低功耗全彩LED显示屏系统设计

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 引言

  LED全彩显示屏,由于面积大、播放时间长,其耗电量是客户关注的一项关键指标。降低显示屏能耗是LED显示屏技术一个重要的发展方向。

  全彩LED显示的控制系统节能管理

  LED显示屏是一种集计算机技术,电子技术,光学技术,电气技术和结构技术等各种现代工程技术于一体的系统集成工程应用。全彩LED显示屏系统基本组成如图1,包括:计算机及系统管理界面,LED交流电源配电柜,信号前端处理器,显示屏端信号分配器,全彩LED显示屏(全彩LED模组阵列)等。

 

  LED显示屏系统上位机的节能管理

  如图1所示,通常LED显示屏上位机包括计算机硬件及上位机软件,它在LED显示屏系统中既是显示屏系统的媒体编辑平台,为显示屏提供图像视频信号源;又是显示屏系统的控制平台,控制系统软硬件设备。从节能角度出发,上位机适当调控系统各种设备,从而实现LED显示系统节能目的:(1)根据实际反馈的电气负载要求,对配电柜的三相交流供电进行平衡控制(控制如图1的配电柜);(2)根据实际的需要,关闭屏体的部分无用区域;(3)控制新兴的能源供电(如太阳能和风能等),提高电能的变换效率;(4)实现时间程序管理LED显示亮度;(5)实现环境亮度程序控制LED显示等。

       信号前端处理器的节能管理

  如图2,信号前端处理器接收上位机来的控制命令和视频图像数据输入,然后将这两种数据信号通过FPGA进行数据重组排列,再通过光纤发送给信号分配器;同样接收光纤反馈回的数据信号,并通过FPGA完成对数据的解析并通过MCU转发给上位机处理。没有上位机参与工作的LED系统中,信号前端处理器的嵌入式平台就将承担起对整个系统同设备的智能控制功能。就节能举措而言:(1)具有LED的时间程控功能;(2)具有LED的环境亮度程控功能;(3)具有供电设备管理控制功能,提高电能转换效率等。

 

  显示屏端信号分配器作用

  如图3,显示屏端信号分配器接收光纤来的数据信号,首先将视频数据和命令数据信号按照显示屏的模组阵列实际工程排列情况分割成4组信号,然后通过LVDS接口将视频数据和命令数据分别发给LED显示屏体的四个输入端口。另一方面,屏体来的命令反馈数据信号或检测数据通过485接口进入处理器FPGA中,然后通过光纤调制器的向信号前端处理器发送。它是信号传输枢纽,各种数据的分组排列及下传和上传的大量处理工作在此处理。

  模组节能设计

  全彩LED模组如图4,包括:模组信号控制模块,全彩LED点阵模块,模组供电模块等。

  模组信号控制模块节能设计

  模组信号控制模块如图5,分配器下传的数据信号通过LVDS接口芯片转换得到数据流分成两路,其中一路以LVDS信号环接输出到下一模组的输入口,另一路以TTL电平的方式输入到FPGA;FPGA再根据模组ID号,解析出命令数据和视频数据;视频数据按地址截取相应的区域视频数据、缓存、并以一定的算法格式输出去驱动LED点阵模块;命令数据,则执行相应命令,如GAMMA校正、亮度调整、模块电源的开关等。同时,根据相关的命令要求,模块应答回传信号及相关传感器的检测数据通过上传通道向上传输。

 

  模块信号控制模块、显示屏端分配器、前端信号处理器和上位机(包括控制界面软件)组成闭环的控制过程;实现环境亮度程控、时间亮度程控,电源模块调整,LED显示屏显示负载实时调节等功能,为显示屏的节能应用提供了信号处理的必要软硬件条件。

        模组LED点阵模块节能设计

  LED点阵模块设计节能举措主要围绕着LED灯管选择和恒流驱动芯片驱动设计来进行。

  (1)LED点阵模块的像素设计和高光效的LED灯管选择:全彩LED点阵模块的像素一般由红绿蓝三个子像素组成,像素点功耗是:(V红×I红)+(V绿×I绿)+(V蓝×I蓝)。LED器件正向电流与发光亮度近似于线性正比例关系。选用高亮度的LED器件组,像素点功耗相对较小,显示屏功耗也相对较小。以P20全彩显示屏为例,红、绿、蓝LED标称亮度各提高20%,在显示屏亮度不变的情况下,显示屏的功耗会降低15%以上。因此,选发光效率高、发光强度值大的LED器件可以有效节能。

  (2)高效的LED驱动电路设计:传统全彩LED显示屏采用5V的电源给LED点阵模块供电(如图6所示),分压在恒流IC上的电压,除去恒流芯片达到线性导通所必需的正向电压值外,其余剩下的电压均会造成无用的功耗,转换成热能。节能的LED显示屏像素驱动电路如图7所示,这种设计采用红绿蓝LED器件分别供电的方式:V红、V绿、V蓝。比较试验证明,在选用相同LED器件和相同恒流驱动芯片,并要求显示同样亮度的条件下,节能电路与传统电路比较节能30%以上。

  模组电源电源拓扑节能设计

  全彩LED显示屏的模组供电方式普遍采用低压大电流开关电源模块输出并联的总线供电方式。由于开关电源输出的电流大,变压器铜损大,整个的电源转换效率低(满负载只能做到75%以内)。本文推荐模组内电源采用若干小型开关电源分布式供电方式,以提高开关电源的能量转换效率。譬如:交流220V总线输入、最大输入功率是35W、输出可调电压的开关电源模块效率可以达到86%以上。该开关电源的能量变换效率相对大电流并联供电的常规供电拓扑结构而言节能在10%以上。

  结语

  本文围着全彩LED显示屏功耗,提出3方面有效低功耗设计举措:(1)根据实际工程应用,优化管理LED显示屏系统的设备,这是LED显示屏节能的重要手段。(2)选择高光效LED器件、设计高效LED器件驱动电路,这是LED显示屏节能的主要途径之一。(3)采用分布式供电、提高开关电源能量转换效率,这也是显示屏节能的主要途径之一。

  低功耗的全彩LED显示屏具有节能、减排,保护环境;降低电力增容、动力设备及散热设备的投入;节省电费降低运营成本;降低显示屏温升;延缓LED衰减速度;提高系统可靠性;延长显示屏寿命;减小显示屏光电参数的温漂,稳定图像效果。所以,低功耗LED显示屏系统的设计必将推动整个LED显示屏行业产品升级换代和技术革新的继续发展。