LED電視高效電源恒流系統(tǒng)設(shè)計(jì)
引言
近年來(lái),隨著LED TV行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,LED電視普遍采用傳統(tǒng)的側(cè)光式背光模組,因燈數(shù)多,模組和恒流控制系統(tǒng)成本高而較少使用,相反,直下式背光模組因燈數(shù)較少和恒流控制系統(tǒng)成本低的特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于大中小各個(gè)尺寸的整機(jī)產(chǎn)品上。與直下式模組匹配的恒流控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)升壓(Boost)或降壓(BUCK)拓?fù)浼軜?gòu),在各個(gè)尺寸直下式背光模組的產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,但兩者拓?fù)浼軜?gòu)的背光轉(zhuǎn)換效率較低,電路復(fù)雜,且成本較高。同時(shí),隨著國(guó)家倡導(dǎo)的綠色環(huán)保、節(jié)能減排觀念的不斷深入,降低整機(jī)能耗也成為電視發(fā)展的必然趨勢(shì)。基于此,在研究如何提高LED電視背光效率的基礎(chǔ)上,提出一種四通道高效電源架構(gòu),提高了大尺寸電視背光轉(zhuǎn)換效率,降低整機(jī)功耗和恒流電路成本,同時(shí),在LED電視行業(yè)內(nèi)積極響應(yīng)國(guó)家提出的“建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會(huì),具有極大的社會(huì)意義。
1 傳統(tǒng)的恒流驅(qū)動(dòng)方式
在LED電視及顯示行業(yè)內(nèi),LED模組背光燈條普遍采用升壓(Boost)或降壓(BUCK)拓?fù)浼軜?gòu)的恒流驅(qū)動(dòng)方式。由于LED燈工作在恒流狀態(tài),LED燈電流大小恒定時(shí),其電壓可能存在一定的偏差,故在傳統(tǒng)的LED背光驅(qū)動(dòng)中,LED背光的驅(qū)動(dòng)均采用恒流驅(qū)動(dòng)源,電源系統(tǒng)均通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換為DC輸出,然后再經(jīng)過(guò)恒流驅(qū)動(dòng)模塊的降壓或者升壓電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)LED燈條的恒流輸出。其中,一種恒流架構(gòu)為目前中小尺寸普遍使用的電源架構(gòu),背光模組部分供電使用Boost升壓電路,電路損耗較大,效率低,電路較為復(fù)雜;另一種背光模組部分供電使用BUCK降壓電路,電路損耗相對(duì)Boost升壓損耗較小,效率較高,但因BUCK電路輸出電壓較高,一般設(shè)計(jì)高于模組燈條10~20 V的電壓,同時(shí)因BUCK電路的特性導(dǎo)致開(kāi)短路實(shí)驗(yàn)存在燒壞燈條的風(fēng)險(xiǎn),一般較少使用。不論是升壓(Boost)還是降壓(BUCK)恒流架構(gòu),由于從交流輸入到LED燈條需要經(jīng)過(guò)兩級(jí)的能量變換處理,所以目前的背光驅(qū)動(dòng)方案存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)。
1.1 電路轉(zhuǎn)換效率較低
輸入電壓先經(jīng)過(guò)AC/DC處理,再經(jīng)DC/DC處理來(lái)驅(qū)動(dòng)背光燈條,兩次電路變換導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換效率較低。
1.2 恒流系統(tǒng)成本較高
恒流驅(qū)動(dòng)的DC/DC需要相應(yīng)的功率器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換,增加了恒流部分的系統(tǒng)成本。
圖1 傳統(tǒng)電源及恒流模塊框圖
基于以上兩種LED電視電源架構(gòu),為了進(jìn)一步提高電源及恒流的轉(zhuǎn)換效率,降低整機(jī)功耗,簡(jiǎn)化電源架構(gòu),同時(shí)降低電源成本,提出一種四通道高效新架構(gòu)LED電視恒流系統(tǒng)。
2 四通道高效恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)
目前LED電視行業(yè)中普遍采用升壓(Boost)或降壓(BUCK)為模組燈條供電,匹配直下式背光模組,為了提高整機(jī)能效,降低大尺寸電源及恒流系統(tǒng)成本,同時(shí)針對(duì)目前恒流只能匹配2CH燈條的限制,采用一種4CH高效恒流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu),極大的提高了電源及恒流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率,解決了大尺寸直下式模組燈條電壓高、大電流匹配問(wèn)題,有效降低了恒流系統(tǒng)的熱損耗,同時(shí),極大地降低了大尺寸直下式電源及恒流系統(tǒng)的成本。
2.1 高效四通道電源及恒流系統(tǒng)原理
由于LED電視的背光功率占整機(jī)功率的主要部分,因此研究如何提高恒流驅(qū)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)換效率就顯得尤為重要,圖2為4CH高效恒流系統(tǒng)原理圖。
圖2 四通道高效恒流系統(tǒng)原理圖
電路原理說(shuō)明如下。
開(kāi)機(jī)后,電源輸出一路經(jīng)LLC電路、變壓器和整流濾波電路后,輸出+12 V和Vamp電壓分別給主板(MB)和功放供電,同時(shí)經(jīng)反饋電路反饋給初級(jí)LLC電路,確保輸出+12 V電壓的穩(wěn)定。另一方面,輸出+12 V給恒流控制器VCC供電,保證恒流控制器的正常供電需求。
進(jìn)一步地,如圖2所示,+12 V給恒流控制器U1的VCC供電,同時(shí)主板依次發(fā)出PWM調(diào)光信號(hào)(ADJ)和使能信號(hào)(ENA)后,恒流控制器U1開(kāi)始正常工作,輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRV1和DRV2,經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓器T2后,分別依次打開(kāi)上管Q1和下管Q2,經(jīng)變壓器T1輸出繞組輸出設(shè)定電壓。
在變壓器輸出的正半周,輸出波形經(jīng)電容C20耦合至整流二極管D20,再經(jīng)濾波電容C21和C24,送至燈條LED3(1,n)的陽(yáng)極,其中,LED3(1,n)表示燈條3,燈數(shù)從1到n。燈條LED3(1,n)的陰極接至電流采樣電阻R23/R24/R25/R26,通過(guò)電阻R22和C27送至恒流IC的檢測(cè)腳,從而設(shè)置在調(diào)光PWM占空比為100%時(shí)的燈條電流。同時(shí),LED3(1,n)通過(guò)采樣電阻R23/R24/R25/R26的地連接至LED1(1,n)的陽(yáng)極,給LED1(1,n)供電,經(jīng)C23濾波后,送至整流二極管D23,經(jīng)整流二極管后回到變壓器T1的繞組,至此變壓器T1正半周工作結(jié)束。
同樣地,在變壓器輸出的負(fù)半周,輸出波形經(jīng)整流二極管D22,再經(jīng)濾波電容C25和C26,送至燈條LED4(1,n)的陽(yáng)極,燈條LED4(1,n)的陰極接至電流采樣電阻R23/R24/R25/R26,通過(guò)電阻R22和C26送至恒流IC的檢測(cè)腳,從而設(shè)置在調(diào)光PWM占空比為100%時(shí)的燈條電流。同時(shí),LED4(1,n)通過(guò)采樣電阻R23/R24/R25/R26的地連接至LED2(1,n)的陽(yáng)極,給LED2(1,n)供電,經(jīng)C22濾波后,送至整流二極管D21,經(jīng)整流二極管后回到變壓器T1的繞組,至此變壓器T1負(fù)半周工作結(jié)束。此后,正負(fù)半周交替工作,實(shí)現(xiàn)給4個(gè)LED燈條供電,從而點(diǎn)亮模組背光燈條。
該恒流系統(tǒng)架構(gòu)突破了現(xiàn)有恒流方案只能匹配2CH燈條的限制,采用燈條“組合”搭配,利用“共地”思路,將模組內(nèi)部4個(gè)分別獨(dú)立的燈條,通過(guò)LED3(1,n)和LED1(1,n)經(jīng)地線串聯(lián),LED4(1,n)和LED2(1,n)經(jīng)地線串聯(lián)的方式,組成整個(gè)系統(tǒng)恒流燈條連接方式,這樣既降低了模組燈條內(nèi)部的電壓,同時(shí)又通過(guò)恒流控制器(U1)的ISEN檢測(cè)腳起到燈條電流恒流的目的。
2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的一款65英寸LED電源及恒流系統(tǒng),分別針對(duì)高效四通道恒流系統(tǒng)和傳統(tǒng)升壓恒流系統(tǒng)的電源效率進(jìn)行測(cè)試,其中,Pin1為四通道高效方案電源輸入功率,Pin2為傳統(tǒng)Boost升壓方案電源輸入功率,具體數(shù)據(jù)對(duì)比如下。
1)測(cè)試條件
輸入:220 VAC 50Hz,326.2 W(Pin1),351.3 W(Pin2)
輸出:①LED燈條電壓157 V(CH1)、157 V(CH2)、125 V(CH3)、125 V(CH4)
②LED燈條電流400 mA
③+12.3 V / 4 A,+19.2 V / 1 A
2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
① 四通道高效方案電源效率計(jì)算結(jié)果如下。
η1(電源及恒流效率)=×100%=×100%=90.13%
② 若電源及恒流系統(tǒng)采用傳統(tǒng)升壓Boost恒流架構(gòu),計(jì)算結(jié)果如下:
η2(電源及恒流效率)= ×100%= ×100%=83.7%。
兩者電源效率對(duì)比如表1所示。
表1 兩者電源效率的對(duì)比
序號(hào) | 測(cè)試項(xiàng) | 傳統(tǒng)Boost方案 | 四通道高效方案 |
1 | 輸入功率/W | 351.3 | 326.2 |
2 | 電源效率/% | 83.7 | 90.13 |
電源效率Δη/% | 6.43 |
從表1中可以看出,采用高效4CH LED電源方案相比普通電源轉(zhuǎn)換效率提高約6.43%,如果匹配更大功率背光模組,電源效率提升更高,整機(jī)節(jié)能效果更佳。
3 結(jié)語(yǔ)
本文詳細(xì)介紹了四通道高效電源架構(gòu)設(shè)計(jì)原理,并結(jié)合具體設(shè)計(jì)案例和應(yīng)用,比較了高效四通道架構(gòu)電源與傳統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)的背光恒流系統(tǒng)的效率,測(cè)試結(jié)果顯示,電源效率提升約6.43%。同時(shí),若應(yīng)用整機(jī)尺寸越大,背光功率越大,較傳統(tǒng)方案效率提升越明顯。該架構(gòu)電源及恒流系統(tǒng)具有背光電路轉(zhuǎn)換效率高,成本更低的特點(diǎn),適合于匹配大功率直下式LED電視的背光燈條,對(duì)大功率LED電視的電源開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。同時(shí),該方案推廣后,將對(duì)LED電視的節(jié)能減排,綠色環(huán)保起到推動(dòng)作用,具有重要的社會(huì)價(jià)值和意義。
參考文獻(xiàn):
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(注:本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第12期。歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用,并注明出處。)
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