LED显示屏用电源的设计

分享到:

摘要:介绍一种5V/120ALED显示屏专用电源的设计方案,简述无损吸收技术和原边电流合成技术在电路中的应用,并给出了实验结果。

关键词:有源功率因数校正;双正激变换;无损吸收

 

1  引言

    LED显示屏是一种迅速发展起来的新型信息显示媒体。随着我国经济的不断发展,已被广泛应用于车站、宾馆、银行、医院等公共场合。显示屏电源是其重要组成部分,主要用来给显示屏发光二极管提供必要的工作电流,保证屏体正常显示。为简单起见,通常采用由一小功率电源带3到4个显示驱动板的供电方案。这样,一个较大面积的显示屏需要配接许多电源模块,例如一个2m×1.5m的屏体,就需要提供24个5V/20A的模块电源。该设计存在以下的缺点。

    1)接线复杂    每一个电源均需单独地配置交流输入线、直流输出线。

    2)电源冗余度差    在大多数情况下,屏体显示内容为文字、动画、图片,每个显示驱动板消耗的电流不一样,可能某些电源模块过载,而另一些模块空载。此外,若某一电源失效,会造成屏体的一部分黑屏。

    3)电源过载能力差,利用率低    屏体在工作时消耗的电流随画面的内容、颜色、亮度而变化,大部分时间电流较小,而大面积高亮度的画面虽消耗电流大,但持续时间短。考虑到LED是恒流驱动的,只要驱动板可正常工作,供电电压可以降低一些。电源最好有下拖形状的限流特性,而不是通常的较陡峭形状的限流特性,以保证有较好的过载能力、较高的利用率。

    考虑到以上各点,提出新的供电方案如下:

    1)集中供电,采用n+1冗余方案。

    2)电源模块设计适当的输出电流,模块可均流。保证屏体装配工艺易实现n+1冗余。

    3)电源模块有下拖形状的限流特性以保证有较好的过载能力、较高的利用率。

    4)电源模块有扁平的外形,自然散热,易于在屏体上安装,并利用屏体散热。

    5)电源模块带APFC,减小对电网的干扰,适应电网的波动。

2  电路设计

    采用集中供电方案可避免分散供电的缺点,但要求电源的可靠性更高,否则电源一旦失效会造成整屏的黑屏,而不是部分黑屏。提高电源可靠性的最积极的办法为提高变换效率,减少发热量,同时选用可靠性高的线路与器件。

2.1  AC/DC电路设计

    传统的AC/DC全波整流电路采用的是整流+电容滤波电路。这种电路是一种非线性器件和储能元件的组合,输入交流电压的波形是正弦的,但输入电流的波形发生了严重的畸变,呈脉冲状。由此产生的谐波电流对电网有危害作用,使电源输入功率因素下降。在本设计中整流电路部分采用有源功率因数校正电路(APFC),避免了上述缺点。其电路如图1所示。

图1  PFC无损吸收主电路

    与典型PFC主电路不同的是此电路选用了无损吸收缓冲网络。该网络降低了开关管的开关损耗,提高了其稳定性,增强了其使用寿命。它利用一组无源元件,使开关管实现了零电流开通和零电压关断,提高了电源的工作效率,且相对于其它谐振软开关电路,降低了生产成本。

    下面通过分析PFC主开关Q的工作过程来说明此无损吸收缓冲网络的工作原理。

    1)Q导通时,因为电感L2中电流不能突变,且C2C1电压不能突变,Q中的的电流从零开始增加,缓慢上升。通过D4的电流iD4渐减。Q实现零电流开通,导通的损耗较小。

    2)当电流iD4减少为零时,D4进入反向恢复状态,通过电感L2的电流iL2=iL1irD4。D4反向电流irD4的变化率受到电感L2的控制,反向恢复损耗降低。

    3)主电感L2中电流缓慢增加,Q上的电压uQ下降。电容C2通过D2C1L2、Q放电,C2上的电压uC2下降。

    4)当uC2下降为零时,C2中的能量完全转向C1L2L2中的电流饱和不变,uQ下降变为零,Q完成零电流开通过程。

    5)Q保持开通状态,与普通PFC电路的开关管状态相同。

    6)Q关断时,L2中的电流iL2通过D1流向C2C2从零开始充电,Q实现零电压关断,关断损耗较小。二极管D2、D3使uC2最终钳位在输出电压VL

    7)L2在导通时存储的能量通过D1、D2流向C1L2逐渐复位。当L2复位后,C1中的能量通过D3输出。

    8)当C1两端电压变为零时,D4正向导通。Q完成零电压关断过程。

    9)Q保持关断状态直到开始进入新的开关循环过程。

    Q的开关波形如图2所示;Q的实测导通时间和关断时间如图3所示。(电源负载22A)

图2  Q的D-S极之间开关波形

图3  Q的导通时间和关断时间

    从以上分析可知此无损吸收网络具有以下几个特点。

    1)Q的最大工作电压等于输出电压VL

    2)PFC电路的输出二极管D4的耐压是VL与电感L2的反向电压之和。

    3)Q中的电流上升率,即Q的开通损耗决定于电感L2两端电压和L2的电感量。

    4)Q两端的电压上升率,即Q的关断损耗决定于流过电容C2的电流和C2的容量。

    5)由于开关动作引起的存储在L2C2中的能量最终都输出给了负载,保证了转换器的工作效率。