LED電視高效電源恒流系統(tǒng)設(shè)計

引言

近年來，隨著LED TV行業(yè)競爭的日趨激烈，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，已廣泛應(yīng)用于大中小各個尺寸的整機產(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）拓撲架構(gòu)，在各個尺寸直下式背光模組的產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，但兩者拓撲架構(gòu)的背光轉(zhuǎn)換效率較低，電路復(fù)雜，且成本較高。同時，隨著國家倡導(dǎo)的綠色環(huán)保、節(jié)能減排觀念的不斷深入，降低整機能耗也成為電視發(fā)展的必然趨勢?；诖?，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，降低整機功耗和恒流電路成本，同時，在LED電視行業(yè)內(nèi)積極響應(yīng)國家提出的“建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會，具有極大的社會意義。

1   傳統(tǒng)的恒流驅(qū)動方式

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）拓撲架構(gòu)的恒流驅(qū)動方式。由于LED燈工作在恒流狀態(tài)，LED燈電流大小恒定時，其電壓可能存在一定的偏差，故在傳統(tǒng)的LED背光驅(qū)動中，LED背光的驅(qū)動均采用恒流驅(qū)動源，電源系統(tǒng)均通過AC/DC轉(zhuǎn)換為DC輸出，然后再經(jīng)過恒流驅(qū)動模塊的降壓或者升壓電路系統(tǒng)實現(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)計高于模組燈條10~20 V的電壓，同時因BUCK電路的特性導(dǎo)致開短路實驗存在燒壞燈條的風(fēng)險，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)過兩級的能量變換處理，所以目前的背光驅(qū)動方案存在以下幾個缺點。

1.1 電路轉(zhuǎn)換效率較低

輸入電壓先經(jīng)過AC/DC處理，再經(jīng)DC/DC處理來驅(qū)動背光燈條，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)動的DC/DC需要相應(yīng)的功率器件來實現(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)，為了進一步提高電源及恒流的轉(zhuǎn)換效率，降低整機功耗，簡化電源架構(gòu)，同時降低電源成本，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，為了提高整機能效，降低大尺寸電源及恒流系統(tǒng)成本，同時針對目前恒流只能匹配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、大電流匹配問題，有效降低了恒流系統(tǒng)的熱損耗，同時，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功率的主要部分，因此研究如何提高恒流驅(qū)動部分的轉(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

電路原理說明如下。

開機后，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，同時經(jīng)反饋電路反饋給初級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。

進一步地，如圖2所示，+12 V給恒流控制器U1的VCC供電，同時主板依次發(fā)出PWM調(diào)光信號（ADJ）和使能信號（ENA）后，恒流控制器U1開始正常工作，輸出驅(qū)動信號DRV1和DRV2，經(jīng)驅(qū)動變壓器T2后，分別依次打開上管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，通過電阻R22和C27送至恒流IC的檢測腳，從而設(shè)置在調(diào)光PWM占空比為100%時的燈條電流。同時，LED3（1，n）通過采樣電阻R23/R24/R25/R26的地連接至LED1（1，n）的陽極，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）的陽極，燈條LED4（1，n）的陰極接至電流采樣電阻R23/R24/R25/R26，通過電阻R22和C26送至恒流IC的檢測腳，從而設(shè)置在調(diào)光PWM占空比為100%時的燈條電流。同時，LED4（1，n）通過采樣電阻R23/R24/R25/R26的地連接至LED2（1，n）的陽極，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負半周工作結(jié)束。此后，正負半周交替工作，實現(xiàn)給4個LED燈條供電，從而點亮模組背光燈條。

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個分別獨立的燈條，通過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，同時又通過恒流控制器（U1）的ISEN檢測腳起到燈條電流恒流的目的。

2.2 實驗結(jié)果

根據(jù)實際設(shè)計的一款65英寸LED電源及恒流系統(tǒng)，分別針對高效四通道恒流系統(tǒng)和傳統(tǒng)升壓恒流系統(tǒng)的電源效率進行測試，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)對比如下。

1）測試條件

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）實驗結(jié)果  

① 四通道高效方案電源效率計算結(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%。

兩者電源效率對比如表1所示。

表1 兩者電源效率的對比

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，整機節(jié)能效果更佳。

3   結(jié)語

本文詳細介紹了四通道高效電源架構(gòu)設(shè)計原理，并結(jié)合具體設(shè)計案例和應(yīng)用，比較了高效四通道架構(gòu)電源與傳統(tǒng)拓撲架構(gòu)的背光恒流系統(tǒng)的效率，測試結(jié)果顯示，電源效率提升約6.43%。同時，若應(yīng)用整機尺寸越大，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，適合于匹配大功率直下式LED電視的背光燈條，對大功率LED電視的電源開發(fā)具有借鑒意義。同時，該方案推廣后，將對LED電視的節(jié)能減排，綠色環(huán)保起到推動作用，具有重要的社會價值和意義。

參考文獻：

[1] WINDER S.LED驅(qū)動電路設(shè)計[M].謝運祥,王曉剛,譯.北京:人民郵電出版社.

[2] 鐘炎平.電力電子電路設(shè)計[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010.

[3] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2009.

（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第12期。歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）