液晶电视中的开关电源拓扑与高能效解决方案

摘要：本文根据不同的面板尺寸介绍AC-DC电源和背光架构，并重点阐释迈向谐振拓扑的结构。还介绍了当今使用不同灯技术对液晶电视进行背光的逆变器驱动架构，并探讨诸如液晶电视集成电源(LIPS)和LED背光等重要的背光技术发展趋势。另外，本文也列出了安森美半导体的高能效、低待机能耗GreenPoint液晶电视电源参考设计，帮助以更低成本实现更佳性能。

关键词：液晶电视；开关电源；拓扑；参考设计

在液晶(LCD)面板平均每英寸的成本越来越低、高清电视(HDTV)广播服务带动更先进电视需求以及2008年北京奥运会将刺激消费需求等有利条件的作用下，液晶电视产业近年来经历了非常快速的发展，其速度甚至超越了业界早前的预期，且其未来几年的发展前景持续看好。以中国大陆为例，根据信息产业部(MII)的最新统计数据，2007年上半年中国大陆液晶电视产量达634.4万台，比2006年同期增长65.4％；而在中国大中型城市的销量中，平板电视占据了70％，其中八成以上为液晶电视。

一般而言，业界将尺寸小于21英寸的面板列入小尺寸范畴，而将26至32英寸列入中等尺寸范畴，37英寸则作为较大尺寸面板，而大于40英寸的列为大尺寸范围。对于液晶电视而言，其面板尺寸越大，功率和功率密度也就越高。为了优化液晶电视的设计，根据面板尺寸和功率等级的不同，需要采用不同的开关电源拓扑，从而为液晶电视中的背光子系统和音频一视频信号处理供电。

小尺寸液晶电视开关电源采用反激式拓扑

对于小尺寸液晶电视而言，其功率通常低于70 W，这个数值低于大多数谐波含量标准对功率的要求，因此无须使用功率因数校正(PFC)技术。在这种情况下，使用的是一个开关电源(SMPS)。

此外，市场上也有其它的处理方式，如采用外部电源，适配器遵从各种不同标准和行为准则等。在使用内部电源单元和外部电源单元这两种方式中，通常都采用到了反激式拓扑结构。

如前所述，不同厂商的液晶电视尺寸并不统一，为了给消费者提供更多选择，也有厂商推出23英寸的产品。为了方便起见，我们也可把它一并划入小尺寸范畴。与21英寸以下液晶电视无需PFC不同，23英寸产品的功率相对较高(高于75 w)，就需要采用PFC，如安森美半导体推出的NCP1606就是一个适合的选择。

中等尺寸液晶电视的两种开关电源结构对比

对于中等尺寸的液晶电视而言，其功率相比小尺寸产品而言大幅增加，超过75 w，最高可达180 w，这种应用应该遵从欧盟IEC1000-3-2 D类标准或类似区域性谐波含量标准，必须使用PFC技术。

在这种尺寸的液晶电视中，可以考虑采用两种不同的功率转换结构。第一种结构采用关电源，如图1所示。这两个开关电源都采用反激式拓扑，其中一个提供24 V输出，专门用于背光，可为面板提供24 V@5A的输出功率，另一个负责为控制音视频输入输出信号处理(cAVIO)系统供电，可以提供12 V电压输出/40 w的功率(某些条件下电压为5 V)，还能够用于待机模式。

与第一种结构不同，第二种结构采用单个主开关电源结构，如图2所示。在这种结构中，主开关电源为LCD面板提供24V输出，并为CAVIO提供12V输出，其提供的功率在170 w范围内。除了这个主开关电源，还有一个专用的待机开关电源；而在待机模式下，主开关电源完全关断。待机开关电源在正常模式下提供10 w功率，而在待机条件下的电流消耗仅为500 mA。

在第二种结构中，为了适应更高的输出功率，主开关电源的拓扑不应该还是单开关反激，而应该采用关反激。当然，这个区域也采用了一个半桥谐振双电感加单电容(LLC)转换器。需要指出的是，对于功率等级较低的液晶电视(如小尺寸液晶电视)而言，它们通常采用的是准谐振模式，这种模式凭借减小开关损耗而能够提高能效；而在功率等级更高的液晶电视中，采用谐振拓扑的优势十分突出，所以，这种模式会引导设计人员采用半桥谐振LLC转换器。具体而言，这里采用半桥谐振LLC的好处体现在：

・与其它谐振拓扑相比，其输入电压范围和负载范围更宽，

・谐振槽元件可以集成在单个变压器内，从而减少元件数量；

・在所有负载条件下用于原边开关的零电压开关(ZVS)；

・所有重载条件下用于负边开关的零电流开关(ZCS)。

这两种结构比较起来，各有其优势所在。对于采用关电源的第一种架构而言，它使得功率得到更好的平衡，允许两个开关电源转换器采用同一种拓扑结构；此外，它消除了背光数字调光所可能导致的交叉调节问题，而且它的待机性能出色，虽然比起专用待机电源来说还略显逊色。不仅如此，它还可以对源自信号处理电源(CAVIO电源)的背光信号进行解耦，这样就能够在需要新的背光技术(如外置电极荧光灯EEFL、平面荧光灯FFL、发光二极管LED)时简化技术方案的演进。

如前所述，第二种结构中采用含有半桥LLC转换器的单个主开关电源。与采用反激式转换器相比，采用LLC转换器能够提高总体效率，而且也解决了背光数字调光所导致的交叉调节问题。此外，由于LLC模式下频率提高，使得开关电源的尺寸可以更小。值得一指的是，第二种结构中，除了主开关电源外，所采用的专用待机开关电源可以提高待机模式的效率，能够实现低于1瓦的待机能耗。目前美国和欧盟纷纷出台有关电视机1瓦待机能耗的法规。

大尺寸液晶电视中PFC电源需采用CCM拓扑

随着屏幕尺寸的加大，液晶电视的功率也水涨船高。对于37英寸的较大尺寸液晶电视而言，其功率最达可达220W；对40～42英寸的液晶电视而言，功率最高达300 w，而46英寸的功率更高达330W。在这类功率级别，输入电压达到了很宽的90V~264V范围。

其中，以37英寸液晶电视为例，与前文所述的32至32英寸液晶电视一样，也可以采用关电源和单一主开关电源加专用待机开关电源这两种结构。不过，虽然关电源结构拥有明显优势，但在高达220 W功率范围下，设计人员必须考虑到轻载性能变得越来越重要，因为CAVIO的功率容量增加了。不仅如此，采用反激等传统拓扑能够实现的功率密度在这里则成为一个问题。其它能够提高能效、减小尺寸和改善交互调节状况的拓扑必须予以考虑。例如，大多数设计人员已经选择半桥谐振LLC解决方案来实现这些性能改善目标。

而对于40英寸及更大尺寸的液晶电视来说，最常见的电源结构也是主开关电源加专用待机开关电源，其中主开关电源采用半桥谐振拓扑，能够同时输出24 V和12 V电压。

总的来看，在37英寸及更大尺寸的液晶 电视中，就PFC而言，临界导电模式(CRM)不再实用，必须转用连续导电模式(CCM)。而且在待机模式中，PFC电源也和主开关电源一样被关闭，以降低总体功率消耗。对于这个等级液晶电视的PFC而言，安森美半导体的NCP1653/NCP1654是改善传导干扰和管理较大功率的最佳解决方案。

开关稳压器在CAVIO系统电源中的应用越来越多

前文根据面板尺寸和功率等级的不同，分析了不同液晶电视所适用的开关电源结构以及相关的最新解决方案。由于液晶电视中的电源主要为背光子系统和控制音视频信号输入输出(CAVIO)供电，接下来我们将分别就CAVIO电源和背光电源作进一步的讨论。

对于CAVIO电源而言，这一块的功率分配正变得越来越复杂，面临着超来越多的挑战。例如，芯片组的集成度越来越高，核心处理器的电压变得更低，而电流却在提高；此外，各种不同的功能模块所需要的电压轨种类越来越多。在这种情况下，如果使用线性稳压器，则必须提高开关电源的功率；另一方面，高集成度的芯片组也在提高电路板的功率密度。基于这些有关效率和热的因素，在CAVIO电源中，开关稳压器的应用日益增多。

开关稳压器能够提高整体能效、减小总占位面积。通过使用开关稳压器，可以较低的输出电压和较大的电流来支持深亚微米设计以及内核电压朝低于1 V方向迈进的趋势。

而就开关控制器而言，它的主要发展趋势包括：输出电压更低，适用于逻辑控制板，开关频率更高，能效也更高，输入电压范围更宽广。

新型方案降低大尺寸液晶电视系统总成本

传统上，液晶电视的开关电源中，主开关电源和逆变器是分立的。对于大尺寸液晶电视而言，一种新兴的方案是将主开关电源和逆变器集成在一起，形成所谓的高压型的结合方案LIPS。对于大尺寸液晶电视而言，采用LIPS可以消除24 V转换阶段。由于减少了一级电压变换，这种方案可以带来不少的好处，不仅节省系统总功率、减少液晶电视底盘的发热量，还可节省系统总成本。

在大尺寸液晶电视的LIPS方案中，在PFC电源方面，可以采用安森美半导体的NCP1653/NCP1654 PFC控制器，这两款器件采用CCM拓扑结构，非常适用于改善传导干扰，及管理大尺寸液晶电视中超过200 W的功率。而在开关电源方案，可以采用一个专门用于处理CAVIO的开关电源以及一个专用的待机开关电源。

从发展趋势来看，一般预计，采用LIPS的40英寸或更大尺寸的液晶电视将在2007年底开始面市，而对于32和37英寸液晶电视而言，将可采用LIPS或标准开关电源(LLC)等不同方案。

Green Point液晶电视电源参考设计

安森美半导体推出了尺寸为130×200×25 mm为GreenPoint系列电源参考设计，该设计针对极为纤薄的液晶电视机壳进行了优化，具有极高的能效和极低的待机能耗，可以满足客户的应用设计需求。图4展示的是GreenPoint电源参考设计功能结构图。

图5显示的是GreenPoint系列液晶电视电源参考设计满载时在不同输入电压下的能效。从该图可以看出，该参考设计拥有极高的效率，在中等及以上功率时的能效高于80％，甚至超过90％。此外，从轻载条件下，该参考设计也拥有低于1瓦的待机能耗，这对于降低液晶电视的待机能源消耗具有重要意义。

结语

对于液晶电视特别是中等及以上尺寸的液晶电视而言，其电源结构正在向半桥谐振LLC拓扑、多输出DC/DC等高能效、更紧凑的解决方案方向发展。由于液晶电视的用量增加，优化开关电源的结构，使之适应不同地区的具体电压工作范围要求也越来越有意义。DC/DC和低压降稳压器的使用将会继续向大电流和低电压转移，从而需要新的解决方案。