平板電視與開關電源的發展趨勢

消費類電子產品中的電源設計總是給外型、成本以及效率指標的實現帶來嚴峻的挑戰。電視市場就是一個很好的例子。它正在經歷從臃腫的，基于CRT的解決方案向使用液晶顯示器（LCD）和等離子顯示器的平板電視的巨大轉變。目前LCD主宰平板電視市場，其2008年的預期銷售量將超過1億臺。與此同時，內容已經從模擬轉變到數字制式，且新功能也急劇增多，比如用于畫中畫功能的多調諧器、全高清畫質（1080p）、增強型音頻，甚至是因特網訪問。

此外，CRT所存在的屏幕尺寸限制問題將不復存在。目前，32英寸的寬屏電視最受歡迎，40～42英寸的電視緊隨其后。雖然采用新技術促進了銷售量的增長并改善了電視用戶的觀看體驗，但是它也造成了功耗的顯著增加。

節能標準
在歷史上，用于消費類電子產品的節能標準，比如美國能源之星和歐盟生態標簽，主要關注的是靜態功耗的影響。但是，隨著向平板電視的轉變，人們需要關心的問題擴展到了工作（活動模式）功耗。

實際測試表明，42英寸平板電視的功耗在180～500W之間，具體數值與技術（LCD或等離子顯示），特性集以及設計選擇有關。比較而言，29英寸CRT電視的功耗大約是100W。

顯然，增加的功耗中，一部分直接與屏幕尺寸的增加有關，但這并不是唯一的原因。例如，LCD電視顯示屏需要背光子系統；這部分功耗不容忽視而且直接與屏幕尺寸有關。平均功率的增加，再加上游戲、收看音樂節目、網頁瀏覽以及家庭影院等活動造成的使用小時數的增多，增加了家庭用電量。

規范及政府機構正在著手應對這種轉變。用于電視的能源之星標準剛經過修訂并推出了3.0版本（自2008年11月啟用），它將包括工作功率限制。這些限制是基于屏幕面積和分辨率（高清晰度或標準清晰度）的，與顯示技術（LCD、等離子或背投）無關。

計算功率限制
根據屏幕尺寸和分辨率，有多種算法可以計算功率限制。例如，對屏幕面積在680～1068平方英寸（4387～6890cm2）范圍內的高清電視而言，公式如下：

Pmax=(0.240×面積+27)W

注意：面積的單位是平方英寸。

因此，32英寸高清電視的工作功率限制是120W，而42英寸高清電視的限制則是208W。這些限制是基于對多家廠商的多種產品的實際測試而制定的。在測試樣本中，有27.4%通過了目標的工作和靜態功耗要求。靜態功耗要求保持不變：自2005年7月以來就一直是最大值1W的限制。

用于32英寸LCD電視的典型電源（見圖1）產生幾種電壓軌來為各種系統模塊供電，比如音頻，背光和信號處理模塊。主電源并不提供所需的所有電壓值，相反，各種低電壓軌是由本地線性和DC/DC變換器提供的。

圖1 常見的32英寸LCD電視開關電源

在信號處理板上可能有5個或更多個線性或低壓差穩壓器，此外還有幾個降壓變換器用于為深亞微米數字信號處理模塊產生低電壓電源軌。如圖所示，廠商使用支持90～265V交流電壓的統一供電電源的做法相當普遍。這種做法，使得根據電視尺寸對不同地區一系列模塊使用單電壓設計成為可能，簡化了物流并降低了開發成本。

如果LCD電視面向全球市場且功率超過75W，那么這種電視必須符合歐洲用于降低諧波的標準IEC61000-3-2。在這種情況下，需要使用工作功率因數控制級。

背光功率
對26英寸以上的電視而言，背光是功耗最大的部分。24V電壓軌為逆變器級供電，而后者則驅動背光冷陰極熒光燈（CCFL）。逆變器將24V直流電壓轉換為高電壓、低電流的交流信號，用于啟動并驅動這些熒光燈。

2個主逆變器單元的結構很常見：一個用于為背光逆變器供電，而另一個用于控制音頻/視頻以及信號處理。在歷史上，開關電源級的功率電平是根據單開關準諧振（QR）或固定頻率脈寬調制（PWM）反激式拓撲結構來制定的。根據電視的特性集以及對12V和5V電壓軌功率要求的不同，電路中可能存在專用的開關電源用于提供靜態功率以及滿足1W的靜態功率限制。

實際的電源拓撲結構
隨著屏幕面積的增加，24V直流電壓軌所需的功率將繼續增加，直至無法再使用反激式拓撲來實現開關電源。因此，許多功率較大的拓撲，包括半橋雙電感加單電容（LLC）拓撲，都被考慮用于在緊湊的空間內以低電磁干擾來實現高效率運轉。

半橋LLC拓撲被看作一種串聯諧振變換器。如圖2所示，LLC指的是電感-電感-電容結構。第1個電感串聯在電路中，變壓器代表第2個電感，而電容連接在變壓器的輸出端。

圖2 簡單的LLC半橋功率級

這種方法的基本思想是：半橋場效應管（FET）是由50%占空比的波形驅動的，而功率是通過改變頻率進行調節的。通常，這樣設計的目的是為了讓開關頻率超出電路的諧振頻率。

在這個區域，電流通過開關對電壓進行延遲，因此開關在零電壓開關區域呈開啟狀態，幾乎消除了電容開關損耗。因為這是一個諧振式拓撲，所以它在很寬的電壓范圍內的效率都很高。

圖3顯示了基于半橋LLC結構的完整電源的示例。在這個示例中，HB-LLC級產生了多路輸出。這種設計是安森美半導體公司所開發的一系列Greenpoint參考設計中的一部分，展示了高效率的電源拓撲。在這個示例中，對115或230V交流主電源而言，在90～220W的范圍內，總體效率都大于88%。

圖3 完整的220WLCD電視電源的框圖

除了實現總體效率高之外，這個電源的外形也較小，只有25mm高。對于平板電視而言，電源的高度是很重要的，因為它會影響電視的總厚度。人們對于設計能夠很容易地掛在墻上的超薄平板電視的興趣正日益增長。這種趨勢對電源提出了進一步的挑戰，因為體積需要減小，而通過電源的氣流可能會受到更多限制。

設計高密度、高效率電源的挑戰正推動著電源設計人員采取創新的電源架構來支持這些快速發展的消費類應用。半橋諧振LLC可以滿足平板電視所要求的效率和體積目標，同時仍然提供消費類電子產品所需要的成本低廉的解決方案。

隨著新的工作功率標準的出臺，以及消費者逐漸認識到轉換到大屏幕數字電視所帶來的能源消耗，對高效節能方案的關注將與日俱增。這不僅僅需要轉而使用高效的電源方案，而且需要創造新的系統體系以降低信號處理和LCD面板的功耗。