動的方式來解決變壓器所面臨的耐壓問題
隨著成本及售價的不斷下降，LCDTV憑借其顯示效果和輕薄體積的優勢，正逐步取代傳統CRT成為家用市場的主流產品，2007年全球LCDTV出貨量達到8600萬臺，較2006年成長58%。根據市場調研公司iSuppli的預測，2008年全球LCDTV出貨量將突破1億臺，并在2011年之前達到1.7億臺，除了價格因素之外，現有有線電視網絡從模擬信號到數字信號的轉換，也將在很大程度上刺激LCDTV的銷售。
LCDTV電源模塊設計面臨的挑戰
與相同尺寸傳統CRT相比，中大尺寸LCDTV無論是功耗還是成本都顯著高于前者。因此，要想取代CRT成為主流產品，LCDTV必須合理降低功耗和制造成本，因為節能降耗已經成為時代主題，而作為消費類電子產品，價格始終會是用戶考慮的主要因素。
從功耗角度來看，ENERGYSTAR(EPAV3.0)已經明確規范電視產品的最大功耗，這一標準將于2008年11月1日正式生效。在EPAV3.0規范中電視產品允許的最大功耗與其尺
寸大小相對應(表2)，其中32英寸LCDTV的最大功耗要求低于120W，目前市面上銷售的LCDTV產品的功耗普遍高于新標準的上限。為通過ENERGYSTAR的認證，設計工程師只有兩個選擇：對現有電源系統設計思路做根本性變革，降低電源轉換過程中的功率損失；或者降低背光亮度并減小音響系統的輸出功率，以減小LCDTV的耗電量。顯然后者是以犧牲用戶的視覺和聽覺感受為代價，前者才是最佳選擇，這是電源設計工程師所面臨的一大挑戰，即如何降低LCDTV的耗電量且不降低視聽效果。
表1：ENERGYSTARV3.0版本對高清電視最大功耗的定義。
從成本角度來看，根據市場研究機構DisplaySearch的最新預測報告，未來3年LCDTV的整機制造成本將以10%到16%的比例逐步下滑，而42英寸以上的大尺寸產品成本降幅甚至要達到20%以上。電源模塊(包括背光電源)占整機成本相當大的比重，因此工程師需要通過簡化電源模塊的設計來幫助降低成本。
表2：根據ENERGYSTARV3.0標準計算各尺寸LCDTV最大允許功耗。
為解決以上問題，昂寶電子運用自身的電源行業經驗及系統研發能力，對傳統LCDTV電源架構進行優化，整合自主開發的PFC、QR、Flyback、Inverter等產品線的控制芯片，成功開發出了應用于大尺寸LCDTV的整體電源解決方案，能夠節省約10%的能耗，并大幅降低電源模塊的制造成本。
圖1：昂寶電子針對23英寸以下LCD產品開發的62WLIPS電源。
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LCDTV傳統方案分析及存在的問題
由于負載的多樣性，LCDTV的電源設計也變得相對復雜，需要如AC功率因數校正、隔離式電源轉換、非隔離式負載點電源轉換以及各種各樣的電源監測保護功能，LCDTV產品正越來越多地依靠電源管理領域的技術創新來確立其在市場上的競爭力。
23英寸及以下的小尺寸LCDTV由于整機功率通常小于75W，不需要配置PFC線路，其供電模塊的設計和制造已經相對成熟，早期分立的AC/DC主電源板和DC/AC逆變電源板出于降低制造成本的考慮已經被整合到一塊PCB板上，即目前主流的LIPS(LCDIntegratedPowerSystem)結構，昂寶電子針對此類應用開發了多款LIPS電源，AC/DC部分轉換電路主要使用OB2263、OB2269和OB2202等芯片，DC/AC部分逆變器電路主要采用OB3316、OB3318和OB494P等芯片，小尺寸LCDTV內部只有電源板和信號處理主板兩塊PCB，而對于32英寸以上大尺寸LCDTV而言，其內部會相對復雜。
圖2所示為傳統32英寸LCDTV，內部主要包括3塊PCB板，即：信號處理主板，用于音頻視頻處理及系統控制等功能；AC/DC電源板，將市電的220V@50Hz或110V@60Hz交流輸入轉換成音頻系統、視頻系統、控制系統等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流電壓，并實現功率因數校正、與輸入電網安全隔離等功能；DC/AC電源板，用于將AC/DC電源板輸出的24V或12V直流電壓再逆變升壓得到1000V@50Hz的交流電壓，以此高壓高頻正弦交流電壓來驅動背光CCFL燈管，并實現背光亮度調節等功能。
圖2：傳統式LCDTV內置信號處理、AC/DC電源、DC/AC電源三塊PCB板。
圖3是傳統式LCDTV電源的結構框圖，按照功能通常可將其劃分為3大模塊，即：PFC模塊、DC/DC主電源模塊、DC/AC逆變電源模塊。
圖3：傳統式LCDTV電源系統結構框圖。
由于離線式開關電源不可避免會產生帶高諧波含量的非正弦輸入電流，這會對電網產生一定污染，并影響到連接在同一電源線的其它電子設備，為滿足歐盟IEC61000-3-2的D類標準或類似的區域性諧波含量規范，通常需要在輸入功率大于75W的開關電源設計中加入PFC模塊。大尺寸LCDTV的輸入功率遠遠大于75W，因此PFC模塊也是LCDTV電源中不可缺少的部分，PFC模塊通過Boost線路將電網輸入的交流電壓轉換成穩定的400V直流電壓供給后級DC/DC電源使用。
圖4：傳統式LCDTV主電源功率范圍及架構選擇。
DC/DC主電源模塊負責將PFC輸出的400V直流電壓轉換成各種負載所需的低壓直流電平，來滿足DC/AC逆變電源輸入、音響系統、視頻系統、控制系統等模塊的工作需要，常見電壓包括24V/18V/12V/5V/3.3V等。國際能源署(IEA)和歐盟制定的“1W”計劃要求在2010年將所有產品的待機功耗降低到1W以內，為符合1W待機功耗規范，DC/DC主電源模塊之外通常還需要設計一塊獨立的待機電源，用于在待機模式下維持遙控接收器模塊的工作，并將PFC和DC/DC主電源模塊關閉，以最大限度降低待機功耗。
根據LCDTV尺寸及功率的大小，DC/DC主電源的常見拓撲結構包括：反激(包括準諧振)、雙管反激、雙管正激、諧振半橋(HBLLC)等幾種。對于50W～100W的功率范圍，單開關的反激或準諧振反激拓撲是最佳選擇，其中準諧振控制通過減小開關損耗來提高轉換效率并改善開關造成的EMI干擾。而對于更大功率的100W～200W范圍，可以通過雙開關反激的方式來應對。正激結構可應用于200W～300W的功率范圍，但由于需在連續導電模式下工作，解決由于硬開關所帶來的EMI問題是一項挑戰。諧振半橋結構適用于150W以上的功率應用，該結構在高功率級的LCDTV應用中性能優勢十分明顯，全負載范圍的零電壓開關(ZVS)及低電流關斷控制可幫助最大限度降低開關損耗及減小EMI干擾。
DC/AC逆變電源用于驅動背光模組，其將DC/DC主電源輸出的24V或12V直流電壓轉換為1000V左右的高壓交流電壓用于驅動背光CCFL燈管并實現背光亮度(燈管電流)的調節功能，LCDTV顯示畫面的對比度需依靠高亮度的背光來支撐，所以DC/AC逆變電源部分的輸出功率通常占整機總輸出功率的70%以上，且尺寸越大，背光功耗所占比重越大。
通過上述對傳統LCDTV電源的結構分析，我們不難發現一個問題，即整體效率非常低，因為占70%以上功耗的背光部分電能在PFC之后經歷了降壓再升壓的兩級轉換，且轉換過程中的效率損失也會引起散熱問題。LCDTV的超簿設計及噪音限制使得無法在機箱中添加風扇，而熱量的堆積會直接導致機殼內上下部分溫度不均勻，再加上CCFL亮度對溫度的敏感特性，這樣的設計給用戶呈現出來的將是面板上下部亮度不均勻的“獨特”效果。[page]
為解決上述問題，業界一直在探論400V高壓輸入逆變電源方案。昂寶電子通過整合自身豐富的產品線，已經將這一構想變為現實，即DC/AC逆變電源的輸入不再采用DC/DC主
電源的24V電壓，而是直接取自PFC的400V輸出。這樣背光部分的電能可減少一級能量轉換，從而節省一級效率損失，并且DC/DC主電源的設計功率可大幅降低，同時解決了DC/DC主電源的散熱問題，最重要的是DC/DC主電源的制造成本大幅降低。在不具備高壓輸入DC/AC逆變電源方案的條件下，人們往往通過優化AC/DC主電源的方式來降低整機功耗，如通過半橋諧振LLC架構來優化LCDTV電源，但與之相對應的是昂貴的制造成本，而采用昂寶電子開發的LCDTV整體電源方案，利用便宜的單開關反激或準諧振反激就能滿足大尺寸LCDTV中背光以外的功率需求。
表3：DisplaySearch對LCDTV成本的近年數據統計及未來走勢預測。
與傳統LCDTV電源方案相比，昂寶電子的方案在效率和成本上都具有優勢，并且借助在電源管理領域的全面產品覆蓋，LCDTV電源板上全部IC都可由昂寶電子提供，包括PFC控制芯片、Flyback/QR控制芯片、Standby開關器、Inverter控制芯片等。這對LCDTV電源制造商的采購與渠道管理提供了相當大的便捷性，技術支持的快速響應也得到了保證，由此帶來的研發及運營成本的降低同樣不容忽視。
圖6以150WLCDTV電源為例來對比傳統方案與昂寶電子方案，假設背光滿載消耗100W，其它部分滿載消耗50W，按照常規架構及各模塊轉換效率來推算，運用傳統方案來設計，其理論輸入功率將達到197W左右，整體效率為76%，而使用昂寶電子的方案來設計，理論輸入功率只需要174W左右，整體效率高達86%。
圖5：150WLCDTV電源系統傳統方案與昂寶電子方案的功率比較。
另一方面，傳統方案需要設計168W的DC/DC主電源，而使用昂寶電子的方案設計，則只需要設計50W的DC/DC主電源，根本不需要采用價格昂貴的半橋諧振LLC方案。
LCDTV整體電源方案
針對300W以下的LCDTV所開發的整體電源解決方案主要由以下四部分組成：PFC模塊，使用OB6563控制芯片。DC/DC主電源模塊，使用OB2202控制芯片，QRflyback結構。Standby電源模塊，使用OB2358開關器，flyback結構。DC/AC逆變電源模塊，使用OB3316控制芯片，400V高壓輸入半橋結構。系統結構框圖如圖7所示。
傳統LCDTV電源中，由于不同模塊運用的是不同領域的電源管理技術，各個模塊的控制芯片往往需要從不同的供應商采購，這使得對于整體性要求非常高的LCDTV電源設計變得相對復雜，其研發成本和研發周期也相應的被提高和延長，而開發的LCDTV電源整體解決方案各個模塊的主控制IC都采用其自主研發的綠色節能芯片。由于對不同領域的電源管理技術具備資源整合能力，使得原本復雜的LCDTV電源模組設計得以簡化，LCDTV制造商所看重的技術支持也得以充分保障，這樣LCDTV產品可以更好的依賴電源模塊的創新所帶來的低功耗、低成本、短周期等優勢，迅速確立其在市場上的核心競爭力。此外，由于該方案的DC/AC逆變電源采用了400V高壓輸入技術，整體功率密度、零件數量和PCB尺寸都得以減小，為將原本獨立的兩快電源板(AC/DC主電源和DC/AC逆變電源)整合成一塊(LIPS電源)創造了條件，從而可使37英寸以下LCDTV電源進一步降低制造成本并簡化制造流程。
37英寸以上LCDTV一般需要在面板左右兩側分別放置兩片反相位工作的逆變電源板，這主要是出于兩方面的考慮：首先，由于燈管長度的延長及漏電流問題，高壓端和低壓斷的亮度差異趨于明顯，需要以雙邊高壓的方式來均衡左右兩側的亮度；其次，目前變壓器的耐壓能力不足以提供高于4000V的點燈電壓來點亮大尺寸面板中使用的長燈管，需要以雙邊驅動的方式來解決單邊驅動方式中變壓器所面臨的耐壓問題。針對這類應用，昂寶電子對LIPS結構加以改進，將DC/AC逆變電源的變壓器部分單獨放置到面板的左右兩側，來實現單支燈管的雙邊反相位高壓驅動，而功率轉換及控制部分仍然保留在原來的LIPS板上。
表4：傳統LCDTV電源方案與昂寶電子方案優缺點的比較。
傳統方案與昂寶電子解決方案的功耗及主要用料情況對比
以某知名品牌32"與46"LCDTV進行對比，昂寶電子所開發的LCDTV整體電源解決方案在整體功耗及關鍵零件數量方面均比傳統電源方案有明顯的優勢：
圖6：昂寶電子開發的32"LCDTVLIPS電源板。
圖7：昂寶電子開發的46"LCDTVLIPS電源板+外置生壓板。
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從表5及圖10的實際測試數據來看，同等輸出條件下昂寶電子的方案其輸入功率比傳統方案有明顯減小，且尺寸越大，差異越明顯。
表5：傳統LCDTV電源方案與昂寶電子方案功耗的比較。
從表6之比較來看，兩種方案的零件差異在DC/DC主電源部分表現的非常明顯，采用昂寶電子的方案，其DC/DC主電源部分的設計功率只需是傳統方案的三分之一甚至更小，大幅降低了整機電源的制造成本。
表6：傳統LCDTV電源方案與昂寶電子電源方案主要零件的比較。
隨著高清時代的到來，LCDTV取代CRT成為家用電視機主流產品已成必然之勢，而隨著出貨量的逐年攀升，LCDTV所面臨的能耗及成本壓力也不容回避，面對這一形勢，充分利用自身對不同領域的電源管理技術均十分熟悉的優勢，整合了PFC、AC/DC、DC/AC產品線的相關產品，成功開發了高效能、低成本的LCDTV電源整體解決方案，為解決這一時代難題創造了條件。
傳統LCDTV電源由于AC/DC主電源與DC/AC逆變電源分兩塊PCB板，分別由不同供應商提供，AC/DC主電源廠商對DC/AC逆變電源領域及技術不熟悉，DC/AC逆變電源廠商亦對AC/DC主電源領域及技術不熟悉，各自的生產設備目前也不具備兼容這兩類電源產品的條件，要解決這一問題，需要電源方案提供商、電源制造商、LCDTV制造商等上、中、下游企業之間通力配合，重新調整產業結構，優化資源配置。相信不久的將來，這一LCDTV電源整體方案將全面取代傳統式電源，以幫助LCDTV產品降低制造成本及使用功耗。
