从更高层面概述高功率 LED 市场的电源趋势

从更高层面概述高功率 LED 市场的电源趋势

引言

直视 LED 视频墙技术亮度优于液晶显示屏技术，因而该技术现已成为大屏幕日益普及的选择。然而，大型视频显示屏面临着一个电源设计挑战：如何更好地开发可减少能耗，最大限度降低发热量并可轻松缩放的高效率解决方案？热量问题可以说是 LED 的大问题。热量愈多，温度就越高，就可快速降低 LED 亮度，并缩短其使用寿命。

造成 LED 面板发热的一个因素是：在视频墙中进行功率转换和配电时出现的热损耗；这种损耗来自功率转换以及线缆及印刷电路板的电阻性铜损。那该怎样解决呢？对不同电源架构选项进行优势评估，将有助于在设计高功率 LED 应用时，确定最好的方案。

图 1：维加斯弗蒙街LED 体验显示屏的分辨率为 7,552 x 552 像素，像素间隔为 2 吋，全亮时功耗为 2.2 MW。采用 1,250 万个 LED，尺寸为 1,500' x 90'

LED 电源要求并不是平均的

除了比 LED 背景光液晶显示屏更亮以外，直视 LED 显示屏的电源效率也要高很多，因为直视 LED 显示屏可用更少的能量产生更多的光输出（即有效功率）。虽然如此，它们仍然会以热量形式浪费大量的电源。这可能会让人感到诧异，因为 LED 一般手感很凉。这是因为它们通常不会以红外线辐射形式产生热量，一摸就能感觉到。事实上，高达 85% 的能耗都是以热量形式产生的，因此，大型 LED 阵列需要的功率远远超过了光转换功率。

大型 LED 面板的 LED 功耗会很高。例如，弗蒙街体验显示屏（图 1）全亮时功耗为 2.2 MW，白天甚至需要更多的能量来抵消阳光的强光。即便小型显示屏也有大量的 LED，功耗也很高：例如一家领先制造商的显示模块有一个 80 x 80 的阵列，总共有 6,400 个 LED，需要 300W（5V、60A）的电源。

因此，要最大化效率，主要看 LED 电源的设计。

当前LED阵列日益常见

大型 LED 阵列包括多个面板，可以提供任意大小或形状的无缝影像，无论从哪个角度看，都能获得优异的观赏效果。就尺寸而言，从简单的滚动消息显示屏到与图 1 所示的弗蒙街体验显示屏（有 1,250 万个 LED）类似的显示屏举不胜举。图 2 是两种 LED 技术具有独特优点的显示屏实例：安装在出租车上的 LED 广告显示屏和环绕在建筑物侧边上的高弯曲曲面显示屏。

图 2：LED 显示屏可以变幻，以适应实时车辆位置信息 (A) 或三维形状 (B)

电源系统设计优先级

电源系统必须采用最有效的方式，将输入的 AC 电压转换成隔离低电压、高电流 DC。每一级功率转换都会增加成本，浪费能量，因此，最大限度地减少级数是一个设计优先级。

大型视频墙由许多连接在一起的模块组成，因此，高效率设计还必须进行适当调整，最大限度地降低功率转换级的重复。

两个重要的设计优先级

1. 最小化配电损耗 — 通过电阻线路将电力从电源传输给 LED 阵列，会以热量形式产生功率损耗，称之为配电损耗。电流 (I) 的配电损耗与该电流的平方成正比，即：P = I2R，其中 R 是电线、母线或印刷电路板迹线的电阻。降低配电损耗，需要降低电流或电线电阻。

降低电流并为负载输出相同的总功率，则需要增大电压 (P = UI)。例如，电压从 24V 增加到 48V，会将电流减少 50%，进而会使配电损耗减少 75%。

尝试通过降低电线电阻来得到相同的结果，需要将导线截面积变为四倍，这样会增加重量和成本，不太实际。

2. 减少 LED 的发热效应 — 如前文所述，热量是 LED 的死敌，效率低下的电源设计只会使事情变得更糟。温度过高会缩短 LED 的使用寿命，并会造成褪色。更糟糕的是，光输出会随接温的升高而下降；为 LED 应用提供高效率电源系统，必须注意每个单个组件，避免局部热点，这些局部热点不仅会使 LED 更快损坏，而且还会使 LED 在整个使用过程中变暗。这对光质量和均匀度都很重要的视频墙而言至关重要。

图 3：不同颜色 LED 的相对光输出与接温的关系

提高电源系统效率的简单方法是最大限度减少转换级数。例如，去掉一个转换级可将系统效率提升 5% 到 10%，并且以功率级为准，可减少系统内产生的热量。要取消转换级，设计人员必须选择可在不影响效率的情况提供高步降转换比的组件。

电源系统组件实现差异化

有许多电源系统架构可供选择，以便将 AC 电源转换成低电压 DC 电源，用于 LED 驱动器及控制电路。无论选择哪种特定架构，设计一般都包含以下模块：

■ 由热保护金属氧化物变阻器 (TMOV) 或类似器件提供的输入保护；

■ AC 滤波整流模块；

■ 含功率因数校正 (PFC) 的大型 AC-DC 转换模块，用于最大化 AC 电源提供的功率并遵守严格的设备功率因数需求；

■ 负载点 (PoL) DC-DC 降压稳压，生成最终严格稳压的电压轨。