照明系统：高分辨率手持设备显示器的多重节能策略

2008年10月17日13:38:05 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：National Semiconductor应用工程师Jeffrey A. Smal

由于手持设备中采用的显示器分辨率越来越高，一个问题愈发凸现：如何让电池有效的支持手持设备的运行。例如，Palm T|X 和Apple iPhone手机的显示器都为320×480像素，东芝（Toshiba）W52T手机显示器为400×800像素。这些大尺寸的显示器占据了手机正面大部分的面积，并且用户希望手机更加轻薄，因此，留给电池的空间便越来越小。

显示模块（包括背光）是这些手持设备的主要耗能模块。因为显示器必需长期开着。即使是待机模式下，日期时间、呼叫等待、闹钟等此类信息依然需要显示。既然显示器要“常开”，在节能策略中，显示器自然成为的重要的目标对象。

下面介绍若干种节能策略。

背光的优化设置

较显而易见的方法就是在手持设备处于待机状态时关闭背光。这需要采用透反式显示器，如此一来，在背光关闭的情况下，依然可以显示屏幕信息。对于彩色液晶显示器，背光的耗能一般在200mW到300mW之间，关闭背光将能节约大量的电能。另一个方法是感应环境亮度。在环境亮度较低时，调暗背光。相反，在环境亮度远远超过背光亮度时，完全关闭背光。

当背光打开时，如果选用RGB LED模式而不是白光LED模式，背光的运行功率将会降低。此时，需要三个LED驱动器，分别支持红色、绿色和蓝色LED电路。此类LED驱动器可以选择美国国家半导体的LP5520。LP5520将三个温度补偿LED驱动器集成到同一个封装内，同时使用一个通用电感器进行DC-DC转换。RGB背光的显著优势在于：RGB LED的峰值波长可以与色彩过滤器的透射比峰值相协调，较大程度地提高显示效率并增加色域。同时由于彩色通道的色度亮度干扰降低，还可以改进色彩饱和度。如果使用了白光LED，则必须对其进行充分的驱动，这样冷色通道才能得到足够的照明度。如此一来，会导致过多的功率使用在较强的彩色通道，造成了浪费。另一方面，假如采用RGB LED的话，那每一种色彩都可由刚刚好足够的功率来驱动，不会浪费能耗。

尽量调低电源电压

锂离子电池是手持设备较常用的电源。该电池可提供约3V的电压，这个电压会被转化成不同规格的电压供子系统使用。一块LTPS彩色LCD的工作电压一般在-5V在10V之间，而图形处理器的工作电压的范围是1V到2V。与开关电容式DC-DC转换器不同，感应式DC-DC转换器的输入输出电压范围很大，甚至在电池电压下降到电池放电周期末期的时候依然能够产生工作所需要的电压。这种特性可以使电池存储更多的可用电量。

此外，感应式DC-DC转换器产生的电压可以接近较后所需的电压量。随后，低压降稳压器（LDO）会以少许插入损耗来细调所需的电压。

通常情况下，手机的RF功率输出由主系统进行动态调节，这样就可以只产生较小的RF功率。此时，可以使用美国国家半导体的LM3207芯片。LM3207可根据所需的RF功率来动态调节RF功率放大器的功率。在正常的工作条件下，LM3207的效率为90％到95％。

系统处理器和图形处理器所消耗的动态功率与数字电源电压的平方成正比。这些处理器占用了大部分的功率，特别显著的例子就是，视频流解码和处理在运行大强度的计算任务时。对于符合PowerWise规格的处理器，例如美国国家半导体PowerWise电源管理单元中的LP5550系列，可以向处理器提供自动闭环较小电压。

待机模式

要在待机模式下获得较小功耗和较小尺寸的显示驱动器芯片，应减少存储图像数据时的单位像素位数目。美国国家半导体的FPD95120显示驱动器芯片（图1）在待机模式下支持每像素1和3位像素的存储空间，以容许系统在功率、显示图像尺寸和图像质素之间进行取舍。采用每像素1或3位，可以在帧倒转模式下驱动显示器，并且不会出现可视颤动。这样，由于列驱动器电压每个帧触发一次，而不是每条线触发一次，所消耗的电能将会低于线倒转模式。

图1. FPD95120显示驱动器芯片底盘，每个器件的尺寸约为25×1mm。

显示驱动器芯片必须在待机模式下能够以独立的形式更新显示器，为显示模块提供所有要求的DC电压、时钟和信号。FPD95120显示驱动器芯片内含了所有所需的DC-DC转换器、一个内部振荡器和一个内部存储器，用以存储需要显示的数据。主系统可通过一个串行接口更新这些数据。一旦数据载入了FPD95120，主系统只需提供显示这些数据所需的电池电压即可。在待机模式下，显示器的总消耗功率一般为5-10mW。

全运行模式

在显示器全运行时，功率主要来自于向显示器提供数据的数字链路。美国国家半导体的LM2512A与FPD95120显示驱动器芯片一样，也使用了高速低耗串行链路（移动像素链路或MPL-1）将视频数据从主系统传送到显示模块。对于HVGA应用，MPL-1链路需要一个时钟线和两个串行数据链路。由于MPL-1采用典型电压摆幅大于100mV的电流模式信号，并且不会产生过大的地面尖峰信号，因此EMI得到了降低。MPL-1链路所消耗的电能（发送器运行功率＋接收器运行功率）与LVCMOS连接所消耗的功率差不多。MPL-1的一个重要优势在于将26条线路（时钟、数据和24位RGB）减少到仅为3条。如果系统图形处理器（GPU）内建了MPL-1（MPL-1是一个开放标准），则不需要使用LM2512A，GPU可以直接连接到FPD95120驱动器。

LM2512A同时还内含了抖动模块，它能够将24位RGB视频转换为18位RGB视频，并且图像质量不会出现明显的损失。使用专利的伪随机时空算法可以在18位显示器上获得近似24位显示器的质量。由于只有18位每像素需要传送，比24位每像素所传送的数据减少了25％，这样就可以降低链路功率。另外，为18位显示器所设计的驱动器芯片，其所消耗的功率比24位显示器的驱动芯片也要小，这是因为驱动器芯片内的数模转换器尺寸更小一些。

LCD面板电压的DC-DC转换器必须包含在显示驱动器芯片之中，这样在待机模式下，当主系统的DC-DC转换器在关闭的情况时，该转换器仍可以使用。LCD面板电压的DC-DC转换器必须直接连接在电池上，以减少预调节所引起的损耗。对于高转换效率的应用而言，以下两个方面非常重要：较大程度的降低从电感器到玻璃上显示驱动芯片之间的电阻，以及较大程度的降低从玻璃上显示驱动芯片的接地垫返回到电池电源负极之间的电阻。

此外，通过使用多重时域，可以降低显示驱动器的动态功率。这样可以保证在低时钟脉冲速度时有大部分的驱动器逻辑可以运行，或者是在其空闲时将其关闭。

电力循环回收

在全运行状态下，LCD玻璃上的列驱动器和像素储能电容均需耗用不少功率来进行充电和放电。对于普通的白LC材料，黑色像素所需的功率较大，白色像素所需的功率则较小，正如图2中的“显示器刷新功率”所示。该功率的一部分将通过电力循环回收技术存储在驱动器芯片内。FPD95120便是采用了这专利的电力循环回收技术。

显示器系统功率由图2中所示的几个部分组成。其中较大的一部分是用于LCD栅极线、列线、像素和电极的充放电（显示器功率＋列驱动器功率）。另一个较大的部分是运行视频源和显示驱动器的视频接口所需的功率。这一功率中包括实际信令功率（LVCMOS的MPL-1或fCV² / 2的电流源）以及视频链路端部接口电路所需的功率。还有一部分功率在DC-DC转换器中损耗，主要是由于电感器充放电路径中的阻抗损耗。HVGA显示器的刷新率为60fps时，基于FPD95120的显示器的总电池功率损耗一般为45-65mW。

图2. 3.62英寸（92毫米）320×480像素显示器的功率损耗

（数据来自在60fps以18位彩色模式下运行的显示模块）。

总结

由于手持设备（如手机和PDA）中的显示器“总是处于开着状态”，因此要尽量延长电池的使用时间关键就是尽量降低LCD模块及其背光的平均能耗。使用RGB LCD背光可以降低背光功率，使用直接与电池相连的高效显示驱动器可以减少LCD模块的功率。使用透反LCD模块和自刷新显示驱动器可使得背光和系统处理器在待机模式下关闭，纵使显示器仍处于活动状态。在待机模式下使用1或3位色彩模式可以降低显示器功率，主要是因为这两种模式可以在帧倒转方式下驱动显示器，并且不会出现可视颤动。此外，如果对系统处理器使用闭环较小供电电压（PowerWise），并且对RF功率放大器使用开环较小供电电压和使用诸如美国国家半导体LM49100声频子系统等的高效外围，可以进一步的改进电池的使用寿命。

www.national.com/CHS