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绿色节能LED显示屏的设计

摘要：文章叙述了LED显示屏能耗现状，通过对散热设计、电路设计、元器件选材等方面的探讨提出了高端绿色节能LED显示屏的设计思路和方法，并给出了设计实例。
关键词：绿色节能；无辅助散热；无需空调户外显示屏；节能显示屏；亮幕
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引 言
随着国家节能减排政策的号召，“低碳经济”的推动，受全球经济危机和能源危机的影响，“绿色”、“节能”、“环保”等口号已经深入大众民心，并深深地渗透到各行各业中。LED作为环保节能的领头行业之一，在节能方面的研究和提升显得尤为重要。LED显示屏除了在性能、可靠性、功能上的提升之外，高端的LED显示产品更应该响应节能减排、绿色环保的大环境，将LED的节能性推向一个新的高度。未来LED显示产品的竞争，节能指标也将不可避免的作为一个重要的性能要求甚至成为一个高端LED显示屏不可缺少的质量标准。所以，在对新一代LED显示屏的研究开发活动中，节能性将贯穿整个设计和选材的过程。本文中我们将以lOO㎡ P20户外虚拟显示屏为例来探讨如何实现高端绿色节能型LED显示屏。
1 LED显示屏能耗现状
LED显示屏作为LED应用领域的重要部分，却并没像LED照明在节能宣传上大做文章，这除了LED显示屏行业自身的可比性方面不同于照明行业中有白炽灯可以作比较以外，我们在LED显示屏节能方面进行的研究不够也是一个主要原因。那么，现在市场上一般的LED显示屏能耗情况如何呢？以P20户外虚拟显示屏来说，假设我们要达到的主要显示性能如表1所述，在普通方案中关键器件选材如下：
(1)选用20mA时绿灯平均最高亮度为2，[]200mcd的LED灯组（如图1），需要达到6，OOOcd/㎡以上，则绿灯电流取15mA，红灯电流取18mA，蓝灯电流取12mA;
(2)电源选5V、50A、效率为73%的常规电源；
(3)选1 6位恒流驱动芯片；
(4)散热处理：现场安装时采用封闭式空调散热。
根据以上情况，显示屏在正常播放广告时，假设素材平均亮度按照白平衡的35%计算，空调能效比按照2.6计算（考虑户外阳光照射、热气流、可能长时间播放高亮素材等因素，空调配比后功率为1 5~20kW)，则l00㎡显示屏的项目的功率为42.6kW。如果按照每天使用14小时，电费1元1度计算，每天电费支出为596.4元，一年365天电费支出21.7686万元。
2打造绿色节能LED显示屏的方案探讨
从前面可以看出，电费开支占了LED显示屏运营的很大一部分成本，下面我们就来探讨高端节能型LED显示屏的主要设计方案。
2.1优化散热设计，去掉辅助散热设施
首先，我们要去掉的就是辅助散热系统。但是如果去掉辅助散热系统显示屏本身的热量没有办法散发出去，箱体内热量堆积形成高温后会导致显示屏寿命急剧缩短，在太阳直射的夏天显示屏可能会因为高温损坏而罢工，这都不是我们想要的结果。所以，在去掉辅助散热的同时，我们必须要保证产品的温升不超标，必须采取优良的散热设计，良好的防晒措施。
在这方面，比较好的一种方案就是打破传统箱体的封闭盒子式的结构格局，将产品打散，发热部分分别处理，增大散热面积，通过自然通风的方式来散发热量。同时，做好阳光隔离防晒措施，尽可能的降低显示部分的温度。图1就是我们称作“亮幕”的一种节能显示屏的应用实例，这类产品亮度做到了高达8，000~9，OOOcd/㎡，是户外节能LED显示屏的代表项目，此产品在节能设计上有几个特点：
(1)[来自www.lw5U.com]在户外超高亮度的要求下大胆进行通风式设计，达到了灯条本身的散热要求，去掉了辅助散热设施：
(2)通过一定的下倾角度让LED的最佳观看角度在最佳广告观看位置上，最大限度地利用了LED光能，使用过程中可以调整到在相同情况下比箱体屏小的亮度值就可满足使用，而其超高的亮度设计就可为产品提供更长寿命的光衰补偿；
(3)使用了一种专利的隔热防晒技术使得同比产品的温度最高降低100左右，进一步保证了产品的温升在标准范围内。
由以上可以看出，打破常规拓展思路进行优化布局是我们进一步提高LED显示屏性能的重要手段。
2.2优化系统及驱动电路设计，减少发热及电能浪费
2.2.1系统选择
由LED发光特性可知，小电流时发光效率大于大电流时的发光效率，所以通过降低行扫描速率或使用PWM芯片的方式提高点亮时间占空比，从而达到相同亮度下最大限度降低LED峰值电流是有效的节能方法。如果选择支持内建PWM恒流驱动高端芯片的控制系统，可以提高LED的利用率。普通恒流驱动的要达到高刷新时LED的利用率是很低的，提高LED利用率后，同样亮度要求下取较小的电流就能达到使用需求。根据图2我们可以看到，随着电流减小，LED的发光效率在增加，这样就可以进一步减小电流，也可以说是减少了相同亮度情况下LED的能耗。
表2是基本款IC和带内建PWM恒流驱动IC在性能上的比较，我们可以看到，采用带内建PWM的恒流驱动芯片时，LED利用率比基本IC最多高出23%以上。那么，高出来的23%LED利用率我们就可以通过降低电流、提高发光效率来达到节能的目的，降低功耗，为去掉辅助散热措施提供有力的支持。
2.2.2供电设计
一般来说，LED驱动的供电电压都选择5V，这样的条件下有一部分功率被发热浪费掉了。而我们可采取分电压供电的方式将这一部分浪费找回来。
以宏凯灯为例，显示屏用LED工作时蓝绿灯的最高压降Vf为3.6V，红灯的压降最高为2.5V，加上驱动芯片上的PN节压降0.7，最高为4.3V及3.2V。如果我们对蓝绿灯采用4.5V供电，红灯及驱动部分采用3.5V供电。那么，P20户外虚拟显示屏两种方案的每点功率比较如表3所示，由表中数据可以看出，采用分电压供电可大大节省能耗。当然，由于节省的基本是发热功耗，这样也就降低了产品的发热量，降低了分离式设计的散热设计难度。
2.2.3优化布板
电压下降了，我们在电路设计的时候必须注意回路压降，可采取多点均匀供电的方式让压降尽量小，每颗LED灯的电压尽量均匀。同时，要注意在灯脚处采取散热措施，让显示屏的发热量均匀分布，保证显示屏在受热后亮度的一致性。
2.3元器件选材
节能型LED显示屏在对关键元器件的选取上非常重要，在整个显示屏显示部分中，能耗大户为电源及LED发光灯，对于高端节能型LED显示屏来说，我们建议选取带PFC功能的高效率电源及高亮度LED灯。
以选用效率为83%带PFC功能的开关电源、选取绿灯4，OOOmcd的用于LED全彩的灯组来说。P20户外虚拟显示屏节能方案与普通方案的比较如表4所示，可以看出，通过高效率的电源以及高亮度的LED发光灯可以极大地减少耗电量，是节能方案设计的重要部分。
2.4方案总结
从以上各项数据进行推导，以lOO㎡ P20户外虚拟显示屏为例，假设素材平均亮度按照白平衡的35%计算，每天使用14小时，一年使用365天的情况下。综合各种节能方法所占百分比及节能比例，高端节能型LED显示屏最高节能如表5所示。
3设计实例
图3是安装在深圳深南大道某大楼15m高空的1，002.24㎡“亮幕”产品，该显示屏具有高亮度、高分辨率、宽视角、低重量、低能耗等特点，以其清晰靓丽的画质效果为深圳市深南大道增添了一道美丽的空中风景。在设计中针对项目的特殊性运用了大量的新专利和新技术，为超高楼宇的户外LED显示屏广告带来了一个新的优化解决方案。同时，本项目极大地提高了LED光源利用率，降低了能耗，省去了空调，简化了维护工作，进一步把LED行业的绿色、节能环保特点推到了一个崭新的高度。
图4是安装在河南郑州某大楼的1，070㎡“亮幕”产品，该显示屏同样具有高亮度、高分辨率、宽视角、低重量、低能耗等特点。同时还具备超高通透率，不影响大楼内人群的视野，是需要通透采光使用情况的最佳选择。

4 结 论
本文叙述了LED显示屏能耗现状，通过对散热设计、电路设计、元器件选材等方面的探讨提出了绿色节能LED显示屏的设计思路和方法，并给出了设计实例。
由于水平有限，文中定有不妥之处，还恳请大家指正，共同学习和交流。
参考文献
[1] template/Feb一24— 201 0_press_releasr_cn.html
[2]
[3]
[4] GB 12021.3-2004空调能耗标准
[5] http://www.gtek.hk
作者简介：宗海洋（1973-），男，籍贯四川，深圳市金立翔光电科技有限公司研发中心总监、工程师，合肥工业大学电气系自动化专业本科毕业，主要研究方向为光电产品设计创新。E-mail：ocean_1 [e-mail]。

-全文完-