基于省電的led功率消耗分析與控制策略

基于省電的led功率消耗分析與控制策略

1背光電流調(diào)變技術(shù)能耗大小是指包含運(yùn)動電話、數(shù)字相機(jī)、pda、dp-p3、便攜式游戲等的電子產(chǎn)品的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，這表明消費(fèi)者可以使用無限制的產(chǎn)品很長時(shí)間。而這些產(chǎn)品有一個(gè)共通點(diǎn),他們都由顯示屏幕來做人與機(jī)器之間的橋梁。為了表示足夠的信息、提供高質(zhì)量的色彩以及支持多媒體的應(yīng)用,這個(gè)屏幕的分辨率必須要足夠,顏色要多,顯示的區(qū)域也是越大越好,這些要求同時(shí)也代表著功率消耗的不斷增加。TFT-LCD作為此類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)顯示器常常成為了功率消耗的主要組件。圖1表示了一個(gè)有著高分辨率TFT-LCD的手機(jī)嵌入式系統(tǒng)的功能方塊,其中高分辨率、高顯示顏色、大尺寸的LCD,需要大的背光系統(tǒng)、大的TFT-LCD面板、高運(yùn)算速度的驅(qū)動IC,這些都造成了高的功率消耗。圖2則是假設(shè)以一般QVGA分辨率的顯示器手機(jī)在正常操作下各個(gè)組件功率消耗的比較?？梢钥吹斤@示系統(tǒng)因?yàn)楸彻獾年P(guān)系(通常為4個(gè)LED),耗電量是非常驚人的,占整支手機(jī)的功耗40%以上。說明了顯示屏耗電量的多寡對于手持式產(chǎn)品的使用時(shí)間有著決定性的影響。身為專業(yè)的LCD驅(qū)動IC提供廠商,矽創(chuàng)持續(xù)的經(jīng)由研發(fā)新的電路設(shè)計(jì)或采用高集成的制程去降低驅(qū)動IC的功耗,如表1可以看到不管是MSTN、CSTN還是A-TFT產(chǎn)品,在省電這一塊,矽創(chuàng)已經(jīng)竭盡所能的將驅(qū)動IC的功耗減少了80%以上。當(dāng)驅(qū)動IC大幅度降低功率消耗的同時(shí),也代表著高耗電的背光系統(tǒng)所占的功耗比重越來越大。與最新的QVGA驅(qū)動IC相比,同尺寸的背光將多了20倍以上的功耗,也主宰了產(chǎn)品的使用時(shí)間。因此我們把研究省電的目標(biāo)朝向了背光模塊,提出了一種背光電流調(diào)變技術(shù)。驅(qū)動IC會動態(tài)且同步的控制背光亮度與補(bǔ)償顯示畫面,在維持視覺效果不變的前提下,去降低背光的功耗至70%以下。相比之下,這項(xiàng)技術(shù)的成功研發(fā)與應(yīng)用將可增加相關(guān)產(chǎn)品40%以上的使用時(shí)間。2法律/技術(shù)理論上的lac與cabc在手機(jī)背光的省電技術(shù)上,目前已實(shí)際應(yīng)用較可行的有兩種,一為環(huán)境光偵測對應(yīng)背光控制和內(nèi)容對應(yīng)背光控制技術(shù)。此兩種方式相同的地方在都屬于對應(yīng)性背光控制技術(shù)。圖3說明了ABC的動作原理。如果LCD模塊要顯示一個(gè)50%輝度的畫面,傳統(tǒng)的背光照明模塊亮度維持固定,功耗為100%,藉由面板顯示50%的灰階去達(dá)成。此種傳統(tǒng)的方式簡單來說就是提供一個(gè)大于實(shí)際所需要的畫面亮度,再藉由LCD面版去作調(diào)節(jié);在顯示過亮的畫面時(shí)容易造成視覺疲勞,暗畫面則細(xì)節(jié)衰退,對比不佳更造成不必要的電力浪費(fèi)。相較之下ABC會先將照明模塊背光亮度下降50%,同時(shí)將欲顯示的畫面轉(zhuǎn)換為100%灰階顯示,可維持相同的顯示輝度但僅消耗一半的功率,達(dá)到省電也提高顯示對比的優(yōu)點(diǎn)。藉由這個(gè)基本的概念衍生出了LABC與CABC兩個(gè)節(jié)省背光功耗的技術(shù)。LABC的L指的就是亮度傳感器(LightSensor),這個(gè)概念衍生自醫(yī)學(xué)相關(guān)的研究。如圖4人類的眼睛對于環(huán)境光是相當(dāng)敏感的,環(huán)境光偏亮則瞳孔收縮降低進(jìn)入視網(wǎng)膜的亮度;相反的,環(huán)境光若偏暗則瞳孔放大增加視網(wǎng)膜感受到的亮度讓人類分辨物體。因此我們可以利用這樣的人體機(jī)制,當(dāng)白天大太陽下時(shí),由于外在光線很亮,瞳孔收縮,手機(jī)背光必須維持100%的亮度顯示讓眼睛辨別。但到了陰影或暗處,由于外在環(huán)境光源降低,瞳孔放大,手機(jī)背光只要維持70%亮度顯示眼睛即感受到相同的顯示效果。如此一來,節(jié)省了30%的背光功耗,這就是LABC的基本概念。LABC的技術(shù)要實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)要點(diǎn):第一,LCD模塊必須搭配一個(gè)光傳感器。此種光傳感器有的是獨(dú)立一個(gè)組件放置于手機(jī)主板上,或藉由照相機(jī)模塊充當(dāng)光傳感器,更復(fù)雜的則是TFT-LCD廠設(shè)計(jì)在玻璃上。第二,就是驅(qū)動IC必須內(nèi)含影像的補(bǔ)償計(jì)算與背光控制。LABC基本功能方塊圖如圖5。手機(jī)的處理器會去讀取光傳感器的數(shù)值,了解目前環(huán)境光的強(qiáng)弱。確定外界光源后,處理器直接將數(shù)值以指令方式告訴矽創(chuàng)的LCD驅(qū)動IC,IC內(nèi)部將依此數(shù)據(jù)動態(tài)的補(bǔ)償畫面與調(diào)整背光信號。此過程即為LABC的省電程序。CABC的C指的是內(nèi)容(Content),也就是圖資分析。他的概念如圖6是在LCD驅(qū)動IC內(nèi)新增一個(gè)內(nèi)容分析器電路,假設(shè)當(dāng)手機(jī)處理器傳送了一張圖片數(shù)據(jù)到驅(qū)動IC,內(nèi)容分析器會計(jì)算并統(tǒng)計(jì)圖片的數(shù)據(jù)后依據(jù)設(shè)定與算法自動的將其灰階亮度提高30%(此時(shí)圖片變亮),再將背光亮度降低30%(此時(shí)圖片變暗)。由于我們事先已經(jīng)將圖片經(jīng)過分析器電路補(bǔ)償亮度,因此使用者可以得到與原先電路相差無幾的顯示效果,但減少了30%的背光功耗。CABC基本功能方塊圖如圖7,圖資分析器首先會統(tǒng)計(jì)分析欲顯示的畫面數(shù)據(jù),取得灰階分布圖(Histogram)。根據(jù)每個(gè)影像的統(tǒng)計(jì)圖以及CABC相關(guān)的設(shè)定重新計(jì)算補(bǔ)償之后得到一個(gè)新的畫面數(shù)據(jù),并同步?jīng)Q定背光省電幅度,再依此數(shù)值動態(tài)調(diào)節(jié)PWM信號使顯示畫面失真最小卻可減少背光電流的消耗。由以上的介紹我們可以歸納出LABC和CABC的基本背光省電原理是相同的,但判斷機(jī)制稍有不同:LABC跟隨環(huán)境光的改變,調(diào)整背光。CABC則是判斷目前顯示的畫面隨時(shí)作省電的調(diào)整。比較實(shí)際應(yīng)用上以及省電的功效來說,CABC的實(shí)用性將遠(yuǎn)大于LABC。經(jīng)過統(tǒng)計(jì),一般在使用可攜式產(chǎn)品時(shí)正常的室內(nèi)光源占了大多數(shù),使用環(huán)境通常也不會劇烈的改變。因此為了達(dá)到長時(shí)間使用仍然省電的目標(biāo),就必須靠CABC隨時(shí)針對顯示內(nèi)容去作調(diào)變。5基于利益平衡的動態(tài)電影中小尺寸LCD單一芯片的驅(qū)動IC本身功能方塊是十分復(fù)雜的。必須包含門級驅(qū)動器、源級驅(qū)動器、顯示數(shù)據(jù)儲存器、時(shí)序控制器、倍壓電路、接口控制電路等。為了導(dǎo)入背光省電技術(shù),矽創(chuàng)嘗試整合畫面分析電路、動態(tài)畫質(zhì)補(bǔ)償調(diào)整器、PWM信號產(chǎn)生器與原有電路,在ST7783中成功的實(shí)現(xiàn)了LABC+CABC兩種背光省電技術(shù)。單就ST7783CABC的省電效果,可參考表2。假設(shè)原本的背光需要20mA的電力,表中的劍圖因?yàn)楸尘岸紴楹谏?可以不需要這么亮的背光,因此省電效果幾乎可達(dá)50%。除了靜態(tài)圖片模式,ST7783也支持動態(tài)電影模式。一般來說在播放電影時(shí),畫面是以一個(gè)非常高的速度在更新,使用者無法仔細(xì)的分辨每一張圖的細(xì)節(jié)。只要進(jìn)入了電影模式,ST7783會自動的調(diào)整計(jì)算電路,在使用者無法察覺圖片失真的情況下,加重省電的百分比。以表3的例子來說,X-軸是播放時(shí)間,Y-軸是背光耗電,開啟CABC動畫模式的耗電流與傳統(tǒng)無省電技術(shù)的方式比較起來,播放范例動畫文件平均可節(jié)省45%的功耗。如果要同時(shí)運(yùn)作LABC與CABC兩種功能,ST7783內(nèi)部會先作乘法處理,如圖8。只要主處理器根據(jù)光傳感器讀到的數(shù)值對ST7783作設(shè)定,IC即會根據(jù)此設(shè)定加上CABC自己計(jì)算的數(shù)值統(tǒng)一的作一個(gè)考慮并節(jié)省功耗。如表4。在客戶實(shí)際應(yīng)用的手機(jī)架構(gòu)上,ST7783提供了兩種不同的架構(gòu),第一個(gè)架構(gòu)如圖9。手機(jī)主板不用作任何的硬件修改,仍然是由手機(jī)上的CPU控制背光驅(qū)動IC,當(dāng)ST7783的圖資分析器針對圖片內(nèi)容分析計(jì)算完畢后,CPU只需要讀回我們分析的結(jié)果,之后再根據(jù)此數(shù)值去控制LED驅(qū)動器即可達(dá)到省電效果。第二個(gè)架構(gòu)如圖10,LED驅(qū)動器改由ST7783直接控制,不管是LABC數(shù)值的設(shè)定,或是CABC內(nèi)部的計(jì)算結(jié)果都交給LCD驅(qū)動器即可。此架構(gòu)的好處是CPU不用再負(fù)擔(dān)額外的處理動作,手機(jī)軟件的更動也較少。以上兩種架構(gòu)提供給客戶更靈活的運(yùn)用背光省電技術(shù)在自己的產(chǎn)品內(nèi)而不需要負(fù)擔(dān)大幅度的修正或成本。綜合以上所述ST7783在背光省電的新技術(shù)上有著五大特點(diǎn);第一、不影響視效下求取最大省電效果;第二、不增加CPU處理負(fù)擔(dān);第三、高速的畫面數(shù)據(jù)分析電路可同步處理高速動畫與背光控制;第四、可減少一半以上的背光消耗;第五、現(xiàn)行CPU驅(qū)動IC的接口不需要改變