新一代平板电视电源方案设计

这样一来，电视性能受到消费者团体和立法者密切关注就不令人意外了；大屏幕、高性能电子产品以及使用增多，表示平均家许能耗与全球降低二氧化碳排放的需求背道而驰。

更高输出功率，更低输入功率

新的“能源之星”电视标准在此前已限制待机能耗的基础上，更加注重降低电视工作时的能耗。此标准如今包括根据屏幕尺寸计算的最大允许功率限制，其中屏幕尺寸达50英寸或更大的任何电视的绝对最大功率为80 W。

业界正在通过创新来帮助符合当前及后续的能耗标准。其中一项创新便是发光二极管(LED)背光，不仅相较于冷阴极荧光灯(CCFL)背光灯提升能效，还支持更纤薄的尺寸。目前市场正在向LED背光高速过渡，预计到2015年业界制造的LED背光电视的数量将达传统CCFL背光电视的10倍。图1显示了电视产量趋势，其中就包括从CCFL到LED背光的过渡。

图1. 预测显示出平板电视从CCFL背光到LED背光高速过渡

此外，更高能效的简化电源设计也正在涌现。这些新设计不仅减小能量损耗，还提供比第一代LED背光液晶电视电源性价比更高的方案。图2显示了北美地区的电视能耗估计数值，其中顾及了由于屏幕尺寸增大及功能增多导致的能耗增加因素。如图所示，新的“能源之星”将使此增长趋势逆转。如果功率半导体、转换器拓扑结构及背光电路遵循旧的“能源之星”标准进行设计，2014年的总能耗将为2008年的2倍。在改进电源设计的情况下，我们估计2014年的总能耗将比2008年约低20%。假定一家500兆瓦(MW)火电厂相当于每年3太瓦时(TWh)的能耗，这就对经济及环境有极大影响。

图2. 预计的屏幕尺寸及电视出货量能能耗的影响

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传统电视电源

图3显示了当前LED背光液晶电视典型电源的原理。半桥谐振LLC转换器产生24 V及12 V直流电压轨，为音频及处理器子系统等不同的电源域供电。LED的供电电压源自经过电压转换后得来的24 V直流供电电压，此电压也为电视音频子系统供电。

图3. 当前典型的液晶电视电源策略

LED背光阵列驱动电路中总计包含4条电源段；它们的累积能耗会将背光电源总能耗降至低于65%。与之类似的是，需要3条电源段来为音频及处理子系统供电，假定每个电源段的能效为典型能效等级，总能效就约为70%。此图中还包括传统电视电源中常见的专用待机电源，此电源会进一步增加能量损耗及物料单(BOM)成本。

下一代电源设计

多种新的电源方案正在涌现，旨在帮助设计人员提升包括从24英寸至46英寸甚至更大尺寸的宽范围标准屏幕尺寸LED背光电视的能效。某些关键创新充分利用提供高能效转换及控制的新器件技术的优势，使电源设计人员能够省去专用待机电源等电路，简化或省去LED背光升压转换器，因而节省能耗及物料单成本。

26英寸屏幕大小级别的典型电视额定功率足够低，不要求使用功率因数校正(PFC)。使用诸如安森美半导体NCP1236这样控制器的单反激转换器可以用于为背光及音频和信号处理子系统供电。可以仅使用5 V和24 V输出来为这些子系统供电。NCP1236能够以5 V电压、高达4 A电流为电视的信号处理电路供电，同时提供24 V电压来驱动0W_RMS/8Ω半桥音频放大器及背光驱动器。此器件包含高压启动电路，可以用于不要求有源X2电容放电的成本敏感型应用。

对于小型背光阵列而言，升压至约40 V的相对较低升压电压就足够了，然后设计就能使用集成升压转换器和驱动器。

下一代设计中也正在消除传统专用待机电源。取而代之的是使用像NCP4354/4这样的次级端关闭模式控制器来检测空载状况，控制是否进入低能耗模式，并以更低的电压为待机低压降(LDO)稳压器供电。这种方法在结合使用NCP1246反激控制器时，将待机能耗降至低于75 mW，并将空载能耗降至低于30 mW；而NCP1246带有内置自供电功能，支持在从待机模式唤醒时控制启动电流。这两款器件通过用于反馈网络的同一个光耦来相互通信，因此不要求额外电路。此外，NCP1246包含专用关闭模式，如果需要的话，能与NCP4353/4一起使用，由NCP4353/4通知NCP1246进入休眠模式。这两款器件结合在一起，能够将空载输入能耗降低至优于10 mW的性能。NCP1246的另一项特性是有源X2电容放电功能，此功能在检测到设备已从交流电源拨除后触发电容放电。在许多消费类电子应用中，这是一种有效的安全特性。

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对于要求较大背光阵列并因此要求更高LED供电电压的37至42英寸电视而言，使用专用背光电源方法的能效会比提升较低直流电压方法更高。诸如NCP1379这样的准谐振控制器为像CAT4024这样的一系列线性LED驱动器供电是一种有效的方案，使输出电压变化能够跟随LED因老化及发热而产生的要求。不带PFC的反激电源能够支持从90至264 Vac的宽输入电源电压范围。

最后，在更高功率的应用中，如屏幕尺寸高达46英寸的现有应用通常要求的95至120 W电源中，要求使用PFC。安森美半导体的NCP1611 PFC控制器采用电流控制频率反走(CCFF)模式工作。在大电流时，它工作在标准临界导电模式(CrM)，能够减小 变压器次级线圈的尺寸，并提供跟随升压特性，增强音频/处理及背光电源转换器的输出能力。在轻载时，定时器启用，根据电流需求控制下一个开关周期开始前的死区时间。与CrM模式不同的是，在负载下降时，开关频率也下降，进而减小开关损耗。开关频率可以钳位至约高于20 kHz，消除CrM设计中通常可以听到的可听噪声。这两种模式结合在一起，在轻载时提升能效约10%，是一种更优的设计。

图4显示的是结合这些增强特性的简化电源设计的示意图。使用NCP1379及CAT4204的专用背光电源替代LED升压转换器，没有单独待机电源，而NCP1236/46同时为音频及处理子系统供电。如果要求的话，可以增加NCP1611 PFC控制器。最终设计的能效更高，因此省去了多段式电源转换，且因省去一些元器件而使尺寸更小。这种方法支持以类似的电源方案更快地开发更强固的设计，同时配合宽范围的电视屏幕尺寸及功率要求。

图4. 节省转换能耗及元器件成本的通用电源设计

结论

当今的平板电视提供惹人注目的纤薄型设计及更佳的用户体验，获得了电视拥有者的重视及频繁观看，但也增加了降低能耗及提升能效的顾虑。新的“能源之星”标准更加注重电视的工作能耗，根据屏幕尺寸来限制工作能耗。采用高能效拓扑结构及控制器的更简单的优化电源架构可以帮助设计人员符合这些需求，而且成本具有竞争力。

作者：安森美半导体产品经营经理 Tim Kaske

安森美半导体高级应用工程师 Jean-Paul Louvel