一種新型LED顯示模組供電拓?fù)?/h1>
摘要：設(shè)計(jì)了一種LED顯示屏模組的全新的電源供電拓?fù)?/strong>。220 V／50 Hz(或110V／60HZ)交流電源經(jīng)過(guò)濾波、整流、PFC矯正后產(chǎn)生一個(gè)400V的電壓；400V的電壓通過(guò)總線傳輸?shù)侥＝M內(nèi)的輔助電源模塊和多個(gè)高效電源模塊；輔助電源模塊接收控制命令開(kāi)關(guān)PFC電路和高效電源模塊，并給小信號(hào)電路提供電能；高效電源模塊再將400 V的電壓轉(zhuǎn)換成LED點(diǎn)陣模塊所需電壓。這種拓?fù)涔╇娛筁ED顯示模組的電磁兼容符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值(GBl7625．1-2003或兼容IECl000-3-2)，模組PF值可以達(dá)到98％以上；同時(shí)，LED顯示屏的整個(gè)電能的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到82％以上，與傳統(tǒng)拓?fù)湎啾葴p少了整個(gè)顯示屏功耗。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源模塊；諧波；總諧波失真；有源；無(wú)源；功率因數(shù)矯正；NCPl653；NCPl207
LED全彩顯示屏是一種新型的室內(nèi)外大尺寸的電子傳播媒體，具有尺寸大、環(huán)境適應(yīng)性好、亮度高、動(dòng)態(tài)播放等特點(diǎn)。隨著LED性價(jià)比的進(jìn)一步提高，它可廣泛應(yīng)用于廣告、舞臺(tái)、招牌、交通設(shè)施、公眾場(chǎng)所等領(lǐng)域。LED作為一種新興的發(fā)光器件，具有公認(rèn)節(jié)能特點(diǎn)。但是，由大量LED燈管組成的LED全彩顯示屏應(yīng)用卻耗能巨大；同時(shí)，大量LED模組構(gòu)成LED顯示屏，而LED模組內(nèi)是由若干的開(kāi)關(guān)電源供電，這種大量傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源(不帶PFC矯正)產(chǎn)生的諧波失真很容易污染公共電網(wǎng)；所以，電磁兼容性和低能耗設(shè)計(jì)是LED顯示屏技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。
1 LED顯示屏模組的供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
采用傳統(tǒng)的全彩LED顯示屏模組拓?fù)浼軜?gòu)供電(不帶PFC矯正)，諧波失真對(duì)電網(wǎng)的影響非常嚴(yán)重。通過(guò)工程部門對(duì)多項(xiàng)實(shí)際工程的觀測(cè)，LED顯示屏系統(tǒng)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的影響主要有：1)主要諧波電流為3／5／7／9／11次；2)諧波疊加后，造成系統(tǒng)綜合功率因素低下，通常低于0.75，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求；3)電壓電流波形畸變嚴(yán)重，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。諧波失真可能對(duì)電網(wǎng)上其他敏感設(shè)備造成不良影響，甚至使其工作異常，帶來(lái)關(guān)聯(lián)的法律責(zé)任問(wèn)題，例如，諧波導(dǎo)致同樓中某公司的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器因突然停電，造成損失。所以，全彩LED顯示屏模組的電源供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用PFC的技術(shù)是大勢(shì)所趨，是整個(gè)行業(yè)技術(shù)升級(jí)的必然結(jié)果。
如圖1所示，傳統(tǒng)的全彩LED顯示屏的電源供電拓?fù)湟话闶遣捎萌舾蓚€(gè)(m個(gè))開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)輸出，然后采用5 V的直流總線的方式給LED點(diǎn)陣模塊進(jìn)行供電。譬如，一個(gè)靜態(tài)的P16全彩LED模組，一般使用4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電源S-350-5，并在5 V輸出端采用并聯(lián)方式組成供電總線，然后各個(gè)LED點(diǎn)陣模塊分別通過(guò)總線分支取電。這種總線供電方式，使得5 V電源在傳輸?shù)絃ED器件過(guò)程中，消耗電能浪費(fèi)。通常，5 V直流電總線的電流比較大，在傳輸?shù)倪^(guò)程中，部分電能通過(guò)傳輸線阻變成了熱量(P=(ILED)2R線)，散發(fā)到環(huán)境中。另一方面，受負(fù)載變化(像素點(diǎn)信號(hào)的變化)，LED導(dǎo)通電流也變化，根據(jù)分壓原理：VLED=5 V-(ILEDR線)，雖然開(kāi)關(guān)電源模塊S-350-5輸出5 V+1％、但是傳輸?shù)絃ED點(diǎn)陣模塊部分的電壓卻是一個(gè)變化的電壓值，并且隨著LED電流ILED變化越大，傳輸?shù)絃ED點(diǎn)陣模塊的電壓值也變化越大。當(dāng)負(fù)載電流增大到一定值后，傳輸?shù)絃ED像素點(diǎn)電壓可能低于LED的完全導(dǎo)通的必須電壓值，甚至于影響LED大屏幕的正常顯示功能。
經(jīng)過(guò)眾多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，為了克服傳統(tǒng)顯示屏模組的諸多缺點(diǎn)，提出了一種全新的LED顯示屏模組的供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：
1)交流輸入端采用一個(gè)公共的交流濾波和PFC矯正電路，產(chǎn)生400 V的直流電壓，然后400 V直流電壓通過(guò)模組內(nèi)電源總線傳輸能量；因?yàn)椴捎昧?00 V的直流電源傳輸，所以在整個(gè)傳輸總線上的電流較小。譬如，一個(gè)P16(像素點(diǎn)間距是16mm)的LED顯示屏模組的電源功率需要輸入400W，那么在400 V直流總線上傳輸?shù)碾娏髦挥? A，而總線上的線阻只有0．1 Ω，計(jì)算傳輸?shù)膿p耗只有O．01 W，可忽略不計(jì)。
2)輔助開(kāi)關(guān)電源模塊，該供電模塊也是從400 V電源總線中提取能量。經(jīng)過(guò)變換提供+5 V直流電源給模組的信號(hào)控制模塊供電．提供+12 V直流電源給模組的各種輔助電路(電氣檢測(cè)電路、溫濕度檢測(cè)電路、環(huán)境亮度檢測(cè)電路，降溫舉措電路等)供電，并且該輔助電源模塊還支持通信接口與信號(hào)處理電路接口，用于控制PFC電路及其他開(kāi)關(guān)電源模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉。這樣有助于整個(gè)LED顯示系統(tǒng)的智能化管理。
3)若干分布在模組內(nèi)的小型開(kāi)關(guān)電源，這些開(kāi)關(guān)電源從400 V直流總線上取得必要的電能，然后有效地變換輸出LED點(diǎn)陣模塊所需的供電電壓(VrVg和Vb)；因?yàn)椴捎眉t綠藍(lán)3路分別供電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以根據(jù)輸出的LED器件的實(shí)際所需電壓要求來(lái)設(shè)置特定電壓輸出值。所以，這種供電方式可以給LED點(diǎn)陣模塊提供更穩(wěn)定可靠的電源，為高品質(zhì)的LED顯示提供保證。
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2 PFC調(diào)整電路和輔助開(kāi)關(guān)電源模塊
2．1 電源濾波和PFC調(diào)整電路
目前的PFC有兩大類，一類為被動(dòng)式PFC(也稱無(wú)源PFC)，主要包括“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式(Valley Fill Circuit)”兩種；另一類為主動(dòng)式PFC(也稱有源式PFC)。主動(dòng)式PFC電路由電感、電容及有源電子元器件(二極管、MOS管和PFC控制器等)組成，通過(guò)閉環(huán)控制電路調(diào)整輸入電流的波形，并對(duì)電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。主動(dòng)式PFC輸出直流電壓的紋波很小，不必采用大容量的濾波電容；并且主動(dòng)式PFC可達(dá)到較高的功率因數(shù)(通常達(dá)98％以上)。
IECl000-3-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了PFC電路矯正后，從電網(wǎng)中吸收電流時(shí)產(chǎn)生的諧波失真的最小值，規(guī)定矯正后的電流近似為一個(gè)正弦波，且相位與輸入市電一致。升壓模式的電路結(jié)構(gòu)拓?fù)浞浅Ｇ擅畹貙?shí)現(xiàn)了PFC的矯正。如圖3所示，輸入電壓的幅度和相位輸入到PFC控制器的內(nèi)部比較器的一個(gè)輸入端，以此來(lái)控制進(jìn)入L中的電流與輸入電壓相位同步；同時(shí)Bulk電容上的電壓反饋輸入，來(lái)控制PFC電路輸出電壓值；L、VD和SW組成了一個(gè)基本的升壓電路，在L內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)相位跟隨輸入電壓相位的三角波電流，三角波波形變化的電流在輸入整流橋堆的濾波電容的濾波作用下，變成了一個(gè)正弦波電流：三角波的電流幅度受控制器的限流電阻的采樣值的控制限制。因此，通過(guò)PFC電路校正后，從市電吸收的電
流近似為與輸入電壓同相位的正弦波形，可表示為：K×1．414xVacxsin(ωt)，其中，Kxl．414是常數(shù)，Vac是輸入交流電壓整流后電壓振幅值，sin(ωt)是與輸入電壓同相變化的電流正弦函數(shù)。由此公式可知，矯正后的電流波形與輸入電壓一致，很好地矯正了電流諧波失真的問(wèn)題。
因此，最新LED顯示模組供電拓?fù)浣ㄗhPFC矯正電路采用有源主動(dòng)式矯正技術(shù)，如圖3所示。有源矯正的電路(PFC部分)插在輸入整流橋和電源變換供電電路之間。這種插入的預(yù)處理裝置能提供恒定的電壓輸出，同時(shí)以正弦波的方式從市電網(wǎng)吸收電流。它實(shí)際上是一種升壓變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)調(diào)整模塊正常工作時(shí)，PFC矯正電路將輸入市電電壓升壓到400 V左右，并將輸出能量存儲(chǔ)在大電容(Bulk)。
NCPl653為一款集成PFC調(diào)整控制器，其具有如下特點(diǎn)：兼容IECl000-3-2；連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)；平均電流模式或峰值電流模式可選；固定電壓輸出或跟隨升壓操作；極少的外圍元件；固定開(kāi)關(guān)頻率；軟啟動(dòng)；VCC低電壓鎖定(遲滯電壓范圍為8．7～13．25 V)；低電壓保護(hù)或關(guān)閉；可編程過(guò)流保護(hù)：可編程最大功率限值；熱保護(hù)(遲滯溫度范圍為120～150℃)；無(wú)鉛封裝。
采用NCPl653按照?qǐng)D3所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的PFC校正電路，在交流110 V輸入情況之下的諧波失真與功耗、輸出電壓、輸出電流、PF比值、諧波總失真率和變換效率的測(cè)量比較列表如表l所示。在220 V輸入情況之下的諧波失真與功耗、輸出電壓、輸出電流、PF比值、諧波總失真率和變換效率的測(cè)量比較列表如表2所示。
從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看。本文拓?fù)潆娐分械腜FC部分可以在LED模組負(fù)載變化的情況下實(shí)現(xiàn)有效的諧波校正，達(dá)到很高的PF值。同時(shí)利用對(duì)NCP-l653電源引腳的控制，實(shí)現(xiàn)PFC電路的使能和電源旁路的功能：當(dāng)電源引腳達(dá)到13．25 V時(shí)，PFC功能啟動(dòng)：當(dāng)電源引腳供電低于8．7 V時(shí)，PFC功能停止，橋式整流后電壓直接旁路輸出到Bulk電容。
2．2 輔助開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)
LED顯示模組里除了LED點(diǎn)陣模塊外，還有掃描信號(hào)控制模塊、各種檢測(cè)電路模塊和降溫處理模塊等，而且這些模塊工作狀態(tài)是常態(tài)的，顯示屏點(diǎn)陣點(diǎn)亮?xí)r和熄滅時(shí)均可能在工作。所以這就要求其供電回路也是24 h供電。甚至有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用電池作為斷電時(shí)信號(hào)處理模塊的備用電源。這里設(shè)計(jì)一個(gè)輔助電源為各個(gè)功能模塊供電。
NCPl207控制器具有如下特點(diǎn)：內(nèi)置700 V耐壓的MOSFET，在接溫25℃時(shí)導(dǎo)通電阻是5．8 Ω；電流模式的固定頻率是65 kHz和100 kHz；固定峰值電流是800 mA；在低峰值電流進(jìn)行Skip-Cycle的操作模式；內(nèi)置電流源用于清潔、無(wú)功耗啟動(dòng)時(shí)序；具有短路保護(hù)的自動(dòng)恢復(fù)的時(shí)基檢測(cè)電路；輔助繞組的過(guò)電壓自動(dòng)恢復(fù)功能；可編程輸入電壓的低電壓檢測(cè)Brown-Out輸入功能；可編程最大功率限制；內(nèi)部頻率用于提高EMI的信號(hào)；占空比擴(kuò)展到80％；在無(wú)負(fù)載的輸入待機(jī)功耗是85 mW@265 Vac；500 mW負(fù)載的輸入待機(jī)功耗是715 mW@230 Vac；該器件是無(wú)鉛封裝。
由于掃描信號(hào)控制模塊，各種檢測(cè)電路模塊等均是小信號(hào)處理電路，需要功耗小于15 W。從能量的變換效率和輸入電壓適應(yīng)性考慮，建議采用電流模式、準(zhǔn)諧振、反激式反饋型能量變換拓?fù)浼軜?gòu)，并采用同步整流技術(shù)。以NCPl207控制器為例設(shè)計(jì)模組輔助電源模塊如圖4所示：1)該電源從Vbulk總線上吸收電能，直流電壓范圍為+120～+400 V；2)主開(kāi)關(guān)管V02開(kāi)通時(shí)，“變壓器”初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量，V02關(guān)閉時(shí)，
將能量傳送到次級(jí)繞組；3)初級(jí)的輔助繞組，一方面整流向NCPl207和PFC回路芯片供電，另一方向NCPl207的引腳提供一個(gè)退磁信號(hào)；4)電阻R4限制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的最大電流值；5)變壓器次級(jí)輸出電壓+5 V是輸出主回路，用于信號(hào)掃描模塊的供電，采用同步整流的技術(shù)，從而減少了整流二極管的反向恢復(fù)損耗；6)變壓器次級(jí)輸出電壓+12V是副輸出回路，用于監(jiān)控電路和其他功能模塊的供電，同樣采用同步整流的技術(shù)，減少了損耗；7)接收信號(hào)控制板來(lái)的控制信號(hào)通過(guò)光耦耦合到初級(jí)，用于控制NCPl653的+15 V的供電，實(shí)現(xiàn)控制PFC電路啟動(dòng)和關(guān)斷的功能。
實(shí)際工程應(yīng)用中，關(guān)斷和開(kāi)啟PFC功能(通過(guò)改變給NCPl653供電來(lái)實(shí)現(xiàn))具有重要意義。當(dāng)LED顯示屏僅僅在進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)時(shí)，不需要LED點(diǎn)陣模塊點(diǎn)亮?xí)r，可以關(guān)閉PFC矯正功能及分布式開(kāi)關(guān)電源模塊，從而達(dá)到節(jié)能的目的：在LED顯示屏開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)，可以接收控制系統(tǒng)開(kāi)閉命令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)LED顯示屏的各個(gè)模組分時(shí)依次開(kāi)啟或關(guān)斷，大大降低整個(gè)LED顯示屏工程在開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)的浪涌尖峰值，避免了對(duì)電網(wǎng)中設(shè)備的危險(xiǎn)沖擊。如圖4中，VQ8的開(kāi)斷控制著PFC電路的開(kāi)啟和停止。[!--empirenews.page--]
3 模組點(diǎn)陣模塊所需電源設(shè)計(jì)
本拓?fù)湓O(shè)計(jì)的模組內(nèi)由若干LED點(diǎn)陣模塊組成，相應(yīng)地有若干LED電源模塊對(duì)應(yīng)供電。
3．1 LED點(diǎn)陣模塊的可變電壓設(shè)計(jì)
全彩LED點(diǎn)陣模塊，一般是由紅、綠、藍(lán)LED構(gòu)成，而這3種LED的電壓導(dǎo)通特性是有差異的，一般藍(lán)、綠LED導(dǎo)通電壓接近，建議將藍(lán)、綠LED采用同一路電壓供電。所以，電源模塊采用兩路可調(diào)電壓輸出V紅、V藍(lán)綠供電，如圖5所示。
3．2 LED點(diǎn)陣模塊電源原理圖設(shè)計(jì)
選用NCPl207為主控制器件設(shè)計(jì)的LED點(diǎn)陣模塊的開(kāi)關(guān)電源如圖6所示：1)該電源從Vbulk總線上吸收電能，直流電壓范圍為370～400 V，R23、R25和R28組成的分壓電路采樣輸入電壓總線上的電壓值，然后反饋給NCPl207從而實(shí)現(xiàn)控制；2)主開(kāi)關(guān)管VQ14開(kāi)通時(shí)，“變壓器”初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量，VQ14關(guān)閉時(shí)，將能量傳送到次級(jí)繞組；3)初級(jí)的輔助繞組，一方面整流為NCPl207供電，另一方向NCPl207的引腳提供一個(gè)退磁信號(hào)；4)電阻R31限制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的最大電流值；5)反饋信號(hào)是由(VDC藍(lán)綠)輸出回路獲得，從而保持了(VDC藍(lán)綠LED)穩(wěn)定電壓輸出，變壓器次級(jí)(VDC藍(lán)綠)輸出電壓采用同步整流技術(shù)，減少了整流二極管的反向恢復(fù)損耗；6)變壓器次級(jí)副輸出回路，同樣采用同步整流技術(shù)，減少了損耗，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)輸出可調(diào)Buck變換電路(以U5為調(diào)整核心)，輸出穩(wěn)定的實(shí)際所需的供電電壓(VDC紅LED)。
如圖6所示，當(dāng)輸入電壓Vbulk低于＋370 V(可根據(jù)具體情況設(shè)置恰當(dāng)值)，分壓所得電壓使VQ12A導(dǎo)通到地，從而關(guān)閉了NCPl207的輸出脈沖，NCPl207停止工作，電源停止給LED點(diǎn)陣模塊供電；相反，當(dāng)總線電壓上升至大于+370 V時(shí)，PFC電路正常工作，VQ12A關(guān)斷，NCPl207正常工作，電源重新給LED點(diǎn)陣模塊供電。
提高LED點(diǎn)陣模塊電源的電能轉(zhuǎn)換效率是本拓?fù)?/strong>設(shè)計(jì)中重要一環(huán)。所以，采用了零電壓導(dǎo)通和零電流關(guān)斷的準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，降低了開(kāi)關(guān)電源的主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗；采用同步整流技術(shù)，降低了輸出整流管的反向恢復(fù)損耗。同時(shí)，LED點(diǎn)陣模塊電源要求電源模塊變壓器設(shè)計(jì)小型化，這就要求必須提高磁元件的功率密度。而平面變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有著非常大的優(yōu)點(diǎn)，并且因?yàn)轶w積的小巧使其成為一種優(yōu)異的磁性元件，極大改進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的工作狀態(tài)。因此這里的開(kāi)關(guān)電源模塊使用平面變壓器。
4 結(jié)論
通過(guò)交流電源濾波和PFC校正模塊，將后續(xù)若干DC-DC變換電路與電網(wǎng)隔開(kāi)，并進(jìn)行了PFC有源校正，從而潔凈了電源。對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波污染；同時(shí)采用400 V高壓總線傳輸，從而減少了傳輸損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率；采用輔助電源模塊給信號(hào)控制模塊、PFC調(diào)整電路和其他功能電路供電，并提供控制接口，可以方便系統(tǒng)更有效地對(duì)模組電源功率的管理；同時(shí)，電源系統(tǒng)在給LED點(diǎn)陣模塊供電時(shí)，各路輸出電壓任意可調(diào)，能夠滿足LED負(fù)載的實(shí)際需要，從而降低了同一電壓帶來(lái)的LED點(diǎn)陣模塊的無(wú)用功耗。
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