一種新型LED顯示模組供電拓撲

任興業

（深圳康佳視訊系統工程有限公司 開發部 廣東 深圳518053）

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、環境適應性好、亮度高、動態播放等特點。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作為一種新興的發光器件,具有公認節能特點。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，這種大量傳統開關電源（不帶PFC矯正）產生的諧波失真很容易污染公共電網；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展方向。

1 LED顯示屏模組的供電拓撲結構

采用傳統的全彩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顯示屏系統對供電網絡的影響主要有：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，帶來關聯的法律責任問題，例如,諧波導致同樓中某公司的網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，是整個行業技術升級的必然結果。

如圖1所示，傳統的全彩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電源在傳輸到LED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，在傳輸的過程中，部分電能通過傳輸線阻變成了熱量（P=（ILED）2R線），散發到環境中。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%、但是傳輸到LED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，傳輸到LED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，傳輸到LED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。

經過眾多實驗數據分析，為了克服傳統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直流總線上傳輸的電流只有1 A,而總線上的線阻只有0.1 Ω，計算傳輸的損耗只有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（通常達98%以上）。

IEC1000-3-2標準規定了PFC電路矯正后，從電網中吸收電流時產生的諧波失真的最小值，規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,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。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[1]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。

表1 在110 V輸入時PFC校正電路各參數比較Tab.1 Parameters comparison of PFC circuit when input is 10V

表2 在220 V輸入時PFC正電路各參數比較Tab.2 Parameters comparison of PFC circuit when input is 220V

從測試數據來看，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是常態的，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[2]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[3]。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）具有重要意義。當LED顯示屏僅僅在進行系統維護時，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，從而達到節能的目的；在LED顯示屏開啟和關斷時，可以接收控制系統開閉命令信號，實現整個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[5]。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，然后經過一個輸出可調Buck變換電路（以U5為調整核心），輸出穩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[6]。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點，并且因為體積的小巧使其成為一種優異的磁性元件,極大改進了開關電源的工作狀態。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，將后續若干DCDC變換電路與電網隔開，并進行了PFC有源校正，從而潔凈了電源，對電網無諧波污染；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，可以方便系統更有效地對模組電源功率的管理；同時，電源系統在給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。

[1]On Semiconductor.NCP1653/NCP1653A Datasheet[DB/0L].（2009-08）[2010-04].http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP1653-D.PDF.

[2]On Semiconductor.NCP1207A/NCP1207B Datasheet[DB/0L].（2009-12）[2010-04].http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/NCP1207A.PDF.

[3]OnSemiconductor.AND8127/AND8159/AND8187[DB/0L].（2004-06）[2010-06].http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/supportDoc.do?type=AppNotes&rpn=NCP1207A.

[4]中國電子技術標準化研究所.SJ/T 11141-2003 LED顯示屏通電規范[S].北京：中國標準出版社，2003.

[5]褚昌晨.LED顯示屏系統原理及工程技術[M].成都：電子科技大學出版社，2000.

[6]中國電子技術標準化研究所.SJ/T11141-1997 LED顯示屏通電規范[S].北京：中國標準出版社，1997.