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摘要：設計了一種LED 顯示屏模組的全新的電源供電拓撲。220 V/50 Hz（或110 V/60 HZ）交流電源經(jīng)過濾波、整流、PFC 矯正后產(chǎn)生一個400 V 的電壓；400 V 的電壓通過總線傳輸?shù)侥＝M內的輔助電源模塊和多個高效電源模塊；輔助電源模塊接收控制命令開關PFC 電路和高效電源模塊，并給小信號電路提供電能；高效電源模塊再將400 V 的電壓轉換成LED 點陣模塊所需電壓。這種拓撲供電使LED 顯示模組的電磁兼容符合相關的標準規(guī)定限值（GB17625.1-2003 或兼容IEC1000-3-2），模組PF 值可以達到98%以上；同時，LED 顯示屏的整個電能的轉換效率可以達到82%以上，與傳統(tǒng)拓撲相比減少了整個顯示屏功耗。 表1 在110 V 輸入時PFC 校正電路各參數(shù)比較 表2 在220 V 輸入時PFC 正電路各參數(shù)比較
LED 全彩顯示屏是一種新型的室內外大尺寸的電子傳播媒體，具有尺寸大、環(huán)境適應性好、亮度高、動態(tài)播放等特點。隨著LED 性價比的進一步提高，它可廣泛應用于廣告、舞臺、招牌、交通設施、公眾場所等領域。LED 作為一種新興的發(fā)光器件,具有公認節(jié)能特點。但是，由大量LED 燈管組成的LED 全彩顯示屏應用卻耗能巨大；同時，大量LED 模組構成LED 顯示屏，而LED 模組內是由若干的開關電源供電，這種大量傳統(tǒng)開關電源（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計是LED 顯示屏技術一個重要的發(fā)展方向。
1 LED 顯示屏模組的供電拓撲結構
采用傳統(tǒng)的全彩LED 顯示屏模組拓撲架構供電（不帶PFC 矯正），諧波失真對電網(wǎng)的影響非常嚴重。通過工程部門對多項實際工程的觀測，LED 顯示屏系統(tǒng)對供電網(wǎng)絡的影響主要有： 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，遠遠低于國家標準的要求；3）電壓電流波形畸變嚴重，不是標準的正弦波形。諧波失真可能對電網(wǎng)上其他敏感設備造成不良影響，甚至使其工作異常，帶來關聯(lián)的法律責任問題，例如,諧波導致同樓中某公司的網(wǎng)絡服務器因突然停電，造成損失。所以，全彩LED 顯示屏模組的電源供電拓撲結構，采用PFC 的技術是大勢所趨，是整個行業(yè)技術升級的必然結果。
如圖1 所示，傳統(tǒng)的全彩LED 顯示屏的電源供電拓撲一般是采用若干個（m 個）開關電源的并聯(lián)輸出，然后采用5 V的直流總線的方式給LED 點陣模塊進行供電。譬如，一個靜態(tài)的P16 全彩LED 模組， 一般使用4 個標準電源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LED點陣模塊分別通過總線分支取電。這種總線供電方式，使得5 V 電源在傳輸?shù)絃ED 器件過程中，消耗電能浪費。通常，5 V直流電總線的電流比較大，在傳輸?shù)倪^程中，部分電能通過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，受負載變化（像素點信號的變化），LED 導通電流也變化，根據(jù)分壓原理：VLED=5 V-（ILEDR 線）， 雖然開關電源模塊S-350-5 輸出5 V+1%、但是傳輸?shù)絃ED 點陣模塊部分的電壓卻是一個變化的電壓值， 并且隨著LED 電流ILED變化越大，傳輸?shù)絃ED 點陣模塊的電壓值也變化越大。當負載電流增大到一定值后， 傳輸?shù)絃ED 像素點電壓可能低于LED 的完全導通的必須電壓值， 甚至于影響LED 大屏幕的正常顯示功能。
經(jīng)過眾多實驗數(shù)據(jù)分析，為了克服傳統(tǒng)顯示屏模組的諸多缺點， 提出了一種全新的LED 顯示屏模組的供電拓撲結構，如圖2 所示。該拓撲結構包括：
1） 交流輸入端采用一個公共的交流濾波和PFC 矯正電路，產(chǎn)生400 V 的直流電壓，然后400 V 直流電壓通過模組內電源總線傳輸能量； 因為采用了400 V 的直流電源傳輸，所以在整個傳輸總線上的電流較小。譬如，一個P16（像素點間距是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，計算傳輸?shù)膿p耗只有0.01 W，可忽略不計。
2）輔助開關電源模塊，該供電模塊也是從400 V 電源總線中提取能量。經(jīng)過變換提供+5 V 直流電源給模組的信號控制模塊供電，提供+12 V 直流電源給模組的各種輔助電路（電氣檢測電路、溫濕度檢測電路、環(huán)境亮度檢測電路，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處理電路接口，用于控制PFC 電路及其他開關電源模塊的啟動和關閉。這樣有助于整個LED 顯示系統(tǒng)的智能化管理。
3）若干分布在模組內的小型開關電源，這些開關電源從400 V 直流總線上取得必要的電能， 然后有效地變換輸出LED 點陣模塊所需的供電電壓（Vr,Vg和Vb）；因為采用紅綠藍3 路分別供電的拓撲結構，可以根據(jù)輸出的LED 器件的實際所需電壓要求來設置特定電壓輸出值。所以，這種供電方式可以給LED 點陣模塊提供更穩(wěn)定可靠的電源，為高品質的LED 顯示提供保證。
2 PFC 調整電路和輔助開關電源模塊
2.1 電源濾波和PFC 調整電路
目前的PFC 有兩大類， 一類為被動式PFC （也稱無源PFC），主要包括“電感補償式”和“填谷電路式（Valley Fill Circuit）”兩種；另一類為主動式PFC（也稱有源式PFC）。主動式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，通過閉環(huán)控制電路調整輸入電流的波形，并對電流電壓間的相位差進行補償。主動式PFC 輸出直流電壓的紋波很小，不必采用大容量的濾波電容；并且主動式PFC 可達到較高的功率因數(shù)（通常達98%以上）。
IEC1000-3-2 標準規(guī)定了PFC 電路矯正后，從電網(wǎng)中吸收電流時產(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正弦波，且相位與輸入市電一致。升壓模式的電路結構拓撲非常巧妙地實現(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 控制器的內部比較器的一個輸入端， 以此來控制進入L 中的電流與輸入電壓相位同步；同時Bulk 電容上的電壓反饋輸入， 來控制PFC 電路輸出電壓值；L、VD和SW 組成了一個基本的升壓電路， 在L 內產(chǎn)生一個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×1.414×Vac×sin（ωt），其中，K×1.414 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題。
因此， 最新LED 顯示模組供電拓撲建議PFC 矯正電路采用有源主動式矯正技術, 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。這種插入的預處理裝置能提供恒定的電壓輸出，同時以正弦波的方式從市電網(wǎng)吸收電流。它實際上是一種升壓變換的拓撲結構。當調整模塊正常工作時，PFC 矯正電路將輸入市電電壓升壓到400 V 左右,并將輸出能量存儲在大電容（Bulk）。
NCP1653為一款集成PFC 調整控制器，其具有如下特點：兼容IEC1000-3-2；連續(xù)導電模式（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；固定開關頻率；軟啟動；VCC 低電壓鎖定（遲滯電壓范圍為8.7～13.25 V）；低電壓保護或關閉；可編程過流保護；可編程最大功率限值；熱保護（遲滯溫度范圍為120～150℃）；無鉛封裝。
采用NCP1653 按照圖3 所示拓撲結構組成的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量比較列表如表1 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量比較列表如表2 所示。
從測試數(shù)據(jù)來看， 本文拓撲電路中的PFC 部分可以在LED 模組負載變化的情況下實現(xiàn)有效的諧波校正，達到很高的PF 值。同時利用對NCP1653 電源引腳的控制,實現(xiàn)PFC 電路的使能和電源旁路的功能： 當電源引腳達到13.25 V 時，PFC 功能啟動； 當電源引腳供電低于8.7 V 時，PFC 功能停止，橋式整流后電壓直接旁路輸出到Bulk 電容。
2.2 輔助開關電源的設計
LED 顯示模組里除了LED 點陣模塊外，還有掃描信號控制模塊、各種檢測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，顯示屏點陣點亮時和熄滅時均可能在工作。所以這就要求其供電回路也是24 h 供電。甚至有的系統(tǒng)設計采用電池作為斷電時信號處理模塊的備用電源。這里設計一個輔助電源為各個功能模塊供電。
NCP1207 控制器[具有如下特點： 內置700 V 耐壓的MOSFET， 在接溫25 ℃時導通電阻是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；在低峰值電流進行Skip-Cycle 的操作模式； 內置電流源用于清潔、無功耗啟動時序；具有短路保護的自動恢復的時基檢測電路；輔助繞組的過電壓自動恢復功能；可編程輸入電壓的低電壓檢測Brown-Out 輸入功能； 可編程最大功率限制；內部頻率用于提高EMI 的信號；占空比擴展到80%；在無負載的輸入待機功耗是85 mW@265 Vac；500 mW 負載的輸入待機功耗是715 mW@230 Vac；該器件是無鉛封裝。
由于掃描信號控制模塊，各種檢測電路模塊等均是小信號處理電路，需要功耗小于15 W。從能量的變換效率和輸入電壓適應性考慮，建議采用電流模式、準諧振、反激式反饋型能量變換拓撲架構，并采用同步整流技術。以NCP1207 控制器為例設計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）主開關管VQ2開通時,“變壓器”初級繞組儲存能量，VQ2關閉時，將能量傳送到次級繞組；
3）初級的輔助繞組，一方面整流向NCP1207 和PFC 回路芯片供電， 另一方向NCP1207 的引腳提供一個退磁信號；
4）電阻R4限制開關管導通的最大電流值；
5）變壓器次級輸出電壓+5 V 是輸出主回路，用于信號掃描模塊的供電，采用同步整流的技術，從而減少了整流二極管的反向恢復損耗；
6）變壓器次級輸出電壓+12 V 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，減少了損耗；
7）接收信號控制板來的控制信號通過光耦耦合到初級，用于控制NCP1653 的+15 V 的供電，實現(xiàn)控制PFC 電路啟動和關斷的功能。
實際工程應用中， 關斷和開啟PFC 功能（通過改變給NCP1653 供電來實現(xiàn)）具有重要意義。當LED 顯示屏僅僅在進行系統(tǒng)維護時， 不需要LED 點陣模塊點亮時， 可以關閉PFC 矯正功能及分布式開關電源模塊， 從而達到節(jié)能的目的；在LED 顯示屏開啟和關斷時，可以接收控制系統(tǒng)開閉命令信號，實現(xiàn)整個LED 顯示屏的各個模組分時依次開啟或關斷， 大大降低整個LED 顯示屏工程在開關機時的浪涌尖峰值，避免了對電網(wǎng)中設備的危險沖擊。如圖4 中，VQ8的開斷控制著PFC 電路的開啟和停止。
3 模組點陣模塊所需電源設計
本拓撲設計的模組內由若干LED 點陣模塊組成，相應地有若干LED 電源模塊對應供電。
3.1 LED 點陣模塊的可變電壓設計
全彩LED 點陣模塊，一般是由紅、綠、藍LED 構成，而這3 種LED 的電壓導通特性是有差異的，一般藍、綠LED 導通電壓接近，建議將藍、綠LED 采用同一路電壓供電。所以，電源模塊采用兩路可調電壓輸出V紅、V藍綠供電，如圖5 所示。
3.2 LED 點陣模塊電源原理圖設計
選用NCP1207[2]為主控制器件設計的LED 點陣模塊的開關電源如圖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NCP1207 從而實現(xiàn)控制；2）主開關管VQ14開通時，“變壓器”初級繞組儲存能量，VQ14關閉時，將能量傳送到次級繞組；3）初級的輔助繞組，一方面整流為NCP1207 供電， 另一方向NCP1207 的引腳提供一個退磁信號；4）電阻R31限制開關管導通的最大電流值；5）反饋信號是由（VDC 藍綠）輸出回路獲得，從而保持了（VDC藍綠LED）穩(wěn)定電壓輸出，變壓器次級（VDC 藍綠）輸出電壓采用同步整流技術， 減少了整流二極管的反向恢復損耗；6）變壓器次級副輸出回路，同樣采用同步整流技術，減少了損耗，然后經(jīng)過一個輸出可調Buck 變換電路（以U5 為調整核心），輸出穩(wěn)定的實際所需的供電電壓（VDC 紅LED）。
如圖6 所示，當輸入電壓Vbulk 低于+370 V（可根據(jù)具體情況設置恰當值），分壓所得電壓使VQ12A 導通到地，從而關閉了NCP1207 的輸出脈沖，NCP1207 停止工作， 電源停止給LED 點陣模塊供電；相反，當總線電壓上升至大于+370 V時，PFC 電路正常工作，VQ12A 關斷，NCP1207 正常工作， 電源重新給LED 點陣模塊供電。
提高LED 點陣模塊電源的電能轉換效率是本拓撲設計中重要一環(huán)。所以，采用了零電壓導通和零電流關斷的準諧振軟開關技術， 降低了開關電源的主開關管的開關損耗；采用同步整流技術，降低了輸出整流管的反向恢復損耗。同時，LED 點陣模塊電源要求電源模塊變壓器設計小型化，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，并且因為體積的小巧使其成為一種優(yōu)異的磁性元件, 極大改進了開關電源的工作狀態(tài)。因此這里的開關電源模塊使用平面變壓器。
4 結論
通過交流電源濾波和PFC 校正模塊， 將后續(xù)若干DCDC變換電路與電網(wǎng)隔開，并進行了PFC 有源校正，從而潔凈了電源，對電網(wǎng)無諧波污染；同時采用400 V 高壓總線傳輸，從而減少了傳輸損耗，提高了轉換效率；采用輔助電源模塊給信號控制模塊、PFC 調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)更有效地對模組電源功率的管理；同時，電源系統(tǒng)在給LED 點陣模塊供電時，各路輸出電壓任意可調，能夠滿足LED 負載的實際需要，從而降低了同一電壓帶來的LED 點陣模塊的無用功耗。
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