一種新型LED顯示模組供電拓?fù)?/h1>
2 PFC調(diào)整電路和輔助開(kāi)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(wú)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(guò)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)。
IECl000-3-2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(lái)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(lái)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(guò)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×1．414xVacxsin(ωt)，其中，Kxl．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(wèn)題。
因此，最新LED顯示模組供電拓?fù)浣ㄗhPFC矯正電路采用有源主動(dòng)式矯正技術(shù)，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(yù)處理裝置能提供恒定的電壓輸出，同時(shí)以正弦波的方式從市電網(wǎng)吸收電流。它實(shí)際上是一種升壓變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)調(diào)整模塊正常工作時(shí)，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(chǔ)在大電容(Bulk)。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/169149.htm
NCPl653為一款集成PFC調(diào)整控制器，其具有如下特點(diǎn)：兼容IECl000-3-2；連續(xù)導(dǎo)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(kāi)關(guān)頻率；軟啟動(dòng)；VCC低電壓鎖定(遲滯電壓范圍為8．7～13．25 V)；低電壓保護(hù)或關(guān)閉；可編程過(guò)流保護(hù)：可編程最大功率限值；熱保護(hù)(遲滯溫度范圍為120～150℃)；無(wú)鉛封裝。
采用NCPl653按照?qǐng)D3所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(cè)量比較列表如表l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(cè)量比較列表如表2所示。
從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看。本文拓?fù)潆娐分械腜FC部分可以在LED模組負(fù)載變化的情況下實(shí)現(xiàn)有效的諧波校正，達(dá)到很高的PF值。同時(shí)利用對(duì)NCP-l653電源引腳的控制，實(shí)現(xiàn)PFC電路的使能和電源旁路的功能：當(dāng)電源引腳達(dá)到13．25 V時(shí)，PFC功能啟動(dòng)：當(dāng)電源引腳供電低于8．7 V時(shí)，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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)
LED顯示模組里除了LED點(diǎn)陣模塊外，還有掃描信號(hào)控制模塊、各種檢測(cè)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(diǎn)陣點(diǎn)亮?xí)r和熄滅時(shí)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(shè)計(jì)采用電池作為斷電時(shí)信號(hào)處理模塊的備用電源。這里設(shè)計(jì)一個(gè)輔助電源為各個(gè)功能模塊供電。
NCPl207控制器具有如下特點(diǎn)：內(nèi)置700 V耐壓的MOSFET，在接溫25℃時(shí)導(dǎo)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(jìn)行Skip-Cycle的操作模式；內(nèi)置電流源用于清潔、無(wú)功耗啟動(dòng)時(shí)序；具有短路保護(hù)的自動(dòng)恢復(fù)的時(shí)基檢測(cè)電路；輔助繞組的過(guò)電壓自動(dòng)恢復(fù)功能；可編程輸入電壓的低電壓檢測(cè)Brown-Out輸入功能；可編程最大功率限制；內(nèi)部頻率用于提高EMI的信號(hào)；占空比擴(kuò)展到80％；在無(wú)負(fù)載的輸入待機(jī)功耗是85 mW@265 Vac；500 mW負(fù)載的輸入待機(jī)功耗是715 mW@230 Vac；該器件是無(wú)鉛封裝。
由于掃描信號(hào)控制模塊，各種檢測(cè)電路模塊等均是小信號(hào)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(yīng)性考慮，建議采用電流模式、準(zhǔn)諧振、反激式反饋型能量變換拓?fù)浼軜?gòu)，并采用同步整流技術(shù)。以NCPl207控制器為例設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管V02開(kāi)通時(shí)，“變壓器”初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量，V02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NCPl207和PFC回路芯片供電，另一方向NCPl207的引腳提供一個(gè)退磁信號(hào)；4)電阻R4限制開(kāi)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+12V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(lái)的控制信號(hào)通過(guò)光耦耦合到初級(jí)，用于控制NCPl653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(kāi)啟PFC功能(通過(guò)改變給NCPl653供電來(lái)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(kāi)關(guān)電源模塊，從而達(dá)到節(jié)能的目的：在LED顯示屏開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)，可以接收控制系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)啟或關(guān)斷，大大降低整個(gè)LED顯示屏工程在開(kāi)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(kāi)斷控制著PFC電路的開(kāi)啟和停止。
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2 PFC調(diào)整電路和輔助開(kāi)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(wú)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(guò)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)。
IECl000-3-2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(lái)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(lái)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(guò)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×1．414xVacxsin(ωt)，其中，Kxl．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(wèn)題。
因此，最新LED顯示模組供電拓?fù)浣ㄗhPFC矯正電路采用有源主動(dòng)式矯正技術(shù)，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(yù)處理裝置能提供恒定的電壓輸出，同時(shí)以正弦波的方式從市電網(wǎng)吸收電流。它實(shí)際上是一種升壓變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)調(diào)整模塊正常工作時(shí)，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(chǔ)在大電容(Bulk)。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/169149.htm
NCPl653為一款集成PFC調(diào)整控制器，其具有如下特點(diǎn)：兼容IECl000-3-2；連續(xù)導(dǎo)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(kāi)關(guān)頻率；軟啟動(dòng)；VCC低電壓鎖定(遲滯電壓范圍為8．7～13．25 V)；低電壓保護(hù)或關(guān)閉；可編程過(guò)流保護(hù)：可編程最大功率限值；熱保護(hù)(遲滯溫度范圍為120～150℃)；無(wú)鉛封裝。
采用NCPl653按照?qǐng)D3所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(cè)量比較列表如表l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(cè)量比較列表如表2所示。
從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看。本文拓?fù)潆娐分械腜FC部分可以在LED模組負(fù)載變化的情況下實(shí)現(xiàn)有效的諧波校正，達(dá)到很高的PF值。同時(shí)利用對(duì)NCP-l653電源引腳的控制，實(shí)現(xiàn)PFC電路的使能和電源旁路的功能：當(dāng)電源引腳達(dá)到13．25 V時(shí)，PFC功能啟動(dòng)：當(dāng)電源引腳供電低于8．7 V時(shí)，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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)
LED顯示模組里除了LED點(diǎn)陣模塊外，還有掃描信號(hào)控制模塊、各種檢測(cè)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(diǎn)陣點(diǎn)亮?xí)r和熄滅時(shí)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(shè)計(jì)采用電池作為斷電時(shí)信號(hào)處理模塊的備用電源。這里設(shè)計(jì)一個(gè)輔助電源為各個(gè)功能模塊供電。
NCPl207控制器具有如下特點(diǎn)：內(nèi)置700 V耐壓的MOSFET，在接溫25℃時(shí)導(dǎo)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(jìn)行Skip-Cycle的操作模式；內(nèi)置電流源用于清潔、無(wú)功耗啟動(dòng)時(shí)序；具有短路保護(hù)的自動(dòng)恢復(fù)的時(shí)基檢測(cè)電路；輔助繞組的過(guò)電壓自動(dòng)恢復(fù)功能；可編程輸入電壓的低電壓檢測(cè)Brown-Out輸入功能；可編程最大功率限制；內(nèi)部頻率用于提高EMI的信號(hào)；占空比擴(kuò)展到80％；在無(wú)負(fù)載的輸入待機(jī)功耗是85 mW@265 Vac；500 mW負(fù)載的輸入待機(jī)功耗是715 mW@230 Vac；該器件是無(wú)鉛封裝。
由于掃描信號(hào)控制模塊，各種檢測(cè)電路模塊等均是小信號(hào)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(yīng)性考慮，建議采用電流模式、準(zhǔn)諧振、反激式反饋型能量變換拓?fù)浼軜?gòu)，并采用同步整流技術(shù)。以NCPl207控制器為例設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管V02開(kāi)通時(shí)，“變壓器”初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量，V02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NCPl207和PFC回路芯片供電，另一方向NCPl207的引腳提供一個(gè)退磁信號(hào)；4)電阻R4限制開(kāi)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+12V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(lái)的控制信號(hào)通過(guò)光耦耦合到初級(jí)，用于控制NCPl653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(kāi)啟PFC功能(通過(guò)改變給NCPl653供電來(lái)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(kāi)關(guān)電源模塊，從而達(dá)到節(jié)能的目的：在LED顯示屏開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)，可以接收控制系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)啟或關(guān)斷，大大降低整個(gè)LED顯示屏工程在開(kāi)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(kāi)斷控制著PFC電路的開(kāi)啟和停止。
評(píng)論