LED显示屏用电源的设计
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。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/179436.htm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=iL1＋irD4。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D2、C1、L2、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iL2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）
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。
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