如何設(shè)計應(yīng)用于LED顯示屏中的電源？

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?shù)妮敵鲭娏鳎K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。

隨著應(yīng)用環(huán)境的變化如雷雨氣候，夏天高溫，冬天低溫，風扇噪聲，灰塵，潮濕，鹽霧腐蝕等，以及對節(jié)能環(huán)保概念的深入，客戶對整個LED屏的要求也越來越高，客戶越來越認識到電源的重要性，隨之而來的是對電源的要求也是越來越嚴格。針對不同的應(yīng)用環(huán)境，對電源的要求也是不一樣的。如何能夠選擇合適的電源，這是很多LED廠家需要考慮的問題。

雷雨氣候，是對電源EMC性能考驗。大多數(shù)電源廠家在電源的輸入端增加濾波電路以滿足EMC方面的要求，如果系統(tǒng)布局合理，是完全可以通過EMC，目前電源廠家基本上都遵循IEC61000或EN61000的國際標準進行測試電源，如系統(tǒng)有必要的話，適當增加濾波器來滿足要求是必要的。

在夏天戶外溫度可以高達40度，LED屏箱體內(nèi)部溫度會高達60-70度，而冬天，寒冷地區(qū)的溫度可以低至零下30到40度左右，如此惡劣的環(huán)境對電源的要求也更加嚴格，這就意味著對電源內(nèi)部元件(如變壓器，開關(guān)管，二極管，電解電容。。。。。。)的選擇更加嚴酷，需要采用更高溫度等級的材料，或者更高轉(zhuǎn)速的風扇以提高電源的散熱能力，但是，高轉(zhuǎn)速的風扇又帶來新的問題，更大的噪聲，尤其對室內(nèi) LED屏而言，這是很多客戶不能接受的問題。另外，風扇，作為電源散熱的主要元器件，在高溫環(huán)境下壽命也會受到嚴重影響，以Sanyo 9A0612G4D041風扇為例，環(huán)境溫度從40度上升到60度，風扇預(yù)期壽命從50000小時下降到30000小時。可見，環(huán)境溫度對風扇壽命的影響也是不容忽視的。這樣，無風扇電源，必然會成為LED屏的優(yōu)先選擇。

灰塵，潮濕，鹽霧腐蝕等是環(huán)境對LED屏的性能的又一個考驗，初期的LED屏由于沒有考慮戶外灰塵以及鹽霧的影響，導(dǎo)致兩三年后LED屏大批量出黑屏問題，檢查發(fā)現(xiàn)PCB板嚴重腐蝕或者元件之間出現(xiàn)打火損壞。根據(jù)長期的經(jīng)驗積累，在電源的內(nèi)部增加三防處理，有效的防止灰塵，潮濕，鹽霧環(huán)境的影響。

然而，節(jié)能環(huán)保，這是一個永恒的話題，對電源也不例外，需要提高電源效率就必須采用先進的技術(shù)，如同步整流，軟開關(guān)諧振技術(shù)等等，以及采用更加領(lǐng)先的元器件，盡可能的減少電源內(nèi)部功耗，提升電源效率。

由于LED戶外全彩顯示屏中光電器件的特性與一般顯示屏不同，造價十分昂貴，對開關(guān)電源的性能和質(zhì)量有很高的要求，因此本文研制了一種戶外全彩屏的專用開關(guān)電源。

2 戶外LED顯示屏開關(guān)電源的特性

用于LED戶外全彩顯示屏的電源應(yīng)具有以下特性。

1)在一定條件下保持LED象素被恒流驅(qū)動由顯示屏負載變化引起的LED組電壓變化，會影響象素電流，造成亮度變化。為了保證整屏模組亮度均勻和減小亮度變化，將開關(guān)電源輸出取樣電路的取樣點從電源端口移至顯示屏中某點，使該點的電壓保持不變。負載變化引起的電壓變化由開關(guān)電源來調(diào)整，即負載小時，輸出電壓低;負載大時，輸出電壓高。因而保證了在溫度和亮度不變的情況下，輸出至LED模組的電壓不變，象素驅(qū)動電流恒定。

2)補償環(huán)境溫度引起的LED正向壓降VF的變化LED的正向壓降VF是隨環(huán)境溫度的上升而下降的。各種LED的溫度變化系數(shù)各不相同。在正常工作溫度范圍內(nèi)，VF的變化可達20%.在恒壓驅(qū)動下，VF下降會導(dǎo)致LED電流上升，引起整體溫度上升。在這種反饋過程中，LED的工作狀況將越來越惡化，嚴重地影響到戶外屏的質(zhì)量和壽命。因此要求戶外屏的開關(guān)電源具有溫度補償功能，確保LED驅(qū)動電流不隨溫度升高而上升。

簡單的溫度補償方法是在開關(guān)電源中，接入溫度變化率接近LEDVF的負溫度系數(shù)熱敏電阻，并引入開關(guān)電源PWM芯片比較基準電壓Vi(Vo=KVi)。溫度上升時，Vi下降，輸出電壓下降，抑制了LED工作電流的上升。由于熱敏電阻離散性大，為確保產(chǎn)品的一致性，需挑選。另外，對每種溫度變化率都有獨立的電阻組合，互換性差。為了克服這些缺點，采用了輸出受數(shù)字信號控制的數(shù)控開關(guān)電源。根據(jù)各種LED的溫漂曲線，將不同溫度下需提供給LED的驅(qū)動電壓制成表，貯存在單片機中，以供查詢。按照溫度傳感器單片機測得的溫度查表，就可得到相應(yīng)的數(shù)控開關(guān)電源的輸出電壓。

3)通過調(diào)節(jié)開關(guān)電源的電壓來控制顯示屏亮度為了充分利用全彩屏控制系統(tǒng)中有限的資源，要求開關(guān)電源能通過調(diào)節(jié)輸出電壓對全彩屏的亮度進行調(diào)節(jié)。由于室外光照變化大，需要根據(jù)不同的氣候和時段，預(yù)先將與全彩屏亮度對應(yīng)的電壓值制成表，貯存在單片機中。按光照傳感器送出的信號查表，得出數(shù)控開關(guān)電源的輸出電壓值，以控制顯示屏亮度。

3 通用開關(guān)電源的工作原理

通用開關(guān)電源的工作原理如圖1所示。采用3525脈寬調(diào)制式(PWM)組件作為開關(guān)電源的控制電路，功能完整，應(yīng)用方便。誤差放大器將電源輸出端的誤差信號放大后，經(jīng)取樣電路送到比較器的反向輸入端，與來自基準電路中振蕩器輸出的斜波電壓比較。用比較器輸出的方波脈沖來控制3525內(nèi)部輸出功率管的占空比。通過改變基準電壓及輸出取樣電路可以取得不同的電壓值。

4 數(shù)控開關(guān)電源的工作原理

數(shù)控開關(guān)電源是輸出電壓受數(shù)字信號控制的開關(guān)電源，其工作原理所示。

選用X9313非易失性數(shù)控電位器作為PWM芯片比較基準電壓的可控器件，功耗低，使用方便，可靠性好。X9313是一個包含31個電阻單元的電阻陣列，在每個單元之間的端點都有供滑動單元訪問的抽頭點。滑動單元的位置由CS.U/D和INC三個輸入端控制，滑動端的位置貯存在一個非易失性存貯器中，在下次上電工作時可重新調(diào)用，其功能如圖3所示。

開關(guān)電源的輸出電壓范圍由VL、VH決定。從圖2輸出電壓的計算公式可以看出，只要保證VL、VH的一致性，就能保證電源輸出電壓的一致性。假設(shè)電壓調(diào)節(jié)范圍為4.5V~5.2V,那么輸出電壓偏差為±20mV,完全能滿足LED的供電要求。為了提高抗干擾性能，對進入開關(guān)電源的數(shù)字信號進行光電隔離。

5 數(shù)控開關(guān)電源的運用

數(shù)控開關(guān)電源的信號發(fā)生器是由單片機組成的信號處理發(fā)生系統(tǒng)，所示。它貯存了不同溫度下為補償LED溫漂所應(yīng)輸出的電壓值，以及在不同光照情況下，由LED顯示屏亮度所決定的輸出電壓值。數(shù)控開關(guān)電源有自動、手動和程序三種控制方式。

1)自動控制

溫度傳感器與光照傳感器定時采集現(xiàn)場的溫度與光照強度，并送至信號發(fā)生器進行數(shù)據(jù)處理。對應(yīng)于數(shù)控電位器32檔中的確切位置產(chǎn)生的控制信號，經(jīng)信號驅(qū)動器分路放大后，以滿足m×n臺開關(guān)電源信號傳送的需求。數(shù)控開關(guān)電源在接到數(shù)控信號后，調(diào)整輸出電壓，然后送到LED顯示屏。