液晶电视的功耗管理技术
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摘要：本文介绍了液晶电视的功耗管理技术。在图像正常显示状态时，采用降低液晶屏的图像刷新率、亮度补偿和对比度增强等方法来动态减小背光亮度，并关闭不需要工作的接口电路；在待机状态时，采用关闭液晶屏、背光灯管、所有接口和处理电路等方法，以降低处理器工作频率和内存访问速度。这些方法有效减少了液晶电视的消耗功率。
关键词：液晶电视；功耗管理；消耗功率
引言
如今，液晶电视(LCD TV)做为新兴的显示设备运用在各种各样的场所。液晶电视主要包括液晶屏、图像处理器(内置微处理器)、视频解码模块、模数转换模块、帧缓冲内存、背光逆变器、灯管及存储器等部分。这些都是主要的功率消耗部分。
因为以往的阴极射线管(CRT)彩色电视的显示原理与现在的液晶电视有很大的区别，造成CRT彩色电视在图像正常显示状态时没有较好的方法来降低整机的消耗功率。但液晶电视凭借新颖的显示特点(如图像信号的数字化处理、数字方式驱动液晶显示、低场频显示无闪烁等)，采用软硬件技术有效降低了液晶电视的消耗功率。
液晶电视在图像正常显示状态时的功耗管理技术
降低液晶屏的图像刷新率
利用液晶电视与阴极射线管彩色电视在显示原理上的本质不同，可实现降低液晶电视在图像正常显示状态时的消耗功率的技术。图1所示为薄膜晶体管液晶屏中一个像素的等效电路，其中有两个电容CLC和CST。其中液晶的等效电容为CLC，另一个电容CST为存储电容，用来维持信号电压。存储电容需要不断被刷新，就像动态内存一样。
一般的阴极射线管彩色电视的图像刷新率是50Hz(PAL制)或60Hz(NTSC制)，人的眼睛会感到电视图像有闪烁，只有刷新率大于68Hz，图像才没有闪烁感。但随着刷新率的提高，电视的整机功耗也随之增加。然而，液晶屏的显示原理不同于阴极射线管，只要图像的刷新率高于存储电容CST的时间常数，图像就没有闪烁感。一般液晶屏的图像刷新率大于40Hz时，图像的闪烁感就消失。
而且，随着图像刷新率的增加，液晶屏的图像质量并不会提高。所以，可通过降低图像刷新率，从而减少液晶屏存储电容的刷新次数，减缓帧缓冲内存的读写率及其总线的时钟频率，来降低这些功率消耗点的消耗功率，实现液晶电视整机功耗的降低。采用帧转换技术，通过软件控制图像处理器，把输入信号的场频转换为固定的45Hz，使得液晶屏的图像刷新率保持在45Hz，在42英寸彩色液晶电视下，此时液晶屏的实测功耗比60Hz时降低了2.5W。
利用亮度补偿和对比度增强来动态降低背光亮度
由于背光灯管及其逆变器是最主要的功率消耗器件，如果降低背光亮度，可大量减少液晶电视的整机功率消耗。然而，如果不采取一些恰当的补偿措施，降低背光亮度会导致液晶电视显示图像的质量变差。本文在降低背光亮度的同时，采用图像信号亮度补偿和对比度增强的方法来达到正常背光亮度液晶电视显示的图像质量。但是，过度降低背光亮度会使人的眼睛很容易感到疲劳，而且液晶电视显示的图像会变模糊。下面是图像信号亮度补偿和对比度增强的补偿公式：
I=p×L×Y (1)
其中，I表示人眼感知的亮度，L表示背光亮度，Y表示图像信号亮度，p表示液晶屏的亮度传输率(常数)。降低背光亮度为L’(L’≤L)，为了保持人眼感知的亮度相同，即I’≌I，必须增强图像信号亮度Y'(Y’≥Y)。只要液晶屏的像素点没有过度饱和(8Bit像素点的数字信号饱和幅度为OxFF)，图像信号亮度补偿就不会使原始图像失真。通常，亮度补偿的范围不会太大，所以本文又采用对比度增强来辅助亮度补偿。当然，对比度增强的前提条件也是液晶屏的像素点没有过度饱和，饱和像素点的数量应小于液晶屏所有像素点的5％。在42英寸彩色液晶电视下，通过控制脉冲占空比，可动态降低背光亮度，根据不同的图像状态，实测可降低功耗5.8W～10.7W。表1所示为四种图像状态下，42英寸彩色液晶电视降低功耗的数值。
图2所示为液晶电视的背光亮度控制电路图，通过微处理器的脉冲宽度调制脚(PWM)来控制背光亮度。其中ADJ_PWM连接到脉冲宽度调制脚，输入电压幅度为3.3V的可变占空比脉冲信号。该信号经两级反向电路整形后，驱动能力增强，再经过RC滤波，转换为直流电平，输出至液晶屏的背光亮度控制脚，来调节背光亮度。BLK_ON连接到微处理器的I/O，输入为3.3V或0V的高低电平。该信号经反向电路后，驱动能力增强，输出至液晶屏的背光开关控制脚，控制背光开关。
动态关闭不需要工作的接口电路
液晶电视支持的图像信号接口较多，如模拟显示器接口、数字显示器接口、高清电视信号接口、射频电视信号接口、复合视频信号接口等。由于并不是所有的接口和电路都需要同时工作，一般只有一个或两个接口通道(如画中画)在同时工作，所以本文设计中采用动态管理接口电路的技术，通过微处理器的I2C总线控制接口电路的开关状态，关闭不需要工作的接口电路。
液晶电视在待机状态时的功耗管理技术
为实现液晶电视在待机状态时较低的功耗，在设计时一般采用一颗专用的微处理器来进行电源管理。这样做虽然可实现较低的待机功耗，但是由于添加了一颗电源管理微处理器，因此增加了液晶电视的元器件成本。为了降低器件成本，提高液晶电视的价格竞争力，本文设计中不是采用专用的微处理器来进行功耗管理，而是利用液晶电视的图像处理芯片内置的微处理器，通过软硬件控制达到较低的待机功耗。
当液晶电视软关机或睡眠关机从而进入待机状态时，通过微处理器控制电子开关，切断液晶屏、背光灯管和逆变器的电源，并采用新方法，可让信号处理电路的相应器件及其总线进入空闲状态，降低工作频率，使得整机待机功耗仅为0.87W，功耗小于1W，达到美国能源之星的待机功耗标准。具体的软件控制步骤如下：
1.通过微处理器的I／O设置，关闭液晶屏和背光灯管及逆变器，电路图参见图2，微处理器的I／O设置BLK_ON为高电平；
2.通过微处理器的I2C总线控制，使液晶电视所有的电路器件进入空闲状态，包括视频解码模块、模数转换模块、锁相环电路等；
3.通过微处理器的I2C总线控制，关闭图像处理器中不需要工作的部分，包括图像数据通道、视频处理通道、图像伸缩变换通道等。
4.设置微处理器的I／O设备，随机存取存储器，使只读存储器处于闲置状态，最大程度地降低内存访问率；
5.通过微处理器的I2C总线控制，降低微处理器的时钟工作频率至40MHz，正常工作时微处理器的时钟工作频率为130MHz，
6.通过微处理器的I2C总线控制，关闭图像处理器显示通道的时钟工作频率。
液晶电视有些元器件没有省电功能引脚或者其中的寄存器没有省电控制位，必须使用外部开关切换来控制元器件的供电电源。本文设计中通过微处理器的I／O接口来控制元器件的省电功能引脚或外部开关，同时通过微处理器的I2C总线控制元器件寄存器的省电控制位。图3所示为液晶电视待机状态的电源管理控制方框图。
结语
阴极射线管电视已经作为普通的消费类电子产品在生活中普及，液晶电视也正逐步进入百姓人家。一般电视的开机时间较长，常年积累的功率消耗是十分巨大的。在提倡节省能源的时代，进行液晶电视开发设计时，要着重考虑功率消耗问题，本文针对液晶电视的特点，提出了新颖的功耗管理技术。表2所示为42英寸彩色液晶电视采用此功耗管理技术前后的功率消耗对比表，在图像正常显示状态时，采用降低液晶屏的图像刷新率、亮度补偿和对比度增强来动态减小背光亮度，以及关闭不需要工作的接口电路等方法，功率消耗从原来的194.8W降低为182.7W，降低功耗12.1W，约占整机功耗的6.2％。在待机状态时，在原有技术的基础上，即采用关闭液晶屏、背光逆变器和灯管，关闭接口和电路，同时又增加了新方法，即降低微处理器和图像处理器工作频率、降低内存访问速度等方法，整机待机功耗从原来的1.56W降低为0.87W，达到美国能源之星小于1W的待机功耗标准。