平板電視中的開關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)
安森美半導(dǎo)體公司BernieWeir消費(fèi)電子應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)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(chǎng)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(shì)，據(jù)預(yù)測(cè)，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(jì)達(dá)到1億部。與此同時(shí)，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(hào)，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(dòng)了市場(chǎng)增長(zhǎng)并改善了用戶的觀看體驗(yàn)，但這種轉(zhuǎn)變對(duì)全球能耗的影響也引起越來(lái)越多的關(guān)注。
從歷史來(lái)看，美國(guó)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(shí)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(jì)選擇的不同介于180～500W之間。將這個(gè)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?yàn)轱@示技術(shù)各不相同。
舉例來(lái)說，液晶電視在面板后面有一個(gè)背光子系統(tǒng)，這就增加了平均功率。同時(shí)，因游戲、音樂觀看、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等活動(dòng)引起的電視機(jī)使用時(shí)間也增加，而且家庭影院系統(tǒng)也推動(dòng)了家庭增多使用能源。這樣一來(lái)，規(guī)范和政府機(jī)構(gòu)紛紛考慮如何應(yīng)對(duì)這種轉(zhuǎn)變。針對(duì)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(wú)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(jì)算最大工作功率限制。舉例來(lái)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(tái)32英寸的高清電視可能會(huì)有120W的工作功率限制，而一臺(tái)42英寸液晶電視的工作功率限制則會(huì)有208W。這些限制是根據(jù)對(duì)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(cè)試而設(shè)定的。對(duì)于受測(cè)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(shí)施。
不同的電壓輸入端要為音頻、背光、控制和信號(hào)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(lái)為接口模塊、模擬電路和信號(hào)處理電路供電。在控制音視頻信號(hào)板上可能有5個(gè)或者更多的線性或低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，并有幾個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)為深亞微米數(shù)字信號(hào)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(gè)電源設(shè)計(jì)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(hào)，并簡(jiǎn)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(chǎng)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(duì)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(dòng)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(hào)，用于點(diǎn)亮及驅(qū)動(dòng)燈。通常有兩個(gè)主電源段，其中一個(gè)用于背光，另一個(gè)用于控制音/視頻和信號(hào)處理。而在這個(gè)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(lái)實(shí)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(gè)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(duì)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(hào)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(lái)，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(shí)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(gè)電感與代表第二個(gè)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(chǎng)效應(yīng)管(FET)由50%占空比的波形驅(qū)動(dòng)，而功率通過改變頻率來(lái)調(diào)節(jié)。通常情況下，這樣設(shè)計(jì)使開關(guān)頻率高于電路的諧振頻率。在那個(gè)區(qū)域，電流以開關(guān)來(lái)對(duì)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(shí)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(jì)是安森美半導(dǎo)體開發(fā)Greenpoint參考設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)較高的總體能效，這電源還設(shè)計(jì)為低高度，最高度僅為25mm。對(duì)于平板電視而言，電源高度非常重要，因?yàn)樗请娨暀C(jī)總厚度的一個(gè)主要影響因素。業(yè)界對(duì)于設(shè)計(jì)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(huì)有更多限制，纖薄輕穎的平板電視趨勢(shì)為電源設(shè)計(jì)提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。
隨著大屏幕平板電視的增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)需要更高能效的高密度電源的挑戰(zhàn)推動(dòng)著電源設(shè)計(jì)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(shí)還為價(jià)格敏感的消費(fèi)電子產(chǎn)品提供高性價(jià)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(shí)到轉(zhuǎn)向大屏幕所需要付出的能源成本，越來(lái)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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