零功耗待机显示器的设计与实现

董 恒，林甲祥，钟连生，林志贤，魏丽芳

(1.福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学 计算机与信息学院，福建 福州 350002)

零功耗待机显示器的设计与实现

董 恒1，林甲祥2，钟连生1，林志贤1，魏丽芳2

(1.福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学 计算机与信息学院，福建 福州 350002)

为实现待机显示器的零功耗，提出采用单片机控制继电器开关输入电源并且使用显卡输出电能为待机状态显示器供电的方法。根据显卡接口输出的电量，选用低功耗规格的芯片维持待机状态所需最小能量。然后设计电源电路的继电器开关电路和显示器的输入电源切换电路，通过功率测试仪器对电路系统性能进行验证。实验结果表明，利用显卡接口输出50 mA左右的微小电量能够满足显示设备在待机下的需求，从而实现显示器输入零功耗，满足各国功率法规等要求。

零功耗；继电器；开关电源；液晶显示器

消费电子类产品是中国重要的制造产业之一。我国家电数量众多，待机能耗总量巨大，已占中国家庭电力消耗的10%左右，城市家庭的平均待机能耗相当于这些家庭每天都在使用着一盏15～30 W的长明灯[1]。计算机用液晶显示设备以及家用电视更是每个家庭必备的家电之一。因此，在越来越注重节能的今天，液晶显示设备的待机功耗受到了广泛重视。尤其是欧美等地区，液晶显示产品强制满足的法规标准也越来越严格。美国的能源之星6.0规范和欧盟的能源相关产品(Energy-Related Products，ERP)规范都要求液晶显示器待机模式能耗小于0.5 W。预计规范下次版本升级的时候对待机功耗又会有更进一步的要求。显示产品如何满足各国的法规又能满足市场的需求，是具有研究意义的课题。

本文基于单片机控制继电器开关电源的方法，提出利用显卡视频图形阵列(Video Graphics Array，VGA)接口、数字视频接口(Digital Visual Interface，DVI)和高清多媒体接口[2](High-Definition Multimedia Interface，HDMI)输出的微弱电源解决显示设备在待机状态下的供电需求，实现显示设备待机零功耗。当显示器处于待机装机模式，显卡提供的电能使显示器能够控制继电器开关电路，实现显示器的电源电路零功耗；当显卡信号输入时，显示器能够恢复工作并控制继电器打开电源[3-10]。

1 零功耗待机显示器电路的工作原理

1.1 单片机控制继电器开关的工作原理

根据焦耳定律规定：电流通过导体所产生的热量Q和导体的电阻R成正比，和通过导体的电流I的平方成正比，和通电时间t成正比，表示为

Q=I2Rt

(1)

通常电子设备工作时被看作负载R，显示设备整体功耗是通过计算显示设备的损耗电流在单位时间t内消耗的能量。要达成零功耗待机，就需要在设备待机下切断显示器的输入电流I。

因为液晶显示器自身带有图像显示处理芯片，利用芯片的引脚控制继电器开关(见图1)，进而切断显示器的输入电流I，就可以实现液晶显示器的零功耗。

图1 继电器开关电路图

如图1所示，当市电电压220 V输入到电源电路，如果继电器接收到Relay_Off信号为高电平，则继电器为关断状态，220 V电压经过继电器，输出到电源电路并转换为直流电压B给显示控制芯片模块供电；如果继电器接收到Relay_On信号为高电平，则继电器为开启状态，那么整个电源电路将没有电流通过。此时，整个电源电路处于零功耗的状态，显示器控制芯片将在显卡提供的直流电压A下待机工作。

1.2 显卡提供电源的能力分析

根据DDWG(Digital Display Working Group， 数字显示工作组)的DVI接口的定义，DVI必须提供5 V的直流电压并且不小于55 mA的电源输出。如果显示器处于关闭，显示器回流电源不得超过50 mA；如果显示器处于开启状态，则显示器

的回流电源不得超过10 mA。

同样，在HDMI以及VGA等接口定义中，对于原本为显示器在断电状态时，读取显示器扩展显示标识数据(Extended Display Identification Data，EDID)资料而提供的直流电源5 V，都明确定义其驱动电流不小于55 mA。由此可知，只要液晶显示器控制模块待机模式下需求的电流小于55 mA，就可以满足其待机能耗需求。

2 零功耗待机显示器的关键电路

2.1 零功耗待机的显示器电路设计

考虑终端用户需求，液晶显示器一般同时具有多个接口。如图2所示的零功耗待机显示器的电路示意图中，线路设计主要分为3个模块设计。显示器控制芯片IC1采用晨星半导体的芯片TSUMOP387MT9S-1。该芯片内置8032微控器，同时提供一组VGA接口，两组DVI/HDMI接口(DVI/HDMI只能选择一种)和一组Display Port接口。 其中，除Display port接口不提供直流5 V电源，其他3组接口都有为读取EDID提供供电电源。当显卡接口无信号输出时，显示器进入待机状态，此时显示器可以借助显卡接口提供的电源进行睡眠状态下的工作。当显卡给出视频信号后，显示器可以立刻恢复到正常的显示状态。图中IC1的引脚92/94/100/50均为GPIO引脚，引脚63/96为IC1的3.3 V供电引脚。同时，考虑显示器工作时的电流消耗，IC2和IC3是选用具有两组场效应管的并联集成芯片，提高线路的可靠性。

图2 零功耗待机显示器的电路示意图

电路模块A为继电器的电源线路设计。市电220 V输送到显示器中，经过继电器元件，再由绕组变压器和整流桥将电压转为直流电压。然后通过C3滤波，经过DC转换模块，将电压转为系统能够使用的Main_5 V。此外，V3和IC3为芯片IC1控制电源系统是否供电的场效应管。

电路模块B为显卡接口输出电源的模块设计。因为接口规范要求睡眠状态时的回流电流不得超过50 mA，所以在显卡供电线路，必须串接一个二极管VD1/VD2/VD3用于防止电流倒灌。IC2则是控制Standby_5 V的是否导通。当显示器零功耗模式被开启，控制芯片IC1首先从引脚50发送高电平，将IC2输出引脚OUT开启，然后引脚100关闭V3，系统供电Main_5 V将切换到Standby_5 V提供。之后，显示器进入待机，完全工作在显卡供电情况下。

电路模块C为继电器的控制线路设计。当系统要进入睡眠状态时，显示器控制芯片引脚94送出高电平，V2被打开，T2场效应管导通，Main_5 V(图1中的直流电压B)通过Relay_Off控制继电器开关关断，则输入的交流电源进入系统工作。相反，当显示器从睡眠状态进入正常工作的时候，控制芯片IC1引脚92要先发出控制信号高电平，V1导通，T1导通。Standby_5 V(图1中的直流电压B)电压供给继电器Relay_On，继电器断开，外部的交流电源被阻断。

2.2 零功耗待机的显示器程序流程设计

零功耗模式待机流程图如图3所示，当液晶显示器处于正常工作时，此时无信号输入，显示器首先进入待机模式并且侦测是否进入零功耗模式。如果是，则电源切换到显卡供电并且控制芯片引脚94送出高电平断开继电器，进入零功耗模式；当在零功耗模式下识别到关闭信号，则开启继电器切换电源到市电并且控制芯片引脚92送出高电平断开继电器。

图3 零功耗模式待机流程图

3 测量实验与结果

实验中，液晶显示器的电源主要参数： 输入交流电压 110 V/60 Hz和220 V/50 Hz；主要的实验仪器为：Chroma公司的可编程信号产生器2226以及积分功率计66202。

如图4a为信号产生器2226，图4b为使用Chroma公司的积分功率计型号66202。测试方法是液晶显示器在市电输入下，将显示器设置为默认状态，然后分别在待机模式、零功耗模式和关机模式3种不同模式下持续60 min的记录功率数值结果。然后，再由信号产生器送出信号，查看液晶显示器恢复情况。图4a是待机模式，显示器工作在输入电源转换后的直流电压下；图4b为显示器零功耗模式，此时输入电源被切断，工作在显卡提供电源下。

图4 低功耗模式示意图

由表1功率测量结果数据对比可知，电能消耗最大的为待机模式，均值在0.286 W/H，其次是关机模式，均值在0.197 W/H，最后是零功耗模式。因为零功耗模式显示器关闭输入电源，所以测试结果均为0。此外，在信号输入到液晶显示器时，关机模式需要手动开机，而待机和零功耗模式都可以自动唤醒。3种模式相比，零功耗模式不仅功耗最低，而且可以自动唤醒，用户体验最好。

表1 功率测量结果 W/H

4 小结

本文提出液晶显示器待机模式使用显卡提供的电能工作的方法，可以达到显示器的0 W待机模式，比传统的待机方法要普遍节省0.286 W/H以上。同时，该方法也可以满足各国针对电子产品的能耗法规要求。但此方法自身存在不足，即显示器如果没有接入信号线时，则无法达成零功耗模式。因此，在无外部电源输入的情况下，利用储能器件，如何设计满足显示器在待机模式下不需要外部输入就可以正常工作，是下一步的研究课题。目前，本方法已经成功应用在西门子的液晶显示产品上，具有一定的实际应用价值。

[1] 周先谱.家用电器“零功耗”待机电源控制技术及其实现[J].包头钢铁学院学报，2006，25(2)： 178-183.

[2] HDMI Licensing， LLC. High-definition multimedia interface [EB/OL]. [2015-01-05]. http：//www.hdmi.org/manufacturer/specification.aspx.

[3] KANG S， PARK K， SHIN S， et al. Zero standby power remote control system using light power transmission [J]. IEEE Trans. Consumer Electronics，2011，57(4)：1622-1627.

[4] 蔡成炜.一种新型开关电源并联供电系统的设计[J].电视技术，2013，37(5)：82-83.

[5] 林士伟，董亚春.基于C8051F410片上系统智能开关电源的设计[J].吉林化工学院学报，2012，29(3)： 63-66.

[6] 吴进.超低功耗温度测量显示系统的设计与应用[J].电视技术，2011，35(3)：121-124.

[7] 丛林.基于nRF24L01和STM32L152RD超低功耗无线通信系统[J].电视技术，2013，37(17)：66-69.

[8] 王心水.一种基于单片机的多功能温度控制器的设计[J].电子技术，2010，37(1)：46-47.

[9] 梁华英.基于单片机AT89C52控制的智能电器设计[J].机电信息，2011(15)：126-127.

[10] 周泽华，张为堂.基于AVRmega128单片机的数控稳压电源设计[J].电源技术，2013，37(7)：1207-1209.

董 恒(1982— )，硕士生，主研液晶显示器的系统设计以及应用；

林甲祥(1982— )，讲师，主研空间地理信息处理等；

钟连生(1974— )，硕士生，主研液晶显示器的方案设计以及通信接口；

林志贤(1975— )，硕士生导师，主研FED驱动电路系统及信息显示技术；

魏丽芳(1981— )，女，讲师，主研图像处理技术、移动通信网络等。

责任编辑：闫雯雯

Implementation and Design of Zero Power Consumption on Monitor

DONG Heng1, LIN Jiaxiang2, ZHONG Liansheng1, LIN Zhixian1, WEI Lifang2

(1.CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China;2.CollegeofComputerandInformationFujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

In order to realize zero power consumption of standby monitor, a method of using microcomputer control relay component to switch the input power and using the graphic output power for monitor standby are presented in this paper. According to the energy of graphic card output, the low power display IC is selected to maintain the minimum energy for power saving. And then, the circuit of relay switch power in the power and input switch power circuit of monitor is designed. The performance of schematic is verified by power meter measured. Experimental results indicate that about 50 mA of graphic card output can meet the standby monitor power supply, achieve monitor zero power. It can satisfy the energy standard requirements of each country.

zero power; relay; switch power; LCD

【本文献信息】董恒，林甲祥，钟连生,等.零功耗待机显示器的设计与实现[J].电视技术,2015，39(13).

国家“863”计划项目(2013AA030601)；福建省自然科学基金项目(2014J05045)；福建省科技重大专项(2014HZ0003-1)

TN949.1

A

10.16280/j.videoe.2015.13.028

2015-01-06