轻量高效的 LED 电源设计采用 48V 电源模块

作者：Tom Curatolo，首席技术销售工程师

LED 技术过去 10 年发展迅猛，在许多情况下取代了 LCD 技术。我们最熟悉的变化是，我们的消费类电视已逐渐变得更薄、更轻、更大、更节能。而用于数字标牌的外部照明显示屏取得的发展更显著。这些极具魅力的绚丽商业显示屏使较小格式的消费单元相形见绌，它们消耗更多的电源。因此，整个系统架构和供电网络是设计这些系统的重要组成部分。

直视 LED 和背光 LCD 技术哪个更好？

与液晶显示 (LCD) 技术相比，直视 LED 视频墙技术因其优异的亮度及色彩均匀度，已成为大型显示屏的热门选择。然而，大型视频显示屏会带来一个令人生畏的电源设计挑战：如何最好地开发一款高效解决方案，以减少能耗，最大限度减少热量产生，并且易于扩展还很安全？发热是发光二极管 (LED) 的一个大问题。较多的热量会导致温度过高，这会迅速降低 LED 的光彩和使用寿命。

导致 LED 面板发热的一个因素是在视频墙内转换和分配电源的热损失：电源转换器的损耗以及布线和印刷电路板的电阻铜损耗。所以，解决方案是什么？在设计高功率 LED 应用时，评估不同分区选项的优劣有助于确定最佳选项。

除了更亮之外，直视 LED 显示屏还比 LED 背光 LCD 显示屏更节能，因为它们可以用更少的能量（即“有用功率”）产生更多的光输出。尽管如此，它们仍然会以热量的形式产生大量“浪费的功率”。这似乎会让人感到惊讶，因为 LED 通常摸起来很凉。摸起来很凉是因为它们通常不会以红外辐射的形式产生热量，而红外辐射可通过触摸感觉到。事实上，高达 85% 的消耗能量是以热量的形式耗散的，因此大型 LED 阵列需要的功率将远远超过转化为光的功率。

对于大型 LED 面板而言，LED 功耗可能会变得相当大。例如拉斯维加斯“弗里蒙特街道体验”显示屏，在其亮度处于最亮时的功耗为 2.2MW（兆瓦），白天甚至还需要更多能量，才能防止内华达州强烈日光的影响。即便是小型显示器也有大量 LED，并会消耗大量电源：例如，一家领先制造商的显示模块包含 80 x 80 的阵列，即总共 6,400 个 LED，需要的电源为 300W（5V、60A）。

因此，在设计 LED 电源时，最大限度提高效率至关重要。

最佳 LED 电源解决方案的关键因素是什么？

大面板视频 LED 显示屏由多个较小面板组成，需要由公共母线电压供电。将交流电 (AC) 直接分配给每个面板并将每个面板上的 AC 转换为 DC 成本会过高、过于笨重，而且一般也不利于安全。取而代之的是，建议使用单个大型 AC-DC 转换器级来提供隔离式低压母线电压，为每个单独的面板供电。就大型面板而言，从大型 AC-DC 电源到 LED 驱动器的距离可能长达数米，随着功率级增加，这会带来挑战，使其成为重要的设计考虑因素。

能耗如何影响 LED 的性能？

热量是 LED 的主要敌人，而且电源设计中固有的低效率只会让这种情况雪上加霜。过高的温度会缩短 LED 的使用寿命并导致褪色。更糟糕的是，光输出会随结温的升高而降低。LED 使用的高效供电系统必须注意每个单独的组件，以免出现局部热点，局部热点不仅会加速 LED 的故障，而且还会降低其整个使用期间的亮度。这在光质量和色彩均匀度都很重要的视频墙中尤其重要。

怎么做才能减轻热负载？

通过电阻铜线从电源向 LED 阵列输电，会以热量的形式产生功耗，即配电损耗。电流 (I) 的配电损耗与电流的平方成正比，表示为 P = I²R，其中 R 为导线、母线或 PCB 迹线的电阻；降低该电阻需要降低电流或降低导线阻抗。

在向负载提供总量相同的电源时降低电流，需要增加电压 (P = VI)。例如，将电压增加 1 倍，从 24V 增加到 48V，可将电流降低 50%，进而可将配电损耗降低 75%。

要通过降低导线电阻来达到相同的效果，则需要将导体的横截面面积增加 4 倍，这不仅会增加重量和成本，而且也不太实际。

另一种降低功耗的方法是最大限度减少转换级数量。例如，取消转换级可将系统效率提高 5 ~ 10%，而且根据功率水平可降低系统中产生的热量。为了消除转换级，设计人员需要选择可在不影响效率的情况下，提供高降压转换率的组件。

为什么 48V 电源系统架构更优？

为 LED 面板供电的最常用母线电压一直都是 24V 和 12V。与 AC 配电相比，它从面板上消除了潜在的致命电压，并且它们符合低电压电源的安全超低电压 (SELV)“安全”电压标准。

然而，比 12V 或 24V 更好的选项是将中间电压提高 1 倍，提升到 48V。48V 低于 60V，因此仍符合 SELV 安全标准，即使纳入 20% 的过压保护余量也没问题。与 24V 系统相比，在给定功率水平下，这将电流降低了一半，并减少了线缆成本和重量，这相当于节省了更多！

您可通过将母线电压增加到 48V，将配电损耗降低 75%，这可显着减少热量的产生。较低工作温度可提高系统可靠性，较小的电流可减少 LED 面板厚度。此外，使用配电损耗更低的更高电压还可提高视频墙的效率和可靠性，这有助于降低最终用户的在使用周期内的工作成本。

在电源设计中缩减尺寸和重量的最佳方法是什么？

电源模块是创建紧凑供电网络的最有效方式。模块化设计总是可为电源系统设计提供更小、更轻的方案。电源模块将大量组件封装在一个统一的平面封装中。平面设计提高了热性能，并使设计更便捷，更具扩展性。Vicor 电源模块是这个全球功率密度最高的模块，不仅效率高、重量轻，而且结构紧凑。当悬挂上沉重的商用 LED 标识时，重量和高性能极为重要。

总结

答案很简单，如果我们能够跳出使用电源系统的公认规范，不再依赖 12V 或 24V 中间母线电压，只需将母线电压提高 1 倍，增加至 48V，在设备使用寿命期内，优势是立竿见影和可持续的：

• 热量产生减少/热管理更轻松
• 布线减少/节省成本、尺寸更小、重量更轻
• LED 性能更高/显示质量更高
• 面板使用寿命更长/可靠性更高
• 电源效率更高/功耗更低

在设计大功率的大型 LED 显示屏时，使用 48V 母线会让一切变得不同。这可显著减轻线缆重量。再加上模块化电源设计的优势，您将有机会降低长期功耗，实现更亮的 LED 并大幅减轻供电网络的重量。

Tom Curatolo 是支持航空航天与国防市场的首席技术销售工程师。Tom在高科技电子行业拥有超过 40 年的丰富经验，在电源电子及电源架构具有专业技术。他在 Vicor 公司工作了 30 多年，大多数时间主要从事应用工程工作，在支持 Vicor 产品所针对的不同客户群和市场方面拥有极其丰富的经验。Tom 于 1985 年获得伍斯特理工学院的电气工程学士学位，工作地点在马萨诸塞州的安多弗市。

Tom Curatolo，首席技术销售工程师