董 恒，林甲祥，鐘連生，林志賢，魏麗芳

(1.福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學 計算機與信息學院，福建 福州 350002)

零功耗待機顯示器的設計與實現(xiàn)

董 恒1，林甲祥2，鐘連生1，林志賢1，魏麗芳2

(1.福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學 計算機與信息學院，福建 福州 350002)

為實現(xiàn)待機顯示器的零功耗，提出采用單片機控制繼電器開關(guān)輸入電源并且使用顯卡輸出電能為待機狀態(tài)顯示器供電的方法。根據(jù)顯卡接口輸出的電量，選用低功耗規(guī)格的芯片維持待機狀態(tài)所需最小能量。然后設計電源電路的繼電器開關(guān)電路和顯示器的輸入電源切換電路，通過功率測試儀器對電路系統(tǒng)性能進行驗證。實驗結(jié)果表明，利用顯卡接口輸出50 mA左右的微小電量能夠滿足顯示設備在待機下的需求，從而實現(xiàn)顯示器輸入零功耗，滿足各國功率法規(guī)等要求。

零功耗；繼電器；開關(guān)電源；液晶顯示器

消費電子類產(chǎn)品是中國重要的制造產(chǎn)業(yè)之一。我國家電數(shù)量眾多，待機能耗總量巨大，已占中國家庭電力消耗的10%左右，城市家庭的平均待機能耗相當于這些家庭每天都在使用著一盞15～30 W的長明燈[1]。計算機用液晶顯示設備以及家用電視更是每個家庭必備的家電之一。因此，在越來越注重節(jié)能的今天，液晶顯示設備的待機功耗受到了廣泛重視。尤其是歐美等地區(qū)，液晶顯示產(chǎn)品強制滿足的法規(guī)標準也越來越嚴格。美國的能源之星6.0規(guī)范和歐盟的能源相關(guān)產(chǎn)品(Energy-Related Products，ERP)規(guī)范都要求液晶顯示器待機模式能耗小于0.5 W。預計規(guī)范下次版本升級的時候?qū)Υ龣C功耗又會有更進一步的要求。顯示產(chǎn)品如何滿足各國的法規(guī)又能滿足市場的需求，是具有研究意義的課題。

本文基于單片機控制繼電器開關(guān)電源的方法，提出利用顯卡視頻圖形陣列(Video Graphics Array，VGA)接口、數(shù)字視頻接口(Digital Visual Interface，DVI)和高清多媒體接口[2](High-Definition Multimedia Interface，HDMI)輸出的微弱電源解決顯示設備在待機狀態(tài)下的供電需求，實現(xiàn)顯示設備待機零功耗。當顯示器處于待機裝機模式，顯卡提供的電能使顯示器能夠控制繼電器開關(guān)電路，實現(xiàn)顯示器的電源電路零功耗；當顯卡信號輸入時，顯示器能夠恢復工作并控制繼電器打開電源[3-10]。

1 零功耗待機顯示器電路的工作原理

1.1 單片機控制繼電器開關(guān)的工作原理

根據(jù)焦耳定律規(guī)定：電流通過導體所產(chǎn)生的熱量Q和導體的電阻R成正比，和通過導體的電流I的平方成正比，和通電時間t成正比，表示為

Q=I2Rt

(1)

通常電子設備工作時被看作負載R，顯示設備整體功耗是通過計算顯示設備的損耗電流在單位時間t內(nèi)消耗的能量。要達成零功耗待機，就需要在設備待機下切斷顯示器的輸入電流I。

因為液晶顯示器自身帶有圖像顯示處理芯片，利用芯片的引腳控制繼電器開關(guān)(見圖1)，進而切斷顯示器的輸入電流I，就可以實現(xiàn)液晶顯示器的零功耗。

圖1 繼電器開關(guān)電路圖

如圖1所示，當市電電壓220 V輸入到電源電路，如果繼電器接收到Relay_Off信號為高電平，則繼電器為關(guān)斷狀態(tài)，220 V電壓經(jīng)過繼電器，輸出到電源電路并轉(zhuǎn)換為直流電壓B給顯示控制芯片模塊供電；如果繼電器接收到Relay_On信號為高電平，則繼電器為開啟狀態(tài)，那么整個電源電路將沒有電流通過。此時，整個電源電路處于零功耗的狀態(tài)，顯示器控制芯片將在顯卡提供的直流電壓A下待機工作。

1.2 顯卡提供電源的能力分析

根據(jù)DDWG(Digital Display Working Group， 數(shù)字顯示工作組)的DVI接口的定義，DVI必須提供5 V的直流電壓并且不小于55 mA的電源輸出。如果顯示器處于關(guān)閉，顯示器回流電源不得超過50 mA；如果顯示器處于開啟狀態(tài)，則顯示器

的回流電源不得超過10 mA。

同樣，在HDMI以及VGA等接口定義中，對于原本為顯示器在斷電狀態(tài)時，讀取顯示器擴展顯示標識數(shù)據(jù)(Extended Display Identification Data，EDID)資料而提供的直流電源5 V，都明確定義其驅(qū)動電流不小于55 mA。由此可知，只要液晶顯示器控制模塊待機模式下需求的電流小于55 mA，就可以滿足其待機能耗需求。

2 零功耗待機顯示器的關(guān)鍵電路

2.1 零功耗待機的顯示器電路設計

考慮終端用戶需求，液晶顯示器一般同時具有多個接口。如圖2所示的零功耗待機顯示器的電路示意圖中，線路設計主要分為3個模塊設計。顯示器控制芯片IC1采用晨星半導體的芯片TSUMOP387MT9S-1。該芯片內(nèi)置8032微控器，同時提供一組VGA接口，兩組DVI/HDMI接口(DVI/HDMI只能選擇一種)和一組Display Port接口。 其中，除Display port接口不提供直流5 V電源，其他3組接口都有為讀取EDID提供供電電源。當顯卡接口無信號輸出時，顯示器進入待機狀態(tài)，此時顯示器可以借助顯卡接口提供的電源進行睡眠狀態(tài)下的工作。當顯卡給出視頻信號后，顯示器可以立刻恢復到正常的顯示狀態(tài)。圖中IC1的引腳92/94/100/50均為GPIO引腳，引腳63/96為IC1的3.3 V供電引腳。同時，考慮顯示器工作時的電流消耗，IC2和IC3是選用具有兩組場效應管的并聯(lián)集成芯片，提高線路的可靠性。

圖2 零功耗待機顯示器的電路示意圖

電路模塊A為繼電器的電源線路設計。市電220 V輸送到顯示器中，經(jīng)過繼電器元件，再由繞組變壓器和整流橋?qū)㈦妷恨D(zhuǎn)為直流電壓。然后通過C3濾波，經(jīng)過DC轉(zhuǎn)換模塊，將電壓轉(zhuǎn)為系統(tǒng)能夠使用的Main_5 V。此外，V3和IC3為芯片IC1控制電源系統(tǒng)是否供電的場效應管。

電路模塊B為顯卡接口輸出電源的模塊設計。因為接口規(guī)范要求睡眠狀態(tài)時的回流電流不得超過50 mA，所以在顯卡供電線路，必須串接一個二極管VD1/VD2/VD3用于防止電流倒灌。IC2則是控制Standby_5 V的是否導通。當顯示器零功耗模式被開啟，控制芯片IC1首先從引腳50發(fā)送高電平，將IC2輸出引腳OUT開啟，然后引腳100關(guān)閉V3，系統(tǒng)供電Main_5 V將切換到Standby_5 V提供。之后，顯示器進入待機，完全工作在顯卡供電情況下。

電路模塊C為繼電器的控制線路設計。當系統(tǒng)要進入睡眠狀態(tài)時，顯示器控制芯片引腳94送出高電平，V2被打開，T2場效應管導通，Main_5 V(圖1中的直流電壓B)通過Relay_Off控制繼電器開關(guān)關(guān)斷，則輸入的交流電源進入系統(tǒng)工作。相反，當顯示器從睡眠狀態(tài)進入正常工作的時候，控制芯片IC1引腳92要先發(fā)出控制信號高電平，V1導通，T1導通。Standby_5 V(圖1中的直流電壓B)電壓供給繼電器Relay_On，繼電器斷開，外部的交流電源被阻斷。

2.2 零功耗待機的顯示器程序流程設計

零功耗模式待機流程圖如圖3所示，當液晶顯示器處于正常工作時，此時無信號輸入，顯示器首先進入待機模式并且偵測是否進入零功耗模式。如果是，則電源切換到顯卡供電并且控制芯片引腳94送出高電平斷開繼電器，進入零功耗模式；當在零功耗模式下識別到關(guān)閉信號，則開啟繼電器切換電源到市電并且控制芯片引腳92送出高電平斷開繼電器。

圖3 零功耗模式待機流程圖

3 測量實驗與結(jié)果

實驗中，液晶顯示器的電源主要參數(shù)： 輸入交流電壓 110 V/60 Hz和220 V/50 Hz；主要的實驗儀器為：Chroma公司的可編程信號產(chǎn)生器2226以及積分功率計66202。

如圖4a為信號產(chǎn)生器2226，圖4b為使用Chroma公司的積分功率計型號66202。測試方法是液晶顯示器在市電輸入下，將顯示器設置為默認狀態(tài)，然后分別在待機模式、零功耗模式和關(guān)機模式3種不同模式下持續(xù)60 min的記錄功率數(shù)值結(jié)果。然后，再由信號產(chǎn)生器送出信號，查看液晶顯示器恢復情況。圖4a是待機模式，顯示器工作在輸入電源轉(zhuǎn)換后的直流電壓下；圖4b為顯示器零功耗模式，此時輸入電源被切斷，工作在顯卡提供電源下。

圖4 低功耗模式示意圖

由表1功率測量結(jié)果數(shù)據(jù)對比可知，電能消耗最大的為待機模式，均值在0.286 W/H，其次是關(guān)機模式，均值在0.197 W/H，最后是零功耗模式。因為零功耗模式顯示器關(guān)閉輸入電源，所以測試結(jié)果均為0。此外，在信號輸入到液晶顯示器時，關(guān)機模式需要手動開機，而待機和零功耗模式都可以自動喚醒。3種模式相比，零功耗模式不僅功耗最低，而且可以自動喚醒，用戶體驗最好。

表1 功率測量結(jié)果 W/H

4 小結(jié)

本文提出液晶顯示器待機模式使用顯卡提供的電能工作的方法，可以達到顯示器的0 W待機模式，比傳統(tǒng)的待機方法要普遍節(jié)省0.286 W/H以上。同時，該方法也可以滿足各國針對電子產(chǎn)品的能耗法規(guī)要求。但此方法自身存在不足，即顯示器如果沒有接入信號線時，則無法達成零功耗模式。因此，在無外部電源輸入的情況下，利用儲能器件，如何設計滿足顯示器在待機模式下不需要外部輸入就可以正常工作，是下一步的研究課題。目前，本方法已經(jīng)成功應用在西門子的液晶顯示產(chǎn)品上，具有一定的實際應用價值。

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董 恒(1982— )，碩士生，主研液晶顯示器的系統(tǒng)設計以及應用；

林甲祥(1982— )，講師，主研空間地理信息處理等；

鐘連生(1974— )，碩士生，主研液晶顯示器的方案設計以及通信接口；

林志賢(1975— )，碩士生導師，主研FED驅(qū)動電路系統(tǒng)及信息顯示技術(shù)；

魏麗芳(1981— )，女，講師，主研圖像處理技術(shù)、移動通信網(wǎng)絡等。

責任編輯：閆雯雯

Implementation and Design of Zero Power Consumption on Monitor

DONG Heng1, LIN Jiaxiang2, ZHONG Liansheng1, LIN Zhixian1, WEI Lifang2

(1.CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China;2.CollegeofComputerandInformationFujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

In order to realize zero power consumption of standby monitor, a method of using microcomputer control relay component to switch the input power and using the graphic output power for monitor standby are presented in this paper. According to the energy of graphic card output, the low power display IC is selected to maintain the minimum energy for power saving. And then, the circuit of relay switch power in the power and input switch power circuit of monitor is designed. The performance of schematic is verified by power meter measured. Experimental results indicate that about 50 mA of graphic card output can meet the standby monitor power supply, achieve monitor zero power. It can satisfy the energy standard requirements of each country.

zero power; relay; switch power; LCD

【本文獻信息】董恒，林甲祥，鐘連生,等.零功耗待機顯示器的設計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù),2015，39(13).

國家“863”計劃項目(2013AA030601)；福建省自然科學基金項目(2014J05045)；福建省科技重大專項(2014HZ0003-1)

TN949.1

A

10.16280/j.videoe.2015.13.028

2015-01-06