直控加熱與占空比加熱能效研究

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周期內(nèi)的通、斷時間長度占比。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)時讀取顯示模塊的溫度值。在整個試驗(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，顯示模塊在啟動瞬間、1min、2min、3min、4min和5min時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時的加熱電流和采樣溫度數(shù)據(jù)。啟動瞬間至5min時的電流數(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時的電流），啟動瞬間至5min時的顯示模塊溫度數(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，電流會隨加熱時間延長而降低，當(dāng)啟動5min時趨于穩(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間段的溫升ΔT，并對其進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2所示?？梢娫诓煌南拢@示模塊低溫啟動時的溫升ΔT隨時間增加而增大，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時各功耗下溫升ΔT為例，對其進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。可見，在直控模式下的低溫啟動工作過程中，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，顯示模塊在啟動瞬間、1min、2min、3min、4min和5min時的加熱電流和采樣溫度數(shù)據(jù)。啟動瞬間至5min時的電流數(shù)據(jù)見表5，啟動瞬間至5min時的溫度數(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，其中內(nèi)阻約為0.345Ω，延時約為220ns。當(dāng)加熱占空比為100%時，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間段溫升ΔT，并對其進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示?？梢娫诓煌伎毡认?，顯示模塊低溫啟動過程中的溫升ΔT隨時間增加而增大，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，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，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，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，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，單個周期的時長為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)閉延時為20μs，占整個周期時長的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，進(jìn)一步縮短了單個周期內(nèi)的有效加熱時長，從而降低了功耗的利用率，因此相同時間內(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。

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.