大屏及8K电视3DR高效节能技术应用

0 引言

近年来，随着显示技术的日益发展，以及国家大力推进消费升级和数字化转型，大屏化和8K 显示技术已成为电视的发展趋势，越来越受消费者的青睐！但是，目前大屏以及8K 模组存在功率大、整机能耗高的问题，不符合节能减排、绿色环保的理念，亟待攻关解决。针对匹配大屏及8K 电视，若采用传统电源架构，如升压（boost）或降压（buck）拓扑^[1]，电源及背光电路需经两级能量转换，且由于通道数多、灯条电压高、灯条电流大，使得传统电路效率低，系统极其复杂，恒流模块器件多、成本高，不利于大屏及8K 电视的普及和推广。同时，随着国家倡导的“碳达峰”、“碳中和”观念的不断深入，降低大屏及8K 电视能耗也成为电视发展的必然趋势。因此，在研究如何匹配大屏及8K 电视的电源及恒流系统基础上，提出一种双直驱式谐振网络（dual-direct-driver resonance）技术，简称3DR技术，大大提高了大屏及8K 电视背光转换效率，降低整机能耗和系统成本，同时在TV 行业内积极倡导节能减排、绿色环保理念，具有极大的经济和社会效益。

1 传统技术方案

在LED 电视及显示行业，传统采用升压（boost）或降压（buck）恒流驱动方式匹配背光模组灯条。电源系统经过AC/DC 转换后输出DC 电压，DC 电压再经过降压或升压电路实现LED 灯条所需的灯条电压，同时与系统匹配实现恒流输出。不论是升压（boost）还是降压（buck）恒流系统，从交流输入到LED 灯条均需经两级能量转换^[2]，以应用较多的升压拓扑为例，如图1a所示。

采用传统技术方案匹配8CH 大屏及8K 电视，电源系统架构如图1b 所示。从图1b 可以看出，传统电源架构经两级能量转换，匹配8CH 屏体，需8 路独立的恒流驱动电路，效率低，系统复杂，恒流模块器件多，系统成本高。为了简化电源架构，提高电源及恒流的转换效率，降低整机功耗和系统成本，提出一种3DR技术新架构，可大大提高大屏及8K 电视背光转换效率，降低整机功耗和系统成本。

23DR技术

3DR 技术是针对目前大屏及8K 电视的背光模组灯条匹配提高背光转换效率的一种新的电源及恒流架构系统技术，其包含2 个关键技术：3DR 半周期分流技术，3DR 通道倍增技术，分别说明如下。

2.1 3DR半周期分流技术

AC 接通系统后，灯条分配网络通过谐振网络半周期分流技术将桥式整流的正负半周（t1、t2）分成两组电流通道，形成两个灯条并联输出，如图2a 红色和蓝色电流通路所示。采用电容均流技术确保每组灯条电流相等，使在灯条电压不等的情况下也能实现均流，从而实现模组背光灯条对称或非对称设计。

图2a 3DR半周期分流技术原理

图2b 3DR通道倍增技术原理图

2.2 3DR通道倍增技术

当大屏及8K 电视背光模组灯条通道数增加时，通过灯条正负压通道倍增技术将两组并联灯条变换成两组正负压串联灯条，最终形成两并两串的四通道设计，如图2b 所示。通过模块级联方式灵活实现通道的扩展，以满足大屏及8K 模组背光灯条多通道设计的要求。

2.3 3DR技术应用

由于大屏及8K 电视屏体玻璃透过率低、T-CON功率大，模组功率较普通产品增加约30%。在整机系统中，特别是大屏及8K 电视，模组功耗占比达到80%以上，为了降低整机功耗，需要提升模组背光电路的转换效率。以匹配8CH 大屏及8K 电视为例，3DR 新系统架构原理如图3 所示。

从图3a 和3b 可以看出，3DR 技术省去了背光转换电路，省去一级能量转换，由灯条分配网络直接给模组灯条供电，大大提高背光模组的转换效率。根据3DR技术原理，模组灯条可选择谐振网络和谐振网络匹配不同灯条通道的模组，同时，谐振网络还可以分别匹配2CH 或4CH 的背光模组灯条，因此整个新系统架构可实现灵活匹配2/4/6/8CH 背光模组灯条。且根据3DR 技术原理，当背光模组灯条电压不一致时，由于存在均流电容，如图2b 中的电容，可分担灯条不对称的压差，因此，该架构也可直接匹配，实现灯条的对称与非对称设计。由于该系统省去一级电路转换，恒流器件少，大大降低了电源及恒流系统成本。因此， 基于3DR 技术的高效节能谐振网络是目前匹配大屏及8K 电视的新的电源及恒流系统架构，应用性及可推广性强。

图3a 3DR电源架构原理

3 3DR技术实验结果

根据实际设计的一款86 英寸8CH 8K LED 电视电源及恒流，分别对传统升压恒流方案和3DR 技术方案进行对比。

1）电源及恒流系统效率对比

P1 为传统升压方案电源输入功率，P2 为3DR 技术方案的电源输入功率，数据对比如下。

表1 86英寸8CH电路元器件数量对比

2）测试条件

输入：220 V AC，50 Hz，570 W（P1），515 W（P2）

输出：① LED 灯条电压130.2 V（CH1/CH2/CH5/CH6/CH7/CH8）和167.4 V（CH3/CH4）

② LED 灯条电流360 mA

③ +12 V/3 A，+20 V/1 A

3）实验结果

①若电源及恒流系统采用传统升压恒流架构，计算结果如下：

η1（电源及恒流效率）=×100%=×81%

② 3DR 技术方案电源效率计算结果如下：

η2（电源及恒流效率）=×100%=×100%=89.6%

从以上实际测试数据计算结果看，采用3DR 技术方案相比普通方案电源转换效率提高约8.6%，此外，该方案匹配的模组功率越大，整机功耗降低越大。

4）器件数对比

从表1 可以看出，以86 英寸（注：1 英寸=2.54 cm）8K 电视（8CH）为例，电路元器件数量减少约30%。一方面节省了系统成本，另一方面节省的器件可有效减少对自然资源的损耗，实现节能降耗和绿色环保。

4 结束语

本文详细介绍了3DR 技术工作原理，对比了传统技术方案与3DR 技术电源及恒流架构的差异，并结合实际案例和应用，比较传统拓扑架构和3DR 技术架构背光系统的转换效率和节省的器件数。实际结果显示，以86 英寸整机为例，效率提升约8.6%，节省器件数约上百个。该方案一方面通过提升整机效率实现节能降耗，另一方面通过节省电子元器件来减少对资源的损耗，实现真正的节能环保。同时，3DR 技术可降低整机系统成本，大量推广后可产生明显的经济和社会效益，此外，该技术的实施对大屏及8K 电视的节能减排起着巨大推动作用。

参考文献：

[1] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

[2] WINDER S. LED驱动电路设计[M].谢运祥,王晓刚,译.北京:人民邮电出版社,2009.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年11月期）