輕量高效的 LED 電源設計採用 48V 電源模組

作者：Tom Curatolo，首席科技銷售工程師

LED 技術過去 10 年發展迅猛，在許多情况下取代了 LCD 技術。我們最熟悉的變化是，我們的消費類電視已逐漸變得更薄、更輕、更大、更節能。而用於數字標牌的外部照明顯示幕取得的發展更顯著。這些極具魅力的絢麗商業顯示幕使較小格式的消費單元相形見絀，它們消耗更多的電源。因此，整個系統架構和供電網路是設計這些系統的重要組成部分。

直視 LED 和背光 LCD 技術哪個更好？

與液晶顯示（LCD）技術相比，直視 LED 視頻牆技術因其優异的亮度及色彩均勻度，已成為大型顯示幕的熱門選擇。然而，大型視頻顯示幕會帶來一個令人生畏的電源設計挑戰：如何最好地開發一款高效解決方案，以减少能耗，最大限度减少熱量產生，並且易於擴充還很安全？熱是發光二極體（LED）的一個大問題。較多的熱量會導致溫度過高，這會迅速降低 LED 的光彩和使用壽命。

導致 LED 面板發熱的一個因素是在視頻牆內轉換和分配電源的熱損失：電源轉換器的損耗以及佈線和印刷電路板的電阻銅損耗。所以，解決方案是什麼？在設計高功率 LED 應用時，評估不同分區選項的優劣有助於確定最佳選項。

除了更亮之外，直視 LED 顯示幕還比 LED 背光 LCD 顯示幕更節能，因為它們可以用更少的能量（即“有用功率”）產生更多的光輸出。儘管如此，它們仍然會以熱量的形式產生大量“浪費的功率”。這似乎會讓人感到驚訝，因為 LED 通常摸起來很凉。摸起來很凉是因為它們通常不會以紅外輻射的形式產生熱量，而紅外輻射可通過觸摸感覺到。事實上，高達 85% 的消耗能量是以熱量的形式耗散的，因此大型 LED 陣列需要的功率將遠遠超過轉化為光的功率。

對於大型 LED 面板而言，LED 功耗可能會變得相當大。例如拉斯維加斯“弗里蒙特街道體驗”顯示幕，在其亮度處於最亮時的功耗為 2.2MW（兆瓦），白天甚至還需要更多能量，才能防止內華達州强烈日光的影響。即便是小型顯示器也有大量 LED，並會消耗大量電源：例如，一家領先製造商的顯示模塊包含 80x80 的陣列，即總共 6400 個 LED，需要的電源為 300W（5V、60A）。

因此，在設計 LED 電源時，最大限度提高效率至關重要。

最佳 LED 電源解決方案的關鍵因素是什麼？

大面板視頻 LED 顯示幕由多個較小面板組成，需要由公共母線電壓供電。將交流電（AC）直接分配給每個面板並將每個面板上的 AC 轉換為 DC 成本會過高、過於笨重，而且一般也不利於安全。取而代之的是，建議使用單個大型 AC-DC 轉換器級來提供隔離式低壓母線電壓，為每個單獨的面板供電。就大型面板而言，從大型 AC-DC 電源到 LED 驅動器的距離可能長達數米，隨著功率級新增，這會帶來挑戰，使其成為重要的設計考慮因素。

能耗如何影響 LED 的效能？

熱量是 LED 的主要敵人，而且電源設計中固有的低效率只會讓這種情況雪上加霜。過高的溫度會縮短 LED 的使用壽命並導致褪色。更糟糕的是，光輸出會隨結溫的升高而降低。LED 使用的高效供電系統必須注意每個單獨的組件，以免出現局部熱點，局部熱點不僅會加速 LED 的故障，而且還會降低其整個使用期間的亮度。這在光質量和色彩均勻度都很重要的視頻牆中尤其重要。

怎麼做才能減輕熱負載？

通過電阻銅線從電源向 LED 陣列輸電，會以熱量的形式產生功耗，即配電損耗。電流（I）的配電損耗與電流的平方成正比，表示為 P=I²R，其中 R 為導線、母線或 PCB 跡線的電阻；降低該電阻需要降低電流或降低導線阻抗。

在向負載提供總量相同的電源時降低電流，需要新增電壓（P=VI）。例如，將電壓新增 1 倍，從 24V 新增到 48V，可將電流降低 50%，進而可將配電損耗降低 75%。

要通過降低導線電阻來達到相同的效果，則需要將導體的橫截面面積新增 4 倍，這不僅會新增重量和成本，而且也不太實際。

另一種降低功耗的方法是最大限度减少轉換級數量。例如，取消轉換級可將系統效率提高 5~10%，而且根據功率水准可降低系統中產生的熱量。為了消除轉換級，設計人員需要選擇可在不影響效率的情况下，提供高降壓轉換率的組件。

為什麼 48V 電源系統架構更優？

為 LED 面板供電的最常用母線電壓一直都是 24V 和 12V。與 AC 配電相比，它從面板上消除了潜在的致命電壓，並且它們符合低電壓電源的安全超低電壓（SELV）“安全”電壓標準。

然而，比 12V 或 24V 更好的選項是將中間電壓提高 1 倍，提升到 48V。48V 低於 60V，因此仍符合 SELV 安全標準，即使納入 20% 的過壓保護餘量也沒問題。與 24V 系統相比，在給定功率水准下，這將電流降低了一半，並减少了線纜成本和重量，這相當於節省了更多！

您可通過將母線電壓新增到 48V，將配電損耗降低 75%，這可顯著减少熱量的產生。較低工作溫度可提高系統可靠性，較小的電流可减少 LED 面板厚度。此外，使用配電損耗更低的更高電壓還可提高視頻牆的效率和可靠性，這有助於降低最終用戶的在使用週期內的工作成本。

在電源設計中縮減尺寸和重量的最佳方法是什麼？

電源模組是創建緊湊供電網路的最有效管道。模組化設計總是可為電源系統設計提供更小、更輕的方案。電源模組將大量組件封裝在一個統一的平面封裝中。平面設計提高了熱效能，並使設計更便捷，更具擴充性。Vicor 電源模組是這個全球功率密度最高的模組，不僅效率高、重量輕，而且結構緊湊。當懸掛上沉重的商用 LED 標識時，重量和高效能極為重要。

總結

答案很簡單，如果我們能够跳出使用電源系統的公認規範，不再依賴 12V 或24V中間母線電壓，只需將母線電壓提高 1 倍，新增至 48V，在設備使用壽命期內，優勢是立竿見影和永續的：

• 熱量產生减少/熱管理更輕鬆
• 佈線减少/節省成本、尺寸更小、重量更輕
• LED 效能更高/顯示質量更高
• 面板使用壽命更長/可靠性更高
• 電源效率更高/功耗更低

在設計大功率的大型 LED 顯示幕時，使用 48V 母線會讓一切變得不同。這可顯著減輕線纜重量。再加上模組化電源設計的優勢，您將有機會降低長期功耗，實現更亮的 LED 並大幅減輕供電網路的重量。

Tom Curatolo 是支持航空航太與國防市場的首席技術銷售工程師。Tom 在高技術電子行業擁有超過 40 年的豐富經驗，在電源電子及電源架構具有專業技術。他在 Vicor 公司工作了 30 多年，大多數時間主要從事應用工程工作，在支持 Vicor 產品所針對的不同客戶群和市場方面擁有極其豐富的經驗。Tom 於 1985 年獲得伍斯特理工學院的電氣工程學士學位，工作地點在馬薩諸塞州的安多弗市。

Tom Curatolo，首席技術銷售工程師