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如何降低LCD的功耗
摘 要：珍和移动设备使用图形LCD已成为主流，功耗则是设计这些设备的一大制约因素。本文介绍了一种可以大幅度降低LCD功耗的方法，而不改变原来的电气接口和结构。
关键词：LCD；功耗
信息存取和处理正朝着提高像素密度、基于图形输出的方向发展，若干年前无法想像的形状各异、小巧玲珑的袖珍或便携装置诸如PAD、笔形扫描仪、WAP电话、电子邮件浏览器以及其他通信设备正在持续增长。摆在设计师面前的任务是如何进一步减小尺寸、减轻重量和降低功耗。

　　本文介绍一种能够大幅度降低上述设备所用LCD控制和驱动电路功耗的方法，可以做到在维持与原有显示装置电气和结构兼容的情况下把功耗降低到原来的10％。甚至如果当设备与电话线连接时可用电话线作为电源来供电。

背景
　　图1为一种典型的传统128×240的六英寸STN背光液晶显示器的控制和驱动部分的原理框图。该电路使用多个行/列驱动器来完成驱动及连接其他电路的功能，连同控制器和存储器一起构成一个模块。控制器采用东芝6963C，它与多个处理器之间接口采用普通的8bit并联总线。图1所示LCD模块的总功耗高达250mW以上。这些功耗中的大部分是被为了屏幕刷新每帧都需要连续地从存储器存取数据所消耗的。

　　此外，传统LCD所用元件数量多，在许多应用中因为要兼顾价格（特别是采用SMT元件时）、体积及重量，而受到限制。然而，问题的焦点还是要降低如前所述的存储器数据存取期间为刷新屏幕而消耗的功率。

　　下面，先将传统LCD的驱动方法与低功耗驱动方法作一简单比较。见图2。

　　由图2(a)可见，传统显示器的控制器控制数据读取并通过8bit总线一路输入80bit移位寄存器,另一路送到逐次行驱动器（successive row SR），这也是一个移位寄存器,这第二个移位寄存器提供行地址。正是在这连续的读取-装载-移位（read-load-shift）过程中消耗了大部分的功耗。

　　虽然，降低时钟频率是可以降低传统显示器的功耗的，但这样做同时也降低了屏幕刷新的速率，这在不少应用中是不可接受的。

　　欧洲的Densitron公司提出了降低LCD功耗的新设计。

　　在图2（b）中，显示数据存储器和驱动器电路集成在一起，这样存储器中的数据读取后以160bit的宽度并行传输到显示器，从而避免了每帧更新时存储器频繁存取和移位造成过度的功率消耗。

　　新驱动方法所以能把功耗降得这样低还在于它有两个睡眠模式，睡眠模式在屏幕不需刷新时会关闭控制接口以节省功率，这将大大延长移动设备中电池的寿命。

　　“优化程序控制器”（Optimiser controller）在这里起到了主要作用。

　　存储器集成进驱动器的新设计的物理含义见图3。图3中还包括了“优化程序”分组交换单元（Optimiser Package Switching Unit OM-PSU）、“优化程序”行驱动器、“优化程序”列驱动器、对比度控制电路和温度补偿电路等，并将场致发光驱动器和背光源、四线模拟阻块接触板（4 wire analogue resistive touch panel）与LCD一起构成了模块
。系统由软件来控制，只有在需要时才进行屏幕刷新,从而数据传输所需功率维持在很低水平。 此外， “优化程序控制器”的睡眠状态功能的设置使屏幕上通常呈现静止图形，这在大多数场合仅需消耗1mA电流，这又进一步降低了功耗。

可编程性
　　更完整一点的新驱动电路原理框图见图4（c）和图4 (d)，它们都包含了一个“优化程序控制器”。该控制器通过一个用户专用协议解释程序来对LCD驱动器的重新设计来提供200ms的屏幕刷新速率并将功耗由原来的250mW降至25mW以下。

　　“优化程序控制器”的核心在于它对各种不同的应用可以进行编程。此外，设置高级的睡眠模式、群中断（host interrupt）和把其他外围电路、元件如四线模拟阻性接触板、A/D转换器集成进入核心逻辑电路模块，是进一步增加功能和降低功耗的有力措施。与具有同样功能的分立器件装置来比较，后者无论如何要多消耗20mW以上的功率。
如进一步把可编程8bit并联输入接口改为高速串联接口，则可降低内部接线成本，提高可靠性以及改善电磁兼容性和射频辐射（EMC/RF）性能。这样，只需对少量信号控制，这就比通过 32 根并联总线控制容易得多。在这第二个例子中，集成了接触板的320×160像素的显示器用2.8V电压消耗2.5mA电流就可驱动。

　　由图4可以看到从传统LCD到带有“优化程序控制器”核心逻辑和电致背光的触摸屏LCD模件的演变过程。

　　图4（a）：全部功耗大于200mW，低数据传输速率且在少量功能时测量；
　　图4（b）：全部功耗小于20mW，无信号输入、静止图形但接触电位噪声较大时测量；
　　图4（c）：带有“优化程序控制器”核心逻辑的LCD；
　　图4（d）：带有“优化程序控制器”核心逻辑和电致背光的触摸屏LCD模件。

结论
　　通过提高集成度、减少外围元器件数量以及灵活的编程等方法，LCD显示系统的功耗可在不影响性能和接线的情况下由250mW降低到25mW。本文所述方法对于任何高分辨LCD图形显示器或打算进行高灰度等级乃至全彩色LCD显示器的设计在要兼顾性能、功率、重量、成本等方面时都是很关键的。