低功耗大尺寸胆甾型液晶显示器的发展

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摘要:与主动发光型显示器相比,反射型显示器具有功耗低,特别是适用于低能耗系统的优势。但在某些情况下,系统的功耗往往大于显示器功耗。

关键词:胆甾型液晶显示器;双稳态;高对比度

中图分类号:TN141.9 文献标识码:B

引言

大尺寸显示器既可以用于转播体育赛事,又可作为户外广告牌循环显示,同时还可以用作信号标牌。观看大尺寸显示屏给人一种融入显示画面,身临其境的感觉。根据应用要求,可将显示器长期或短期安置于室内或室外,但似乎没有一种显示技术能够满足各种条件下的应用需求。

在过去的10年间,LED大尺寸显示屏在很多方面都取得了不错的成绩,例如赛事转播等等,但在户外广告牌方面却进展缓慢,阻碍了其广泛应用。LED显示屏主要存在以下缺陷:屏幕亮度偏高;长期使用时功耗过高;不适用于空间有限的室内;被认为会产生较大的光辐射污染;当观看角度或位置发生变化时,画面会失真;在外界环境亮度较高时,画面对比度和亮度将不足等等。为了弥补以上不足因素,必须提出一种可适用于多数环境下的大尺寸显示器――低功耗大尺寸全彩色反射型显示器于是应运而生。

1电源配置系统

胆甾型液晶显示器(cholesteric liquid-crystal display,ChLCD)历经多年的发展,主要应用于低功耗便携设备或单色显示标牌,它具有超低功耗和画面响应速度快的特点,但对于大屏幕显示,画面质量是首要指标。

ChLCD的主要特性是反射型显示和双稳态工作模式,因此不需要背光,主要功耗是用于维持系统工作和控制,而画面保持时,液晶器件本身几乎不耗电。

ChLCD有两种稳定状态――散射态和透过态(具体介绍详见李维等著《液晶显示应用技术》一书――译者注),其间存在着许多灰度级别。在显示器后面放置一个黑体,用来吸收透过的光线,从而显示黑色。当施加高电压(>30V)时,胆甾液晶进入散射态,即光线通过液晶时呈现散射式反射,被人眼感知;在较低电压时,胆甾液晶将处于透过态,呈现黑色或是中间灰度级状态。一般胆甾液晶膜只能够反射单色光波,当用作黑白或全彩色显示时,需要附加红绿蓝滤光膜。

基于ChLCD的工作特点,它多被应用于低功耗产品,例如移动电话。为了提升对比度,保证图像质量,一般需要提升工作电压,使电位差增大,尤其是对于画面频繁变换的应用产品。

设计大尺寸显示器的电源驱动时需要考虑诸多因素,其显示屏总功耗主要由以下三个部分构成:

图像变换功耗(显示功耗):这部分大约消耗功率5～15W/m2,只有当画面变化时才会产生,主要受画面响应速度和电位差影响。图像变换平均功耗,主要参照图像变换的频率。

系统工作功耗:主要包括控制系统的数据输入、传输和相关电子部件的运作。每个显示屏的系统功耗一般为350～700W。在画面切换时,多数电子部件将暂停运行,使图像变换功耗降至最低(1W/m2)。

设备功耗:主要为环境照明、加热或冷却系统。功耗取决于显示屏的放置位置(室内或室外)、气候(冷热温度)和画面响应速度等等。系统结构的设计对于这部分功耗起着至关重要的作用。

环境照明功耗由显示屏的反射类型、环境亮度和照明灯类型等因素决定,一般为30～100W/m2。

由于显示器底面的黑体吸收光线,这部分光能将转换为热量,因此需要对显示屏进行冷却。设备结构、放置环境的气候决定了这部分功耗的高低, 一般为100W/m2。通常室内显示屏不需要冷却系统。

在显示屏启动的时候,需要有加热系统对设备进行升温。同样,环境气候、设备结构、特殊需求和驱动电路等决定加热功耗,一般为50～250W/m2。通常室内显示屏也不需要加热系统。

设计大尺寸显示器的功耗,应预先确定显示屏的工作需求,以便估算功耗种类和量值。室内显示屏的功耗通常低于室外显示屏。

与其它大屏幕显示相比,反射型显示屏的低功耗特点尤为突出,例如:一般背光式液晶显示屏在户外日光直射的情况下,背光亮度至少应达到2,000cd/m2,消耗功率约为2kW/m2,即使在夜间,也仍需要0.5kW/m2。在估算总功率时,背光系统的消耗功率一般按1.0～2.5kW/m2计算。只有提升背光效率,才能有效地降低整体功耗。另外,户外大尺寸(20m2)LED显示屏每天的平均功耗为0.5～0.7kW/m2,它主要与外界光强和像素间距有关,其中像素间距越小,功耗越高。

双稳态ChLCD一般不用于视频画面显示,因此显示功耗部分应重点考虑静态画面切换的功耗。基于ChLCD的反射特点,提高夜间显示照明设备的效率,可以使整体功耗得到有效降低。

2 大屏幕ChLCD

2002年,Magink和三菱电子合作开发出第一款用于户外大屏幕显示的ChLCD,显示屏尺寸介于2~13m2。如图1所示,显示屏表面覆有玻璃保护罩,且置于温度控制箱内,保证20℃的正常工作温度,图像对比度为6～8:1,每7秒切换一次画面,持续时间为2秒。画面切换时系统工作功耗为16W/m2,画面保持功耗为25W/m2,平均功耗约为17W/m2。此外,总功率还包括加热系统功耗(100～250W/m2),冷却、空气循环系统功耗(≤6W/m2),以及照明功耗(80～100W/m2),总功耗约为150W/m2。

双稳态ChLCD可用于火车站台时刻表、室内标牌和交通引导信号显示等等。目前,大尺寸显示器趋向于高分辨率化,这意味着数据传输控制将更为复杂,功耗也将随之上升。通用电力公司的新型高分辨率多彩色显示屏,白天功耗约为150W(70W/m2),晚间功耗约为750W(340W/m2)。

3 高对比度ChLCD

图像质量是衡量大屏幕显示器的关键指标。一般ChLCD的对比度约为6:1,比较适用于字符或数字标牌显示,但对于全彩色显示就显得有所不足。通过材料和驱动电路方面的改进,可将对比度提升至10:1,但随之带来的是画面转换时间的变长。

为了满足高档显示需求,ChLCD的对比度还可以通过改变液晶材料结构的方法得到提升。Magink公司就按此方法开发出一款高对比度(50:1)的ChLCD,其色域也提升了90%。

高对比度ChLCD显示图像时,胆甾液晶处于亚稳态,此时需要维持电压以保证图像持续显示,因此与一般双稳态ChLCD相比,它的功耗较高。然而,高对比度ChLCD具有如下优势:画面响应速度快(20℃时小于170毫秒,-10℃时小于800毫秒);低温环境下不需加热设备;可用于室内视频显示。同样,它也可以在双稳态模式下工作,对比度为15:1。

与双稳态ChLCD相同,高对比度ChLCD同样需要安置于控制箱中。如图2所示,根据其工作特点,一般画面的显示功耗平均为54W/m2,主要为图像维持功耗,当显示视频画面时,功耗上升至107W/m2。此外,每块显示屏的系统工作功耗接近500W,冷却功耗150W/m2和加温功耗150～350W/m2,在夜间,环境照明功耗约为60W/m2。综上所述,以13m2的高对比度ChLCD为例计算,正常工作时平均功耗约为350W/m2。

该ChLCD显示屏系统的设计并没有完全采用高对比度模式,它还使用了一些与双稳态模式相同的基本设计,以实现在更多地利用高对比度模式的同时降低整体功耗。例如,去除冷却系统(虽然目前某些时候仍然需要进行冷却),采用无玻璃保护罩设计以减少光线反射,进一步改善图像显示效果,从而允许减少背光照明。由于快速变化的图像显示不易受低温影响(在-10℃下响应速度小于1秒),从而也无需加热系统。

如图3所示为第一款户外大尺寸高对比度ChLCD,该显示屏对环境照明要求低,且不需加热系统,平均功耗为110～120W/m2。通过采用低功耗驱动电路、环境照明调整等手段,更可以将功耗降低至80W/m2(20m2户外图像显示屏)。

通常用于室内视频显示的高对比度ChLCD,不需要加装冷却或加热系统,但对环境照明要求较高,功耗接近120～130W/m2。ChLCD与LED和背光式LCD显示屏相比较,在节电方面的优势还是显而易见的。

4 结论

不论是双稳态还是高对比度大屏幕ChLCD,总功耗都小于同等规格的主动发光型显示器。ChLCD能够稳定地工作于低功耗双稳态模式,此时,系统和设备的功耗为主要功率消耗。高对比度ChLCD比双稳态工作模式功耗高,但功耗需求相对较低。如图4所示,为文中提到的几种显示器的能耗对比情况,反射型显示器的低功耗优势相当突出,特别是未来ChLCD显示器还将达到更低的能耗水平。

作者简介:David Coates,Magink显示技术公司总工程师,E-mail:。

(中福特科技有限公司 王鹏

译自《Information Display》 03/09)