LED顯示屏用電源的設(shè)計

摘要：介紹一種5V/120ALED顯示屏專用電源的設(shè)計方案,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,并給出了實驗結(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個顯示驅(qū)動板的供電方案。這樣,一個較大面積的顯示屏需要配接許多電源模塊，例如一個2m×1.5m的屏體，就需要提供24個5V/20A的模塊電源。該設(shè)計存在以下的缺點。

    1）接線復(fù)雜    每一個電源均需單獨地配置交流輸入線、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、動畫、圖片，每個顯示驅(qū)動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    屏體在工作時消耗的電流隨畫面的內(nèi)容、顏色、亮度而變化，大部分時間電流較小，而大面積高亮度的畫面雖消耗電流大，但持續(xù)時間短。考慮到LED是恒流驅(qū)動的，只要驅(qū)動板可正常工作，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，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)計適當(dāng)?shù)妮敵鲭娏?，模塊可均流。保證屏體裝配工藝易實現(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。

2  電路設(shè)計

    采用集中供電方案可避免分散供電的缺點，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，同時選用可靠性高的線路與器件。

2．1  AC/DC電路設(shè)計

    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。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,增強了其使用壽命。它利用一組無源元件,使開關(guān)管實現(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，因為電感L₂中電流不能突變，且C₂、C₁電壓不能突變，Q中的的電流從零開始增加,緩慢上升。通過D₄的電流i_D4漸減。Q實現(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，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,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，L₂中的電流i_L2通過D₁流向C₂，C₂從零開始充電，Q實現(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，D₄正向?qū)?。Q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的實測導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間如圖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)通時間和關(guān)斷時間

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

    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

    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?？紤]到整機的高度不超過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，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點之間的電壓u_AB等于主電路電壓V_DC時，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，由于B點對地電壓為零，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點電壓升為V_DC。Q₂實現(xiàn)零電壓關(guān)斷過程。

    由于變壓器勵磁電感、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，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為實測Q₂開關(guān)波形。圖6為實測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)斷時間

    從以上分析中,可以總結(jié)出以下特點。

    1）電路中每個開關(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

    為保證電源安全可靠地工作，電路設(shè)計中采用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，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，同時裝配工藝較復(fù)雜。因此，本設(shè)計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)通時變壓器原邊的電流信號。該信號包含了變壓器的勵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)通時關(guān)閉恒流源，而開關(guān)管關(guān)斷時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  實驗結(jié)果

    對樣機的測試指標(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

    用兩臺樣機試驗均流如下：

    A機5.6V    B機5.3V不接均流線B機不工作

    A機5.6V    B機5.3V接均流線A機輸出34A，B機輸出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，是一種性價比較高的產(chǎn)品。