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研究生： 李勇進
Yong-chin Lee
論文名稱： 高效率LED動態顯示看板電源供應器之研製
Design and Implementation of a High Efficiency Power Supply of LED Dynamic Display Board
指導教授： 陳南鳴
Nan-Ming Chen
口試委員: 呂錦山
Ching-Shan Leu
劉國基
Kuo-Chi Liu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 96
中文關鍵詞： 轉換器 、動態顯示看板 、諧振式 、功因修正 、電源供應器
外文關鍵詞： LED, PFC, LLC, converter, power factor corrector, LLC resonant converter
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    • 　　本論文主要研製一高效率LED動態顯示看板電源供應器，以及對LED驅動電路之改善與規劃。電源供應器架構為一雙功率級的架構，在雙功率級的架構下，僅使用單顆控制IC來作控制。前級為升壓型功率因數修正器，後級為LLC半橋諧振式轉換器。但後級的LLC半橋諧振式轉換器是以開迴路的方式做控制，轉換器的上下橋開關信號則是由同步驅動電路來驅動，而此驅動信號會與升壓型功率因數修正器之驅動信號同步，使LLC半橋諧振式轉換器操作在定頻的模式下。故本研究將切換頻率設計在諧振頻率點上，可降低轉換器之切換損失和導通損失，以達到高轉換效率之訴求。此外，輸出電壓控制迴路則是從後級變壓器的第三繞組擷取迴授電壓信號作控制，此方式不需該變壓器一、二次側的隔離電路，可降低轉換器電路成本。
    　　在LED動態顯示看板驅動電路方面，則是沿用文獻[1]所提出的LED電壓迴授電路。由於顯示看板紅光LED與藍、綠光LED的Vf相差甚大，故本研究規畫LED動態顯示看板驅動電路之架構分成兩組驅動電路來作驅動。此外，再針對LED電壓迴授電路做改善，改善前的LED電壓迴授電路在實際的LED動態顯示看板調光下，有將近0.7V的多餘電壓降。本研究改善LED電壓迴授電路之速度響應，使得降壓轉換器之輸出電壓可提供更適當的電壓值，去驅動LED動態顯示看板之紅光、綠光和藍光LED，以降低看板之功率損耗。

    　　The main purpose of this thesis is to investigate and implement a high efficiency power supply for LED dynamic display board. LED driver circuits are designed with improvement of LED voltage feedback circuits. Only one control IC is used in the two power stage structure of the LED power supply. The front-end part of the converter is a boost power factor corrector (PFC). The second power stage is a half-bridge LLC resonant converter. The control method of the second stage uses open loop control. The driving signal of its power switch is driven synchronously with the boost power factor corrector. The half-bridge resonant converter is operated in fixed frequency mode at the first resonant frequency. The power supply can reduce switching loss and conduction loss to achieve high conversion efficiency. Furthermore, the feedback voltage of the output voltage control circuit is taken from the tertiary winding of the LLC converter transformer. This method needs no isolation circuit between primary and secondary windings of the transformer, so that the power supply cost can be reduced.
    　　In LED driver circuit design, references [1] proposed the LED voltage feedback control circuit. It is applied to LED display board circuit design. Since the forward voltages are different between red LED and blue or green LED, this research uses two driving circuits to drive R and GB LED separately. Moreover, the voltage feedback circuit is improved. When an LED dynamic display board is under dimming control condition, there was an excess voltage drop of approximately 0.7V. This design reduces the excess voltage and improves the speed response of the voltage feedback circuit so that the buck converter output voltages can provide more appropriate voltages to drive red, green and blue LEDs of the LED dynamic display board to reduce the power loss of it.

    中文摘要 i 英文摘要 ii 目錄 iv 圖索引 viii 表索引 xii 第一章 緒論 1 1.1研究背景與動機 1 1.2研究目的 2 1.3系統架構 2 1.4章節概述 4 第二章 LED動態顯示看板系統與電源供應器架構之探討 5 2.1 LED動態顯示看板系統架構 5 2.1.1 LED動態顯示看板架構 5 2.1.2信號處理器之介紹 8 　　2.1.2.1控制信號之流程 8 2.1.3 LED動態顯示看板驅動電路之架構 9 2.2 LED動態顯示看板電源供應器架構之探討 10 2.2.1功率因數修正器功率級架構之種類 10 　　2.2.1.1單功率級與雙功率級優缺點比較 10 2.2.2功率因數修正器 12 　　2.2.2.1功率因數修正器之功率級架構的選擇 12 　　2.2.2.2電感電流操作模式 12 　　2.2.2.3功率因數修正器之控制方法 14 2.2.3電力轉換器DC/DC Output Stage架構之選擇 15 2.2.4 LED動態顯示看板電源供應器之架構 16 　　2.2.4.1電源供應器功率級架構的選擇 17 第三章 LED動態顯示看板驅動電路規劃與改善 19 3.1 LED動態顯示看板驅動電路之規劃 19 3.2 LED驅動電路之降壓轉換器的選擇 20 3.2.1紅光LED降壓轉換器的選擇及電路參數調整 20 3.2.2綠、藍光LED降壓轉換器的選擇及電路參數調整 22 3.3看板驅動電路實際驅動情況與問題 23 3.4以信號產生器做為調光信號 25 3.5改善LED電壓迴授之速度響應 27 3.6 LED動態顯示看板實測 29 第四章 LED動態顯示看板電源供應器之分析與設計 33 4.1升壓式功率因數修正器之分析與設計 33 4.1.1平均電流控制法之升壓式功率因數修正器介紹 33 4.1.2電流迴路分析 33 4.1.3電壓迴路分析與設計 35 4.1.4.1控制至輸出轉移函數GVC(s) 36 4.1.4.2電壓誤差放大器轉移函數GVEA(s) 37 4.2 LLC半橋諧振式轉換器之分析 38 4.2.1 LLC半橋諧振式轉換器之狀態 39 4.2.2諧振電流之頻率操作區間分析 40 4.2.3輸出對輸入之電壓增益轉移函數分析 45 4.2.4諧振元件之設計 46 4.2.4.1 Q值分析 46 4.2.4.2 K值分析 47 4.2.4.3 Q值和K值的選擇 47 第五章 設計實例與考量 49 5.1 LED動態顯示看板電源供應器之負載計算 49 5.2升壓式功率因數修正器之設計 49 5.2.1升壓式功率因數修正器之設計流程 51 5.2.2升壓式功率因數修正器之電路規格 51 5.2.3升壓式功率因數修正器之功率級設計 53 5.2.3.1儲能電感設計 53 5.2.3.2電感鐵心材質的選擇 53 5.2.3.3鐵心大小、繞線圈數與線徑的選擇 54 5.2.3.4計算鐵心直流飽和特性 54 5.2.3.5輸出電容器設計 56 5.2.4繞組迴授電路設計 56 5.2.5電壓誤差放大器之補償設計 57 5.3開迴路LLC半橋諧振式轉換器之設計 58 5.3.1開迴路LLC半橋諧振式轉換器之設計流程 58 5.3.2開迴路LLC半橋諧振式轉換器之規格 58 5.3.3變壓器設計 60 5.3.3.1鐵心大小的選擇 60 5.3.3.2計算一、二次側和迴授繞組圈數與線徑大小 61 5.3.4量測變壓器參數值 63 5.3.5設定諧振頻率點fr與怠滯時間Tdead 64 5.3.6計算最大激磁電感值Lm_max、最大諧振電容值Cr_max和最小怠滯時間Tdead_min 64 5.3.7特性阻抗Zo之選擇 65 5.3.8計算Cr、RL、Q和K之參數值 65 5.3.9繪出電壓增益曲線與輸出電壓對應升壓式功率因數修正器之輸出電壓曲線 66 5.4同步驅動電路設計 67 第六章 模擬與實驗 70 6.1 LED動態顯示看板電源供應器之電路模擬 70 6.2 LED動態顯示看板電源供應器之模擬波形 70 　　6.2.1功率因數修正器之輸入電壓與輸入電流波形 70 　　6.2.2諧振電流與LLC諧振式轉換器功率開關切換之關係 73 　　6.2.3上下橋功率開關零電壓導通 75 　　6.2.4二次側上下橋二極體開關零電流截止 76 6.3 LED動態顯示看板電源供應器之實作電路 77 6.4 LED動態顯示看板電源供應器之實測波形 79 　　6.4.1功率因數修正器之輸入電壓與輸入電流波形 79 　　6.4.2諧振電流與LLC諧振式轉換器功率開關切換之關係 80 　　6.4.3上下橋功率開關零電壓導通 84 　　6.4.4二次側上下橋二極體開關零電流截止 86 6.5 LED電源供應器之效率分析 87 第七章 結論與未來展望 93 7.1 結論 93 7.2 未來展望 94 參考文獻 95   圖索引 圖1-1 LED市場之應用 1 圖1-2北京機場的LED動態顯示看板 2 圖1-3 LED動態顯示看板架構之方塊圖 3 圖2-1 LED動態顯示看板之系統架構 5 圖2-2 LED動態顯示看板架構圖 6 圖2-3 LED動態顯示看板實體圖 7 圖2-4列掃描控制器接線圖 7 圖2-5 LED動態顯示看板影像資料流程圖 8 圖2-6 LED驅動電路示意圖 9 圖2-7加上LED電壓迴授電路之LED驅動電路示意圖 9 圖2-8 LED電壓迴授電路 11 圖2-9 LED動態顯示看板電源供應器之架構 17 圖2-10 VVCF功因修正轉換器之輸出電壓迴授方式 18 圖3-1 RGB LED共同電源驅動電路 19 圖3-2 RGB LED共同電源驅動電路之實際驅動 20 圖3-3 R LED和GB LED獨立電源驅動電路 20 圖3-4 Richtek之RT8272 降壓轉換器電路圖 21 圖3-5 Richtek之RT8251降壓轉換器電路圖 23 圖3-6 LED動態顯示看板實測電路 24 圖3-7 LED動態顯示看板驅動紅光LED全亮圖與全亮波形圖 24 圖3-8 LED動態顯示看板驅動紅光LED亮斜線圖與亮斜線波形圖 25 圖3-9 LED動態顯示看板驅動紅光LED亮斜線圖與亮直線波形圖 25 圖3-10 LED動態顯示看板驅動綠、藍光LED情況 26 圖3-11以信號產生器驅動藍光LED的波形圖，調光頻率為2Hz 26 圖3-12導致突波現象之電路說明 27 圖3-13以22μF的保持電容在LED顯示看板模組實測波形圖(全亮) 28 圖3-14以22μF的保持電容在LED顯示看板模組實測波形圖(亮斜線) 29 圖3-15以電阻改善LED電壓迴授電路的保持電容擷取速度之電路圖 30 圖3-16 R LED全亮波形圖 30 圖3-17 R LED亮斜線波形圖 31 圖3-18 R LED亮直線波形圖 31 圖3-19 GB LED全亮波形圖 31 圖3-20 GB LED亮斜線波形圖 32 圖3-21 GB LED亮直線波形圖 32 圖4-1平均電流控制法之升壓式功率因數修正器 33 圖4-2電流迴路的增益方塊圖 34 圖4-3電壓迴路示意圖 36 圖4-4負載為定功率之功率因數修正器功率級小訊號模型 36 圖4-5電壓誤差放大器Type1補償與繞組迴授電路 37 圖4-6 LLC半橋串聯諧振式轉換器之電路 39 圖4-7 LLC半橋串聯諧振式轉換器的轉移函數曲線 39 圖4-8諧振電流波形模式化圖 40 圖4-9操作在Region 2之turn off loss 42 圖4-10操作在第一諧振頻率點之turn off loss 42 圖4-11操作在Region 1之turn off loss 42 圖4-12操作在Region 1之諧振電流與弦波電流有效值 43 圖4-13操作在Region 2之諧振電流與弦波電流有效值 43 圖4-14操作在第一諧振頻率點之諧振電流與弦波電流有效值 44 圖4-15操作在Region 1之逆向回復電流 44 圖4-16不同的Q值對轉移函數曲線之影響(K=4) 46 圖4-17不同的K值對轉移函數曲線之影響(Q=0.392) 47 圖4-18三種不同的Q值和K值之電壓增益曲線 48 圖4-19 400V輸入之損耗比較圖 48 圖5-1 LED動態顯示看板驅動電路 49 圖5-2升壓式功率因數修正器之電路圖 50 圖5-3升壓式功率因數修正器之設計流程圖 52 圖5-4 MPP鐵心直流飽和曲線 55 圖5-5開迴路LLC半橋諧振轉換器之設計流程圖 59 圖5-6 PQ型鐵心變壓器架構 60 圖5-7變壓器二次側中心抽頭之電路圖 62 圖5-8不同頻率所對映到的電壓增益曲線 66 圖5-9在諧振頻率點下PFC輸出電壓之操作範圍 67 圖5-10同步驅動電路之電路圖 68 圖6-1 LED電源供應器之模擬電路 71 圖6-2輸入為90Vac之輸入電壓與電流模擬波形(輕載) 72 圖6-3輸入為90Vac之輸入電壓與電流模擬波形(重載) 72 圖6-4輸入為110Vac之輸入電壓與電流模擬波形(輕載) 72 圖6-5輸入為110Vac之輸入電壓與電流模擬波形(重載) 73 圖6-6輸入為220Vac之輸入電壓與電流模擬波形(輕載) 73 圖6-7輸入為220Vac之輸入電壓與電流模擬波形(重載) 73 圖6-8輸入為260Vac之輸入電壓與電流模擬波形(輕載) 74 圖6-9輸入為260Vac之輸入電壓與電流模擬波形(重載) 74 圖6-10諧振電流與LLC上下橋功率開關切換之模擬波形(輕載) 74 圖6-11諧振電流與LLC上下橋功率開關切換之模擬波形(重載) 75 圖6-12上下橋功率開關零電壓導通之模擬波形(輕載) 75 圖6-13上下橋功率開關零電壓導通之模擬波形(重載) 76 圖6-14二次側上橋二極體零電流截止之模擬波形(輕載) 76 圖6-15二次側上橋二極體零電流截止之模擬波形(重載) 77 圖6-16二次側下橋二極體零電流截止之模擬波形(輕載) 77 圖6-17二次側下橋二極體零電流截止之模擬波形(重載) 77 圖6-18 LED動態顯示看板電源供應器之功率級電路 78 圖6-19 LED動態顯示看板電源供應器之控制電路 78 圖6-20輸入為90Vac之輸入電壓與電流實測波形(輕載) 79 圖6-21輸入為90Vac之輸入電壓與電流實測波形(重載) 80 圖6-22輸入為110Vac之輸入電壓與電流實測波形(輕載) 80 圖6-23輸入為110Vac之輸入電壓與電流實測波形(重載) 81 圖6-24輸入為220Vac之輸入電壓與電流實測波形(輕載) 81 圖6-25輸入為220Vac之輸入電壓與電流實測波形(重載) 81 圖6-26輸入為260Vac之輸入電壓與電流實測波形(輕載) 82 圖6-27輸入為260Vac之輸入電壓與電流實測波形(重載) 82 圖6-28 LLC上下橋功率開關切換與諧振電流之實測波形(20%) 83 圖6-29 LLC上下橋功率開關切換與諧振電流之實測波形(50%) 83 圖6-30 LLC上下橋功率開關切換與諧振電流之實測波形(75%) 83 圖6-31 LLC上下橋功率開關切換與諧振電流之實測波形(100%) 84 圖6-32 LLC上橋功率開關零電壓導通之實測波形(輕載) 84 圖6-33 LLC上橋功率開關零電壓導通之實測波形(重載) 85 圖6-34 LLC下橋功率開關零電壓導通之實測波形(輕載) 85 圖6-35 LLC下橋功率開關零電壓導通之實測波形(重載) 85 圖6-36二次側上橋二極體零電流截止之實側波形(輕載) 86 圖6-37二次側上橋二極體零電流截止之實側波形(重載) 86 圖6-38二次側下橋二極體零電流截止之實側波形(輕載) 87 圖6-39二次側下橋二極體零電流截止之實側波形(重載) 87 圖6-40一般雙功率級電源供應器架構 88 圖6-41輸入115Vac之全機效率曲線圖 90 圖6-42輸入230Vac之全機效率曲線圖 91 表索引 表2-1單功率級與雙功率級優缺點比較 12 表2-2降壓型、升壓型和升降壓型PFC之優缺點比較表 13 表2-3三種控制法之優缺點比較 14 表2-4雙端正激式、HB、AHB和諧振式之優缺點比較表 15 表2-5 SRC, PRC ,SPRC和LLC SRC之優缺點比較表 16 表4-1轉換器操作區間之損耗比較 45 表4-2三種LLC串聯諧振轉換器之諧振槽參數 48 表5-1多重薄膜絕緣漆包線規格 55 表5-2 PQ3535Z鐵心規格 61 表6-1 Region 1之諧振元件設計值 88 表6-2 Region 2之諧振元件設計值 89 表6-3 LED電源供應器操作在諧振頻率之全機效率實測數據(115Vac) 89 表6-4雙級電源供應器操作在Region 1之全機效率實測數據(115Vac) 89 表6-5雙級電源供應器操作在Region 2之全機效率實測數據(115Vac) 90 表6-6 LED電源供應器操作在諧振頻率之全機效率實測數據(230Vac) 90 表6-7雙級電源供應器操作在Region 1之全機效率實測數據(230Vac) 91 表6-8雙級電源供應器操作在Region 2之全機效率實測數據(230Vac) 91

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