如何在交通屏与讯息屏上节省LED驱动器的电能

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摘要：由于世界范围的能源短缺，近年来节能议题日趋受到重视，目前的照明设备为达到低功率消耗、寿命长、无污染、启动时间短等需求，已经大量采用高亮度的半导体固态发光二极管（LED）取代传统的照明光源。LED驱动器则提供恒定电流控制，使得LED维持稳定的发光亮度与饱和的色彩频谱，为了设计符合工业与节能标准的显示屏系统，LED驱动器必须有自动省电特性。

关键词：LED驱动器；交通屏；讯息屏；省电

中图分类号：TN141.9

文献标识码：A

1 市场趋势与应用

LED于讯息屏、交通号志屏及部分影像屏应用上，只有部分时间及区域会被驱动器点亮，如图1所示，汽车测速或限速显示装置的黑色区域是LED熄灭部分，红色及白色则为LED被点亮部分。若是LED熄灭的区域，LED驱动器还维持正常运作，只是在不点亮LED的状态下。长时间下来，整面屏的功率消耗提高，且驱动器寿命缩短，无法达到省电的效果。为了达到省电目的，当车辆经过特定路段，LED测速装置自动点亮并告知驾驶员车速，经过一段时间，若无车子通过，测速装置自动熄灭，LED不消耗电流，驱动器即自动进入睡眠模式，如具有省电模式的LED驱动器-MBI5037，在进入睡眠模式后，仅消耗0.1mW以下的功率，可以使整面屏的平均消耗功率大为降低。而降低驱动器的散热功率也能提升整体的电源效率，方法包括降低电源电流(IDD)、电源电压(VDD)、LED电压(VLED)、以及输出端耐受电压(VDS)等。透过下列公式运算可得知驱动器的散热功率:

PSD=PDN+PDM

PSD: 系统上全部驱动器的散热功率

PDN: 系统上正在运作的驱动器散热功率

其中，PDN=( IDD×VDD)+(IOUT×Duty×VDS×16)× N

而N为正在运作的驱动器总数量

PDM: 系统上没有运作的驱动器散热功率

其中，PDM= IDD×VDD × M

而 M为没有运作的驱动器总数量。

此外，可透过下列表达式得知驱动器功率损失：

PDRVLOSS = PALLDRV-PUSEDRV

PDRVLOSS: 未使用到的驱动器功率损失

PALLDRV: 所有驱动器的功率消耗

PUSEDRV: 正在点亮的驱动器功率消耗

然而，下列数种方法可达到降低功率损失的效果，但相对需付出成本或影响整面屏的显示质量。其中，聚积科技开发的LED驱动器-MBI5037包含下面所述的两种方式“强制性休眠模式(Sleep mode)”以及“0-Power模式(0-Power mode)”，来达到上述省电的需求，且不会有其它负面影响。

2 传统LED驱动器省电方式

2.1 低操作电压

将整面屏上的驱动器操作在允许的最低额定电压以下，如3伏特，透过关系式P=I×V可知，当供应电压降低，功率消耗跟着降低，以达到省电目的。但此方法受到应用条件的限制，例如，如图2所示，当VDD与VLED共享时，如果使用蓝光或绿光LED，就需要比较高的电压。

2.2R-EXT 接脚浮接

R-EXT脚位浮接后，将关闭驱动器内部的电流调整器，大约会有50%的省电效果，然而，此方式也会增加系统设计成本及复杂度，且某些IC浮接后可能出现异常。如图3所示。

3 目前LED驱动器省电方式

3.1高亮度LED (high brightness light-emi- tting diode)的使用

高亮度LED的亮度效率高于传统型LED数倍，在相同亮度表现下，驱动器提供较小的恒定电流给高亮度LED，所以驱动器的额定最大输出电流降低，额定消耗电流也跟着降低。

3.2 强制性休眠模式

透过外部命令使驱动器进入休眠状态或回复到正常状态。驱动器在休眠状态时，只维持数字电路运作，大部分模拟电路关闭，驱动器大约有0.1mW以下的功率消耗，达到99%的省电效率。

驱动器进入休眠模式时，驱动器绝大部分的模拟电路与少部分的数字电路进入省电模式，消耗电流降低到原来的1%，为了系统应用上的弹性，驱动器上仍保留串行输入与输出的传输界面。

以MBI5037为例，若驱动器处于休眠状态，对于其它命令的输入，驱动器不会有所响应，例如，强制错误侦测命令、过热旗帜命令、设定缓存器命令、0-Power模式命令以及模拟输出缓存器栓锁命令，所以当有下一组讯号输入(CLK、SDI、LE、OE)时，时钟讯号会将移位缓存器的数据依序在串行输出端推出。换句话说，当控制讯号是分别控制不同驱动器的时候，即可以控制部分的驱动器进入休眠模式，而另一部分的驱动器仍可正常维持运作。而当下达LE + (7×CLK)的命令时，驱动器即能回到正常启动状态，并将模拟输出缓存器(Output Latch)清除(reset)。驱动器会在LE的负缘触发之后经过数毫秒才稳定，控制器方可送讯号进驱动器来驱动LED。

3.3 0-Power模式

当整面屏启动电源后，驱动器可透过设定状态缓存器进入0-Power模式。若输出端缓存器在数据栓锁后皆为"低电位"时，如图4所示，代表驱动器将不驱动任何的LED负载，驱动器将自动进入休眠状态，模拟电路关闭，与强制性休眠命令同样也有99%的省电效率。数字电路只接受叫醒命令与设定缓存器命令，并保留串行输入与输出的界面，对其它命令不会有所响应。若要回到正常模式，只要写入任一个以上的"高电位"数据至输出端缓存器，如图5所示，数据栓锁后，驱动器将自动回到正常模式，驱动器会在数据栓锁触发之后经过数毫秒才稳定，控制器才可送讯号进驱动器来驱动LED。

4 于系统面比较上述LED驱动器省电方式的特性

5 结 论

强制性休眠模式以及0-Power模式在于讯息屏、交通号志屏的应用可达到高效率省电效果，易于系统设计且可靠度佳，并不会增加成本，并符合省电的工业标准，可帮助客户迅速导入节能的规范。

参考文献

[1]聚积科技股份有限公司"MBI5037 Preliminary Datasheet V2.00".

作者简介: 颜宏霖，台湾聚积科技股份有限公司集成电路设计部，研发工程师，主要负责LED驱动器等产品的研发。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”