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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)洹?20 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(gè)400 V 的電壓；400 V 的電壓通過總線傳輸?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（GB17625.1-2003 或兼容IEC1000-3-2），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。 表2 在220 V 輸入時(shí)PFC 正電路各參數(shù)比較
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)是由若干的開關(guān)電源供電，這種大量傳統(tǒng)開關(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，帶來關(guān)聯(lián)的法律責(zé)任問題，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(fèi)。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(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。
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0.01 W，可忽略不計(jì)。
2）輔助開關(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)的小型開關(guān)電源，這些開關(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（Vr,Vg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。
2 PFC 調(diào)整電路和輔助開關(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）。
IEC1000-3-2 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。
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(guān)管VQ2開通時(shí),“變壓器”初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量，VQ2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NCP1207 和PFC 回路芯片供電， 另一方向NCP1207 的引腳提供一個(gè)退磁信號(hào)；
4）電阻R4限制開關(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+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(shù)，減少了損耗；
7）接收信號(hào)控制板來的控制信號(hào)通過光耦耦合到初級(jí)，用于控制NCP1653 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)斷和開啟PFC 功能（通過改變給NCP1653 供電來實(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關(guān)電源模塊， 從而達(dá)到節(jié)能的目的；在LED 顯示屏開啟和關(guān)斷時(shí)，可以接收控制系統(tǒng)開閉命令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)LED 顯示屏的各個(gè)模組分時(shí)依次開啟或關(guān)斷， 大大降低整個(gè)LED 顯示屏工程在開關(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的開斷控制著PFC 電路的開啟和停止。
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。
![一種新型LED顯示模組供電拓?fù)? src=http://www.LED-100.com/news/2010/11/image/LED20101122-10.jpg><br></p><br>
<b>3.2 LED 點(diǎn)陣模塊電源原理圖設(shè)計(jì)</b><br>
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選用NCP1207[2]為主控制器件設(shè)計(jì)的LED 點(diǎn)陣模塊的開關(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NCP1207 從而實(shí)現(xiàn)控制；2）主開關(guān)管VQ14開通時(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NCP1207 供電， 另一方向NCP1207 的引腳提供一個(gè)退磁信號(hào)；4）電阻R31限制開關(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）。<br>
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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NCP1207 的輸出脈沖，NCP1207 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，NCP1207 正常工作， 電源重新給LED 點(diǎn)陣模塊供電。<br>
<p align="center"><img alt=](http://www.LED-100.com/news/2010/11/image/LED20101122-11.jpg)
提高LED 點(diǎn)陣模塊電源的電能轉(zhuǎn)換效率是本拓?fù)湓O(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)諧振軟開關(guān)技術(shù)， 降低了開關(guān)電源的主開關(guān)管的開關(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)了開關(guān)電源的工作狀態(tài)。因此這里的開關(guān)電源模塊使用平面變壓器。
4 結(jié)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(jìn)行了PFC 有源校正，從而潔凈了電源，對(duì)電網(wǎng)無諧波污染；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的LED 點(diǎn)陣模塊的無用功耗。
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