平板電視中的開關電源發展趨勢

消費電子使用的電源設計一直都存在著外型、成本和能效目標等方面的困難挑戰。電視終端市場已經從陰極射線管(CRT)技術轉向等離子、液晶顯示(LCD)和背投多種數字電視顯示技術。其中，LCD已經確立了分明的領先優點，據預測，2008年液晶電視(LCDTV)的全球付運量將首次超過CRT電視的付運量，預計達到1億部。與此同時，內容已經從模擬轉變到數字制式，顯示器辨別率也已經新增，并已廣泛采納寬屏制式，也增添了畫中畫功能的多調諧器、全高清(1080p)、加強型音頻甚至是因特網訪問等加強型特性。此外，CRT所存在的屏幕尺寸限制問題也消失，均勻屏幕尺寸已經增大，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。雖然采用新技術推動了市場上升并改善了用戶的觀看體驗，但這種轉變對全球能耗的影響也引起越來越多的關注。

從歷史來看，美國的“能源之星(ENERGYSTAR)”和歐盟的“生態標簽(Eco-lable)”等面向消費電子范疇的自愿性節能標準將重點放在待機能耗的影響方面，但隨著數字平板電視的普及，相關的留意力已經拓展到工作模式的能耗。真切世界中42英寸平板電視的能耗依據技術(液晶或等離子)、特性集和設計選擇的不同介于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，能耗新增的部分原由要歸結于增大的屏幕面積。但這不是全部的緣由，因為顯示技術各不相同。舉例來說，液晶電視在面板后面有一個背光子系統，這就新增了均勻功率。同時，因游戲、音樂觀看、網頁瀏覽等活動引起的電視機使用時間也新增，而且家庭影院系統也推動了家庭增多使用能源。這樣一來，規范和政府機構紛紛考慮要怎么樣應對這種轉變。針對電視機的“能源之星”標準正修改為3.0版的進程之中，將首次納入工作功率(activepower)的相關規范。該標準目前正處在最終草案審查階段，目標是從2008年十一月開始生效。其中的最大工作功率限制與顯示技術(液晶、等離子或背投)無關，僅與屏幕面積和分辯率(高清或標清)有關。高清(HD)含義為辨別率高于垂直480線。依據屏幕尺寸和辨別率的不同，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：

pmax=(0.240×屏幕面積+27)W

留意，面積的單位是平方英尺。

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。這些限制是依據對源自多家制造商，結合不同顯示類型的多種代表性樣品進行探測而設定的。關于受測樣品而言，其中有27.4%通過了提議的工作和待機要求。3.0版本的待機能耗要求并未改變，最大1W的限制已經自2005年七月開始執行。

圖1典型的32英寸液晶電視SMpS用電源

圖1顯示的是典型的32英寸液晶電視電源的功能框圖。不同的電壓輸入端要為音頻、背光、控制和信號解決等不同系統模塊供電。主電源在電視機內并不出現所需的所有這些電壓，相反，采用的是本地線性和DC/DC轉換器來為接口模塊、模擬電路和信號解決電路供電。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)穩壓器，并有幾個降壓轉換器來為深亞微米數字信號解決模塊出現低壓電源輸入端。如圖1所示，電視機制造商采用支持90～265Vac電壓的通用電源相當普遍。這就使單個電源設計適用于不同地區相同電視尺寸范圍的一系列電視機型號，并簡化物流及降低開發成本。倘若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準IEC61000-3-2，因此就要使用工作功率因數控制段。關于尺寸大于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電壓轉換至高電壓、低電流的交流信號，用于點亮及驅動燈。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/視頻和信號解決。而在這個功率電平，SMpS段基于單開關準諧振(QR)或固定頻率脈寬調制(pWM)反激拓撲結構來實現。依據電視的特性集和12V及5V輸入端所要的電源不同，也可能有一個專用開關電源用作待機電源，以符合1W限制的待機要求。關于較大尺寸的電視而言，所包括的特性更多，而且用于音頻、信號解決和控制功能的功率也在新增，使專用待機電源的使用變得更加常見。

圖2基本的LLC半橋功率段

隨著屏幕面積新增，24Vdc輸入端所要求的功率繼續新增，直至不能再使用反激拓撲結構的開關電源。這樣一來，多種支持更高功率的拓撲結構，包括半橋雙單感加單電容(HBLLC)拓撲結構等已被考慮用于緊湊的空間上，實現高能效而且出現極低的電磁干擾(EMI)。這種拓撲結構被視作串行諧振轉換器。如圖2所示，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，而電容位于變壓器的輸出。這種辦法背后的基本概念是半橋場效應管(FET)由50%占空比的波形驅動，而功率通過改變頻率來調節。通常情況下，這樣設計使開關頻率高于電路的諧振頻率。在那個區域，電流以開關來對電壓進行延遲，并在零電壓開關(ZVS)區域導通開關，這實際上消除了電容開關損耗；而且由于這是諧振模式拓撲結構，它在極寬的功率范圍內都有很高的能效。

圖3完整的220W液晶電視電源功能框圖

圖3顯示基于半橋LLC的完整電源的例子。在這個示例中，半橋LLC段出現多路輸出。這設計是安森美半導體開發的Greenpoint參考設計系列的組成部分，展示不同使用高能效電源拓撲結構。在這個示例中，在115和230Vac主電源下，傾覆90～220W功率范圍的這電源都有著高于88%的總體能效。

除了在寬敞功率范圍內實現較高的總體能效，這電源還設計為低高度，最高度僅為25mm。關于平板電視而言，電源高度非常緊要，因為它是電視機總厚度的一個緊要影響因素。業界關于設計可以方便地掛裝在墻上的極薄平板電視的興致與日俱增。隨著電視機殼體減小，且經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計提出了進一步的挑戰。

隨著大屏幕平板電視的上升，設計要更高能效的高密度電源的挑戰推動著電源設計人員采納創新的電源架構。半橋諧振LLC能夠實現平板電視所要的能效和空間目標，同時還為價格敏感的消費電子產品供應高性價比的處理辦法。此外，隨著新的工作功率標準不斷涌現而且消費者意識到轉向大屏幕所要付出的能源成本，越來越多的留意力放在高能效處理辦法方面。這不僅涉及轉向更高能效的電源處理辦法，還涉及到LCD面板。

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