LED顯示屏用電源的設計

摘要：介紹一種5V/120ALED顯示屏專(zhuān)用電源的設計方案,簡(jiǎn)述無(wú)損吸收技術(shù)和原邊電流合成技術(shù)在電路中的應用,并給出了實(shí)驗結果。

關(guān)鍵詞：有源功率因數校正；雙正激變換；無(wú)損吸收

1 引言

LED顯示屏是一種迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息顯示媒體。隨著(zhù)我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展,已被廣泛應用于車(chē)站、賓館、銀行、醫院等公共場(chǎng)合。顯示屏電源是其重要組成部分，主要用來(lái)給顯示屏發(fā)光二極管提供必要的工作電流，保證屏體正常顯示。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，通常采用由一小功率電源帶3到4個(gè)顯示驅動(dòng)板的供電方案。這樣,一個(gè)較大面積的顯示屏需要配接許多電源模塊，例如一個(gè)2m×1.5m的屏體，就需要提供24個(gè)5V/20A的模塊電源。該設計存在以下的缺點(diǎn)。

1）接線(xiàn)復雜 每一個(gè)電源均需單獨地配置交流輸入線(xiàn)、直流輸出線(xiàn)。

2）電源冗余度差 在大多數情況下，屏體顯示內容為文字、動(dòng)畫(huà)、圖片，每個(gè)顯示驅動(dòng)板消耗的電流不一樣，可能某些電源模塊過(guò)載，而另一些模塊空載。此外，若某一電源失效，會(huì )造成屏體的一部分黑屏。

3）電源過(guò)載能力差，利用率低 屏體在工作時(shí)消耗的電流隨畫(huà)面的內容、顏色、亮度而變化，大部分時(shí)間電流較小，而大面積高亮度的畫(huà)面雖消耗電流大，但持續時(shí)間短?？紤]到LED是恒流驅動(dòng)的，只要驅動(dòng)板可正常工作，供電電壓可以降低一些。電源最好有下拖形狀的限流特性，而不是通常的較陡峭形狀的限流特性，以保證有較好的過(guò)載能力、較高的利用率。

考慮到以上各點(diǎn)，提出新的供電方案如下：

1）集中供電，采用n＋1冗余方案。

2）電源模塊設計適當的輸出電流，模塊可均流。保證屏體裝配工藝易實(shí)現n＋1冗余。

3）電源模塊有下拖形狀的限流特性以保證有較好的過(guò)載能力、較高的利用率。

4）電源模塊有扁平的外形，自然散熱，易于在屏體上安裝，并利用屏體散熱。

5）電源模塊帶APFC，減小對電網(wǎng)的干擾，適應電網(wǎng)的波動(dòng)。

2 電路設計

采用集中供電方案可避免分散供電的缺點(diǎn)，但要求電源的可靠性更高，否則電源一旦失效會(huì )造成整屏的黑屏，而不是部分黑屏。提高電源可靠性的最積極的辦法為提高變換效率，減少發(fā)熱量，同時(shí)選用可靠性高的線(xiàn)路與器件。

2．1 AC/DC電路設計

傳統的AC/DC全波整流電路采用的是整流＋電容濾波電路。這種電路是一種非線(xiàn)性器件和儲能元件的組合，輸入交流電壓的波形是正弦的，但輸入電流的波形發(fā)生了嚴重的畸變，呈脈沖狀。由此產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)有危害作用，使電源輸入功率因素下降。在本設計中整流電路部分采用有源功率因數校正電路(APFC),避免了上述缺點(diǎn)。其電路如圖1所示。

圖1 PFC無(wú)損吸收主電路

與典型PFC主電路不同的是此電路選用了無(wú)損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò )。該網(wǎng)絡(luò )降低了開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗,提高了其穩定性,增強了其使用壽命。它利用一組無(wú)源元件,使開(kāi)關(guān)管實(shí)現了零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷，提高了電源的工作效率,且相對于其它諧振軟開(kāi)關(guān)電路，降低了生產(chǎn)成本。

下面通過(guò)分析PFC主開(kāi)關(guān)Q的工作過(guò)程來(lái)說(shuō)明此無(wú)損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò )的工作原理。

1）Q導通時(shí)，因為電感L₂中電流不能突變，且C₂、C₁電壓不能突變，Q中的的電流從零開(kāi)始增加,緩慢上升。通過(guò)D₄的電流i_D4漸減。Q實(shí)現零電流開(kāi)通，導通的損耗較小。

2）當電流i_D4減少為零時(shí)，D₄進(jìn)入反向恢復狀態(tài)，通過(guò)電感L₂的電流i_L2=i_L1＋i_rD4。D₄反向電流i_rD4的變化率受到電感L2的控制，反向恢復損耗降低。

3）主電感L₂中電流緩慢增加，Q上的電壓u_Q下降。電容C₂通過(guò)D₂、C₁、L₂、Q放電,C₂上的電壓u_C2下降。

4）當u_C2下降為零時(shí),C₂中的能量完全轉向C₁、L₂。L₂中的電流飽和不變，u_Q下降變?yōu)榱?，Q完成零電流開(kāi)通過(guò)程。

5）Q保持開(kāi)通狀態(tài),與普通PFC電路的開(kāi)關(guān)管狀態(tài)相同。

6）Q關(guān)斷時(shí)，L₂中的電流i_L2通過(guò)D₁流向C₂，C₂從零開(kāi)始充電，Q實(shí)現零電壓關(guān)斷，關(guān)斷損耗較小。二極管D₂、D₃使u_C2最終鉗位在輸出電壓V_L。

7）L₂在導通時(shí)存儲的能量通過(guò)D₁、D₂流向C₁，L₂逐漸復位。當L₂復位后，C₁中的能量通過(guò)D₃輸出。

8）當C₁兩端電壓變?yōu)榱銜r(shí)，D₄正向導通。Q完成零電壓關(guān)斷過(guò)程。

9）Q保持關(guān)斷狀態(tài)直到開(kāi)始進(jìn)入新的開(kāi)關(guān)循環(huán)過(guò)程。

Q的開(kāi)關(guān)波形如圖2所示;Q的實(shí)測導通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間如圖3所示。（電源負載22A）

圖2 Q的D-S極之間開(kāi)關(guān)波形

圖3 Q的導通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間

從以上分析可知此無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò )具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1）Q的最大工作電壓等于輸出電壓V_L。

2）PFC電路的輸出二極管D₄的耐壓是V_L與電感L₂的反向電壓之和。

3）Q中的電流上升率，即Q的開(kāi)通損耗決定于電感L₂兩端電壓和L₂的電感量。

4）Q兩端的電壓上升率，即Q的關(guān)斷損耗決定于流過(guò)電容C₂的電流和C₂的容量。

5）由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的存儲在L₂和C₂中的能量最終都輸出給了負載，保證了轉換器的工作效率。