- LCDTV電源模塊設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
- LCDTV傳統(tǒng)方案分析及存在的問(wèn)題
- LCDTV整體電源方案
- 采用專用的電源管理模塊
- 采用雙邊驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)解決變壓器所面臨的耐壓?jiǎn)栴}
隨著成本及售價(jià)的不斷下降，LCDTV憑借其顯示效果和輕薄體積的優(yōu)勢(shì)，正逐步取代傳統(tǒng)CRT成為家用市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，2007年全球LCDTV出貨量達(dá)到8600萬(wàn)臺(tái)，較2006年成長(zhǎng)58%。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司iSuppli的預(yù)測(cè)，2008年全球LCDTV出貨量將突破1億臺(tái)，并在2011年之前達(dá)到1.7億臺(tái)，除了價(jià)格因素之外，現(xiàn)有有線電視網(wǎng)絡(luò)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，也將在很大程度上刺激LCDTV的銷售。
LCDTV電源模塊設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
與相同尺寸傳統(tǒng)CRT相比，中大尺寸LCDTV無(wú)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(chǎn)品，LCDTV必須合理降低功耗和制造成本，因?yàn)楣?jié)能降耗已經(jīng)成為時(shí)代主題，而作為消費(fèi)類電子產(chǎn)品，價(jià)格始終會(huì)是用戶考慮的主要因素。
從功耗角度來(lái)看，ENERGYSTAR(EPAV3.0)已經(jīng)明確規(guī)范電視產(chǎn)品的最大功耗，這一標(biāo)準(zhǔn)將于2008年11月1日正式生效。在EPAV3.0規(guī)范中電視產(chǎn)品允許的最大功耗與其尺
寸大小相對(duì)應(yīng)(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(chǎn)品的功耗普遍高于新標(biāo)準(zhǔn)的上限。為通過(guò)ENERGYSTAR的認(rèn)證，設(shè)計(jì)工程師只有兩個(gè)選擇：對(duì)現(xiàn)有電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路做根本性變革，降低電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率損失；或者降低背光亮度并減小音響系統(tǒng)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(jué)和聽(tīng)覺(jué)感受為代價(jià)，前者才是最佳選擇，這是電源設(shè)計(jì)工程師所面臨的一大挑戰(zhàn)，即如何降低LCDTV的耗電量且不降低視聽(tīng)效果。
表1：ENERGYSTARV3.0版本對(duì)高清電視最大功耗的定義。
從成本角度來(lái)看，根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)DisplaySearch的最新預(yù)測(cè)報(bào)告，未來(lái)3年LCDTV的整機(jī)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(chǎn)品成本降幅甚至要達(dá)到20%以上。電源模塊(包括背光電源)占整機(jī)成本相當(dāng)大的比重，因此工程師需要通過(guò)簡(jiǎn)化電源模塊的設(shè)計(jì)來(lái)幫助降低成本。
表2：根據(jù)ENERGYSTARV3.0標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各尺寸LCDTV最大允許功耗。
為解決以上問(wèn)題，昂寶電子運(yùn)用自身的電源行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及系統(tǒng)研發(fā)能力，對(duì)傳統(tǒng)LCDTV電源架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，整合自主開(kāi)發(fā)的PFC、QR、Flyback、Inverter等產(chǎn)品線的控制芯片，成功開(kāi)發(fā)出了應(yīng)用于大尺寸LCDTV的整體電源解決方案，能夠節(jié)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(duì)23英寸以下LCD產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的62WLIPS電源。
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LCDTV傳統(tǒng)方案分析及存在的問(wèn)題
由于負(fù)載的多樣性，LCDTV的電源設(shè)計(jì)也變得相對(duì)復(fù)雜，需要如AC功率因數(shù)校正、隔離式電源轉(zhuǎn)換、非隔離式負(fù)載點(diǎn)電源轉(zhuǎn)換以及各種各樣的電源監(jiān)測(cè)保護(hù)功能，LCDTV產(chǎn)品正越來(lái)越多地依靠電源管理領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)確立其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
23英寸及以下的小尺寸LCDTV由于整機(jī)功率通常小于75W，不需要配置PFC線路，其供電模塊的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)相對(duì)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(jīng)被整合到一塊PCB板上，即目前主流的LIPS(LCDIntegratedPowerSystem)結(jié)構(gòu)，昂寶電子針對(duì)此類應(yīng)用開(kāi)發(fā)了多款LIPS電源，AC/DC部分轉(zhuǎn)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(nèi)部只有電源板和信號(hào)處理主板兩塊PCB，而對(duì)于32英寸以上大尺寸LCDTV而言，其內(nèi)部會(huì)相對(duì)復(fù)雜。
圖2所示為傳統(tǒng)32英寸LCDTV，內(nèi)部主要包括3塊PCB板，即：信號(hào)處理主板，用于音頻視頻處理及系統(tǒng)控制等功能；AC/DC電源板，將市電的220V@50Hz或110V@60Hz交流輸入轉(zhuǎn)換成音頻系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等所需要的24V/18V/12V/5V/3.3V等直流電壓，并實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正、與輸入電網(wǎng)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(lái)驅(qū)動(dòng)背光CCFL燈管，并實(shí)現(xiàn)背光亮度調(diào)節(jié)等功能。
圖2：傳統(tǒng)式LCDTV內(nèi)置信號(hào)處理、AC/DC電源、DC/AC電源三塊PCB板。
圖3是傳統(tǒng)式LCDTV電源的結(jié)構(gòu)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(tǒng)式LCDTV電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
由于離線式開(kāi)關(guān)電源不可避免會(huì)產(chǎn)生帶高諧波含量的非正弦輸入電流，這會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定污染，并影響到連接在同一電源線的其它電子設(shè)備，為滿足歐盟IEC61000-3-2的D類標(biāo)準(zhǔn)或類似的區(qū)域性諧波含量規(guī)范，通常需要在輸入功率大于75W的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中加入PFC模塊。大尺寸LCDTV的輸入功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)Boost線路將電網(wǎng)輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的400V直流電壓供給后級(jí)DC/DC電源使用。
圖4：傳統(tǒng)式LCDTV主電源功率范圍及架構(gòu)選擇。
DC/DC主電源模塊負(fù)責(zé)將PFC輸出的400V直流電壓轉(zhuǎn)換成各種負(fù)載所需的低壓直流電平，來(lái)滿足DC/AC逆變電源輸入、音響系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等模塊的工作需要，常見(jiàn)電壓包括24V/18V/12V/5V/3.3V等。國(guó)際能源署(IEA)和歐盟制定的“1W”計(jì)劃要求在2010年將所有產(chǎn)品的待機(jī)功耗降低到1W以內(nèi)，為符合1W待機(jī)功耗規(guī)范，DC/DC主電源模塊之外通常還需要設(shè)計(jì)一塊獨(dú)立的待機(jī)電源，用于在待機(jī)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(guān)閉，以最大限度降低待機(jī)功耗。
根據(jù)LCDTV尺寸及功率的大小，DC/DC主電源的常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：反激(包括準(zhǔn)諧振)、雙管反激、雙管正激、諧振半橋(HBLLC)等幾種。對(duì)于50W～100W的功率范圍，單開(kāi)關(guān)的反激或準(zhǔn)諧振反激拓?fù)涫亲罴堰x擇，其中準(zhǔn)諧振控制通過(guò)減小開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率并改善開(kāi)關(guān)造成的EMI干擾。而對(duì)于更大功率的100W～200W范圍，可以通過(guò)雙開(kāi)關(guān)反激的方式來(lái)應(yīng)對(duì)。正激結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于200W～300W的功率范圍，但由于需在連續(xù)導(dǎo)電模式下工作，解決由于硬開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的EMI問(wèn)題是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。諧振半橋結(jié)構(gòu)適用于150W以上的功率應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)在高功率級(jí)的LCDTV應(yīng)用中性能優(yōu)勢(shì)十分明顯，全負(fù)載范圍的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)及低電流關(guān)斷控制可幫助最大限度降低開(kāi)關(guān)損耗及減小EMI干擾。
DC/AC逆變電源用于驅(qū)動(dòng)背光模組，其將DC/DC主電源輸出的24V或12V直流電壓轉(zhuǎn)換為1000V左右的高壓交流電壓用于驅(qū)動(dòng)背光CCFL燈管并實(shí)現(xiàn)背光亮度(燈管電流)的調(diào)節(jié)功能，LCDTV顯示畫面的對(duì)比度需依靠高亮度的背光來(lái)支撐，所以DC/AC逆變電源部分的輸出功率通常占整機(jī)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(guò)上述對(duì)傳統(tǒng)LCDTV電源的結(jié)構(gòu)分析，我們不難發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，即整體效率非常低，因?yàn)檎?0%以上功耗的背光部分電能在PFC之后經(jīng)歷了降壓再升壓的兩級(jí)轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換過(guò)程中的效率損失也會(huì)引起散熱問(wèn)題。LCDTV的超簿設(shè)計(jì)及噪音限制使得無(wú)法在機(jī)箱中添加風(fēng)扇，而熱量的堆積會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)殼內(nèi)上下部分溫度不均勻，再加上CCFL亮度對(duì)溫度的敏感特性，這樣的設(shè)計(jì)給用戶呈現(xiàn)出來(lái)的將是面板上下部亮度不均勻的“獨(dú)特”效果。[page]
為解決上述問(wèn)題，業(yè)界一直在探論400V高壓輸入逆變電源方案。昂寶電子通過(guò)整合自身豐富的產(chǎn)品線，已經(jīng)將這一構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，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(jí)能量轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省一級(jí)效率損失，并且DC/DC主電源的設(shè)計(jì)功率可大幅降低，同時(shí)解決了DC/DC主電源的散熱問(wèn)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(guò)優(yōu)化AC/DC主電源的方式來(lái)降低整機(jī)功耗，如通過(guò)半橋諧振LLC架構(gòu)來(lái)優(yōu)化LCDTV電源，但與之相對(duì)應(yīng)的是昂貴的制造成本，而采用昂寶電子開(kāi)發(fā)的LCDTV整體電源方案，利用便宜的單開(kāi)關(guān)反激或準(zhǔn)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(duì)LCDTV成本的近年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及未來(lái)走勢(shì)預(yù)測(cè)。
與傳統(tǒng)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(yōu)勢(shì)，并且借助在電源管理領(lǐng)域的全面產(chǎn)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(kāi)關(guān)器、Inverter控制芯片等。這對(duì)LCDTV電源制造商的采購(gòu)與渠道管理提供了相當(dāng)大的便捷性，技術(shù)支持的快速響應(yīng)也得到了保證，由此帶來(lái)的研發(fā)及運(yùn)營(yíng)成本的降低同樣不容忽視。
圖6以150WLCDTV電源為例來(lái)對(duì)比傳統(tǒng)方案與昂寶電子方案，假設(shè)背光滿載消耗100W，其它部分滿載消耗50W，按照常規(guī)架構(gòu)及各模塊轉(zhuǎn)換效率來(lái)推算，運(yùn)用傳統(tǒng)方案來(lái)設(shè)計(jì)，其理論輸入功率將達(dá)到197W左右，整體效率為76%，而使用昂寶電子的方案來(lái)設(shè)計(jì)，理論輸入功率只需要174W左右，整體效率高達(dá)86%。
圖5：150WLCDTV電源系統(tǒng)傳統(tǒng)方案與昂寶電子方案的功率比較。
另一方面，傳統(tǒng)方案需要設(shè)計(jì)168W的DC/DC主電源，而使用昂寶電子的方案設(shè)計(jì)，則只需要設(shè)計(jì)50W的DC/DC主電源，根本不需要采用價(jià)格昂貴的半橋諧振LLC方案。
LCDTV整體電源方案
針對(duì)300W以下的LCDTV所開(kāi)發(fā)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(jié)構(gòu)。Standby電源模塊，使用OB2358開(kāi)關(guān)器，flyback結(jié)構(gòu)。DC/AC逆變電源模塊，使用OB3316控制芯片，400V高壓輸入半橋結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。
傳統(tǒng)LCDTV電源中，由于不同模塊運(yùn)用的是不同領(lǐng)域的電源管理技術(shù)，各個(gè)模塊的控制芯片往往需要從不同的供應(yīng)商采購(gòu)，這使得對(duì)于整體性要求非常高的LCDTV電源設(shè)計(jì)變得相對(duì)復(fù)雜，其研發(fā)成本和研發(fā)周期也相應(yīng)的被提高和延長(zhǎng)，而開(kāi)發(fā)的LCDTV電源整體解決方案各個(gè)模塊的主控制IC都采用其自主研發(fā)的綠色節(jié)能芯片。由于對(duì)不同領(lǐng)域的電源管理技術(shù)具備資源整合能力，使得原本復(fù)雜的LCDTV電源模組設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，LCDTV制造商所看重的技術(shù)支持也得以充分保障，這樣LCDTV產(chǎn)品可以更好的依賴電源模塊的創(chuàng)新所帶來(lái)的低功耗、低成本、短周期等優(yōu)勢(shì)，迅速確立其在市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)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(shù)，整體功率密度、零件數(shù)量和PCB尺寸都得以減小，為將原本獨(dú)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(chuàng)造了條件，從而可使37英寸以下LCDTV電源進(jìn)一步降低制造成本并簡(jiǎn)化制造流程。
37英寸以上LCDTV一般需要在面板左右兩側(cè)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(zhǎng)度的延長(zhǎng)及漏電流問(wèn)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(lái)均衡左右兩側(cè)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(diǎn)燈電壓來(lái)點(diǎn)亮大尺寸面板中使用的長(zhǎng)燈管，需要以雙邊驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)解決單邊驅(qū)動(dòng)方式中變壓器所面臨的耐壓?jiǎn)栴}。針對(duì)這類應(yīng)用，昂寶電子對(duì)LIPS結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，將DC/AC逆變電源的變壓器部分單獨(dú)放置到面板的左右兩側(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)單支燈管的雙邊反相位高壓驅(qū)動(dòng)，而功率轉(zhuǎn)換及控制部分仍然保留在原來(lái)的LIPS板上。
表4：傳統(tǒng)LCDTV電源方案與昂寶電子方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較。
傳統(tǒng)方案與昂寶電子解決方案的功耗及主要用料情況對(duì)比
以某知名品牌32"與46"LCDTV進(jìn)行對(duì)比，昂寶電子所開(kāi)發(fā)的LCDTV整體電源解決方案在整體功耗及關(guān)鍵零件數(shù)量方面均比傳統(tǒng)電源方案有明顯的優(yōu)勢(shì)：
圖6：昂寶電子開(kāi)發(fā)的32"LCDTVLIPS電源板。
圖7：昂寶電子開(kāi)發(fā)的46"LCDTVLIPS電源板+外置生壓板。
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從表5及圖10的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，同等輸出條件下昂寶電子的方案其輸入功率比傳統(tǒng)方案有明顯減小，且尺寸越大，差異越明顯。
表5：傳統(tǒng)LCDTV電源方案與昂寶電子方案功耗的比較。
從表6之比較來(lái)看，兩種方案的零件差異在DC/DC主電源部分表現(xiàn)的非常明顯，采用昂寶電子的方案，其DC/DC主電源部分的設(shè)計(jì)功率只需是傳統(tǒng)方案的三分之一甚至更小，大幅降低了整機(jī)電源的制造成本。
表6：傳統(tǒng)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(shí)代的到來(lái)，LCDTV取代CRT成為家用電視機(jī)主流產(chǎn)品已成必然之勢(shì)，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(duì)這一形勢(shì)，充分利用自身對(duì)不同領(lǐng)域的電源管理技術(shù)均十分熟悉的優(yōu)勢(shì)，整合了PFC、AC/DC、DC/AC產(chǎn)品線的相關(guān)產(chǎn)品，成功開(kāi)發(fā)了高效能、低成本的LCDTV電源整體解決方案，為解決這一時(shí)代難題創(chuàng)造了條件。
傳統(tǒng)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(yīng)商提供，AC/DC主電源廠商對(duì)DC/AC逆變電源領(lǐng)域及技術(shù)不熟悉，DC/AC逆變電源廠商亦對(duì)AC/DC主電源領(lǐng)域及技術(shù)不熟悉，各自的生產(chǎn)設(shè)備目前也不具備兼容這兩類電源產(chǎn)品的條件，要解決這一問(wèn)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(yè)之間通力配合，重新調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化資源配置。相信不久的將來(lái)，這一LCDTV電源整體方案將全面取代傳統(tǒng)式電源，以幫助LCDTV產(chǎn)品降低制造成本及使用功耗。
