英飞凌面向液晶电视SMPS的整体解决方案

英飞凌面向液晶电视SMPS的整体解决方案更新于2011-11-1601:58:25文章出处:与非网液晶电视SMPS电源1摘要相对于传统的阴极射线管电视，液晶电视凭借其高清晰度、大屏幕尺寸和超薄面板等优势，已被越来越多的用户所接受和喜爱。而液晶电视的电源设计者则在设计方面至少面临4大挑战：高能效、高功率密度、低EMI辐射和低成本。此外，整个系统在待机模式下的功耗应保持在1.0W以下（负载0.5W）。另外值得一提的是，由于对不同尺寸屏幕的液晶电视的功率等级、能效和成本敏感度的要求不同，设计者应相应地选用不同的电源拓扑结构。英飞凌拥有众多AC/DCIC产品，包括8引脚半桥LLC控制器ICE1HS01G、准谐振反激式控制器ICE2QS0X、准谐振CoolSET®ICE2QRXX65（集成式功率IC）、CoolSET®F3R系列、DCMPFC控制器TDA4863-2和CCMPFC控制器ICE2PCS0X，可帮助电源设计者轻松满足所有这些严格的要求。本文将简要介绍这些产品的特性和设计指南。2.液晶电视电源典型架构图1.32英寸液晶电视面板（后视图）Lowvoltageinverter:低压逆变器Powersupplyunit:电源单元Sound&imagecontrol:声音和图像控制图1为一个典型的32英寸液晶电视面板，其背面安装有三个电路板，分别为电源单元、低压逆变器以及声音与图像控制电路板。电源单元电路板用于将交流输入电压（85Vac~265Vac）转换成较低的直流输出电压（24V/12V/5V/3.3V），这些较低的直流输出电压为背光、音频与信号处理等各种系统供电。输入功率因数校正（PFC）也由电源单元完成；低压逆变器电路板用于将低直流输入电压（24V或12V）转换成高交流输出电压（1200Vac@50kHz），用于驱动CCFL背光灯；声音与图像控制电路板用于控制和处理声音与图像信号，另外还负责控制整个系统。图2液晶电视传统电源系统架构图注：PFCBlock:PFC单元；DC/DCquasiresonantflyback：DC/DC准谐振反激式；LLCresonantconverter:LLC谐振转换器；DC/ACinverter:DC/AC逆变器；audiosystem:音频系统；Systemboard:系统电路板；Fixedfrequencyflyback:固定频率反激式；Microcontroller：微控制器；Standby:待机图2概括介绍了液晶电视传统电源系统构架，包含一个电源单元和一个独立的DC/AC逆变器。由于输入功率常常高于75W，因此经常需要使用前端PFC级。后续两级为主DC/DC级和待机功率级。主DC/DC级用于为背光逆变器、系统电路板和音频系统供电。当功率额定值小于200W时，由于能够更好地在性能和成本之间取得平衡，建议在DC/DC级采用准谐振反激式拓扑。若功率额定值超过200W，可使用LLC谐振转换器，因为它具备更加出色的效率和EMI性能。待机级用于提供待机部件和微控制器所需的电源。开关集成式反激式电源往往是设计者的首选解决方案。DC/AC逆变器是一个独立的单元，负责将24V（12V）直流电压转换成高交流电压（例如1200Vac），为背光灯供电。3液晶电视功率等级要求在家用电器设备中，电视机的耗电量较大。根据电视机能源之星3.0规定，需要实现1W的待机输入功率。此外，还对主动模式下的效率提出了要求。为了符合能源之星计划的要求，电视机不得超过表1中根据原生垂直分辨率和可视屏幕尺寸计算得出的最大开机功耗。表1.电视机开机功率水平要求Tier1：2008年11月1日生效Tier2:2010年9月1日生效屏幕尺寸最大开机功耗（A为平方英寸数值）最大开机功耗（A为平方厘米数值）最大开机功耗（A为平方英寸数值）最大开机功耗（A为平方厘米数值）非高清电视（即≦480原生垂直分辨率）全屏PMax=0.120*A+25PMax=0.01860*A+25待定待定高清与全高清电视（即480原生垂直分辨率）A680平方英寸（4,387平方厘米）PMax=0.200*A+32PMax=0.03100*A+32待定待定680平方英寸≦A1045平方英寸（4,387平方厘米≦A6,742平方厘米）PMax=0.240*A+27PMax=0.03720*A+27待定待定A≧1045平方英寸（≧6,742平方厘米）PMax=0.156*A+151PMax=0.02418*+151待定待定作为示例，表2提供了各种不同尺寸电视机的最大允许功耗。表2.不同尺寸电视机的开机功率要求可视屏幕对角线尺寸（英寸）宽高比可视屏幕尺寸（英寸）屏幕区（英寸2/cm2）最大开机功率（W）480行垂直分辨率768或1080行垂直分辨率2016:917.4X9.8170.5(1,100)45663216:927.9X15.7438.0(2,826)781204216:936.6X20.6754.0(4,865)1152085016:943.6X24.51068.2(6,892)1533186016:952.3X29.41537.6(9,920)210391例如，根据IEC62087标准（“声频、视频和相关设备功率消耗量的测量方法”）进行测试时，一台32英寸高清电视功耗不得超过120W，一台42英寸高清电视功耗不得超过208W。实际上，市场上现有的多数液晶电视都无法满足表2所列的功率要求。主要解决方案之一是进一步提高现有液晶电视的电源效率。4液晶电视电源设计挑战液晶电视的电源单元厚度需要比阴极射线管电视的电源薄很多。液晶电视采用的标准电源单元的厚度通常需要低于25mm。超薄型液晶电视甚至需要电源单元的厚度低于13mm。液晶电视的电源单元功率密度远高于阴极射线管电视的电源单元的功率密度。需要实现更高的能效不仅是由于相关计划对能效的要求越来越严格，而且也是因为缺少改善热环境的风扇。如图1所示，液晶电视的声音与图像控制电路板、电源单元和屏幕面板相互紧靠，因此，毫无疑问需要较低的EMI辐射，否则声音与图像质量可能会受到影响。液晶电视被看作是消费类电子设备，因此成本始终是关键要素。液晶电视电源设计者时刻面临这种挑战。5液晶电视电源设计趋势5.1液晶电视集成电源（LIPS）解决方案图2已经简要介绍了液晶电视的传统电源系统架构。电源单元是个AC/DC转换器，而DC/AC逆变器部分则被单独隔离开来。这个电源系统主要由三个系统块构成：首先是前端PFC预调节器；第二个是DC/DC级，负责将400VPFC输出电压转换成24V（12V）。第三个是DC/AC逆变器，负责将24V（12V）电压转换成高交流电压（如1200Vac），为背光灯供电。图3.液晶电视集成电源解决方案图注：PFCblock:PFC单元；DC/ACInverter:DC/AC逆变器；Fixedfrequencyflyback:固定频率反激式；quasiresonantflyback:准谐振反激式；audiosystem:音频系统；systemboard:系统电路板；Microcontroller：微控制器Standby:待机图3所示的LIPS解决方案省去了图2中所示的DC/DC级（400V/24V），400VPFC输出电压直接馈入后面的DC/AC逆变器，而且PFC级和DC/AC逆变器被集成在一个电源单元里面。LIPS方案中的DC/DC（400V/20V、12V、5V、3.3V）级的功率额定值要远远小于在传统液晶电视电源中的功率额定值。相对于传统的电源解决方案，LIPS解决方案的DC/AC逆变器由于具备更高的输入直流电压，因此能实现更高的能效；同时，DC/DC级的功率损耗也远远低于在传统解决方案中的功率损耗。因此，LIPS解决方案可实现更高的总能效。另外，由于减少了组件数量，因此降低了尺寸和成本（高达30%）。尽管如此，LIPS解决方案依然面临几个障碍：液晶电视面板供应商通常将面板的销售与逆变器电路板捆绑起来。因此，在这种情况下，面板供应商便成了逆变器架构决策者。SMPS厂商如果想开发LIPS解决方案，必须要按照面板供应商提供的规范设计逆变器。此外，必须重新调整电视机市场以往的价值链，电视机面板供应商不会轻易将他们的利润与电源供应商分享；目前存在一些有关背光灯电流平衡电路的专利，电源供应商必须与专利所有者协商，解决专利问题；不同的面板型号对逆变器有不同的要求，因此电源供应商必须采用不同逆变器规范设计LIPS电源，这大大增加了产品所需的研发成本。尽管LIPS面临上述的几个障碍，但由于具备较低的成本、简单的结构和更高的能效，LIPS解决方案依然成为了液晶电视电源的主要发展趋势。如今，LIPS解决方案正逐渐被越来越多的领先电源厂商和液晶电视厂商（例如三星、索尼、LG等）所采用。这些厂商有能力采购到LCD面板（不带逆变器电路板），所以他们在决定采用什么电源架构上具备了较高的决定权。在某些地区，例如在韩国，LIPS被相信将在今后若干年内占据主导地位。图3所示的LIPS解决方案和图2所示的传统解决方案相比，对原DC/DC级的输出功率要求大大降低；因此，可建议采用准谐振或固定频率反激式拓扑，用于执行DC/DC级功能，获得较高的性能价格比。5.2待机输入功率要求如今，待机性能正日益成为液晶电视电源设计的关键要素。通常情况下，多数液晶电视厂商可完全接受100mW的待机输入功率。此外，在一些典型的轻负载条件下也对输入功率提出了要求，例如当5V输出电压产生20mA电流时，输入功率应低于0.3W。为了满足日益严格的待机功率要求，LIPS解决方案中多路输出转换器（multiconverter）和待机转换器(standby)可通过两个独立的转换器实现，例如多路输出转换器采用固定频率或准谐振反激式拓扑，而另一个固定频率反激式拓扑则用于实现待机转换器。5.3液晶电视功率要求如今，消费者都越来越关注能源成本的飞速上涨。领先的液晶电视厂商也在持续不断地开发全新技术，进一步降低电视的总功率，同时确保电视图像质量与音质不受影响。例如，液晶电视领先厂商索尼推出了全新的“BRAVIA”JE1系列（KDL-32JE1）。该系列产品具备业界32英寸数字液晶电视最高的能效。通过改善背光灯光发射效率和光学膜的光传导效率，索尼实现了领先业界的能效，年功耗仅为86千瓦小时（这意味着平均功耗仅为53W），最大功耗不到89W。因此，建议采用准谐振反激式拓扑代替LLC，用于传递电源功率，原因是它能够在性能与成本之间取得更好的平衡。5.4LED背光尽管CCFL作为背光源已经为电视产品服务了数十年，但LED等全新技术已向CCFL的主导地位发起挑战。实际上，几家领先的液晶电视厂商已经推出采用LED背光灯的液晶电视。LED背光灯相对于CCFL背光灯的优势概括如下：LED背光可调节亮度，改善黑电平（通过降低亮度），因此可提高整体对比度。这相对于原来的强制性方法是一种更加高效的方法。LCD面板供应商原来只能通过提高整体亮度来提升对比度。LED具备更宽的色域，达到超过100%的NTSC色域值，而CCFL仅能达到92%（最新进展）或72%（传统）。LED液晶电视使用寿命是典型CCFL液晶电视使用寿命的两倍。CCFL的亮度会慢慢退化，使用寿命约为50,000小时。而LED在50,000小时的使用周期内亮度几乎不变，超过100,000小时后，亮度减半。图4.LED背光液晶电视的电源系统架构图注：PFCBlock:PFC单元；DC/DCLLCresonantconverter:DC/DCLLC谐振转换器；LEDdriver:LED驱动器；Buck/boost:降压/升压；Audiosystem:音频系统；Systemboard:系统电路板;AC/DC&DC/DCFixedfrequencyflyback:AC/DC&DC/DC固定频