LED顯示屏用電源的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種5V/120ALED顯示屏專用電源的設(shè)計(jì)方案,簡述無損吸收技術(shù)和原邊電流合成技術(shù)在電路中的應(yīng)用,并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正；雙正激變換；無損吸收

1  引言

    LED顯示屏是一種迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,已被廣泛應(yīng)用于車站、賓館、銀行、醫(yī)院等公共場合。顯示屏電源是其重要組成部分，主要用來給顯示屏發(fā)光二極管提供必要的工作電流，保證屏體正常顯示。為簡單起見，通常采用由一小功率電源帶3到4個(gè)顯示驅(qū)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(shè)計(jì)存在以下的缺點(diǎn)。

    1）接線復(fù)雜    每一個(gè)電源均需單獨(dú)地配置交流輸入線、直流輸出線。

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

    3）電源過載能力差，利用率低    屏體在工作時(shí)消耗的電流隨畫面的內(nèi)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面雖消耗電流大，但持續(xù)時(shí)間短。考慮到LED是恒流驅(qū)動(dòng)的，只要驅(qū)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(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)妮敵鲭娏?，模塊可均流。保證屏體裝配工藝易實(shí)現(xiàn)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(yīng)電網(wǎng)的波動(dòng)。

2  電路設(shè)計(jì)

    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)選用可靠性高的線路與器件。

2．1  AC/DC電路設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)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(yán)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(shè)計(jì)中整流電路部分采用有源功率因數(shù)校正電路(APFC),避免了上述缺點(diǎn)。其電路如圖1所示。

圖1  PFC無損吸收主電路

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

    下面通過分析PFC主開關(guān)Q的工作過程來說明此無損吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)的工作原理。

    1）Q導(dǎo)通時(shí)，因?yàn)?strong>電感L₂中電流不能突變，且C₂、C₁電壓不能突變，Q中的的電流從零開始增加,緩慢上升。通過D₄的電流i_D4漸減。Q實(shí)現(xiàn)零電流開通，導(dǎo)通的損耗較小。

    2）當(dāng)電流i_D4減少為零時(shí)，D₄進(jìn)入反向恢復(fù)狀態(tài)，通過電感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(fù)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D₂、C₁、L₂、Q放電,C₂上的電壓u_C2下降。

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

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

    6）Q關(guān)斷時(shí)，L₂中的電流i_L2通過D₁流向C₂，C₂從零開始充電，Q實(shí)現(xiàn)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(dǎo)通時(shí)存儲的能量通過D₁、D₂流向C₁，L₂逐漸復(fù)位。當(dāng)L₂復(fù)位后，C₁中的能量通過D₃輸出。

    8）當(dāng)C₁兩端電壓變?yōu)榱銜r(shí)，D₄正向?qū)ā完成零電壓關(guān)斷過程。

    9）Q保持關(guān)斷狀態(tài)直到開始進(jìn)入新的開關(guān)循環(huán)過程。

    Q的開關(guān)波形如圖2所示;Q的實(shí)測導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間如圖3所示。（電源負(fù)載22A）

圖2  Q的D-S極之間開關(guān)波形

圖3  Q的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間

    從以上分析可知此無損吸收網(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)斷損耗決定于流過電容C₂的電流和C₂的容量。

    5）由于開關(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(fù)載，保證了轉(zhuǎn)換器的工作效率。 [!--empirenews.page--]

2．2  DC/DC主電路設(shè)計(jì)

    DC/DC主電路采用單端雙正激電路。單端雙正激電路相對于其它拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，開關(guān)管承受電壓低，在控制電路設(shè)計(jì)中不必?fù)?dān)心共態(tài)導(dǎo)通問題，也不會因電路不對稱發(fā)生高頻變壓器單向偏磁，即不存在變壓器飽和問題，是一種可靠性較高的電路。考慮到整機(jī)的高度不超過60mm，以及變壓器工藝、安裝、散熱的要求，DC/DC變換采用雙變壓器、雙輸出電感結(jié)構(gòu)。變壓器原邊并聯(lián)，副邊各自用一個(gè)輸出電感，如圖4所示。

圖4  雙正激無損吸收主電路

    該電路的無損吸收網(wǎng)絡(luò)不同于AC/DC部分電路所采用的無損吸收網(wǎng)絡(luò)。它僅使開關(guān)管完成了零電壓關(guān)斷過程。以下以開關(guān)Q₂為例（Q₁與Q₂變化狀態(tài)相同），簡述該網(wǎng)絡(luò)的工作原理。

    1）導(dǎo)通過程

    Q₁、Q₂開通時(shí)，除一路電流通過Q₁、T₁副邊、Q₂外，另一路電流流過Q₁、C₅、L₇、D₁₀、C₇、Q₂形成LC振蕩回路，C₅、C₇被充電。當(dāng)A與B點(diǎn)之間的電壓u_AB等于主電路電壓V_DC時(shí)，由于D₁₀的單向?qū)щ娦?，振蕩結(jié)束。電感L₇起限制C₇、C₅中的電流變化的作用。Q₁、Q₂中流過的電流為從副邊折算到原邊的負(fù)載電流與C₅、C₇充電電流之和。

    2）關(guān)斷過程

    Q₁、Q₂關(guān)斷時(shí)，由于B點(diǎn)對地電壓為零，C₇從零開始充電，Q₂對地電壓u_Q2緩慢上升，Q₂零電壓關(guān)斷。加在Q₂上的電壓因二極管D₁₅的鉗位作用，最終為V_DC。因此，B點(diǎn)電壓升為V_DC。Q₂實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷過程。

    由于變壓器勵(lì)磁電感、漏感及引線寄生電感所引起的感應(yīng)電勢的能量通過C₇、D₁₄返回電源，Q₂上的電壓維持在V_DC直到變壓器原邊磁通復(fù)位。此時(shí)，Q₁、Q₂上的電壓分別為V_DC/2直到新的工作周期。

    Q₂的開通期間與關(guān)斷期間的狀態(tài)與普通開關(guān)管同期間的狀態(tài)相同。

    圖5為實(shí)測Q₂開關(guān)波形。圖6為實(shí)測Q₂零電壓關(guān)斷波形。

圖5  Q₂的D-S極開關(guān)波形

圖6  Q₂的關(guān)斷時(shí)間

    從以上分析中,可以總結(jié)出以下特點(diǎn)。

    1）電路中每個(gè)開關(guān)管的最大工作電壓等于電源電壓。

    2）Q₁、Q₂關(guān)斷的電壓上升率分別決定于電容C₅、C₇的容量。

2．3  控制電路設(shè)計(jì)

    為保證電源安全可靠地工作，電路設(shè)計(jì)中采用TOP224Y制作一反激式開關(guān)電源作為輔助源，如圖7所示。其兩路輸出分別為AC/DC部分和DC/DC部分的控制電路供電。

圖7  輔助電源電路 [!--empirenews.page--]

    AC/DC控制部分使用PFC控制芯片UC3854B。交流輸入過、欠壓、PFC變換直流電壓（400V）過、欠壓時(shí)都關(guān)閉UC3854，使PFC部分停止工作。這些故障信號通過隔離光耦傳遞到DC/DC控制電路，以達(dá)到在AC/DC部分工作不正常時(shí)保護(hù)主開關(guān)管的目的。

    DC/DC控制部分使用了PWM控制芯片UC3846，采用峰值電流型控制模式。峰值電流型控制模式相對于電壓控制模式，負(fù)載響應(yīng)速率快，具有逐脈沖限流特性，容易獲得下拖形狀的限流特性，非常適合在此應(yīng)用。

    n＋1冗余應(yīng)用時(shí)，多模塊必須有均流功能。該電源輸出電流較大，直接從DC輸出用分流器取電流信號功率損耗較大，同時(shí)裝配工藝較復(fù)雜。因此，本設(shè)計(jì)采取了原邊電流合成的方法。

    用電流傳感器取出開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器原邊的電流信號。該信號包含了變壓器的勵(lì)磁電流信號與輸出電感電流折算到變壓器原邊的電流信號。因輸出電感折算到原邊的電流遠(yuǎn)大于變壓器的勵(lì)磁電流，所以可認(rèn)為電流傳感器取出的即為輸出電感的充磁電流。這是輸出電感電流的上升部分，只要模擬出輸出電感續(xù)流時(shí)的下降部分，合成后即可得到輸出電感的電流信號，也為輸出電流信號。取出該合成后的電流信號后就可用于電流保護(hù)的控制與均流控制上了。

    如圖8所示，把電流傳感器取出的電流信號經(jīng)高速單向緩沖后向一電容充電。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)關(guān)閉恒流源，而開關(guān)管關(guān)斷時(shí)打開恒流源對電容恒流放電。在選擇合適的電路參數(shù)后，電容上的電壓波形就與輸出電感上的電流成比例，放大后就可得到輸出電感電流，也即輸出電流。

圖8  輸出電流合成電路

3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    對樣機(jī)的測試指標(biāo)如下

    輸入電壓范圍    AC150～270V

    輸出電壓范圍    DC4.6～6.3V

    輸出電流    >120A

    效率    >80％

    散熱方式    自然散熱

    限流特性    下拖

    厚度    60mm，可安裝在LED顯示屏體上

    用兩臺樣機(jī)試驗(yàn)均流如下：

    A機(jī)5.6V    B機(jī)5.3V不接均流線B機(jī)不工作

    A機(jī)5.6V    B機(jī)5.3V接均流線A機(jī)輸出34A，B機(jī)輸出33A。

4  結(jié)語

    隨著這種電源應(yīng)用量的不斷增加，證明出其具有較高的工作效率和良好的可靠性，是一種性價(jià)比較高的產(chǎn)品。