平板電視中的開關(guān)電源發(fā)展趨勢

安森美半導(dǎo)體公司BernieWeir消費(fèi)電子應(yīng)用的電源設(shè)計一直都存在著外型、成本和能效目標(biāo)等方面的困難挑戰(zhàn)。電視終端市場已經(jīng)從陰極射線管(CRT)技術(shù)轉(zhuǎn)向等離子、液晶顯示(LCD)和背投多種數(shù)字電視顯示技術(shù)。其中,LCD已經(jīng)確立了明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢,據(jù)預(yù)測,2008年液晶電視(LCDTV)的全球付運(yùn)量將首次超過CRT電視的付運(yùn)量,預(yù)計達(dá)到1億部。與此同時,內(nèi)容已經(jīng)從模擬轉(zhuǎn)變到數(shù)字制式,顯示器分辨率也已經(jīng)增加,并已廣泛采納寬屏制式,也增添了畫中畫功能的多調(diào)諧器、全高清(1080p)、增強(qiáng)型音頻甚至是因特網(wǎng)訪問等增強(qiáng)型特性。

    此外,CRT所存在的屏幕尺寸限制問題也消失,平均屏幕尺寸已經(jīng)增大,以致32英寸的寬屏電視如今成為最受歡迎的型號,40~42英寸范圍則緊隨其后,而屏幕尺寸大于50英寸的電視也很常見。雖然采用新技術(shù)推動了市場增長并改善了用戶的觀看體驗,但這種轉(zhuǎn)變對全球能耗的影響也引起越來越多的關(guān)注。

    從歷史來看,美國的“能源之星(ENERGYSTAR)”和歐盟的“生態(tài)標(biāo)簽(Eco-lable)”等面向消費(fèi)電子領(lǐng)域的自愿性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)將重點(diǎn)放在待機(jī)能耗的影響方面,但隨著數(shù)字平板電視的普及,相關(guān)的注意力已經(jīng)拓展到工作模式的能耗。真實世界中42英寸平板電視的能耗根據(jù)技術(shù)(液晶或等離子)、特性集和設(shè)計選擇的不同介于180~500W之間。將這個功率范圍與29英寸CRT電視約100W的能耗相比,可以看出,能耗增加的部分原因要?dú)w結(jié)于增大的屏幕面積。但這不是全部的緣由,因為顯示技術(shù)各不相同。

    舉例來說,液晶電視在面板后面有一個背光子系統(tǒng),這就增加了平均功率。同時,因游戲、音樂觀看、網(wǎng)頁瀏覽等活動引起的電視機(jī)使用時間也增加,而且家庭影院系統(tǒng)也推動了家庭增多使用能源。這樣一來,規(guī)范和政府機(jī)構(gòu)紛紛考慮如何應(yīng)對這種轉(zhuǎn)變。針對電視機(jī)的“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)正修改為3.0版的進(jìn)程之中,將首次納入工作功率(activepower)的相關(guān)規(guī)范。

    該標(biāo)準(zhǔn)目前正處在最終草案審查階段,目標(biāo)是從2008年11月開始生效。其中的最大工作功率限制與顯示技術(shù)(液晶、等離子或背投)無關(guān),僅與屏幕面積和分辯率(高清或標(biāo)清)有關(guān)。高清(HD)定義為分辨率高于垂直480線。根據(jù)屏幕尺寸和分辨率的不同,有幾種算法可用于計算最大工作功率限制。舉例來說,面積介于680~1068平方英寸(4387~6890cm2)之間范圍的高清電視所用的公式是:

    因此,一臺32英寸的高清電視可能會有120W的工作功率限制,而一臺42英寸液晶電視的工作功率限制則會有208W。這些限制是根據(jù)對源自多家制造商,結(jié)合不同顯示類型的多種代表性樣品進(jìn)行測試而設(shè)定的。對于受測樣品而言,其中有27.4%通過了建議的工作和待機(jī)要求。3.0版本的待機(jī)能耗要求并未改變,最大1W的限制已經(jīng)自2005年7月開始實施。 

    不同的電壓輸入端要為音頻、背光、控制和信號處理等不同系統(tǒng)模塊供電。主電源在電視機(jī)內(nèi)并不產(chǎn)生所需的所有這些電壓,相反,采用的是本地線性和DC/DC轉(zhuǎn)換器來為接口模塊、模擬電路和信號處理電路供電。在控制音視頻信號板上可能有5個或者更多的線性或低壓降(LDO)穩(wěn)壓器,并有幾個降壓轉(zhuǎn)換器來為深亞微米數(shù)字信號處理模塊產(chǎn)生低壓電源輸入端。電視機(jī)制造商采用支持90~265Vac電壓的通用電源相當(dāng)普遍。

    這就使單個電源設(shè)計適用于不同地區(qū)相同電視尺寸范圍的一系列電視機(jī)型號,并簡化物流及降低開發(fā)成本。如果液晶電視旨在用于全球市場且功率高于75W,就有必要符合歐洲諧波減少標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2,因此就要使用工作功率因數(shù)控制段。對于尺寸大于26英寸的液晶電視而言,背光模塊消耗最大部分的電能,而24V電源輸入端用于為逆變器段供電,逆變器驅(qū)動用于屏幕背光的冷陰極熒光燈(CCFL)。

    逆變器功能用于將24Vdc電壓轉(zhuǎn)換至高電壓、低電流的交流信號,用于點(diǎn)亮及驅(qū)動燈。通常有兩個主電源段,其中一個用于背光,另一個用于控制音/視頻和信號處理。而在這個功率電平,SMPS段基于單開關(guān)準(zhǔn)諧振(QR)或固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。根據(jù)電視的特性集和12V及5V輸入端所需要的電源不同,也可能有一個專用開關(guān)電源用作待機(jī)電源,以符合1W限制的待機(jī)要求。對于較大尺寸的電視而言,所包括的特性更多,而且用于音頻、信號處理和控制功能的功率也在增加,使專用待機(jī)電源的使用變得更加常見。   

    隨著屏幕面積增加,24Vdc輸入端所要求的功率持續(xù)增加,直至不能再應(yīng)用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。這樣一來,多種支持更高功率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括半橋雙單感加單電容(HBLLC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等已被考慮用于緊湊的空間上,實現(xiàn)高能效而且產(chǎn)生極低的電磁干擾(EMI)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被視作串行諧振轉(zhuǎn)換器。其中的LLC指的是電感-電感-電容配置。第一個電感與代表第二個電感的變壓器串聯(lián),而電容位于變壓器的輸出。這種方法背后的基本概念是半橋場效應(yīng)管(FET)由50%占空比的波形驅(qū)動,而功率通過改變頻率來調(diào)節(jié)。通常情況下,這樣設(shè)計使開關(guān)頻率高于電路的諧振頻率。在那個區(qū)域,電流以開關(guān)來對電壓進(jìn)行延遲,并在零電壓開關(guān)(ZVS)區(qū)域?qū)ㄩ_關(guān),這實際上消除了電容開關(guān)損耗;而且由于這是諧振模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它在極寬的功率范圍內(nèi)都有很高的能效。 

    基于半橋LLC的完整電源的例子,半橋LLC段產(chǎn)生多路輸出。這設(shè)計是安森美半導(dǎo)體開發(fā)Greenpoint參考設(shè)計系列的組成部分,展示不同應(yīng)用高能效電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個示例中,在115和230Vac主電源下,覆蓋90~220W功率范圍的這電源都有著高于88%的總體能效。

    除了在寬廣功率范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的總體能效,這電源還設(shè)計為低高度,最高度僅為25mm。對于平板電視而言,電源高度非常重要,因為它是電視機(jī)總厚度的一個主要影響因素。業(yè)界對于設(shè)計可以方便地掛裝在墻上的極薄平板電視的興趣與日俱增。隨著電視機(jī)殼體減小,且經(jīng)過電源的氣流可能會有更多限制,纖薄輕穎的平板電視趨勢為電源設(shè)計提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

    隨著大屏幕平板電視的增長,設(shè)計需要更高能效的高密度電源的挑戰(zhàn)推動著電源設(shè)計人員采納創(chuàng)新的電源架構(gòu)。半橋諧振LLC能夠?qū)崿F(xiàn)平板電視所需要的能效和空間目標(biāo),同時還為價格敏感的消費(fèi)電子產(chǎn)品提供高性價比的解決方案。此外,隨著新的工作功率標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)而且消費(fèi)者意識到轉(zhuǎn)向大屏幕所需要付出的能源成本,越來越多的注意力放在高能效解決方案方面。這不僅涉及轉(zhuǎn)向更高能效的電源解決方案,還涉及到LCD面板。


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 ^ 平板電視中的開關(guān)電源發(fā)展趨勢