白皮書

以更輕鬆、更高效的方法讓 LED 更明亮、使用壽命更長！

PDF

By Chester Firek

從更高層面概述高功率 LED 市場的電源趨勢

直觀式 LED 視訊墻技術亮度優於液晶顯示器技術，因而該技術現已成為大尺寸顯示器日益普及的選擇。然而，大型視訊顯示器面臨著電源設計挑戰：如何更好地開發可減少能耗，最大限度降低發熱量並可輕易調整大小的高效率解決方案？熱量問題可以說是 LED 的大問題。熱量愈多，溫度就越高，這可快速降低 LED 亮度，縮短使用壽命。

造成 LED 面板發熱的一個因素是：在視訊墻中進行功率轉換和配電時會出現熱損耗；這種損耗來自功率轉換以及佈線與印刷電路板的電阻性銅損。那應該怎樣解決呢？對不同分區選項進行優點評估，將有助於在設計高功率 LED 應用時，確定最好的選項。

圖 1：維加斯發生了什麼事……弗蒙街體驗 LED 顯示器的解析度為 7,552 x 552 個像素，像素間隔為 2吋，全亮時功耗為 2.2 MW。採用 1,250 萬個 LED，尺寸為 1,500' x 90'（圖像來源：印第安納波利斯藝術博物館）

並非平均 LED 功率要求

直觀式 LED 顯示器可以用更少的能量產生更多的光輸出（即有用功率），因此除了比 LED 背景光液晶顯示器更亮以外，功率效率也高很多。雖然如此，它們仍然以熱量形式產生大量的「耗散功率」。LED 摸起來一般會很涼，因此這種現象似乎令人感到訝異。這是因為它們通常並不會以紅外線輻射形式產生熱量，一接觸就能感覺到。事實上有 85% 的能耗都是以熱量形式耗散的，因此，大型 LED 陣列需要的功率遠遠超過了光轉換功率。

大型 LED 面板的 LED 功耗會很高。例如，弗蒙街體驗顯示器（圖 1）全亮時功耗為 2.2 MW，白天甚至需要更多的能量才能抵消陽光的作用。即使是小型顯示器，同樣也有大量的 LED，功耗也很高：例如一家領導製造商產製的顯示模組有一個 80 x 80 的陣列，總共有 6,400 個 LED，需要 300W（5V、60A）的電源。

因此，要實現效率最大化，關鍵看 LED 電源供應器的設計。

今日的 LED 擴展陣列

由多個面板組成的大型 LED 陣列可以提供任意大小或形狀的無縫影像，從任何角度都能獲得優異的觀賞效果。就尺寸而言，從簡單的捲動訊息顯示器到與圖 1 所示的弗蒙街體驗（使用的 LED 有 1,250 萬個）類似的顯示器舉不勝舉。圖 2 是 LED 技術具獨特優點的兩種顯示器實例：安裝在計程車上的 LED 廣告顯示器和環繞建築物側邊的高彎曲曲面顯示器。

Three-dimensional LED lights on corner of building image

圖 2：LED 顯示器可以變幻，以對即時車輛位置資訊作出回應 (A)，或者符合三維形狀 (B)
（圖像來源：Vicor 與 commercialledscreens.com）

電源系統設計優先順序

電源供應系統必須採用最有效率的方式，將傳入的 AC 電壓轉換成隔離的低電壓、高電流 DC 電。每一級功率轉換都會增加成本，浪費能量，因此，級數最小化需要優先設計。

大型視訊墻由許多連結在一起的模組組成，因此，有效率的設計還必須調整適當大小，使重複的功率轉換級最小化。

何為前兩大優先設計選項

最小化配電損耗 — 電力透過電阻線路從電源供應器傳輸給 LED 陣列，會以熱量方式產生功率損耗，俗稱配電損耗。電流 (I) 的配電損耗與該電流的平方成正比，即：P = I2R，其中 R 為電線、母線或印刷電路板跡線的電阻。降低配電損耗，需要降低電流或降低電線的電阻。
降低電流的同時為負載輸出相同的總功率，則需要增大電壓 (P = VI)。舉例說明，電壓從 24V 加倍到 48V，會將電流降低 50%，進而會使配電損耗下降 75%。

嘗試藉由降低電線電阻來得到相同的結果時，導線截面積需要變為四倍，這樣會使重量和成本同時增加，這不太實際。
降低 LED 的發熱效應 — 如前文所述，熱量是 LED 的死對頭，而無效率的電源設計只會使事情變得更糟。溫度過高會縮短 LED 的有效壽命，並會造成變色。更糟糕的是，光輸出會隨接面溫度的升高而下降；為 LED 應用提供有效的電源供應系統，必須注意每個獨立元件，避免局部熱點，這些局部熱點不僅會使 LED 更早損壞，而且在整個使用過程中也會更暗，不明亮。這對於光品質和均勻度同樣重要的視訊墻而言至關重要。

Relative light output vs. junction temperature chart

圖 3：不同顏色 LED 的相對光輸出與接面溫度的關係（圖像來源：RPI/LumiLeds）

改善電源系統效率的簡易方法是最大限度減少轉換級數。例如，去掉一個轉換級可將系統效率改善 5% 到 10%，並且以功率位準為準，可減少系統內所產生的熱量。要取消轉換級，設計人員需要選擇可在不影響效率的情況提供高降壓轉換比的元件。

電源系統元件實現差異化

有許多方法都可分區電源供應系統，將 AC 市電轉換成用於 LED 驅動器及控制電路的低電壓 DC電。無論選擇哪種特定分區，一般的設計都包含有以下組塊：

由熱保護金屬氧化物變阻器 (TMOV) 或類似裝置提供的輸入保護；
AC 濾波整流組塊；
含功率因子校正 (PFC) 的整體式 AC-DC 轉換組塊，用於最大化 AC 市電提供的電源并遵守嚴
謹的設備功率因子要求；
負載點 (PoL) DC-DC 降壓穩壓器，用來產生負載端高穩壓率電壓輸出。

例如（圖 4），Vicor 提供全面性的產品組合，簡化大型視訊墻的電源供應器設計。這會帶來可最大限度減少轉換級並且只需極少外部元件的簡易設計。

A mixed-voltage AC-DC power system partitioning powerchain image

圖 4：混合電壓 AC-DC 電源系統分區。PFM 將中間母線電壓輸出至各面板的負載點轉換器。（圖像來源：Vicor）

高效率電源設計的建置組塊

Vicor 構造了用於高功率 LED 的高效率方法：

AC 輸入級 — AC 輸入前端模組 (AIM™) 可執行線路整流、EMI/RFI 濾波、暫態保護及湧流限制，
為後級提供非隔離式整流 AC 線路電壓。

AC-DC 轉換 — PFM™ 系列可為 AC-DC 系統提供具有 PFC 的隔離、穩壓型 AC-DC 轉換器。這款 AIM/PFM 組合能夠以高達 92% 的效率，將通用 AC 轉換成隔離式 48V 或 24V 電壓，以供高達 400W 的系統使用；其外形比普通智慧型手機還小（圖 5）。本系列採用雙面散熱外殼，提供底盤安裝和電路板安裝兩個選項。

Standard smartphone next to a 4414 VIA™ PFM™ image

圖 5：放在 PFM 4414 VIA 旁的標準智慧型手機。

DC-DC 降壓轉換 — Cool-Power® 是高輸入電壓、寬輸入範圍 DC-DC 零電壓切換 (ZVS) 降壓穩壓器系列，採用單個封裝高度整合了控制器、電力開關以及各種支撐元件。ZVS 拓樸可實現百萬赫茲切換頻率，其可降低閘極驅動損耗與本體二極體傳導損耗；Cool-Power ZVS 穩壓器的運作輸入電壓可以是 12V、24V，也可以是 48V，可達到超過 97.5% 的效率，並且只需一個外部電感器和極少的電容器，便可構成完整的 DC-DC 降壓穩壓器解決方案。

找到最佳功率解決方案

使用上述建置組塊，LED 視訊墻可能有幾種系統分區。

由多個較小面板組成的大型面板顯示器必須能夠關斷公用母線電壓。將 AC 電源直接配送給各面板，然後在各面板上進行 AC-DC 轉換，這樣做不僅成本高，而且體積大，通常不是基於安全考慮的選項。相反，單個整體式 AC-DC 轉換器級常用於供應隔離式低電壓母線電壓，為各個獨立面板提供電力。就大型面板而言，從整體式 AC-DC 供應器到 LED 驅動器的距離可達數公尺長，隨著功率位準提升，挑戰也會跟著出現。

中間 DC 母線電壓有何選項？

24V 和 12V 配電一直是 LED 面板最常用的母線電壓。與 AC 配電相比，可從面板消除潛在致命的電壓，而且符合低電壓電源供應器的安全特低電壓 (SELV)「安全」電壓位準要求。

然而，12V 或 24V 的最佳選項是將中間電壓加倍到 48V（圖 6）。48V 低於 60V，因此仍然符合 SELV 準則，甚至還包含 20% 的過壓保護容差。與 24V 系統相比，這不僅可在給定功率位準下將電流減半，而且還可減少纜線成本和重量，達到更加節省的效果！

此外，它還可將配電損耗減少 75%，熱產生降低。更低的運作溫度可提高系統可靠性，而更低的電流則可縮減 LED 面板的厚度。母線以更低的配電損耗傳輸更高的電壓還會使視訊墻更有效率，讓終端使用者的生命週期運轉成本降低。

用於生成 48V 設計的選項

生成隔離式 48V 配電母線可能會非常簡單，除了 AC 輸入 PFM™ 以外，高功率 3 相位 AC-DC 轉換器後面可能還連接有 Vicor 母線轉換器模組 (BCM™)，用來以高達 98% 的尖峰效率將 380V 轉換成隔離式 48V。單個高電壓 BCM 能在 63x22 毫米封裝內進行 1.75 kW 的功率輸出，功率密度為 2,735 W/in3。48V 解決方案後面隨後既可連接 48V 輸入 Cool-Power 降壓穩壓器，也可連接 48V 輸入 Cool-Power 升降壓穩壓器，以直接供電給 LED 或 LED 驅動器。