LED電視高效電源恒流系統設計

引言

近年來，隨著LED TV行業競爭的日趨激烈，LED電視普遍采用傳統的側光式背光模組，因燈數多，模組和恒流控制系統成本高而較少使用，相反，直下式背光模組因燈數較少和恒流控制系統成本低的特點，已廣泛應用于大中小各個尺寸的整機產品上。與直下式模組匹配的恒流控制系統采用傳統升壓（Boost）或降壓（BUCK）拓撲架構，在各個尺寸直下式背光模組的產品中得到廣泛應用，但兩者拓撲架構的背光轉換效率較低，電路復雜，且成本較高。同時，隨著國家倡導的綠色環保、節能減排觀念的不斷深入，降低整機能耗也成為電視發展的必然趨勢。基于此，在研究如何提高LED電視背光效率的基礎上，提出一種四通道高效電源架構，提高了大尺寸電視背光轉換效率，降低整機功耗和恒流電路成本，同時，在LED電視行業內積極響應國家提出的“建設資源節約型和環境友好型”社會，具有極大的社會意義。

1   傳統的恒流驅動方式

在LED電視及顯示行業內，LED模組背光燈條普遍采用升壓（Boost）或降壓（BUCK）拓撲架構的恒流驅動方式。由于LED燈工作在恒流狀態，LED燈電流大小恒定時，其電壓可能存在一定的偏差，故在傳統的LED背光驅動中，LED背光的驅動均采用恒流驅動源，電源系統均通過AC/DC轉換為DC輸出，然后再經過恒流驅動模塊的降壓或者升壓電路系統實現LED燈條的恒流輸出。其中，一種恒流架構為目前中小尺寸普遍使用的電源架構，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，一般設計高于模組燈條10~20 V的電壓，同時因BUCK電路的特性導致開短路實驗存在燒壞燈條的風險，一般較少使用。不論是升壓（Boost）還是降壓（BUCK）恒流架構，由于從交流輸入到LED燈條需要經過兩級的能量變換處理，所以目前的背光驅動方案存在以下幾個缺點。

1.1 電路轉換效率較低

輸入電壓先經過AC/DC處理，再經DC/DC處理來驅動背光燈條，兩次電路變換導致電源轉換效率較低。

1.2 恒流系統成本較高

恒流驅動的DC/DC需要相應的功率器件來實現電路轉換，增加了恒流部分的系統成本。

圖1 傳統電源及恒流模塊框圖

基于以上兩種LED電視電源架構，為了進一步提高電源及恒流的轉換效率，降低整機功耗，簡化電源架構，同時降低電源成本，提出一種四通道高效新架構LED電視恒流系統。

2   四通道高效恒流驅動技術

目前LED電視行業中普遍采用升壓（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高效恒流驅動系統架構，極大的提高了電源及恒流系統轉換效率，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的成本。

2.1 高效四通道電源及恒流系統原理

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動部分的轉換效率就顯得尤為重要，圖2為4CH高效恒流系統原理圖。

圖2 四通道高效恒流系統原理圖

電路原理說明如下。

開機后，電源輸出一路經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，同時經反饋電路反饋給初級LLC電路，確保輸出+12 V電壓的穩定。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，同時主板依次發出PWM調光信號（ADJ）和使能信號（ENA）后，恒流控制器U1開始正常工作，輸出驅動信號DRV1和DRV2，經驅動變壓器T2后，分別依次打開上管Q1和下管Q2，經變壓器T1輸出繞組輸出設定電壓。

在變壓器輸出的正半周，輸出波形經電容C20耦合至整流二極管D20，再經濾波電容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，從而設置在調光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C23濾波后，送至整流二極管D23，經整流二極管后回到變壓器T1的繞組，至此變壓器T1正半周工作結束。

同樣地，在變壓器輸出的負半周，輸出波形經整流二極管D22，再經濾波電容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，從而設置在調光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C22濾波后，送至整流二極管D21，經整流二極管后回到變壓器T1的繞組，至此變壓器T1負半周工作結束。此后，正負半周交替工作，實現給4個LED燈條供電，從而點亮模組背光燈條。

該恒流系統架構突破了現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，將模組內部4個分別獨立的燈條，通過LED3（1，n）和LED1（1，n）經地線串聯，LED4（1，n）和LED2（1，n）經地線串聯的方式，組成整個系統恒流燈條連接方式，這樣既降低了模組燈條內部的電壓，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 實驗結果

根據實際設計的一款65英寸LED電源及恒流系統，分別針對高效四通道恒流系統和傳統升壓恒流系統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Boost升壓方案電源輸入功率，具體數據對比如下。

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）實驗結果  

① 四通道高效方案電源效率計算結果如下。

η1（電源及恒流效率）=×100%=×100%=90.13%

② 若電源及恒流系統采用傳統升壓Boost恒流架構，計算結果如下：

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，整機節能效果更佳。

3   結語

本文詳細介紹了四通道高效電源架構設計原理，并結合具體設計案例和應用，比較了高效四通道架構電源與傳統拓撲架構的背光恒流系統的效率，測試結果顯示，電源效率提升約6.43%。同時，若應用整機尺寸越大，背光功率越大，較傳統方案效率提升越明顯。該架構電源及恒流系統具有背光電路轉換效率高，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電視的電源開發具有借鑒意義。同時，該方案推廣后，將對LED電視的節能減排，綠色環保起到推動作用，具有重要的社會價值和意義。

參考文獻：

[1] WINDER S.LED驅動電路設計[M].謝運祥,王曉剛,譯.北京:人民郵電出版社.

[2] 鐘炎平.電力電子電路設計[M].武漢:華中科技大學出版社,2010.

[3] 康華光.電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2009.

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