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英飞凌面向液晶电视SMPS的整体解决方案

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2020年4月19日
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英飞凌面向液晶电视 SMPS的整体解决方案 更新于 -11-16 01:58:25 文章出处:与非网
液晶电视 SMPS 电源
1       摘要
相对于传统的阴极射线管电视，液晶电视凭借其高清晰度、大屏幕尺寸和超薄面板等优势，已被越来越多的用户所接受和喜爱。而液晶电视的电源设计者则在设计方面至少面临4大挑战：高能效、高功率密度、低EMI辐射和低成本。另外，整个系统在待机模式下的功耗应保持在1.0W以下（负载0.5W）。另外值得一提的是，由于对不同尺寸屏幕的液晶电视的功率等级、能效和成本敏感度的要求不同，设计者应相应地选用不同的电源拓扑结构。英飞凌拥有众多AC/DC IC产品，包括8引脚半桥LLC控制器ICE1HS01G、准谐振反激式控制器ICE2QS0X、准谐振CoolSET® ICE2QRXX65 （集成式功率IC）、CoolSET® F3R 系列、DCM PFC 控制器 TDA4863-2和CCM PFC控制器ICE2PCS0X，可帮助电源设计者轻松满足所有这些严格的要求。本文将简要介绍这些产品的特性和设计指南。
2. 液晶电视电源典型架构

图1. 32英寸液晶电视面板（后视图）
Low voltage inverter: 低压逆变器 Power supply unit:电源单元 Sound & image control: 声音和图像控制
图1为一个典型的32英寸液晶电视面板，其背面安装有三个电路板，分别为电源单元、低压逆变器以及声音与图像控制电路板。电源单元电路板用于将交流输入电压（85Vac~265Vac）转换成较低的直流输出电压（24V/12V/5V/3.3V），这些较低的直流输出电压为背光、音频与信号处理等各种系统供电。输入功率因数校正（PFC）也由电源单元完成；低压逆变器电路板用于将低直流输入电压（24V或12V）转换成高交流输出电压（1200Vac@50kHz），用于驱动CCFL背光灯；声音与图像控制电路板用于控制和处理声音与图像信号，另外还负责控制整个系统。

图2 液晶电视传统电源系统架构
图注：
PFC Block: PFC单元；DC/DC quasi resonant flyback：DC/DC准谐振反激式；LLC resonant converter: LLC谐振转换器；DC/AC inverter: DC/AC逆变器；audio system: 音频系统；System board: 系统电路板； Fixed frequency flyback: 固定频率反激式；Microcontroller ：微控制器；Standby: 待机
图2 概括介绍了液晶电视传统电源系统构架，包含一个电源单元和一个独立的DC/AC逆变器。
由于输入功率常常高于75W，因此经常需要使用前端PFC级。后续两级为主DC/DC级和待机功率级。
主DC/DC级用于为背光逆变器、系统电路板和音频系统供电。当功率额定值小于200W时，由于能够更好地在性能和成本之间取得平衡，建议在DC/DC级采用准谐振反激式拓扑。若功率额定值超过200W，可使用LLC谐振转换器，因为它具备更加出众的效率和EMI性能。
待机级用于提供待机部件和微控制器所需的电源。开关集成式反激式电源往往是设计者的首选解决方案。
DC/AC逆变器是一个独立的单元，负责将24V（12V）直流电压转换成高交流电压（例如1200Vac），为背光灯供电。
3       液晶电视功率等级要求
在家用电器设备中，电视机的耗电量较大。根据电视机能源之星3.0规定，需要实现1W的待机输入功率。
另外，还对主动模式下的效率提出了要求。为了符合能源之星计划的要求，电视机不得超过表1中根据原生垂直分辨率和可视屏幕尺寸计算得出的最大开机功耗。
表1. 电视机开机功率水平要求

Tier 1： 11月1日生效
Tier 2: 9月1日生效
屏幕尺寸
最大开机功耗（A为平方英寸数值）
最大开机功耗（A为平方厘米数值）
最大开机功耗（A为平方英寸数值）
最大开机功耗（A为平方厘米数值）
非高清电视（即≦480原生垂直分辨率）
全屏
PMax=0.120*A+25
PMax=0.01860*A+25
待定
待定
高清与全高清电视（即>480原生垂直分辨率）
A<680平方英寸（<4,387平方厘米）
PMax=0.200*A+32
PMax=0.03100*A+32
待定
待定
680平方英寸≦A<1045平方英寸（4,387平方厘米≦A<6,742平方厘米）
PMax=0.240*A+27
PMax=0.03720*A+27
待定
待定
A≧1045平方英寸（≧6,742平方厘米）
PMax=0.156*A+151
PMax0.02418*+151
待定
待定

作为示例，表2提供了各种不同尺寸电视机的最大允许功耗。
表2. 不同尺寸电视机的开机功率要求

可视屏幕对角线尺寸（英寸）
宽高比
可视屏幕尺寸（英寸）
屏幕区（英寸2/cm2）
最大开机功率（W）
480行垂直分辨率
768或1080行垂直分辨率
20
16:9
17.4X9.8
170.5(1,100)
45
66
32
16:9
27.9X15.7
438.0(2,826)
78
120
42
16:9
36.6X20.6
754.0(4,865)
115
208
50
16:9
43.6X24.5
1068.2(6,892)
153
318
60
16:9
52.3X29.4
1537.6(9,920)
210
391

例如，根据IEC 62087标准（“声频、视频和相关设备功率消耗量的测量方法”）进行测试时，一台32英寸高清电视功耗不得超过120W，一台42英寸高清电视功耗不得超过208W。
实际上，市场上现有的多数液晶电视都无法满足表2所列的功率要求。主要解决方案之一是进一步提高现有液晶电视的电源效率。
4       液晶电视电源设计挑战
·       液晶电视的电源单元厚度需要比阴极射线管电视的电源薄很多。液晶电视采用的标准电源单元的厚度一般需要低于25mm。超薄型液晶电视甚至需要电源单元的厚度低于13mm。
·        液晶电视的电源单元功率密度远高于阴极射线管电视的电源单元的功率密度。
·        需要实现更高的能效不但是由于相关计划对能效的要求越来越严格，而且也是因为缺少改进热环境的风扇。
·        如图1所示，液晶电视的声音与图像控制电路板、电源单元和屏幕面板相互紧靠，因此，毫无疑问需要较低的EMI辐射，否则声音与图像质量可能会受到影响。
·       液晶电视被看作是消费类电子设备，因此成本始终是关键要素。液晶电视电源设计者时刻面临这种挑战。
5       液晶电视电源设计趋势
5.1 液晶电视集成电源（LIPS）解决方案
图2已经简要介绍了液晶电视的传统电源系统架构。电源单元是个AC/DC转换器，而DC/AC逆变器部分则被单独隔离开来。这个电源系统主要由三个系统块构成：首先是前端PFC预调节器；第二个是DC/DC级，负责将400V PFC输出电压转换成24V（12V）。第三个是DC/AC逆变器，负责将24V（12V）电压转换成高交流电压（如1200Vac），为背光灯供电。

图3. 液晶电视集成电源解决方案
图注：
PFC block: PFC单元；DC/AC Inverter: DC/AC逆变器；Fixed frequency flyback: 固定频率反激式；quasi resonant flyback: 准谐振反激式；audio system: 音频系统；system board: 系统电路板；Microcontroller ：微控制器Standby: 待机
图3所示的LIPS解决方案省去了图2中所示的DC/DC级（400V/24V），400V PFC输出电压直接馈入后面的DC/AC逆变器，而且PFC级和DC/AC逆变器被集成在一个电源单元里面。LIPS方案中的DC/DC（400V/20V、12V、5V、3.3V）级的功率额定值要远远小于在传统液晶电视电源中的功率额定值。
相对于传统的电源解决方案，LIPS解决方案的DC/AC逆变器由于具备更高的输入直流电压，因此能实现更高的能效；同时，DC/DC级的功率损耗也远远低于在传统解决方案中的功率损耗。因此，LIPS解决方案可实现更高的总能效。另外，由于减少了组件数量，因此降低了尺寸和成本（高达30%）。
尽管如此，LIPS解决方案依然面临几个障碍：
·        液晶电视面板供应商一般将面板的销售与逆变器电路板捆绑起来。因此，在这种情况下，面板供应商便成了逆变器架构决策者。SMPS厂商如果想开发LIPS解决方案，必须要按照面板供应商提供的规范设计逆变器。另外，必须重新调整电视机市场以往的价值链，电视机面板供应商不会轻易将她们的利润与电源供应商分享；
·        当前存在一些有关背光灯电流平衡电路的专利，电源供应商必须与专利所有者协商，解决专利问题；
·        不同的面板型号对逆变器有不同的要求，因此电源供应商必须采用不同逆变器规范设计LIPS电源，这大大增加了产品所需的研发成本。
尽管LIPS面临上述的几个障碍，但由于具备较低的成本、简单的结构和更高的能效，LIPS解决方案依然成为了液晶电视电源的主要发展趋势。如今，LIPS解决方案正逐渐被越来越多的领先电源厂商和液晶电视厂商（例如三星、索尼、LG等）所采用。这些厂商有能力采购到LCD面板（不带逆变器电路板），因此她们在决定采用什么电源架构上具备了较高的决定权。在某些地区，例如在韩国，LIPS被相信将在今后若干年内占据主导地位。
图3所示的LIPS解决方案和图2所示的传统解决方案相比，对原DC/DC级的输出功率要求大大降低；因此，可建议采用准谐振或固定频率反激式拓扑，用于执行DC/DC级功能，获得较高的性能价格比。

5.2 待机输入功率要求
如今，待机性能正日益成为液晶电视电源设计的关键要素。
一般情况下，多数液晶电视厂商可完全接受100mW 的待机输入功率。另外，在一些典型的轻负载条件下也对输入功率提出了要求，例如当5V输出电压产生20mA电流时，输入功率应低于0.3W。
为了满足日益严格的待机功率要求，LIPS解决方案中多路输出转换器（multi converter）和待机转换器(standby)可经过两个独立的转换器实现，例如多路输出转换器采用固定频率或准谐振反激式拓扑，而另一个固定频率反激式拓扑则用于实现待机转换器。

5.3 液晶电视功率要求
如今，消费者都越来越关注能源成本的飞速上涨。领先的液晶电视厂商也在持续不断地开发全新技术，进一步降低电视的总功率，同时确保电视图像质量与音质不受影响。
例如，液晶电视领先厂商索尼推出了全新的“BRAVIA” JE1系列（KDL-32JE1）。该系列产品具备业界32英寸数字液晶电视最高的能效。经过改进背光灯光发射效率和光学膜的光传导效率，索尼实现了领先业界的能效，年功耗仅为86千瓦小时（这意味着平均功耗仅为53W），最大功耗不到89W。
因此，建议采用准谐振反激式拓扑代替LLC，用于传递电源功率，原因是它能够在性能与成本之间取得更好的平衡。

5.4 LED背光
尽管CCFL作为背光源已经为电视产品服务了数十年，但LED等全新技术已向CCFL的主导地位发起挑战。实际上，几家领先的液晶电视厂商已经推出采用LED背光灯的液晶电视。LED背光灯相对于CCFL背光灯的优势概括如下：
·        LED背光可调节亮度，改进黑电平（经过降低亮度），因此可提高整体对比度。这相对于原来的强制性方法是一种更加高效的方法。LCD面板供应商原来只能经过提高整体亮度来提升对比度。
·        LED具备更宽的色域，达到超过100%的NTSC色域值，而CCFL仅能达到92%（最新进展）或 72%（传统）。
·        LED液晶电视使用寿命是典型CCFL液晶电视使用寿命的两倍。CCFL的亮度会慢慢退化，使用寿命约为50,000小时。而LED在50,000小时的使用周期内亮度几乎不变，超过100,000小时后，亮度减半。

图4. LED背光液晶电视的电源系统架构
图注：
PFC Block: PFC单元；DC/DC LLC resonant converter: DC/DC LLC谐振转换器；LED driver: LED驱动器；Buck/boost: 降压/升压；Audio system: 音频系统；System board: 系统电路板; AC/DC & DC/DC Fixed frequency flyback: AC/DC&DC/DC固定频率反激式；Microcontroller ：微控制器；Standby: 待机.

如图4所示，从CCFL到LED的变化不会对液晶电视的电源设计造成太大影响。LLC谐振转换器可用于执行主DC/DC功率级的功能，为LED驱动器电路、音频系统和系统电路板供电。同样，微控制器和待机部件也需要一个额外的DC/DC级供电。另外，该DC/DC级也可用来为音频系统和系统电路板供电。

6       英飞凌面向液晶电视电源的产品及解决方案

针对图2所示的典型架构，英飞凌可提供整体解决方案（如图5和图6所示），包括PFC控制器（DCM PFC TDA4863-2和CCM PFC ICE2PCS0X）、LLC 谐振控制器（8个引脚LLC ICE1HS01G）、准谐振反激式控制器（ICE2QS02G和ICE2QS03G）、固定频率反激式控制器（如ICE3BS03LJG）、准谐振CoolSET®（如ICE2QR0665）和固定频率CoolSET®（如ICE3BR4765）。这些产品可帮助客户轻而易举地获得经济实惠的高能效解决方案，轻松满足上述日益严格的要求。
针对图3所示的LIPS解决方案，英飞凌也可为客户提供强大的设计支持：固定频率CoolSET® F3R（如ICE3BR1065JF、ICE3BR2565JF）可用于实现多路输出转换器和待机转换器功能。
下面简要介绍上述AC/DC IC产品，如欲了解更多信息，敬请参考.com网站的产品数据表。

图5. 中低额定功率液晶电视电源架构
图注：
EMI filter: EMI滤波器；SiC diode: 碳化硅二极管；PFC controllers: PFC控制器；PFC Pre-regulator: PFC预调节器；Boost converter：升压转换器；QR/FF PWM controller 准谐振/固定频率脉宽调制控制器；QR flyback controllers: 准谐振反激式控制器；Controller: 控制器；24V output: 24V输出；Backlight inverter: 背光逆变器；12V output: 12V输出；system & audio: 系统与音频；Main converter: 主转换器；Quasi-resonant flyback: 准谐振反激式；5V standby & microcontroller: 5V待机与微控制器；standby converter: 待机转换器；Fixed frequency flyback: 固定频率反激式

图 6. 中高额定功率液晶电视电源架构
图注：
EMI filter: EMI滤波器；SiC diode: 碳化硅二极管；PFC controllers: PFC控制器；PFC Pre-regulator: PFC预调节器；Boost converter：升压转换器；HB LLC controller: 半桥LLC控制器；Controller: 控制器；Main converter: 主转换器；Half-bridge resonant converter: 半桥谐振转换器；24V output: 24V输出；Backlight inverter: 背光逆变器；12V output: 12V输出；system & audio: 系统与音频；5V standby & microcontroller: 5V待机与微控制器；standby converter: 待机转换器；Fixed frequency flyback: 固定频率反激式

6.1 PFC控制器
具备8个引脚的DCM PFC IC TDA4863-2采用不连续导通模式，可控制峰值电流。TDA4863-2控制一个升压转换器，从单相电源获得正弦电流，然后在输出端提供稳定的直流电压。这种电路作为谐波滤波器，可限制电容器在传统电容性输入整流器电路整流过程中的脉冲充电电流所产生的谐波电流。功率因数几乎为1因此，线电压波动可高效地得到补偿。这种IC也可对线电压可能存在的变化进行补偿，具备多种保护特性。
具备8个引脚的CCM PFC IC ICE2PCS0X 系列是适用于有源PFC转换器的宽输入范围控制器IC。它针对采用升压拓扑的转换器设计，只需少数外部组件。建议采用外置辅助电源为控制器IC供电。在平均电流控制条件下，这种IC采用连续导通模式，在轻载条件下，采用不连续导通模式。经过外部实现电流和电压环路补偿，使用户能够全面控制。这种IC具备多种保护特性，可确保安全的系统运行条件。ICE2PCS0X可满足具备最少外设组件的PFC应用的所有要求。它具备更宽的电源电压范围、改进的内置振荡器和额外的大容量电容器直接过压保护，这提高了设计性能和灵活性。
6.2 LLC 谐振控制器
ICE1HS01G是英飞凌科技最新开发的8引脚LLC控制器。ICE1HS01G经过精心数字化设计，适用于液晶/等离子电视、AC/DC适配器和音响系统中开关电源的应用。ICE1HS01G具备半桥LLC谐振转换器所需的全部保护特性。ICE1HS01G允许设计者利用外置电阻对振荡器进行设置，从而选择适宜的工作频率范围。另外还提供可限制输入冲击电流和输出电压过冲的可编程软启动功能。另外，ICE1HS01G具备了半桥LLC谐振转换器所必须的全部保护功能。所有这些使ICE1HS01G成为市场上半桥LLC谐振转换器的理想产品
6.3 准谐振控制器与准谐振CoolSET®
ICE2QS02G 是由英飞凌科技开发的准谐振控制器IC，主要适用于具备辅助待机供电电源的电源系统，例如液晶电视、家用音响设备或打印机设备的电源。这颗IC所需的电源电压由另外的辅助电源提供。ICE2QS02G拥有数字降频技术，该数字降频技术使得开关频率随着负载的降低而降低，并同时确保在整个负载范围内实现Mosfet谷底开通。因此，在整个负载范围内，相对于仅具备最大频率限制的传统的自由运行准谐振转换器而言，其系统平均效率可得到大幅提高。另外，ICE2QS02G还具备多种用户可调的保护功能，旨在保护系统并使得该IC适用不同的应用场合。在故障模式下，例如开环控制回路/过载、输出过压和变压器绕组短路等，该器件将切换至自动重启模式或栓锁（latch-off）模式。经过采用逐周期峰值电流限制和折返校正等方法，可降低变压器尺寸，优化次级二极管的电流等级，从而提高设计的成本效率。
ICE2QS03G 是由英飞凌科技开发的另一款准谐振控制器IC，主要适用于笔记本、上网本和打印机适配器应用。与ICE2QS02G相同，这种系统得益于数字降频技术可大幅提升平均效率。内置的启动单元和主动突发模式运行可带来超低的待机功耗和较小、可控的输出电压纹波。基于BiCMOS工艺，该产品具备较宽的IC电源工作电压范围（高达26V）和较低的功耗。与ICE2QS02G相同，多种保护功能能够在出现故障的条件下为电源系统提供全面的保护。
CoolSET®-Q1 系列ICE2QRxx65 是英飞凌推出的第一代准谐振集成式电源IC。例如，采用DIP 8封装的ICE2QR0665是一款准谐振CoolSET®，包含准谐振控制器ICE2QS03G和650V CoolMOS®。ICE2QR0665的目标应用是机顶盒、便携式游戏控制器、DVD播放器、上网本适配器和液晶电视的辅助电源等。由于集成了CoolMOS® ，该IC可大大简化PCB的设计与版图。在通用交流线路输入条件下，ICE2QR0665具备高达40W的输出功率。
6.4 固定频率CoolSET
英飞凌已经推出一系列固定频率CoolSET®，它包含固定频率反激式控制器和650V CoolMOS®。在这些CoolSET® 产品中，CoolSET®-F3R FullPak （如ICE3BR1065JF、ICE3BR2565JF）是一款新开发的产品，目标应用是液晶电视、DVD刻录机、DVD Combi和机顶盒等产品中的离线适配器和高功率范围SMPS。如果采用液晶电视LIPS解决方案，CoolSET®-F3R FullPak适用于多路输出转换器和待机转换器相集成的应用场合。因此，相对于分立式解决方案，这可有效减少PCB占位空间和组件数量。另外，由于具备主动突发模式优点，它在无负载和输入电压为270Vac的条件下可满足最低待机功率要求（<100mW）。当需要进行过温、过压、开环和过载保护时，它会进入自动重启模式。另外，内置的频率抖动功能可有效地降低EMI噪声，进一步缩小输入滤波器尺寸。
7       结论
如今，液晶电视已经占据市场主导地位。液晶电视用开关电源面临的设计挑战不同于传统的阴极射线管电视，需要始终关注更高的能效、更低的EMI辐射和越来越薄的尺寸。作为一种消费电子产品，成本依然是决定液晶电视成败的关键要素。另外，还应根据不同的功率额定值、能效、成本和电视尺寸等需求，选用不同的电源架构。
面对如此多的设计挑战，英飞凌丰富的AC/DC IC产品将会为液晶电视电源设计者带来众多益处，帮助她们轻松满足日益严格的相关要求。

Mao Mingping、He Yi 和Jeoh Meng Kiat
英飞凌科技亚太有限公司，8 Kallang Sector, Singapore 349282
8       参考

     [1]            电视机能源之星3.0
     [2]            CCM PFC ICE2PCS02数据表，英飞凌科技股份公司，
     [3]            DCM PFC TDA4863-2 数据表，英飞凌科技股份公司，
     [4]            LLC ICE1HS01G 数据表，英飞凌科技股份公司，
     [5]            QR ICE2QS02G 数据表，英飞凌科技股份公司，
     [6]            QR ICE2QS03G数据表，英飞凌科技股份公司，
     [7]            CoolSET® F3R ICE3BR1065JF数据表，英飞凌科技股份公司，