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，為機載液晶顯示模塊（是應用于極端低溫環境下的特種顯示器）提供相應設計理論依據，本文以某型機載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。試驗結果表明，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置值應在設計功耗百分比的基礎上至少增加10個點，低溫啟動前5min內的占空比設置值原則上不應低于80%。該試驗結果為特種顯示器在極端低溫環境下的加熱功耗控制提供了理論依據。

關鍵詞：液晶顯示器；占空比；加熱能效；溫升

中圖分類號：TP 394" " " 文獻標志碼：A

在低于-20℃的環境中，常規液晶顯示器會出現液晶分子凍結，因此無法偏轉，不能正常工作，而機載特種顯示模塊的工作溫度通常不低于-45℃。

現代機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，某型號產品在低溫工作狀態下5min內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、斷進行占空比控制，將占空比設置為85%，從而滿足實際應用需求。設計和計算過程中的功耗百分比是直控模式下實際需求功耗與設計功耗的比值，實際產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的通、斷時間長度占比。本文實測了某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據，并分析其差異，從而為加固型液晶顯示模塊的低溫功耗設計提供參考依據。

1 試驗概括

本文采用配套某型機載8.0″液晶顯示模塊，實驗平臺搭建如圖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1并由專用信號線纜提供。PC機2根據串口通信和該型號產品專用調試界面，實時讀取顯示模塊的溫度值。在整個試驗過程中，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、恒濕試驗箱中，試驗箱溫度為-45℃。當試驗箱溫度達到-45℃后繼續保溫1h，待顯示模塊溫度穩定后（在實際測試過程中，顯示模塊溫度穩定在-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熱5min時的加熱電流和采樣溫度數據（單次測試完成后，顯示模塊斷電保溫1h后進行下一次測試）。由加熱電流和供電電壓數據獲得低溫啟動過程中的實際功耗，結合實際采集到的溫度數據，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熱5min時的溫升情況。

2 結果與分析

2.1 直控模式下不同功耗百分比的低溫啟動數據

將8.0″液晶顯示模塊置于恒溫、恒濕試驗箱中，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據。根據上述瞬間加熱功耗，反推出90%、80%、70%、60%和50%瞬間功耗所對應的加熱電壓，并重復采集-45℃通電工作瞬間直至預熱5min時的加熱電流和采樣溫度數據。啟動瞬間至5min時的電流數據見表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據見表2。

由ITO阻值隨溫度的變化關系可知[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，當啟動5min時趨于穩定，表1實測數據與之相吻合。對表1實測數據各時間段的加熱功耗取平均，將其作為不同百分比下5min內的平均功耗，見表3。

對表2中的數據進行處理，顯示模塊在不同百分比功耗下各時間段的溫升變化數據ΔT見表4。

綜合表3和表4數據，可以得到不同功耗下各時間段的溫升ΔT，并對其進行擬合，結果如圖2所示。可見在不同功耗下，顯示模塊低溫啟動時的溫升ΔT隨時間增加而增大，呈指數關系，并且功耗越大，溫升越高。

綜合表3和表4數據，以低溫啟動工作5min時各功耗下溫升ΔT為例，對其進行擬合，結果如圖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，并且二者具有強相關性，呈線性關系。

2.2 占空比控制模式下的低溫啟動數據

將8.0″液晶顯示模塊置于恒溫、恒濕試驗箱中，加熱電源經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據。啟動瞬間至5min時的電流數據見表5，啟動瞬間至5min時的溫度數據見表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，光耦產生PWM波并控制MOS管2的通、斷，以此進行加熱占空比控制。由本文所用MOS型號的技術規格書可知，MOS管2自身存在一定的內阻和開啟/關閉延時，其中內阻約為0.345Ω，延時約為220ns。當加熱占空比為100%時，加熱電流為2.16A，那么28V加熱電源在經過MOS管2后的壓降為0.75V（實測約為0.8V，基本吻合）。

根據表5實測數據，并考慮MOS管2的壓降，獲得不同占空比下、5min內實際用于加熱的平均功耗，見表7。

對表6中的數據進行處理，顯示模塊在不同占空比下各時間段的溫升變化數據ΔT見表8。

綜合表7和表8數據可以得到不同占空比下各時間段溫升ΔT，并對其進行擬合，結果如圖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隨時間增加而增大，呈指數關系，并且占空比越大，溫升越高。

綜合表6和表7數據，以低溫啟動工作5min時各占空比下的溫升ΔT為例，對其進行擬合，結果如圖6所示。可見在占空比控制下的低溫啟動工作過程中，顯示模塊溫升ΔT隨占空比功耗增加而增大，呈指數關系。

2.3 直控與占空比控制的數據對比

在實際設計過程中，硬件設計控制比例為最大功耗的百分比。在邏輯設計過程中，將硬件設計提供的百分比作為占空比控制比例。由2.1節和2.2節內容可知，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隨百分比的變化關系進行擬合，結果如圖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，呈線性關系。由圖3、圖6擬合結果可知，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關系。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，尤其是當占空比百分比低于80%時，其與直控模式下的溫升差距進一步加大。

在實際應用方面，直控設計的功耗比例一般不會低于70%。結合表9數據可知，當設計功耗百分比為最大功耗的70%時，邏輯程序中的占空比設置值應為85%左右；當設計功耗百分比為最大功耗的80%時，邏輯程序中的占空比設置值應為90%左右；當設計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置值應為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置值應在設計功耗百分比的基礎上至少增加10%，同時低溫啟動前5min內的占空比設置值原則上不應低于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，穩定、持續地產生熱量，該熱量利用顯示模塊的窗口玻璃和金屬結構件與外界環境形成熱交換，并逐步達到熱平衡。

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，由光耦產生PWM波并輸入MOS管2，對平板加熱器工作電源的通、斷進行控制。由于PWM波的頻率為200Hz，單個周期的時長為5ms。結合本文所用光耦技術規格參數可知，光耦的開啟和關閉延時為20μs，占整個周期時長的0.4%。MOS管2的技術規格參數表明，當PWM波輸入MOS管2后，存在220ns的延時，進一步縮短了單個周期內的有效加熱時長，從而降低了功耗的利用率，因此相同時間內產生的熱量低于直控模式。此外，顯示模塊與外部環境熱交換的主要方式為熱對流，其計算公式為Q=αSΔT（其中Q為單位時間熱傳導傳遞的熱量；α為傳熱系數；S為換熱面積）[2]。由于同一型號產品的熱傳導能力、換熱面積均相同，因此相同時間內溫度差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，發現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置值應在設計功耗百分比的基礎上至少增加10%，并且低溫啟動前5min內的占空比設置值原則上不應低于80%。該試驗結果為機載特種顯示器在極端低溫環境下的加熱功耗控制提供了理論依據。

參考文獻

[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系[J]，光電子技術，2017，37（3）：186-190.

[2]謝德仁.電子設備熱設計[M].南京：東南大學出版社，1989.