低功耗全彩LED顯示屏系統設計

摘要：本文圍繞著全彩LED顯示屏系統應用的功耗問題，提出了一些有效的低功耗設計方法。

關鍵詞：LED顯示屏；LED顯示模組；LED顯示控制器；恒流驅動；低功耗

引言

LED全彩顯示屏，由于面積大、播放時間長，其耗電量是客戶關注的一項關鍵指標。降低顯示屏能耗是LED顯示屏技術一個重要的發展方向。

全彩LED顯示的控制系統節能管理

LED顯示屏是一種集計算機技術，電子技術，光學技術，電氣技術和結構技術等各種現代工程技術于一體的系統集成工程應用。全彩LED顯示屏系統基本組成如圖1，包括：計算機及系統管理界面，LED交流電源配電柜，信號前端處理器，顯示屏端信號分配器，全彩LED顯示屏(全彩LED模組陣列)等。

LED顯示屏系統上位機的節能管理

如圖1所示，通常LED顯示屏上位機包括計算機硬件及上位機軟件，它在LED顯示屏系統中既是顯示屏系統的媒體編輯平臺，為顯示屏提供圖像視頻信號源；又是顯示屏系統的控制平臺，控制系統軟硬件設備。從節能角度出發，上位機適當調控系統各種設備，從而實現LED顯示系統節能目的：(1)根據實際反饋的電氣負載要求，對配電柜的三相交流供電進行平衡控制(控制如圖1的配電柜)；(2)根據實際的需要，關閉屏體的部分無用區域；(3)控制新興的能源供電(如太陽能和風能等)，提高電能的變換效率；(4)實現時間程序管理LED顯示亮度；(5)實現環境亮度程序控制LED顯示等。

信號前端處理器的節能管理

如圖2，信號前端處理器接收上位機來的控制命令和視頻圖像數據輸入，然后將這兩種數據信號通過FPGA進行數據重組排列，再通過光纖發送給信號分配器：同樣接收光纖反饋回的數據信號，并通過FPGA完成對數據的解析并通過MCU轉發給上位機處理。沒有上位機參與工作的LED系統中，信號前端處理器的嵌入式平臺就將承擔起對整個系統同設備的智能控制功能。就節能舉措而言：(1)具有LED的時間程控功能；(2)具有LED的環境亮度程控功能；(3)具有供電設備管理控制功能，提高電能轉換效率等。

顯示屏端信號分配器作用

如圖3，顯示屏端信號分配器接收光纖來的數據信號，首先將視頻數據和命令數據信號按照顯示屏的模組陣列實際工程排列情況分割成4組信號，然后通過LVDs接口將視頻數據和命令數據分別發給LED顯示屏體的四個輸入端口。另一方面，屏體來的命令反饋數據信號或檢測數據通過485接口進入處理器PPGA中，然后通過光纖調制器的向信號前端處理器發送。它是信號傳輸樞紐。各種數據的分組排列及下傳和上傳的大量處理工作在此處理。

模組節能設計

全彩LED模組如圖4，包括：模組信號控制模塊，全彩LED點陣模塊，模組供電模塊等。

模組信號控制模塊節能設計

模組信號控制模塊如圖5，分配器下傳的數據信號通過LVDS接口芯片轉換得到數據流分成兩路，其中一路以LVDS信號環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再根據模組ID號，解析出命令數據和視頻數據；視頻數據按地址截取相應的區域視頻數據、緩存、并以一定的算法格式輸出去驅動LED點陣模塊；命令數據，則執行相應命令，如GAMMA校正、亮度調整、模塊電源的開關等。同時。根據相關的命令要求，模塊應答回傳信號及相關傳感器的檢測數據通過上傳通道向上傳輸。

模塊信號控制模塊、顯示屏端分配器、前端信號處理器和上位機(包括控制界面軟件)組成閉環的控制過程；實現環境亮度程控、時間亮度程控，電源模塊調整，LED顯示屏顯示負載實時調節等功能，為顯示屏的節能應用提供了信號處理的必要軟硬件條件。

模組LED點陣模塊節能設計

LBD點陣模塊設計節能舉措主要圍繞著LED燈管選擇和恒流驅動芯片驅動設計來進行。

(1)LED點陣模塊的像素設計和高光效的LED燈管選擇：全彩LED點陣模塊的像素一般由紅綠藍三個子像素組成，像素點功耗是：(V_紅×I_紅)+(V_綠2×I_綠)+(V_藍×I_藍)。LED器件正向電流與發光亮度近似于線性正比例關系。選用高亮度的LED器件組，像素點功耗相對較小，顯示屏功耗也相對較小。以P20全彩顯示屏為例，紅、綠、藍LED標稱亮度各提高20％，在顯示屏亮度不變的情況下，顯示屏的功耗會降低1s％以上。因此，選發光效率高、發光強度值大的LED器件可以有效節能。

(2)高效的LED驅動電路設計：傳統全彩LED顯示屏采用5V的電源給LED點陣模塊供電(如圖6所示)，分壓在恒流Ic上的電壓，除去恒流芯片達到線性導通所必需的正向電壓值外，其余剩下的電壓均會造成無用的功耗，轉換成熱能。節能的LED顯示屏像素驅動電路如圖7所示，這種設計采用紅綠藍LED器件分別供電的方式：V_紅、V_綠、V_藍。比較試驗證明，在選用相同LED器件和相同恒流驅動芯片，并要求顯示同樣亮度的條件下，節能電路與傳統電路比較節能30％以上。

模組電源電源拓撲節能設計

全彩LED顯示屏的模組供電方式普遍采用低壓大電流開關電源模塊輸出并聯的總線供電方式。由于開關電源輸出的電流大，變壓器銅損大，整個的電源轉換效率低(滿負載只能做到75％以內)。本文推薦模組內電源采用若干小型開關電源分布式供電方式，以提高開關電源的能量轉換效率。譬如：交流220v總線輸入、最大輸入功率是35W、輸出可調電壓的開關電源模塊效率可以達到86％以上。該開關電源的能量變換效率相對大電流并聯供電的常規供電拓撲結構而言節能在10％以上。

結語

本文圍著全彩LED顯示屏功耗，提出3方面有效低功耗設計舉措：(1)根據實際工程應用，優化管理LED顯示屏系統的設備，這是LED顯示屏節能的重要手段。(2)選擇高光效LED器件、設計高效LED器件驅動電路，這是LED顯示屏節能的主要途徑之一。(3)采用分布式供電、提高開關電源能量轉換效率，這也是顯示屏節能的主要途徑之一。

低功耗的全彩LED顯示屏具有節能、減排，保護環境；降低電力增容、動力設備及散熱設備的投入；節省電費降低運營成本：降低顯示屏溫升：延緩LBD衰減速度：提高系統可靠性；延長顯示屏壽命；減小顯示屏光電參數的溫漂，穩定圖像效果。所以，低功耗LED顯示屏系統的設計必將推動整個LED顯示屏行業產品升級換代和技術革新的繼續發展。