1、全彩色LED大屏幕节能技术方案摘要：全彩色LED大屏幕是一个高能耗的产品。针对LED显示屏的节能问题，对LE D显示屏供电系统、供电电源以及控制方法进行了研究及优化提出了“LLC谐振+同步整流的集中-分布式”电源方案和针对不同LED二极管的“分类供电”模式。同时将采用上述方案设计的LED屏供电系统与一般的供电系统进行了对比和计算，得出的结论是：采用本文提出的新型电源方案相对于传统方法，可以节能约20 ；若采用文中提出的新型LED供电模式，还将进一步节约l5的能量。因此该显示屏的节能化设计具有重要的社会效益和经济效益。关键词：LED显示屏：APFC；节能；谐振式电源文中针对全彩色LED同步显示系
2、统的节能问题进行节能化设计。众所周知。全彩色LE D大屏幕是一个高能耗的产品，每小时需要消耗几十甚至上百千瓦的电能。一年的电费开支就得花费几十万，大大地增加了显示屏的价格。因此研究LED显示屏节能问题具有较大的社会价值和经济价值。针对LED显示屏节能问题，研究重点是：在给定的LED显示屏需求情况下对供电模式、供电电源以及控制方法进行优化，以降低显示屏的能量消耗。为营造低碳节能环境做出贡献。为了验证节能措施的有效性，文中推出的节能型实验显示屏的主要参数是：具有96x96的分辨率采用14扫描方式。可以同步显示PC显示器上任意一96x96像素的内容。该系统要实现的主要功能是：在PC机上位机软件的控制
3、下，动态地播放文字、图像、视频等内容。1 LED显示屏设计11 系统总体框图图1是全彩色LE D显示系统框图， 它由PC上位机、发送系统、接收系统、LED屏体和电源五部分构成。PC机上的LE D屏播放软件设置显示屏基本参数，如分辨率、扫描方式、亮度等，并通过RS232传到发送系统上。并通过DVI接口将PC显示器的画面传到以DVI解码电路为核心的发送系统上。发送系统主要由DVI解码电路1】、存储电路和以太网发送电路3部分组成。DVI解码电路是发送系统的核心是整个显示系统成功与否的关键之一。接收系统和发送系统之间用以千兆以太网进行通讯，可靠传输距离可达100m。接收系统接收到24位RGB数据、时钟
4、信号、使能信号、行和场信号以及上位机软件的控制信号，按LE D显示格式进行保存。以FPGA为核心的接收系统根据控制命令，将接收到的图像数据按要求保存在SRAM 中，然后根据扫描方式将图像数据转换成对应的行列控制信号发往LE D屏体。LED屏体由LED显示面板和驱动电路组成，驱动电路根据接收到的行列信号，控制LED的导通时间，从而显示一幅来自PC机的图像。图1 系统总体框图12 LED屏体结构LED显示面板如图2所示，包括显示面板和驱动电路两部分。该显示面板由若干单元显示模组级联组成每个单元显示模组又由若干个LED以点阵方式排列组成。在控制系统和驱动电路的作用下。在显示面板上可以播放要显示的内容
5、。LE D显示面板可以进行任意的组装显示面积从几平米到几十平米甚至上百平米，但是在大屏幕工作时，LE D会大量释放热量，为了保证系统能正常工作，需要在LE D箱体内进行散热处理。图2 LED 显示面板示意图LED驱动电路由列驱动和行驱动组成。列驱动电路由专用驱动芯片组成，特点是多路输出、恒流特性好；行驱动电路由开关管组成，为列驱动电路提供足够的电流，将列恒流驱动芯片分成三组。分别驱动RGB三基色LED。在行导通的情况下，列恒流驱动芯片根据接收到的时钟信号和控制信号控制LE D的导通时间，实现灰度输出。2 全彩色LED大屏幕节能技术的研究下面，针对LE D显示屏节能技术。从LED驱动模式来展开细
6、说。11 驱动模式优化的节能技术111 目前常规驱动供电模式目前，LED显示屏的常规供电模式如图3所示。驱动电路Data in为输入的颜色信号，CLK是时钟信号，LAT是锁存信号，OE是使能信号，在16个CLK后，产生一个 LT，将数据锁存在缓冲器中同时在行控制信号和OE信号的作用下导通相应的LED，导通时间由行控制信号和OE信号决定，即实现灰度输出。图3 LED驱动电路对于一块MN的全彩LED显示屏，扫描方式是4S，供电电压V LED ，导通电流I LED，则此显示屏需要消耗的功率是：=3 LED专用驱动芯片可以同时驱动L路LED，则需要这种LED驱动电路驱动芯片的数量为：=3例如，对于一块
7、分辨率是96x96的P10全彩色LED显示屏，显示面积是0.96m0.96m，采用14扫描方式，供电电压5 V，LED导通电流20 mA，根据公式(1)可知，此显示面板需要消耗的功率是：(3)=396964 50.02=691.2在只有0.9216 m 2的显示面积下，消耗的功率就达到691.2 W功率密度是750 W/ m 2 。112 驱动供电模式的改进为了减少显示屏的能耗。需要对这种供电模式进行改正。从图3可知供电电压和其它器件之间的电压关系为：(4)=+ 式中， 是系统供电电压， 是行开关管饱和导通压降， 是LED 导通时压降， 是驱动芯片输出低电平时的电压。在显示 屏分辨率、扫描方式
8、等确定的情况下，只能通过减小 电压来减小消耗功率。根据LED导通电压的特性可知，不同颜色的LED导通电压其实不相等。在室温25 下， 红色LED导通电压为21-2.3 V。绿色和蓝色LE D的导通电压为33-3.7 V，如果针对LED的导通电压进行供电设计。则可以减小功率损耗。通常开关饱和导通电压可近似为02 V，驱动芯片输出端电压 为04 V。则对于红色LED而言，采用3.0 V供电，绿色和蓝色LED采用4.2V供电，为了便于设计，考虑直流低压线压影响比较大，特此采用3.3V和5V的电压则此时LED显示屏的功率消耗为：=96496(5+5+3.3)0.2=612.9=691.2612.969
9、1.211%显然。这种针对不同LED的“分开供电”模式，节能效果非常显著，可以节约10的能量。图4是分开供电LED驱动电路图。图4 新型供电模式框图22 供电电源优化的节能技术LED电源是整个显示系统的核心。电源的好坏直接影响着显示屏的性能。节能供电系统的研究是建立在高可靠性的基础上。在此基础上解决高效供电的途径有两条：一是供电模式的优化，二是电源效率的提高。221 供电系统的优化本节涉及的的LED大屏幕电源解决方案有两种：一是常规分布式供电方式：二是文中推出的改进型“集中一分布式供电”方式，现分别分析如下。1)分布式供电方式这种供电模式如图5所示，LED显示屏内有若干个开关电源模块，每个模块
10、的输出电压为5V，对于分辨率为96x96的全彩色LED显示屏，显示面板功耗约为691.2 W。若考虑到驱动电路和接收系统的功耗，在高温等环境下，为了保护电源需要降额使用，因此选择4个功率为200 W 的一次开关电源，一个200 W 的开关电源可以为9块单元显示面板供电。2)“集中-分布式供电”方式图6是“集中-分布式供电”系统框图。在220 V50 Hz市电与DCDC模块之间加入了电磁干扰(EMI)滤波器和功率因数校正(PFC)电路。经过EMI滤波和PFC电路输出380 V的直流电压。通过直流母线将能量传递到显示屏内的DCDC电源模块输出红、绿、蓝3色所需的高稳定直流电压，为LED显示模组提供
11、能量。对于上述96x96分辨率的显示屏，功耗是691.2 W，因此可以设计功率为1000W 的PFC电路，以维持整个系统的正常工作。考虑到PFC的体积和功率。将PFC置于LED屏体外，这样处理主要有以下优势：减少了LE D屏体体积和重量；减少了LED屏体内的热量释放；便于电源系统的管理和维护。图5 分布式供电图 6 集中一分布式供电文中推出的有源功率因数校正(APFC)以升压拓扑来实现，所使用的电路为BOOST模式。文中，采用仙童公司最新推出的工作在临界传导模式(BCM)下的L6562控制器完成这一功能。对于大功率开关电源这被视为最高性价比的解决方案。本文推出的APFC部分的示意图如图7所示。
12、其工作过程是：接通电源后，当L6562的启动电压达到后APFC工作。为了获得逐脉冲过流保护，在控制器的CS输入端对经过MOSFET的电流进行监控。输出电压被分压电阻R 1、R 3、R 8 、R 20和R 22调节，并馈入芯片的误差放大器，后者通过与COM引脚相连的网络进行频率补偿。误差放大器的输出决定了M0SFET的导通时间。通过监控电感之一的次级线圈上的电压(馈入ZCD输入)来检测电感的去磁。经过APFC校正后，该功率因数校正器产生380V的输出电压，然后分路馈人不同的DCDC变换器进行二次电压变换。222 DCDC 电源的优化提高电源效率的途径一是改进整流方式。二是改进DCDC变换拓扑。本
13、文提出的结构如图8所示。该电路的特点是：采用同步整流代替了二极管整流，采用LLC谐振拓扑取代单端反激结构，实现开关管的零电压导通和零电流关断。明显的提高了电源转换效率。LLC谐振网络的工作原理是6-81：控制芯片以5O的占空比交替导通开关管Ql和Q2，将输入直流电压转换成方波电压，电容器，变压器的漏磁电感和激磁电感三者组成谐振网络谐振网络可以滤掉高次谐波电流。因此，即使方波电压应用于谐振网络，基本上只有正弦电流才允许通过谐振网络，这样使得谐振电流滞后于谐振电压，允许MOSFET的零电压开启。通过LLC谐振和同步整流技术，不仅减小了MOSFET和整流二极管的损耗提高了电源的效率，而且延长了这些器
14、件的使用寿命。输出电压经过电阻分压之后通过光耦器件反馈到原边控制电路，用以调整开关频率、稳定输出电压。3 结束语文中在给定分辨率的全彩色LED显示系统中，当输出总功率为200 Wx16=3 200 W 时，对比了“一次开关电源”供电、“传统DC，DC变换的集中一分布式” 供电和本文提出的“LLC谐振+同步整流的集中一分布式”供电等三种方案的效率进行了对比可得出的结论如下：1)若使用一次开关电源供电时，满载时电源效率为72 ，这时整个电源系统的输入功率须达到4 400 W ；2)APFC电路的效率通常在95左右，而DCDC变换使用本文推荐的“LLC谐振+同步整流”方案，效率可达90。因此整个电源
15、系统的效率为86。同样在3 200 W 的输出下的输入功率为3 700 W。由上可知文中提出的“LLC谐振+同步整流的集中一分布式供电”方案，相对于传统LED显示屏供电方法，电源效率可以提高约20。另外，若采用“21节LED驱动模式优化的节能技术”方案，还可以节约15的能量(主要体现为不同LED二极管分别供电的方法)，整个显示系统节能可望达到35 这会产生相当可观的经济效益和社会效益。参考文献：1】李政江，陈文彬，何其锐DVI4口应用系统的设计【J电子设计工程，2o07，l5(3)：3134LI Zheng-jiang，CHEN wen-bin，HE Qi-ruiDesign ofapplic
16、ation system of DVI interfaceJElectronic Design(下转第181页)Engineering，2007，15(3)：31-342】宗海洋绿色节能LED显示屏的设计J】现代显示技术，20l0 (112)：6669ZONG HaiyangDesign of green energyconserving LEDdisplayJAdvanced Display，2010(112)：6669【3任兴业一种新型LED显示模组供电拓扑J电子设计工程，2010，18(8)：157-161REN XingyeNew power supply topology for L
17、ED displaymoduleJElectronic Design Engineering，2010，18(8)：157-161【4】邢勇，杨玉岗LLC谐振变换器自驱同步整流方案J】电源技术，2011(7)：838840XING Yong，YANG YugangResearch of LLC resonant converter with seIf-driven synchronous rectificationJChineseJournal ofPower Sources，201l(7)：83884051范杰，姜岩峰基于串联谐振和同步整流的高效节能电源设计J电力电子技术，2011(9)：1
18、-14FAN Jie，JIANG YanfengDesign of high eficiency powersupply based on SRC+SR confignrationJPower ElectronicsSynopsis，201l(9)：1-146】YANG BoTopology investigation for front end DCDC powerconversion for distributed power systemDVirginia Polytechnic Institute University PhD Dissertation，200371 YANG Bo，L
19、ee F CLLC resonant converter for Front-EndDCDC conversionCProceeding of IEEE APEC02，2002【8】Lu B，Liu W，Liang YOptimal design methodology for LLCresonant converterC】IEEE Conference on Applied PowerElectronics，2006结束语：由上可知，LED显示屏节能方案，主要体现在不同LED二极管分别供电的方法。而单一把由原来LED二极管5V供电，直接降至3.3V供电，会导致LED显示屏无法正常工作，不是LED显示屏节能的有效方法。参考文献：电子设计工程
