LED显示屏用电源的设计

作者:林 建 伟 ， 李 震

    摘  要 ： 介 绍 一 种 5V/120A LED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 。

    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 C₂、 C₁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 i_D4渐 减 。 Q实 现 零 电 流 开 通 ， 导 通 的 损 耗 较 小 。
    2） 当 电 流 i_D4减 少 为 零 时 ， D4进 入 反 向 恢 复 状 态 ， 通 过 电 感 L₂的 电 流 i_L2=i_L1＋ i_rD4。 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 u_Q下 降 。 电 容 C₂通 过 D₂、 C1、 L₂、 Q放 电 ,C₂上 的 电 压 u_C2下 降 。
    4） 当 uC2下 降 为 零 时 ,C2中 的 能 量 完 全 转 向 C₁、 L₂。 L₂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 i_L2通 过 D₁流 向 C₂， C₂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 u_C2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 C1， L₂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）

    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 V_L。
    2） PFC电 路 的 输 出 二 极 管 D₄的 耐 压 是 V_L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 L₂和 C₂中 的 能 量 最 终 都 输 出 给 了 负 载 ， 保 证 了 转 换 器 的 工 作 效 率 。