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。

1LED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。