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        直控加熱與占空比加熱能效研究

        2025-03-18 00:00:00張勇
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2025年5期

        摘 要:為了探尋直控加熱與占空比加熱的能效差異,為機(jī)載液晶顯示模塊(是應(yīng)用于極端低溫環(huán)境下的特種顯示器)提供相應(yīng)設(shè)計(jì)理論依據(jù),本文以某型機(jī)載8.0″控制顯示模塊為例,研究了其在直控加熱和占空比加熱2種控制模式和不同百分比下各時(shí)間段的功耗和溫升情況。試驗(yàn)結(jié)果表明,占空比控制的比例不可以簡單地采用直控模式的功耗百分比,邏輯程序中的占空比設(shè)置值應(yīng)在設(shè)計(jì)功耗百分比的基礎(chǔ)上至少增加10個(gè)點(diǎn),低溫啟動前5min內(nèi)的占空比設(shè)置值原則上不應(yīng)低于80%。該試驗(yàn)結(jié)果為特種顯示器在極端低溫環(huán)境下的加熱功耗控制提供了理論依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:液晶顯示器;占空比;加熱能效;溫升

        中圖分類號:TP 394" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        在低于-20℃的環(huán)境中,常規(guī)液晶顯示器會出現(xiàn)液晶分子凍結(jié),因此無法偏轉(zhuǎn),不能正常工作,而機(jī)載特種顯示模塊的工作溫度通常不低于-45℃。

        現(xiàn)代機(jī)載加固型液晶顯示模塊將ITO玻璃作為加熱裝置,以使LCD在低溫下正常工作,通常選擇相對靠近的ITO玻璃方塊阻值,并控制功耗比例,以滿足合理的加熱功耗需求。例如,某型號產(chǎn)品在低溫工作狀態(tài)下5min內(nèi)顯示正常的加熱功耗需求為60W,而方塊阻值最合適的ITO玻璃制作出的平板加熱器功耗約為70W,控制電路利用PWM波對加熱電路的通、斷進(jìn)行占空比控制,將占空比設(shè)置為85%,從而滿足實(shí)際應(yīng)用需求。設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中的功耗百分比是直控模式下實(shí)際需求功耗與設(shè)計(jì)功耗的比值,實(shí)際產(chǎn)品控制電路中的占空比是指控制電路利用PWM波對加熱電路在一個(gè)周期內(nèi)的通、斷時(shí)間長度占比。本文實(shí)測了某8.0″液晶顯示模塊在直控和占空比控制2種模式下的加熱功耗和溫升數(shù)據(jù),并分析其差異,從而為加固型液晶顯示模塊的低溫功耗設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

        1 試驗(yàn)概括

        本文采用配套某型機(jī)載8.0″液晶顯示模塊,實(shí)驗(yàn)平臺搭建如圖1所示。顯示模塊的工作電源和加熱電源由型號為IT6322(艾德克斯)的可編程三路電源提供。顯示模塊的信號由PC機(jī)1并由專用信號線纜提供。PC機(jī)2根據(jù)串口通信和該型號產(chǎn)品專用調(diào)試界面,實(shí)時(shí)讀取顯示模塊的溫度值。在整個(gè)試驗(yàn)過程中,顯示模塊處于型號為TOQH-1000JYL-5K(江蘇拓米洛,溫度范圍為-70℃~180℃,溫度偏差≤±2℃)的恒溫、恒濕試驗(yàn)箱中,試驗(yàn)箱溫度為-45℃。當(dāng)試驗(yàn)箱溫度達(dá)到-45℃后繼續(xù)保溫1h,待顯示模塊溫度穩(wěn)定后(在實(shí)際測試過程中,顯示模塊溫度穩(wěn)定在-43℃),采用直控和占空比控制2種方式,測試其在不同百分比/占空比下,從-45℃通電工作瞬間直至預(yù)熱5min時(shí)的加熱電流和采樣溫度數(shù)據(jù)(單次測試完成后,顯示模塊斷電保溫1h后進(jìn)行下一次測試)。由加熱電流和供電電壓數(shù)據(jù)獲得低溫啟動過程中的實(shí)際功耗,結(jié)合實(shí)際采集到的溫度數(shù)據(jù),獲悉2種不同控制模式下,顯示模塊從-45℃通電工作瞬間直至預(yù)熱5min時(shí)的溫升情況。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 直控模式下不同功耗百分比的低溫啟動數(shù)據(jù)

        將8.0″液晶顯示模塊置于恒溫、恒濕試驗(yàn)箱中,平板加熱器的兩端通過甩線引出,連接到28V電源兩端,測試從-45℃通電工作瞬間直至預(yù)熱5min時(shí),顯示模塊在啟動瞬間、1min、2min、3min、4min和5min時(shí)的加熱電流和采樣溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)上述瞬間加熱功耗,反推出90%、80%、70%、60%和50%瞬間功耗所對應(yīng)的加熱電壓,并重復(fù)采集-45℃通電工作瞬間直至預(yù)熱5min時(shí)的加熱電流和采樣溫度數(shù)據(jù)。啟動瞬間至5min時(shí)的電流數(shù)據(jù)見表1(I0、I1、I2、I3、I4和I5表示啟動瞬間、1min、2min、3min、4min和5min時(shí)的電流),啟動瞬間至5min時(shí)的顯示模塊溫度數(shù)據(jù)見表2。

        由ITO阻值隨溫度的變化關(guān)系可知[1],低溫下ITO阻值比常溫下約下降5%,因此在加熱過程中,電流會隨加熱時(shí)間延長而降低,當(dāng)啟動5min時(shí)趨于穩(wěn)定,表1實(shí)測數(shù)據(jù)與之相吻合。對表1實(shí)測數(shù)據(jù)各時(shí)間段的加熱功耗取平均,將其作為不同百分比下5min內(nèi)的平均功耗,見表3。

        對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,顯示模塊在不同百分比功耗下各時(shí)間段的溫升變化數(shù)據(jù)ΔT見表4。

        綜合表3和表4數(shù)據(jù),可以得到不同功耗下各時(shí)間段的溫升ΔT,并對其進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖2所示。可見在不同功耗下,顯示模塊低溫啟動時(shí)的溫升ΔT隨時(shí)間增加而增大,呈指數(shù)關(guān)系,并且功耗越大,溫升越高。

        綜合表3和表4數(shù)據(jù),以低溫啟動工作5min時(shí)各功耗下溫升ΔT為例,對其進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖3所示??梢姡谥笨啬J较碌牡蜏貑庸ぷ鬟^程中,顯示模塊溫升ΔT隨功耗增加而增大,并且二者具有強(qiáng)相關(guān)性,呈線性關(guān)系。

        2.2 占空比控制模式下的低溫啟動數(shù)據(jù)

        將8.0″液晶顯示模塊置于恒溫、恒濕試驗(yàn)箱中,加熱電源經(jīng)顯示模塊對外連接器接口正常輸入控制電路,由控制電路對加熱電源進(jìn)行占空比控制,分別測試在100%、90%、80%、70%、60%和50%加熱占空比情況下,從-45℃通電工作瞬間直至預(yù)熱5min時(shí),顯示模塊在啟動瞬間、1min、2min、3min、4min和5min時(shí)的加熱電流和采樣溫度數(shù)據(jù)。啟動瞬間至5min時(shí)的電流數(shù)據(jù)見表5,啟動瞬間至5min時(shí)的溫度數(shù)據(jù)見表6。

        8.0″液晶顯示模塊的加熱控制原理如圖4所示。由圖4可知,光耦產(chǎn)生PWM波并控制MOS管2的通、斷,以此進(jìn)行加熱占空比控制。由本文所用MOS型號的技術(shù)規(guī)格書可知,MOS管2自身存在一定的內(nèi)阻和開啟/關(guān)閉延時(shí),其中內(nèi)阻約為0.345Ω,延時(shí)約為220ns。當(dāng)加熱占空比為100%時(shí),加熱電流為2.16A,那么28V加熱電源在經(jīng)過MOS管2后的壓降為0.75V(實(shí)測約為0.8V,基本吻合)。

        根據(jù)表5實(shí)測數(shù)據(jù),并考慮MOS管2的壓降,獲得不同占空比下、5min內(nèi)實(shí)際用于加熱的平均功耗,見表7。

        對表6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,顯示模塊在不同占空比下各時(shí)間段的溫升變化數(shù)據(jù)ΔT見表8。

        綜合表7和表8數(shù)據(jù)可以得到不同占空比下各時(shí)間段溫升ΔT,并對其進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖5所示。可見在不同占空比下,顯示模塊低溫啟動過程中的溫升ΔT隨時(shí)間增加而增大,呈指數(shù)關(guān)系,并且占空比越大,溫升越高。

        綜合表6和表7數(shù)據(jù),以低溫啟動工作5min時(shí)各占空比下的溫升ΔT為例,對其進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖6所示??梢娫谡伎毡瓤刂葡碌牡蜏貑庸ぷ鬟^程中,顯示模塊溫升ΔT隨占空比功耗增加而增大,呈指數(shù)關(guān)系。

        2.3 直控與占空比控制的數(shù)據(jù)對比

        在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,硬件設(shè)計(jì)控制比例為最大功耗的百分比。在邏輯設(shè)計(jì)過程中,將硬件設(shè)計(jì)提供的百分比作為占空比控制比例。由2.1節(jié)和2.2節(jié)內(nèi)容可知,在相同控制百分比下,直控與占空比控制2種不同控制模式下的顯示模塊平均功耗和工作5min溫升ΔT見表9。

        對表9中2種模式下的溫升ΔT隨百分比的變化關(guān)系進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖7所示。

        由圖7可知,在2種不同控制模式下,顯示模塊在低溫啟動過程中的溫升ΔT隨百分比增加而增大,呈線性關(guān)系。由圖3、圖6擬合結(jié)果可知,在直控模式下,顯示模塊溫升ΔT與百分比功耗呈線性關(guān)系。在占空比控制模式下,顯示模塊溫升ΔT與占空比功耗呈指數(shù)關(guān)系。在相同百分比下,直控模式的溫升ΔT顯著高于占空比模式。在80%及以下部分,并在占空比控制功耗高于直控功耗的情況下,顯示模塊溫升ΔT反而低于直控模式,說明占空比模式下的功耗利用率低于直控模式,尤其是當(dāng)占空比百分比低于80%時(shí),其與直控模式下的溫升差距進(jìn)一步加大。

        在實(shí)際應(yīng)用方面,直控設(shè)計(jì)的功耗比例一般不會低于70%。結(jié)合表9數(shù)據(jù)可知,當(dāng)設(shè)計(jì)功耗百分比為最大功耗的70%時(shí),邏輯程序中的占空比設(shè)置值應(yīng)為85%左右;當(dāng)設(shè)計(jì)功耗百分比為最大功耗的80%時(shí),邏輯程序中的占空比設(shè)置值應(yīng)為90%左右;當(dāng)設(shè)計(jì)功耗百分比為最大功耗的90%及以上時(shí),邏輯程序中的占空比設(shè)置值應(yīng)為100%全占空比。

        綜上所述,占空比控制的比例不可以簡單地采用直控模式的功耗百分比,邏輯程序中的占空比設(shè)置值應(yīng)在設(shè)計(jì)功耗百分比的基礎(chǔ)上至少增加10%,同時(shí)低溫啟動前5min內(nèi)的占空比設(shè)置值原則上不應(yīng)低于80%。

        2.4 2種控制模式下的功耗效率分析

        在直控模式下,平板加熱器始終處于工作狀態(tài),穩(wěn)定、持續(xù)地產(chǎn)生熱量,該熱量利用顯示模塊的窗口玻璃和金屬結(jié)構(gòu)件與外界環(huán)境形成熱交換,并逐步達(dá)到熱平衡。

        在占空比控制模式下,顯示模塊通過如圖4所示的加熱控制原理控制平板加熱器的工作狀態(tài),由光耦產(chǎn)生PWM波并輸入MOS管2,對平板加熱器工作電源的通、斷進(jìn)行控制。由于PWM波的頻率為200Hz,單個(gè)周期的時(shí)長為5ms。結(jié)合本文所用光耦技術(shù)規(guī)格參數(shù)可知,光耦的開啟和關(guān)閉延時(shí)為20μs,占整個(gè)周期時(shí)長的0.4%。MOS管2的技術(shù)規(guī)格參數(shù)表明,當(dāng)PWM波輸入MOS管2后,存在220ns的延時(shí),進(jìn)一步縮短了單個(gè)周期內(nèi)的有效加熱時(shí)長,從而降低了功耗的利用率,因此相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量低于直控模式。此外,顯示模塊與外部環(huán)境熱交換的主要方式為熱對流,其計(jì)算公式為Q=αSΔT(其中Q為單位時(shí)間熱傳導(dǎo)傳遞的熱量;α為傳熱系數(shù);S為換熱面積)[2]。由于同一型號產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)能力、換熱面積均相同,因此相同時(shí)間內(nèi)溫度差ΔT也必然會低于直控模式。

        綜上所述,與直控加熱模式相比,占空比模式下加熱功耗效率較低的根本原因是硬件控制電路延時(shí)。

        3 結(jié)論

        本文研究了直控加熱和占空比加熱2種不同模式下的加熱能效差異,發(fā)現(xiàn)了占空比控制的比例不可以簡單地采用直控模式的功耗百分比,邏輯程序中的占空比設(shè)置值應(yīng)在設(shè)計(jì)功耗百分比的基礎(chǔ)上至少增加10%,并且低溫啟動前5min內(nèi)的占空比設(shè)置值原則上不應(yīng)低于80%。該試驗(yàn)結(jié)果為機(jī)載特種顯示器在極端低溫環(huán)境下的加熱功耗控制提供了理論依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]張勇,彭繼,趙松,等.ITO薄膜方塊電阻值在低溫下隨溫度的變化關(guān)系[J],光電子技術(shù),2017,37(3):186-190.

        [2]謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].南京:東南大學(xué)出版社,1989.

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