一种新型LED显示模组供电拓扑

2010-11-21 18:00:58来源: 互联网 关键字:开关电源模块  谐波  总谐波失真  有源  无源  功率因数矫正  NCP
  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110 V/60 HZ)交流电源经过滤波、整流、PFC 矫正后产生一个400 V 的电压;400 V 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(GB17625.1-2003 或兼容IEC1000-3-2),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。

  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0.01 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(Vr,Vg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。

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)。

  IEC1000-3-2 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×1.414×Vac×sin(ωt),其中,K×1.414 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)。

  NCP1653为一款集成PFC 调整控制器,其具有如下特点:兼容IEC1000-3-2;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NCP1653 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1 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。

表1 在110 V 输入时PFC 校正电路各参数比较


表2 在220 V 输入时PFC 正电路各参数比较


  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NCP1653 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。

  NCP1207 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。

  

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关键字:开关电源模块  谐波  总谐波失真  有源  无源  功率因数矫正  NCP

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2010/1121/article_2272.html
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