摘要：本文圍繞著全彩LED顯示屏系統(tǒng)應(yīng)用的功耗問(wèn)題，提出了一些有效的低功耗設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：LED顯示屏；LED顯示模組；LED顯示控制器；恒流驅(qū)動(dòng)；低功耗

引言

LED全彩顯示屏，由于面積大、播放時(shí)間長(zhǎng)，其耗電量是客戶關(guān)注的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。降低顯示屏能耗是LED顯示屏技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

全彩LED顯示的控制系統(tǒng)節(jié)能管理

LED顯示屏是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)，電子技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，電氣技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)等各種現(xiàn)代工程技術(shù)于一體的系統(tǒng)集成工程應(yīng)用。全彩LED顯示屏系統(tǒng)基本組成如圖1，包括：計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)管理界面，LED交流電源配電柜，信號(hào)前端處理器，顯示屏端信號(hào)分配器，全彩LED顯示屏(全彩LED模組陣列)等。

LED顯示屏系統(tǒng)上位機(jī)的節(jié)能管理

如圖1所示，通常LED顯示屏上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)硬件及上位機(jī)軟件，它在LED顯示屏系統(tǒng)中既是顯示屏系統(tǒng)的媒體編輯平臺(tái)，為顯示屏提供圖像視頻信號(hào)源；又是顯示屏系統(tǒng)的控制平臺(tái)，控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)備。從節(jié)能角度出發(fā)，上位機(jī)適當(dāng)調(diào)控系統(tǒng)各種設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)LED顯示系統(tǒng)節(jié)能目的：(1)根據(jù)實(shí)際反饋的電氣負(fù)載要求，對(duì)配電柜的三相交流供電進(jìn)行平衡控制(控制如圖1的配電柜)；(2)根據(jù)實(shí)際的需要，關(guān)閉屏體的部分無(wú)用區(qū)域；(3)控制新興的能源供電(如太陽(yáng)能和風(fēng)能等)，提高電能的變換效率；(4)實(shí)現(xiàn)時(shí)間程序管理LED顯示亮度；(5)實(shí)現(xiàn)環(huán)境亮度程序控制LED顯示等。

信號(hào)前端處理器的節(jié)能管理

如圖2，信號(hào)前端處理器接收上位機(jī)來(lái)的控制命令和視頻圖像數(shù)據(jù)輸入，然后將這兩種數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)重組排列，再通過(guò)光纖發(fā)送給信號(hào)分配器：同樣接收光纖反饋回的數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過(guò)FPGA完成對(duì)數(shù)據(jù)的解析并通過(guò)MCU轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)處理。沒(méi)有上位機(jī)參與工作的LED系統(tǒng)中，信號(hào)前端處理器的嵌入式平臺(tái)就將承擔(dān)起對(duì)整個(gè)系統(tǒng)同設(shè)備的智能控制功能。就節(jié)能舉措而言：(1)具有LED的時(shí)間程控功能；(2)具有LED的環(huán)境亮度程控功能；(3)具有供電設(shè)備管理控制功能，提高電能轉(zhuǎn)換效率等。

顯示屏端信號(hào)分配器作用

如圖3，顯示屏端信號(hào)分配器接收光纖來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，首先將視頻數(shù)據(jù)和命令數(shù)據(jù)信號(hào)按照顯示屏的模組陣列實(shí)際工程排列情況分割成4組信號(hào)，然后通過(guò)LVDs接口將視頻數(shù)據(jù)和命令數(shù)據(jù)分別發(fā)給LED顯示屏體的四個(gè)輸入端口。另一方面，屏體來(lái)的命令反饋數(shù)據(jù)信號(hào)或檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)485接口進(jìn)入處理器PPGA中，然后通過(guò)光纖調(diào)制器的向信號(hào)前端處理器發(fā)送。它是信號(hào)傳輸樞紐。各種數(shù)據(jù)的分組排列及下傳和上傳的大量處理工作在此處理。

模組節(jié)能設(shè)計(jì)

全彩LED模組如圖4，包括：模組信號(hào)控制模塊，全彩LED點(diǎn)陣模塊，模組供電模塊等。

模組信號(hào)控制模塊節(jié)能設(shè)計(jì)

模組信號(hào)控制模塊如圖5，分配器下傳的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)LVDS接口芯片轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)流分成兩路，其中一路以LVDS信號(hào)環(huán)接輸出到下一模組的輸人口，另一路以TTL電平的方式輸入到PPGA；FPGA再根據(jù)模組ID號(hào)，解析出命令數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)；視頻數(shù)據(jù)按地址截取相應(yīng)的區(qū)域視頻數(shù)據(jù)、緩存、并以一定的算法格式輸出去驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣模塊；命令數(shù)據(jù)，則執(zhí)行相應(yīng)命令，如GAMMA校正、亮度調(diào)整、模塊電源的開(kāi)關(guān)等。同時(shí)。根據(jù)相關(guān)的命令要求，模塊應(yīng)答回傳信號(hào)及相關(guān)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)上傳通道向上傳輸。

模塊信號(hào)控制模塊、顯示屏端分配器、前端信號(hào)處理器和上位機(jī)(包括控制界面軟件)組成閉環(huán)的控制過(guò)程；實(shí)現(xiàn)環(huán)境亮度程控、時(shí)間亮度程控，電源模塊調(diào)整，LED顯示屏顯示負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等功能，為顯示屏的節(jié)能應(yīng)用提供了信號(hào)處理的必要軟硬件條件。

模組LED點(diǎn)陣模塊節(jié)能設(shè)計(jì)

LBD點(diǎn)陣模塊設(shè)計(jì)節(jié)能舉措主要圍繞著LED燈管選擇和恒流驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行。

(1)LED點(diǎn)陣模塊的像素設(shè)計(jì)和高光效的LED燈管選擇：全彩LED點(diǎn)陣模塊的像素一般由紅綠藍(lán)三個(gè)子像素組成，像素點(diǎn)功耗是：(V_紅×I_紅)+(V_綠2×I_綠)+(V_藍(lán)×I_藍(lán))。LED器件正向電流與發(fā)光亮度近似于線性正比例關(guān)系。選用高亮度的LED器件組，像素點(diǎn)功耗相對(duì)較小，顯示屏功耗也相對(duì)較小。以P20全彩顯示屏為例，紅、綠、藍(lán)LED標(biāo)稱亮度各提高20％，在顯示屏亮度不變的情況下，顯示屏的功耗會(huì)降低1s％以上。因此，選發(fā)光效率高、發(fā)光強(qiáng)度值大的LED器件可以有效節(jié)能。

(2)高效的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)全彩LED顯示屏采用5V的電源給LED點(diǎn)陣模塊供電(如圖6所示)，分壓在恒流Ic上的電壓，除去恒流芯片達(dá)到線性導(dǎo)通所必需的正向電壓值外，其余剩下的電壓均會(huì)造成無(wú)用的功耗，轉(zhuǎn)換成熱能。節(jié)能的LED顯示屏像素驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，這種設(shè)計(jì)采用紅綠藍(lán)LED器件分別供電的方式：V_紅、V_綠、V_藍(lán)。比較試驗(yàn)證明，在選用相同LED器件和相同恒流驅(qū)動(dòng)芯片，并要求顯示同樣亮度的條件下，節(jié)能電路與傳統(tǒng)電路比較節(jié)能30％以上。

模組電源電源拓?fù)涔?jié)能設(shè)計(jì)

全彩LED顯示屏的模組供電方式普遍采用低壓大電流開(kāi)關(guān)電源模塊輸出并聯(lián)的總線供電方式。由于開(kāi)關(guān)電源輸出的電流大，變壓器銅損大，整個(gè)的電源轉(zhuǎn)換效率低(滿負(fù)載只能做到75％以內(nèi))。本文推薦模組內(nèi)電源采用若干小型開(kāi)關(guān)電源分布式供電方式，以提高開(kāi)關(guān)電源的能量轉(zhuǎn)換效率。譬如：交流220v總線輸入、最大輸入功率是35W、輸出可調(diào)電壓的開(kāi)關(guān)電源模塊效率可以達(dá)到86％以上。該開(kāi)關(guān)電源的能量變換效率相對(duì)大電流并聯(lián)供電的常規(guī)供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言節(jié)能在10％以上。

結(jié)語(yǔ)

本文圍著全彩LED顯示屏功耗，提出3方面有效低功耗設(shè)計(jì)舉措：(1)根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用，優(yōu)化管理LED顯示屏系統(tǒng)的設(shè)備，這是LED顯示屏節(jié)能的重要手段。(2)選擇高光效LED器件、設(shè)計(jì)高效LED器件驅(qū)動(dòng)電路，這是LED顯示屏節(jié)能的主要途徑之一。(3)采用分布式供電、提高開(kāi)關(guān)電源能量轉(zhuǎn)換效率，這也是顯示屏節(jié)能的主要途徑之一。

低功耗的全彩LED顯示屏具有節(jié)能、減排，保護(hù)環(huán)境；降低電力增容、動(dòng)力設(shè)備及散熱設(shè)備的投入；節(jié)省電費(fèi)降低運(yùn)營(yíng)成本：降低顯示屏溫升：延緩LBD衰減速度：提高系統(tǒng)可靠性；延長(zhǎng)顯示屏壽命；減小顯示屏光電參數(shù)的溫漂，穩(wěn)定圖像效果。所以，低功耗LED顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必將推動(dòng)整個(gè)LED顯示屏行業(yè)產(chǎn)品升級(jí)換代和技術(shù)革新的繼續(xù)發(fā)展。