一种新型LED显示模组供电拓扑

摘要：设计了一种LED显示屏模组的全新的电源供电拓扑。220 V／50 Hz(或110V／60HZ)交流电源经过滤波、整流、PFC矫正后产生一个400V的电压；400V的电压通过总线传输到模组内的辅助电源模块和多个高效电源模块；辅助电源模块接收控制命令开关PFC电路和高效电源模块，并给小信号电路提供电能；高效电源模块再将400 V的电压转换成LED点阵模块所需电压。这种拓扑供电使LED显示模组的电磁兼容符合相关的标准规定限值(GBl7625．1-2003或兼容IECl000-3-2)，模组PF值可以达到98％以上；同时，LED显示屏的整个电能的转换效率可以达到82％以上，与传统拓扑相比减少了整个显示屏功耗。
关键词：开关电源模块；谐波；总谐波失真；有源；无源；功率因数矫正；NCPl653；NCPl207

    LED全彩显示屏是一种新型的室内外大尺寸的电子传播媒体，具有尺寸大、环境适应性好、亮度高、动态播放等特点。随着LED性价比的进一步提高，它可广泛应用于广告、舞台、招牌、交通设施、公众场所等领域。LED作为一种新兴的发光器件，具有公认节能特点。但是，由大量LED灯管组成的LED全彩显示屏应用却耗能巨大；同时，大量LED模组构成LED显示屏，而LED模组内是由若干的开关电源供电，这种大量传统开关电源(不带PFC矫正)产生的谐波失真很容易污染公共电网；所以，电磁兼容性和低能耗设计是LED显示屏技术一个重要的发展方向。

1 LED显示屏模组的供电拓扑结构
    采用传统的全彩LED显示屏模组拓扑架构供电(不带PFC矫正)，谐波失真对电网的影响非常严重。通过工程部门对多项实际工程的观测，LED显示屏系统对供电网络的影响主要有：1)主要谐波电流为3／5／7／9／11次；2)谐波叠加后，造成系统综合功率因素低下，通常低于0.75，远远低于国家标准的要求；3)电压电流波形畸变严重，不是标准的正弦波形。谐波失真可能对电网上其他敏感设备造成不良影响，甚至使其工作异常，带来关联的法律责任问题，例如，谐波导致同楼中某公司的网络服务器因突然停电，造成损失。所以，全彩LED显示屏模组的电源供电拓扑结构，采用PFC的技术是大势所趋，是整个行业技术升级的必然结果。
    如图1所示，传统的全彩LED显示屏的电源供电拓扑一般是采用若干个(m个)开关电源的并联输出，然后采用5 V的直流总线的方式给LED点阵模块进行供电。譬如，一个静态的P16全彩LED模组，一般使用4个标准电源S-350-5，并在5 V输出端采用并联方式组成供电总线，然后各个LED点阵模块分别通过总线分支取电。这种总线供电方式，使得5 V电源在传输到LED器件过程中，消耗电能浪费。通常，5 V直流电总线的电流比较大，在传输的过程中，部分电能通过传输线阻变成了热量(P=(ILED)2R线)，散发到环境中。另一方面，受负载变化(像素点信号的变化)，LED导通电流也变化，根据分压原理：VLED=5 V-(ILEDR线)，虽然开关电源模块S-350-5输出5 V+1％、但是传输到LED点阵模块部分的电压却是一个变化的电压值，并且随着LED电流ILED变化越大，传输到LED点阵模块的电压值也变化越大。当负载电流增大到一定值后，传输到LED像素点电压可能低于LED的完全导通的必须电压值，甚至于影响LED大屏幕的正常显示功能。

    经过众多实验数据分析，为了克服传统显示屏模组的诸多缺点，提出了一种全新的LED显示屏模组的供电拓扑结构，如图2所示。该拓扑结构包括：
    1)交流输入端采用一个公共的交流滤波和PFC矫正电路，产生400 V的直流电压，然后400 V直流电压通过模组内电源总线传输能量；因为采用了400 V的直流电源传输，所以在整个传输总线上的电流较小。譬如，一个P16(像素点间距是16mm)的LED显示屏模组的电源功率需要输入400W，那么在400 V直流总线上传输的电流只有1 A，而总线上的线阻只有0．1 Ω，计算传输的损耗只有O．01 W，可忽略不计。
    2)辅助开关电源模块，该供电模块也是从400 V电源总线中提取能量。经过变换提供+5 V直流电源给模组的信号控制模块供电．提供+12 V直流电源给模组的各种辅助电路(电气检测电路、温湿度检测电路、环境亮度检测电路，降温举措电路等)供电，并且该辅助电源模块还支持通信接口与信号处理电路接口，用于控制PFC电路及其他开关电源模块的启动和关闭。这样有助于整个LED显示系统的智能化管理。
    3)若干分布在模组内的小型开关电源，这些开关电源从400 V直流总线上取得必要的电能，然后有效地变换输出LED点阵模块所需的供电电压(VrVg和Vb)；因为采用红绿蓝3路分别供电的拓扑结构，可以根据输出的LED器件的实际所需电压要求来设置特定电压输出值。所以，这种供电方式可以给LED点阵模块提供更稳定可靠的电源，为高品质的LED显示提供保证。

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2 PFC调整电路和辅助开关电源模块
2．1 电源滤波和PFC调整电路
    目前的PFC有两大类，一类为被动式PFC(也称无源PFC)，主要包括“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)”两种；另一类为主动式PFC(也称有源式PFC)。主动式PFC电路由电感、电容及有源电子元器件(二极管、MOS管和PFC控制器等)组成，通过闭环控制电路调整输入电流的波形，并对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC输出直流电压的纹波很小，不必采用大容量的滤波电容；并且主动式PFC可达到较高的功率因数(通常达98％以上)。
    IECl000-3-2标准规定了PFC电路矫正后，从电网中吸收电流时产生的谐波失真的最小值，规定矫正后的电流近似为一个正弦波，且相位与输入市电一致。升压模式的电路结构拓扑非常巧妙地实现了PFC的矫正。如图3所示，输入电压的幅度和相位输入到PFC控制器的内部比较器的一个输入端，以此来控制进入L中的电流与输入电压相位同步；同时Bulk电容上的电压反馈输入，来控制PFC电路输出电压值；L、VD和SW组成了一个基本的升压电路，在L内产生一个相位跟随输入电压相位的三角波电流，三角波波形变化的电流在输入整流桥堆的滤波电容的滤波作用下，变成了一个正弦波电流：三角波的电流幅度受控制器的限流电阻的采样值的控制限制。因此，通过PFC电路校正后，从市电吸收的电
流近似为与输入电压同相位的正弦波形，可表示为：K×1．414xVacxsin(ωt)，其中，Kxl．414是常数，Vac是输入交流电压整流后电压振幅值，sin(ωt)是与输入电压同相变化的电流正弦函数。由此公式可知，矫正后的电流波形与输入电压一致，很好地矫正了电流谐波失真的问题。
    因此，最新LED显示模组供电拓扑建议PFC矫正电路采用有源主动式矫正技术，如图3所示。有源矫正的电路(PFC部分)插在输入整流桥和电源变换供电电路之间。这种插入的预处理装置能提供恒定的电压输出，同时以正弦波的方式从市电网吸收电流。它实际上是一种升压变换的拓扑结构。当调整模块正常工作时，PFC矫正电路将输入市电电压升压到400 V左右，并将输出能量存储在大电容(Bulk)。

    NCPl653为一款集成PFC调整控制器，其具有如下特点：兼容IECl000-3-2；连续导电模式(CCM)；平均电流模式或峰值电流模式可选；固定电压输出或跟随升压操作；极少的外围元件；固定开关频率；软启动；VCC低电压锁定(迟滞电压范围为8．7～13．25 V)；低电压保护或关闭；可编程过流保护：可编程最大功率限值；热保护(迟滞温度范围为120～150℃)；无铅封装。
    采用NCPl653按照图3所示拓扑结构组成的PFC校正电路，在交流110 V输入情况之下的谐波失真与功耗、输出电压、输出电流、PF比值、谐波总失真率和变换效率的测量比较列表如表l所示。在220 V输入情况之下的谐波失真与功耗、输出电压、输出电流、PF比值、谐波总失真率和变换效率的测量比较列表如表2所示。

    从测试数据来看。本文拓扑电路中的PFC部分可以在LED模组负载变化的情况下实现有效的谐波校正，达到很高的PF值。同时利用对NCP-l653电源引脚的控制，实现PFC电路的使能和电源旁路的功能：当电源引脚达到13．25 V时，PFC功能启动：当电源引脚供电低于8．7 V时，PFC功能停止，桥式整流后电压直接旁路输出到Bulk电容。
2．2 辅助开关电源的设计
    LED显示模组里除了LED点阵模块外，还有扫描信号控制模块、各种检测电路模块和降温处理模块等，而且这些模块工作状态是常态的，显示屏点阵点亮时和熄灭时均可能在工作。所以这就要求其供电回路也是24 h供电。甚至有的系统设计采用电池作为断电时信号处理模块的备用电源。这里设计一个辅助电源为各个功能模块供电。
    NCPl207控制器具有如下特点：内置700 V耐压的MOSFET，在接温25℃时导通电阻是5．8 Ω；电流模式的固定频率是65 kHz和100 kHz；固定峰值电流是800 mA；在低峰值电流进行Skip-Cycle的操作模式；内置电流源用于清洁、无功耗启动时序；具有短路保护的自动恢复的时基检测电路；辅助绕组的过电压自动恢复功能；可编程输入电压的低电压检测Brown-Out输入功能；可编程最大功率限制；内部频率用于提高EMI的信号；占空比扩展到80％；在无负载的输入待机功耗是85 mW@265 Vac；500 mW负载的输入待机功耗是715 mW@230 Vac；该器件是无铅封装。
    由于扫描信号控制模块，各种检测电路模块等均是小信号处理电路，需要功耗小于15 W。从能量的变换效率和输入电压适应性考虑，建议采用电流模式、准谐振、反激式反馈型能量变换拓扑架构，并采用同步整流技术。以NCPl207控制器为例设计模组辅助电源模块如图4所示：1)该电源从Vbulk总线上吸收电能，直流电压范围为+120～+400 V；2)主开关管V02开通时，“变压器”初级绕组储存能量，V02关闭时，
将能量传送到次级绕组；3)初级的辅助绕组，一方面整流向NCPl207和PFC回路芯片供电，另一方向NCPl207的引脚提供一个退磁信号；4)电阻R4限制开关管导通的最大电流值；5)变压器次级输出电压+5 V是输出主回路，用于信号扫描模块的供电，采用同步整流的技术，从而减少了整流二极管的反向恢复损耗；6)变压器次级输出电压+12V是副输出回路，用于监控电路和其他功能模块的供电，同样采用同步整流的技术，减少了损耗；7)接收信号控制板来的控制信号通过光耦耦合到初级，用于控制NCPl653的+15 V的供电，实现控制PFC电路启动和关断的功能。
    实际工程应用中，关断和开启PFC功能(通过改变给NCPl653供电来实现)具有重要意义。当LED显示屏仅仅在进行系统维护时，不需要LED点阵模块点亮时，可以关闭PFC矫正功能及分布式开关电源模块，从而达到节能的目的：在LED显示屏开启和关断时，可以接收控制系统开闭命令信号，实现整个LED显示屏的各个模组分时依次开启或关断，大大降低整个LED显示屏工程在开关机时的浪涌尖峰值，避免了对电网中设备的危险冲击。如图4中，VQ8的开断控制着PFC电路的开启和停止。 [p]

3 模组点阵模块所需电源设计
    本拓扑设计的模组内由若干LED点阵模块组成，相应地有若干LED电源模块对应供电。
3．1 LED点阵模块的可变电压设计
    全彩LED点阵模块，一般是由红、绿、蓝LED构成，而这3种LED的电压导通特性是有差异的，一般蓝、绿LED导通电压接近，建议将蓝、绿LED采用同一路电压供电。所以，电源模块采用两路可调电压输出V红、V蓝绿供电，如图5所示。

3．2 LED点阵模块电源原理图设计
    选用NCPl207为主控制器件设计的LED点阵模块的开关电源如图6所示：1)该电源从Vbulk总线上吸收电能，直流电压范围为370～400 V，R23、R25和R28组成的分压电路采样输入电压总线上的电压值，然后反馈给NCPl207从而实现控制；2)主开关管VQ14开通时，“变压器”初级绕组储存能量，VQ14关闭时，将能量传送到次级绕组；3)初级的辅助绕组，一方面整流为NCPl207供电，另一方向NCPl207的引脚提供一个退磁信号；4)电阻R31限制开关管导通的最大电流值；5)反馈信号是由(VDC蓝绿)输出回路获得，从而保持了(VDC蓝绿LED)稳定电压输出，变压器次级(VDC蓝绿)输出电压采用同步整流技术，减少了整流二极管的反向恢复损耗；6)变压器次级副输出回路，同样采用同步整流技术，减少了损耗，然后经过一个输出可调Buck变换电路(以U5为调整核心)，输出稳定的实际所需的供电电压(VDC红LED)。

    如图6所示，当输入电压Vbulk低于＋370 V(可根据具体情况设置恰当值)，分压所得电压使VQ12A导通到地，从而关闭了NCPl207的输出脉冲，NCPl207停止工作，电源停止给LED点阵模块供电；相反，当总线电压上升至大于+370 V时，PFC电路正常工作，VQ12A关断，NCPl207正常工作，电源重新给LED点阵模块供电。
    提高LED点阵模块电源的电能转换效率是本拓扑设计中重要一环。所以，采用了零电压导通和零电流关断的准谐振软开关技术，降低了开关电源的主开关管的开关损耗；采用同步整流技术，降低了输出整流管的反向恢复损耗。同时，LED点阵模块电源要求电源模块变压器设计小型化，这就要求必须提高磁元件的功率密度。而平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点，并且因为体积的小巧使其成为一种优异的磁性元件，极大改进了开关电源的工作状态。因此这里的开关电源模块使用平面变压器。

4 结论
    通过交流电源滤波和PFC校正模块，将后续若干DC-DC变换电路与电网隔开，并进行了PFC有源校正，从而洁净了电源。对电网无谐波污染；同时采用400 V高压总线传输，从而减少了传输损耗，提高了转换效率；采用辅助电源模块给信号控制模块、PFC调整电路和其他功能电路供电，并提供控制接口，可以方便系统更有效地对模组电源功率的管理；同时，电源系统在给LED点阵模块供电时，各路输出电压任意可调，能够满足LED负载的实际需要，从而降低了同一电压带来的LED点阵模块的无用功耗。