英飛凌面向液晶電視SMPS的整體解決方案

　　1 摘要

　　相對于傳統(tǒng)的陰極射線管電視，液晶電視憑借其高清晰度、大屏幕尺寸和超薄面板等優(yōu)勢，已被越來越多的用戶所接受和喜愛。而液晶電視的電源設(shè)計(jì)者則在設(shè)計(jì)方面至少面臨4大挑戰(zhàn)：高能效、高功率密度、低EMI輻射和低成本。此外，整個(gè)系統(tǒng)在待機(jī)模式下的功耗應(yīng)保持在1.0W以下（負(fù)載0.5W）。另外值得一提的是，由于對不同尺寸屏幕的液晶電視的功率等級、能效和成本敏感度的要求不同，設(shè)計(jì)者應(yīng)相應(yīng)地選用不同的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。英飛凌擁有眾多AC/DC IC產(chǎn)品，包括8引腳半橋LLC控制器ICE1HS01G、準(zhǔn)諧振反激式控制器ICE2QS0X、準(zhǔn)諧振CoolSETICE2QRXX65 （集成式功率IC）、CoolSETF3R 系列、DCM PFC 控制器 TDA4863-2和CCM PFC控制器ICE2PCS0X，可幫助電源設(shè)計(jì)者輕松滿足所有這些嚴(yán)格的要求。本文將簡要介紹這些產(chǎn)品的特性和設(shè)計(jì)指南。

　　2.液晶電視電源典型架構(gòu)

　　
圖1. 32英寸液晶電視面板（后視圖）

　　　　圖1為一個(gè)典型的32英寸液晶電視面板，其背面安裝有三個(gè)電路板，分別為電源單元、低壓逆變器以及聲音與圖像控制電路板。電源單元電路板用于將交流輸入電壓（85Vac~265Vac）轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓（24V/12V/5V/3.3V），這些較低的直流輸出電壓為背光、音頻與信號處理等各種系統(tǒng)供電。輸入功率因數(shù)校正（PFC）也由電源單元完成；低壓逆變器電路板用于將低直流輸入電壓（24V或12V）轉(zhuǎn)換成高交流輸出電壓（1200Vac@50kHz），用于驅(qū)動CCFL背光燈；聲音與圖像控制電路板用于控制和處理聲音與圖像信號，另外還負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)。

　　圖2 液晶電視傳統(tǒng)電源系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖2 概括介紹了液晶電視傳統(tǒng)電源系統(tǒng)構(gòu)架，包含一個(gè)電源單元和一個(gè)獨(dú)立的DC/AC逆變器。

　　由于輸入功率常常高于75W，因此經(jīng)常需要使用前端PFC級。后續(xù)兩級為主DC/DC級和待機(jī)功率級。

　　主DC/DC級用于為背光逆變器、系統(tǒng)電路板和音頻系統(tǒng)供電。當(dāng)功率額定值小于200W時(shí)，由于能夠更好地在性能和成本之間取得平衡，建議在DC/DC級采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)?。若功率額定值超過200W，可使用LLC諧振轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗邆涓映錾男屎虴MI性能。

　　待機(jī)級用于提供待機(jī)部件和微控制器所需的電源。開關(guān)集成式反激式電源往往是設(shè)計(jì)者的首選解決方案。

　　DC/AC逆變器是一個(gè)獨(dú)立的單元，負(fù)責(zé)將24V（12V）直流電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓（例如1200Vac），為背光燈供電。

　　3 液晶電視功率等級要求

　　在家用電器設(shè)備中，電視機(jī)的耗電量較大。根據(jù)電視機(jī)能源之星3.0規(guī)定，需要實(shí)現(xiàn)1W的待機(jī)輸入功率。

　　此外，還對主動模式下的效率提出了要求。為了符合能源之星計(jì)劃的要求，電視機(jī)不得超過表1中根據(jù)原生垂直分辨率和可視屏幕尺寸計(jì)算得出的最大開機(jī)功耗。

　　表1. 電視機(jī)開機(jī)功率水平要求

　　表2. 不同尺寸電視機(jī)的開機(jī)功率要求

　　　例如，根據(jù)IEC 62087標(biāo)準(zhǔn)（“聲頻、視頻和相關(guān)設(shè)備功率消耗量的測量方法”）進(jìn)行測試時(shí)，一臺32英寸高清電視功耗不得超過120W，一臺42英寸高清電視功耗不得超過208W。

　　實(shí)際上，市場上現(xiàn)有的多數(shù)液晶電視都無法滿足表2所列的功率要求。主要解決方案之一是進(jìn)一步提高現(xiàn)有液晶電視的電源效率。

　　4 液晶電視電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　液晶電視的電源單元厚度需要比陰極射線管電視的電源薄很多。液晶電視采用的標(biāo)準(zhǔn)電源單元的厚度通常需要低于25mm。超薄型液晶電視甚至需要電源單元的厚度低于13mm。

　　液晶電視的電源單元功率密度遠(yuǎn)高于陰極射線管電視的電源單元的功率密度。

　　需要實(shí)現(xiàn)更高的能效不僅是由于相關(guān)計(jì)劃對能效的要求越來越嚴(yán)格，而且也是因?yàn)槿鄙俑纳茻岘h(huán)境的風(fēng)扇。

　　如圖1所示，液晶電視的聲音與圖像控制電路板、電源單元和屏幕面板相互緊靠，因此，毫無疑問需要較低的EMI輻射，否則聲音與圖像質(zhì)量可能會受到影響。

　　液晶電視被看作是消費(fèi)類電子設(shè)備，因此成本始終是關(guān)鍵要素。液晶電視電源設(shè)計(jì)者時(shí)刻面臨這種挑戰(zhàn)。

　　5 液晶電視電源設(shè)計(jì)趨勢

　　5.1 液晶電視集成電源（LIPS）解決方案

　　圖2已經(jīng)簡要介紹了液晶電視的傳統(tǒng)電源系統(tǒng)架構(gòu)。電源單元是個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器，而DC/AC逆變器部分則被單獨(dú)隔離開來。這個(gè)電源系統(tǒng)主要由三個(gè)系統(tǒng)塊構(gòu)成：首先是前端PFC預(yù)調(diào)節(jié)器；第二個(gè)是DC/DC級，負(fù)責(zé)將400V PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換成24V（12V）。第三個(gè)是DC/AC逆變器，負(fù)責(zé)將24V（12V）電壓轉(zhuǎn)換成高交流電壓（如1200Vac），為背光燈供電。

　　圖3. 液晶電視集成電源解決方案

　　　　圖3所示的LIPS解決方案省去了圖2中所示的DC/DC級（400V/24V），400V PFC輸出電壓直接饋入后面的DC/AC逆變器，而且PFC級和DC/AC逆變器被集成在一個(gè)電源單元里面。LIPS方案中的DC/DC（400V/20V、12V、5V、3.3V）級的功率額定值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在傳統(tǒng)液晶電視電源中的功率額定值。

　　相對于傳統(tǒng)的電源解決方案，LIPS解決方案的DC/AC逆變器由于具備更高的輸入直流電壓，因此能實(shí)現(xiàn)更高的能效；同時(shí)，DC/DC級的功率損耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在傳統(tǒng)解決方案中的功率損耗。因此，LIPS解決方案可實(shí)現(xiàn)更高的總能效。另外，由于減少了組件數(shù)量，因此降低了尺寸和成本（高達(dá)30%）。

　　盡管如此，LIPS解決方案依然面臨幾個(gè)障礙：

　　液晶電視面板供應(yīng)商通常將面板的銷售與逆變器電路板捆綁起來。因此，在這種情況下，面板供應(yīng)商便成了逆變器架構(gòu)決策者。SMPS廠商如果想開發(fā)LIPS解決方案，必須要按照面板供應(yīng)商提供的規(guī)范設(shè)計(jì)逆變器。此外，必須重新調(diào)整電視機(jī)市場以往的價(jià)值鏈，電視機(jī)面板供應(yīng)商不會輕易將他們的利潤與電源供應(yīng)商分享；

　　目前存在一些有關(guān)背光燈電流平衡電路的專利，電源供應(yīng)商必須與專利所有者協(xié)商，解決專利問題；

　　不同的面板型號對逆變器有不同的要求，因此電源供應(yīng)商必須采用不同逆變器規(guī)范設(shè)計(jì)LIPS電源，這大大增加了產(chǎn)品所需的研發(fā)成本。

　　盡管LIPS面臨上述的幾個(gè)障礙，但由于具備較低的成本、簡單的結(jié)構(gòu)和更高的能效，LIPS解決方案依然成為了液晶電視電源的主要發(fā)展趨勢。如今，LIPS解決方案正逐漸被越來越多的領(lǐng)先電源廠商和液晶電視廠商（例如三星、索尼、LG等）所采用。這些廠商有能力采購到LCD面板（不帶逆變器電路板），所以他們在決定采用什么電源架構(gòu)上具備了較高的決定權(quán)。在某些地區(qū)，例如在韓國，LIPS被相信將在今后若干年內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　圖3所示的LIPS解決方案和圖2所示的傳統(tǒng)解決方案相比，對原DC/DC級的輸出功率要求大大降低；因此，可建議采用準(zhǔn)諧振或固定頻率反激式拓?fù)洌糜趫?zhí)行DC/DC級功能，獲得較高的性能價(jià)格比。

　　5.2 待機(jī)輸入功率要求

　　如今，待機(jī)性能正日益成為液晶電視電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。

　　通常情況下，多數(shù)液晶電視廠商可完全接受100mW 的待機(jī)輸入功率。此外，在一些典型的輕負(fù)載條件下也對輸入功率提出了要求，例如當(dāng)5V輸出電壓產(chǎn)生20mA電流時(shí)，輸入功率應(yīng)低于0.3W。

　　為了滿足日益嚴(yán)格的待機(jī)功率要求，LIPS解決方案中多路輸出轉(zhuǎn)換器（multi converter）和待機(jī)轉(zhuǎn)換器（standby）可通過兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，例如多路輸出轉(zhuǎn)換器采用固定頻率或準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)?，而另一個(gè)固定頻率反激式拓?fù)鋭t用于實(shí)現(xiàn)待機(jī)轉(zhuǎn)換器。

　　5.3 液晶電視功率要求

　　如今，消費(fèi)者都越來越關(guān)注能源成本的飛速上漲。領(lǐng)先的液晶電視廠商也在持續(xù)不斷地開發(fā)全新技術(shù)，進(jìn)一步降低電視的總功率，同時(shí)確保電視圖像質(zhì)量與音質(zhì)不受影響。

　　例如，液晶電視領(lǐng)先廠商索尼推出了全新的“BRAVIA” JE1系列（KDL-32JE1）。該系列產(chǎn)品具備業(yè)界32英寸數(shù)字液晶電視最高的能效。通過改善背光燈光發(fā)射效率和光學(xué)膜的光傳導(dǎo)效率，索尼實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)先業(yè)界的能效，年功耗僅為86千瓦小時(shí)（這意味著平均功耗僅為53W），最大功耗不到89W。

　　因此，建議采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)浯鍸LC，用于傳遞電源功率，原因是它能夠在性能與成本之間取得更好的平衡。

　　5.4 LED背光

　　盡管CCFL作為背光源已經(jīng)為電視產(chǎn)品服務(wù)了數(shù)十年，但LED等全新技術(shù)已向CCFL的主導(dǎo)地位發(fā)起挑戰(zhàn)。實(shí)際上，幾家領(lǐng)先的液晶電視廠商已經(jīng)推出采用LED背光燈的液晶電視。LED背光燈相對于CCFL背光燈的優(yōu)勢概括如下：

　　LED背光可調(diào)節(jié)亮度，改善黑電平（通過降低亮度），因此可提高整體對比度。這相對于原來的強(qiáng)制性方法是一種更加高效的方法。LCD面板供應(yīng)商原來只能通過提高整體亮度來提升對比度。

　　LED具備更寬的色域，達(dá)到超過100%的NTSC色域值，而CCFL僅能達(dá)到92%（最新進(jìn)展）或 72%（傳統(tǒng)）。

　　LED液晶電視使用壽命是典型CCFL液晶電視使用壽命的兩倍。CCFL的亮度會慢慢退化，使用壽命約為50，000小時(shí)。而LED在50，000小時(shí)的使用周期內(nèi)亮度幾乎不變，超過100，000小時(shí)后，亮度減半。

　　圖4. LED背光液晶電視的電源系統(tǒng)架構(gòu)

　　　如圖4所示，從CCFL到LED的變化不會對液晶電視的電源設(shè)計(jì)造成太大影響。LLC諧振轉(zhuǎn)換器可用于執(zhí)行主DC/DC功率級的功能，為LED驅(qū)動器電路、音頻系統(tǒng)和系統(tǒng)電路板供電。同樣，微控制器和待機(jī)部件也需要一個(gè)額外的DC/DC級供電。此外，該DC/DC級也可用來為音頻系統(tǒng)和系統(tǒng)電路板供電。

英飛凌面向液晶電視電源產(chǎn)品及解決方案#e#

　　6 英飛凌面向液晶電視電源的產(chǎn)品及解決方案

　　針對圖2所示的典型架構(gòu)，英飛凌可提供整體解決方案（如圖5和圖6所示），包括PFC控制器（DCM PFC TDA4863-2和CCM PFC ICE2PCS0X）、LLC 諧振控制器（8個(gè)引腳LLC ICE1HS01G）、準(zhǔn)諧振反激式控制器（ICE2QS02G和ICE2QS03G）、固定頻率反激式控制器（如ICE3BS03LJG）、準(zhǔn)諧振CoolSET®（如ICE2QR0665）和固定頻率CoolSET®（如ICE3BR4765）。這些產(chǎn)品可幫助客戶輕而易舉地獲得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高能效解決方案，輕松滿足上述日益嚴(yán)格的要求。

　　針對圖3所示的LIPS解決方案，英飛凌也可為客戶提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)支持：固定頻率CoolSETF3R（如ICE3BR1065JF、ICE3BR2565JF）可用于實(shí)現(xiàn)多路輸出轉(zhuǎn)換器和待機(jī)轉(zhuǎn)換器功能。

　　下面簡要介紹上述AC/DC IC產(chǎn)品，如欲了解更多信息，敬請參考www.infineon.com網(wǎng)站的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。

　　圖5. 中低額定功率液晶電視電源架構(gòu)

　　圖 6. 中高額定功率液晶電視電源架構(gòu)

　　6.1 PFC控制器

　　具備8個(gè)引腳的DCM PFC IC TDA4863-2采用不連續(xù)導(dǎo)通模式，可控制峰值電流。TDA4863-2控制一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，從單相電源獲得正弦電流，然后在輸出端提供穩(wěn)定的直流電壓。這種電路作為諧波濾波器，可限制電容器在傳統(tǒng)電容性輸入整流器電路整流過程中的脈沖充電電流所產(chǎn)生的諧波電流。功率因數(shù)幾乎為1，因此，線電壓波動可高效地得到補(bǔ)償。這種IC也可對線電壓可能存在的變化進(jìn)行補(bǔ)償，具備多種保護(hù)特性。

　　具備8個(gè)引腳的CCM PFC IC ICE2PCS0X 系列是適用于有源PFC轉(zhuǎn)換器的寬輸入范圍控制器IC。它針對采用升壓拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，只需少數(shù)外部組件。建議采用外置輔助電源為控制器IC供電。在平均電流控制條件下，這種IC采用連續(xù)導(dǎo)通模式，在輕載條件下，采用不連續(xù)導(dǎo)通模式。通過外部實(shí)現(xiàn)電流和電壓環(huán)路補(bǔ)償，使用戶能夠全面控制。這種IC具備多種保護(hù)特性，可確保安全的系統(tǒng)運(yùn)行條件。ICE2PCS0X可滿足具備最少外設(shè)組件的PFC應(yīng)用的所有要求。它具備更寬的電源電壓范圍、改進(jìn)的內(nèi)置振蕩器和額外的大容量電容器直接過壓保護(hù)，這提高了設(shè)計(jì)性能和靈活性。

　　6.2 LLC 諧振控制器

　　ICE1HS01G是英飛凌科技最新開發(fā)的8引腳LLC控制器。ICE1HS01G經(jīng)過精心數(shù)字化設(shè)計(jì)，適用于液晶/等離子電視、AC/DC適配器和音響系統(tǒng)中開關(guān)電源的應(yīng)用。ICE1HS01G具備半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器所需的全部保護(hù)特性。ICE1HS01G允許設(shè)計(jì)者利用外置電阻對振蕩器進(jìn)行設(shè)置，從而選擇適宜的工作頻率范圍。另外還提供可限制輸入沖擊電流和輸出電壓過沖的可編程軟啟動功能。此外，ICE1HS01G具備了半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器所必需的全部保護(hù)功能。所有這些使ICE1HS01G成為市場上半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器的理想產(chǎn)品。

　　6.3 準(zhǔn)諧振控制器與準(zhǔn)諧振CoolSET®

　　ICE2QS02G 是由英飛凌科技開發(fā)的準(zhǔn)諧振控制器IC，主要適用于具備輔助待機(jī)供電電源的電源系統(tǒng)，例如液晶電視、家用音響設(shè)備或打印機(jī)設(shè)備的電源。這顆IC所需的電源電壓由另外的輔助電源提供。ICE2QS02G擁有數(shù)字降頻技術(shù)，該數(shù)字降頻技術(shù)使得開關(guān)頻率隨著負(fù)載的降低而降低，并同時(shí)確保在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)Mosfet谷底開通。因此，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，相對于僅具備最大頻率限制的傳統(tǒng)的自由運(yùn)行準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器而言，其系統(tǒng)平均效率可得到大幅提高。此外，ICE2QS02G還具備多種用戶可調(diào)的保護(hù)功能，旨在保護(hù)系統(tǒng)并使得該IC適用不同的應(yīng)用場合。在故障模式下，例如開環(huán)控制回路/過載、輸出過壓和變壓器繞組短路等，該器件將切換至自動重啟模式或栓鎖（latch-off）模式。通過采用逐周期峰值電流限制和折返校正等方法，可降低變壓器尺寸，優(yōu)化次級二極管的電流等級，從而提高設(shè)計(jì)的成本效率。

　　ICE2QS03G 是由英飛凌科技開發(fā)的另一款準(zhǔn)諧振控制器IC，主要適用于筆記本、上網(wǎng)本和打印機(jī)適配器應(yīng)用。與ICE2QS02G相同，這種系統(tǒng)得益于數(shù)字降頻技術(shù)可大幅提升平均效率。內(nèi)置的啟動單元和主動突發(fā)模式運(yùn)行可帶來超低的待機(jī)功耗和較小、可控的輸出電壓紋波?；贐iCMOS工藝，該產(chǎn)品具備較寬的IC電源工作電壓范圍（高達(dá)26V）和較低的功耗。與ICE2QS02G相同，多種保護(hù)功能能夠在出現(xiàn)故障的條件下為電源系統(tǒng)提供全面的保護(hù)。

　　CoolSET®-Q1 系列ICE2QRxx65 是英飛凌推出的第一代準(zhǔn)諧振集成式電源IC。例如，采用DIP 8封裝的ICE2QR0665是一款準(zhǔn)諧振CoolSET®，包含準(zhǔn)諧振控制器ICE2QS03G和650V CoolMOS®。ICE2QR0665的目標(biāo)應(yīng)用是機(jī)頂盒、便攜式游戲控制器、DVD播放器、上網(wǎng)本適配器和液晶電視的輔助電源等。由于集成了CoolMOS，該IC可大大簡化PCB的設(shè)計(jì)與版圖。在通用交流線路輸入條件下，ICE2QR0665具備高達(dá)40W的輸出功率。

　　6.4 固定頻率CoolSET

　　英飛凌已經(jīng)推出一系列固定頻率CoolSET®，它包含固定頻率反激式控制器和650V CoolMOS®。在這些CoolSET產(chǎn)品中，CoolSET®-F3R FullPak （如ICE3BR1065JF、ICE3BR2565JF）是一款新開發(fā)的產(chǎn)品，目標(biāo)應(yīng)用是液晶電視、DVD刻錄機(jī)、DVD Combi和機(jī)頂盒等產(chǎn)品中的離線適配器和高功率范圍SMPS。如果采用液晶電視LIPS解決方案，CoolSET®-F3R FullPak適用于多路輸出轉(zhuǎn)換器和待機(jī)轉(zhuǎn)換器相集成的應(yīng)用場合。因此，相對于分立式解決方案，這可有效減少PCB占位空間和組件數(shù)量。此外，由于具備主動突發(fā)模式優(yōu)點(diǎn)，它在無負(fù)載和輸入電壓為270Vac的條件下可滿足最低待機(jī)功率要求（《100mW）。當(dāng)需要進(jìn)行過溫、過壓、開環(huán)和過載保護(hù)時(shí)，它會進(jìn)入自動重啟模式。另外，內(nèi)置的頻率抖動功能可有效地降低EMI噪聲，進(jìn)一步縮小輸入濾波器尺寸。

　　7 結(jié)論

　　如今，液晶電視已經(jīng)占據(jù)市場主導(dǎo)地位。液晶電視用開關(guān)電源面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)不同于傳統(tǒng)的陰極射線管電視，需要始終關(guān)注更高的能效、更低的EMI輻射和越來越薄的尺寸。作為一種消費(fèi)電子產(chǎn)品，成本仍然是決定液晶電視成敗的關(guān)鍵要素。此外，還應(yīng)根據(jù)不同的功率額定值、能效、成本和電視尺寸等需求，選用不同的電源架構(gòu)。

　　面對如此多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，英飛凌豐富的AC/DC IC產(chǎn)品將會為液晶電視電源設(shè)計(jì)者帶來眾多益處，幫助他們輕松滿足日益嚴(yán)格的相關(guān)要求。