如何设计应用于LED显示屏中的电源？

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。

随着应用环境的变化如雷雨气候，夏天高温，冬天低温，风扇噪声，灰尘，潮湿，盐雾腐蚀等，以及对节能环保概念的深入，客户对整个LED屏的要求也越来越高，客户越来越认识到电源的重要性，随之而来的是对电源的要求也是越来越严格。针对不同的应用环境，对电源的要求也是不一样的。如何能够选择合适的电源，这是很多LED厂家需要考虑的问题。

雷雨气候，是对电源EMC性能考验。大多数电源厂家在电源的输入端增加滤波电路以满足EMC方面的要求，如果系统布局合理，是完全可以通过EMC，目前电源厂家基本上都遵循IEC61000或EN61000的国际标准进行测试电源，如系统有必要的话，适当增加滤波器来满足要求是必要的。

在夏天户外温度可以高达40度，LED屏箱体内部温度会高达60-70度，而冬天，寒冷地区的温度可以低至零下30到40度左右，如此恶劣的环境对电源的要求也更加严格，这就意味着对电源内部元件(如变压器，开关管，二极管，电解电容。。。。。。)的选择更加严酷，需要采用更高温度等级的材料，或者更高转速的风扇以提高电源的散热能力，但是，高转速的风扇又带来新的问题，更大的噪声，尤其对室内 LED屏而言，这是很多客户不能接受的问题。另外，风扇，作为电源散热的主要元器件，在高温环境下寿命也会受到严重影响，以Sanyo 9A0612G4D041风扇为例，环境温度从40度上升到60度，风扇预期寿命从50000小时下降到30000小时。可见，环境温度对风扇寿命的影响也是不容忽视的。这样，无风扇电源，必然会成为LED屏的优先选择。

灰尘，潮湿，盐雾腐蚀等是环境对LED屏的性能的又一个考验，初期的LED屏由于没有考虑户外灰尘以及盐雾的影响，导致两三年后LED屏大批量出黑屏问题，检查发现PCB板严重腐蚀或者元件之间出现打火损坏。根据长期的经验积累，在电源的内部增加三防处理，有效的防止灰尘，潮湿，盐雾环境的影响。

然而，节能环保，这是一个永恒的话题，对电源也不例外，需要提高电源效率就必须采用先进的技术，如同步整流，软开关谐振技术等等，以及采用更加领先的元器件，尽可能的减少电源内部功耗，提升电源效率。

由于LED户外全彩显示屏中光电器件的特性与一般显示屏不同，造价十分昂贵，对开关电源的性能和质量有很高的要求，因此本文研制了一种户外全彩屏的专用开关电源。

2 户外LED显示屏开关电源的特性

用于LED户外全彩显示屏的电源应具有以下特性。

1)在一定条件下保持LED象素被恒流驱动由显示屏负载变化引起的LED组电压变化，会影响象素电流，造成亮度变化。为了保证整屏模组亮度均匀和减小亮度变化，将开关电源输出取样电路的取样点从电源端口移至显示屏中某点，使该点的电压保持不变。负载变化引起的电压变化由开关电源来调整，即负载小时，输出电压低;负载大时，输出电压高。因而保证了在温度和亮度不变的情况下，输出至LED模组的电压不变，象素驱动电流恒定。

2)补偿环境温度引起的LED正向压降VF的变化LED的正向压降VF是随环境温度的上升而下降的。各种LED的温度变化系数各不相同。在正常工作温度范围内，VF的变化可达20%.在恒压驱动下，VF下降会导致LED电流上升，引起整体温度上升。在这种反馈过程中，LED的工作状况将越来越恶化，严重地影响到户外屏的质量和寿命。因此要求户外屏的开关电源具有温度补偿功能，确保LED驱动电流不随温度升高而上升。

简单的温度补偿方法是在开关电源中，接入温度变化率接近LEDVF的负温度系数热敏电阻，并引入开关电源PWM芯片比较基准电压Vi(Vo=KVi)。温度上升时，Vi下降，输出电压下降，抑制了LED工作电流的上升。由于热敏电阻离散性大，为确保产品的一致性，需挑选。另外，对每种温度变化率都有独立的电阻组合，互换性差。为了克服这些缺点，采用了输出受数字信号控制的数控开关电源。根据各种LED的温漂曲线，将不同温度下需提供给LED的驱动电压制成表，贮存在单片机中，以供查询。按照温度传感器单片机测得的温度查表，就可得到相应的数控开关电源的输出电压。

3)通过调节开关电源的电压来控制显示屏亮度为了充分利用全彩屏控制系统中有限的资源，要求开关电源能通过调节输出电压对全彩屏的亮度进行调节。由于室外光照变化大，需要根据不同的气候和时段，预先将与全彩屏亮度对应的电压值制成表，贮存在单片机中。按光照传感器送出的信号查表，得出数控开关电源的输出电压值，以控制显示屏亮度。

3 通用开关电源的工作原理

通用开关电源的工作原理如图1所示。采用3525脉宽调制式(PWM)组件作为开关电源的控制电路，功能完整，应用方便。误差放大器将电源输出端的误差信号放大后，经取样电路送到比较器的反向输入端，与来自基准电路中振荡器输出的斜波电压比较。用比较器输出的方波脉冲来控制3525内部输出功率管的占空比。通过改变基准电压及输出取样电路可以取得不同的电压值。

4 数控开关电源的工作原理

数控开关电源是输出电压受数字信号控制的开关电源，其工作原理所示。

选用X9313非易失性数控电位器作为PWM芯片比较基准电压的可控器件，功耗低，使用方便，可靠性好。X9313是一个包含31个电阻单元的电阻阵列，在每个单元之间的端点都有供滑动单元访问的抽头点。滑动单元的位置由CS.U/D和INC三个输入端控制，滑动端的位置贮存在一个非易失性存贮器中，在下次上电工作时可重新调用，其功能如图3所示。

开关电源的输出电压范围由VL、VH决定。从图2输出电压的计算公式可以看出，只要保证VL、VH的一致性，就能保证电源输出电压的一致性。假设电压调节范围为4.5V~5.2V,那么输出电压偏差为±20mV,完全能满足LED的供电要求。为了提高抗干扰性能，对进入开关电源的数字信号进行光电隔离。

5 数控开关电源的运用

数控开关电源的信号发生器是由单片机组成的信号处理发生系统，所示。它贮存了不同温度下为补偿LED温漂所应输出的电压值，以及在不同光照情况下，由LED显示屏亮度所决定的输出电压值。数控开关电源有自动、手动和程序三种控制方式。

1)自动控制

温度传感器与光照传感器定时采集现场的温度与光照强度，并送至信号发生器进行数据处理。对应于数控电位器32档中的确切位置产生的控制信号，经信号驱动器分路放大后，以满足m×n台开关电源信号传送的需求。数控开关电源在接到数控信号后，调整输出电压，然后送到LED显示屏。