大尺寸Full HD LCD TV節能技術探討

圖1，針對32吋液晶電視的全橋高壓LIPS解決方案功能方塊圖。安森美半導體攝

根據日本的研究，家庭耗電中，電視佔了10%，雖然乍看之下比例不高，但是在支援Full HD規格的電視尺寸越來越大後，耗電量也直線上升，故日本在2006年修正通過「省能源法」，將原先未在規範範圍內的LCD TV列入。而LCD TV的節能設計，除了背光模組外，電源設計的重要性亦開始提昇，從根本做起改善供電效率，以收釜底抽薪的效果。

Full HD高畫質電視已開始贏得消費者的青睞。目前，24或26吋以上尺寸的液晶電視已可以支援Full HD，而從實用角度來看，只有達到37吋以上的Full HD電視才能帶給消費者更佳的顯示效果和觀賞體驗。因此，更大尺寸的液晶電視會引領未來的Full HD市場。

然而，對更佳視覺效果的追求也帶來了大大超過以往的功耗挑戰。較高的功耗不僅會增加消費者的電費開支，而且不配合各國節能降耗的宏觀推動。各國政府都推出各種綠色效能指令，如美國「能源之星3.0」版電視規範、PFC規範等；消費者也越來越關注節能省電等問題。在效能規範和環保意識的推動下，電源設計也在不斷推陳出新。

LCD TV傳統電源方案的缺點
傳統液晶電視電源主要由交流-直流(AC-DC)轉換、直流-直流(DC-DC)轉換及高壓逆變器等幾部分組成。AC-DC和DC-DC在同一塊電路板上，逆變器在另一塊電路板上，通常與液晶面板在一起。

其中，AC-DC電源部分將市電110Vac/220Vac電壓進行整流、PFC和濾波，再轉換為200V/400V的直流高壓。由於傳統逆變器的輸入電壓要求為24V，所以200V/400V 的PFC的輸出電壓要經過降壓轉換，以產生多路輸出電壓，其中一路24V電壓提供給逆變器，即再經過直流-交流(DC-AC)轉換為超過1,000V甚至達2,000V的高壓，以便驅動液晶面板的CCFL背光燈。

取代傳統電源方案的LIPS解決方案

目前，前述傳統電源仍然占市場上的液晶電視電源的大多數。為了符合各種效能規範，降低較大尺寸液晶電視的電能消耗，降低系統成本及減小解決方案尺寸，使之更受消費者青睞，可以通過多種途徑設計液晶電視電源。

針對26吋及以上尺寸的液晶電視，近年來出現了一種新的逆變器概念—高壓液晶顯示整合電源(LCD Integrated Power Supply，縮寫為LIPS)。與採用位於獨立電路板上逆變器的傳統電源不同，這種LIPS解決方案將AC-DC、DC-DC和逆變器整合在同一塊電路板上，在經過對市電的整流、PFC和濾波並獲得200V/400V直流電壓後，將直接採用200V/400V作為逆變器的輸入電壓，通過DC-AC升壓轉換為液晶面板所需的1,000V以上，甚至高達2,000V的電壓。

這樣的作法省去了24V轉換段，減少了先降壓至24V再大幅升壓背光源用一兩千伏高壓過程中的大量功率損耗，從而提升了系統效能，減少底盤發熱量，並降低了總成本。

在這方面的理論確立後，安森美半導體與Microsemi公司發揮各自專長，合作開發了適合多種功率等級的高壓LIPS整套解決方案。針對32吋液晶電視的LIPS解決方案如圖1所示。在系統主板電源方面，這個解決方案採用了安森美半導體的NCP1606 PFC控制器，以及作為輔助開關電源的NCP1351 PWM控制器；在LIPS逆變器部分，採用了Microsemi使用軟開關技術的LX6503移相全橋驅動器，它可以在固定工作頻率進行零電壓開關(ZVS)。

這樣的解決方案與半橋架構相比，全橋逆變器解決方案具有顯著優勢，如減少電磁干擾(EMI)和功率損耗，同時改善背光燈的驅動電流波形，無需在橋上使用額外的功率二極體。這個全橋結構所採用的4個MOSFET和變壓器中的電流規格是半橋結構的一半，這樣就可以通過隔離變壓器直接驅動功率MOSFET，更易於實現初級端過流保護(OCP)等功能。

為了應對市場對更大尺寸LIPS液晶電視的需求，安森美半導體計畫於2009年內推出針對46吋的參考設計，在LIPS逆變器部分將採用與32吋方案相同的全橋逆變器和背光控制器LX6503，但會大幅提高輸出功率，以驅動更多的CCFL燈。而在系統主板電源方面，可以根據具體設計要求來靈活選擇其他的解決方案，如NCP1601、NCP1606或NCP1631等PFC控制器，以及NCP1351或NCP1379等PWM控制器。

這個新方案採用帶繼電器的專用待機開關電源，支援低至150mW的超低待機功耗，而電路板上的元件高度則低於16mm(系統總厚度低於20mm)，以支援更纖薄液晶電視設計發展趨勢。此外，針對北美、中國大陸及歐盟等不同區域市場電源的不同要求，還可以提供符合相應規範的電源方案，使設計最佳化、縮小系統尺寸並降低成本。

超薄Full HD LCD TV採微型PFC架構

液晶電視的厚度已經越來越薄，最新的趨勢是電子模組部分的厚度接近10 mm以下。如此纖薄的厚度，給電源設計帶來了更嚴峻的挑戰，通常需要使用低高度的變壓器(這對要考慮隔離和漏電的高壓LIPS特別關鍵)或將多個元件(PFC線圈)串聯起來，並採用低高度的散熱片，對元件進行水準安裝，還要將垂直插入的所有電容的高度限制在10 mm以下。

而在PFC方面，以採用安森美半導體的NCP1606和NCP1654等PFC控制器為例，已經可以將液晶電視厚度降到較低；為了支援低至10 mm的超薄設計，可以採用兩顆相對較小的NCP1601晶片，用交錯式架構來來實現，如圖2所示。交錯式PFC是在原來放置單個較大PFC的地方並行放置兩個功率為一半的較小PFC。這兩個較小PFC以180度的相移交替工作，在輸入端或輸出端累加時，它們可以抵消每相電流紋波的主要部分。今年推出新的交錯式PFC控制器NCP1631，提供更多可行的選擇。這種單晶片方案，可以替代2顆NCP1601，以同樣極低的設計高度適合10 mm厚度的超薄液晶電視設計。該方案還擴展了功率範圍，以有效減少電流紋波。

待機功耗低於100mW應是下一波趨勢

LCD TV的電源管理技術，另一個焦點是液晶電視的待機功耗。2008年11月開始生效的「能源之星 3.0版」電視規範規定的待機功耗的標準是低於1W。儘管不是強制要求，這個標準還是具有很高的市場指導意義。

未來，液晶電視的待機功耗將會進一步下降。例如，在增加小型專用微處理器的條件下，輸出功率為50W時功耗低於600mW；而在採用專用待機開關電源條件下代機功耗將低於400mW；如果採用專用待機開關電源並增加繼電器(從而在待機時斷開所有PFC和開關電源)，功耗可低於200mW。如製造商想使用更加“綠色”的技術來使產品差異化，就需要進一步改進設計，使待機功耗低於100mW可能成為下一波的趨勢。

無論使用或待機功耗，利用液晶顯示整合電源(LIPS)替代傳統的24V逆變器電源，以及採用新穎的交錯式架構減小PFC模組厚度，就可以實現非常薄的Full HD電視設計。整體來看，這類方案可滿足消費者對大尺寸1,080線逐行掃描(1,080p)垂直解析度的Full HD電視越來越青睞的需求。