户外LED显示屏的开关电源解决方案

1　前言

　　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，其工作原理如图2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，如图4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。

　　2）手动控制

　　使用信号发生器的键盘，输入某一数值，经信号发生器处理后，产生数字控制信号，由驱动器放大，并送至各数控开关电源，输出不同的电压送至LED显示屏。

　　3）程序控制

　　由播出机通过串行接口发出指令，送至信号发生器，经处理后产生控制信号，由驱动器放大，并送至各数控开关电源，输出不同的电压送至LED显示屏。

　　6　结语

　　户外全彩LED显示屏的专用开关电源已在诸多户外全彩屏中得到广泛使用