零功耗待機(jī)顯示器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董 恒，林甲祥，鐘連生，林志賢，魏麗芳

(1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，福建 福州 350002)

零功耗待機(jī)顯示器的設(shè)計(jì)與實(shí)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(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，福建 福州 350002)

為實(shí)現(xiàn)待機(jī)顯示器的零功耗，提出采用單片機(jī)控制繼電器開(kāi)關(guān)輸入電源并且使用顯卡輸出電能為待機(jī)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(jī)狀態(tài)所需最小能量。然后設(shè)計(jì)電源電路的繼電器開(kāi)關(guān)電路和顯示器的輸入電源切換電路，通過(guò)功率測(cè)試儀器對(duì)電路系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)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(shè)備在待機(jī)下的需求，從而實(shí)現(xiàn)顯示器輸入零功耗，滿足各國(guó)功率法規(guī)等要求。

零功耗；繼電器；開(kāi)關(guān)電源；液晶顯示器

消費(fèi)電子類產(chǎn)品是中國(guó)重要的制造產(chǎn)業(yè)之一。我國(guó)家電數(shù)量眾多，待機(jī)能耗總量巨大，已占中國(guó)家庭電力消耗的10%左右，城市家庭的平均待機(jī)能耗相當(dāng)于這些家庭每天都在使用著一盞15～30 W的長(zhǎng)明燈[1]。計(jì)算機(jī)用液晶顯示設(shè)備以及家用電視更是每個(gè)家庭必備的家電之一。因此，在越來(lái)越注重節(jié)能的今天，液晶顯示設(shè)備的待機(jī)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(qiáng)制滿足的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格。美國(guó)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(jī)模式能耗小于0.5 W。預(yù)計(jì)規(guī)范下次版本升級(jí)的時(shí)候?qū)Υ龣C(jī)功耗又會(huì)有更進(jìn)一步的要求。顯示產(chǎn)品如何滿足各國(guó)的法規(guī)又能滿足市場(chǎng)的需求，是具有研究意義的課題。

本文基于單片機(jī)控制繼電器開(kāi)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(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下的供電需求，實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)備待機(jī)零功耗。當(dāng)顯示器處于待機(jī)裝機(jī)模式，顯卡提供的電能使顯示器能夠控制繼電器開(kāi)關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)顯示器的電源電路零功耗；當(dāng)顯卡信號(hào)輸入時(shí)，顯示器能夠恢復(fù)工作并控制繼電器打開(kāi)電源[3-10]。

1 零功耗待機(jī)顯示器電路的工作原理

1.1 單片機(jī)控制繼電器開(kāi)關(guān)的工作原理

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

Q=I2Rt

(1)

通常電子設(shè)備工作時(shí)被看作負(fù)載R，顯示設(shè)備整體功耗是通過(guò)計(jì)算顯示設(shè)備的損耗電流在單位時(shí)間t內(nèi)消耗的能量。要達(dá)成零功耗待機(jī)，就需要在設(shè)備待機(jī)下切斷顯示器的輸入電流I。

因?yàn)橐壕э@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(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖1)，進(jìn)而切斷顯示器的輸入電流I，就可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的零功耗。

圖1 繼電器開(kāi)關(guān)電路圖

如圖1所示，當(dāng)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(hào)為高電平，則繼電器為關(guān)斷狀態(tài)，220 V電壓經(jīng)過(guò)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(hào)為高電平，則繼電器為開(kāi)啟狀態(tài)，那么整個(gè)電源電路將沒(méi)有電流通過(guò)。此時(shí)，整個(gè)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(jī)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(guò)50 mA；如果顯示器處于開(kāi)啟狀態(tài)，則顯示器

的回流電源不得超過(guò)10 mA。

同樣，在HDMI以及VGA等接口定義中，對(duì)于原本為顯示器在斷電狀態(tài)時(shí)，讀取顯示器擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)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(dòng)電流不小于55 mA。由此可知，只要液晶顯示器控制模塊待機(jī)模式下需求的電流小于55 mA，就可以滿足其待機(jī)能耗需求。

2 零功耗待機(jī)顯示器的關(guān)鍵電路

2.1 零功耗待機(jī)的顯示器電路設(shè)計(jì)

考慮終端用戶需求，液晶顯示器一般同時(shí)具有多個(gè)接口。如圖2所示的零功耗待機(jī)顯示器的電路示意圖中，線路設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)模塊設(shè)計(jì)。顯示器控制芯片IC1采用晨星半導(dǎo)體的芯片TSUMOP387MT9S-1。該芯片內(nèi)置8032微控器，同時(shí)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(dāng)顯卡接口無(wú)信號(hào)輸出時(shí)，顯示器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)顯示器可以借助顯卡接口提供的電源進(jìn)行睡眠狀態(tài)下的工作。當(dāng)顯卡給出視頻信號(hào)后，顯示器可以立刻恢復(fù)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(shí)，考慮顯示器工作時(shí)的電流消耗，IC2和IC3是選用具有兩組場(chǎng)效應(yīng)管的并聯(lián)集成芯片，提高線路的可靠性。

圖2 零功耗待機(jī)顯示器的電路示意圖

電路模塊A為繼電器的電源線路設(shè)計(jì)。市電220 V輸送到顯示器中，經(jīng)過(guò)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(guò)C3濾波，經(jīng)過(guò)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(chǎng)效應(yīng)管。

電路模塊B為顯卡接口輸出電源的模塊設(shè)計(jì)。因?yàn)榻涌谝?guī)范要求睡眠狀態(tài)時(shí)的回流電流不得超過(guò)50 mA，所以在顯卡供電線路，必須串接一個(gè)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(dǎo)通。當(dāng)顯示器零功耗模式被開(kāi)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(kāi)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(jìn)入待機(jī)，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(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)要進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，顯示器控制芯片引腳94送出高電平，V2被打開(kāi)，T2場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，Main_5 V(圖1中的直流電壓B)通過(guò)Relay_Off控制繼電器開(kāi)關(guān)關(guān)斷，則輸入的交流電源進(jìn)入系統(tǒng)工作。相反，當(dāng)顯示器從睡眠狀態(tài)進(jìn)入正常工作的時(shí)候，控制芯片IC1引腳92要先發(fā)出控制信號(hào)高電平，V1導(dǎo)通，T1導(dǎo)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(kāi)，外部的交流電源被阻斷。

2.2 零功耗待機(jī)的顯示器程序流程設(shè)計(jì)

零功耗模式待機(jī)流程圖如圖3所示，當(dāng)液晶顯示器處于正常工作時(shí)，此時(shí)無(wú)信號(hào)輸入，顯示器首先進(jìn)入待機(jī)模式并且偵測(cè)是否進(jìn)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(kāi)繼電器，進(jìn)入零功耗模式；當(dāng)在零功耗模式下識(shí)別到關(guān)閉信號(hào)，則開(kāi)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(kāi)繼電器。

圖3 零功耗模式待機(jī)流程圖

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器為：Chroma公司的可編程信號(hào)產(chǎn)生器2226以及積分功率計(jì)66202。

如圖4a為信號(hào)產(chǎn)生器2226，圖4b為使用Chroma公司的積分功率計(jì)型號(hào)66202。測(cè)試方法是液晶顯示器在市電輸入下，將顯示器設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)，然后分別在待機(jī)模式、零功耗模式和關(guān)機(jī)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(hào)產(chǎn)生器送出信號(hào)，查看液晶顯示器恢復(fù)情況。圖4a是待機(jī)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(shí)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(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比可知，電能消耗最大的為待機(jī)模式，均值在0.286 W/H，其次是關(guān)機(jī)模式，均值在0.197 W/H，最后是零功耗模式。因?yàn)榱愎哪Ｊ斤@示器關(guān)閉輸入電源，所以測(cè)試結(jié)果均為0。此外，在信號(hào)輸入到液晶顯示器時(shí)，關(guān)機(jī)模式需要手動(dòng)開(kāi)機(jī)，而待機(jī)和零功耗模式都可以自動(dòng)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(dòng)喚醒，用戶體驗(yàn)最好。

表1 功率測(cè)量結(jié)果 W/H

4 小結(jié)

本文提出液晶顯示器待機(jī)模式使用顯卡提供的電能工作的方法，可以達(dá)到顯示器的0 W待機(jī)模式，比傳統(tǒng)的待機(jī)方法要普遍節(jié)省0.286 W/H以上。同時(shí)，該方法也可以滿足各國(guó)針對(duì)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(méi)有接入信號(hào)線時(shí)，則無(wú)法達(dá)成零功耗模式。因此，在無(wú)外部電源輸入的情況下，利用儲(chǔ)能器件，如何設(shè)計(jì)滿足顯示器在待機(jī)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(yīng)用在西門子的液晶顯示產(chǎn)品上，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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董 恒(1982— )，碩士生，主研液晶顯示器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及應(yīng)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(shè)計(jì)以及通信接口；

林志賢(1975— )，碩士生導(dǎo)師，主研FED驅(qū)動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等。

責(zé)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(xiàn)信息】董恒，林甲祥，鐘連生,等.零功耗待機(jī)顯示器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù),2015，39(13).

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA030601)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014J05045)；福建省科技重大專項(xiàng)(2014HZ0003-1)

TN949.1

A

10.16280/j.videoe.2015.13.028

2015-01-06