Een energiebesparend ontwerp en oplossing voor led videowalls

Dit artikel start met de driver ICs, het belangrijkste component van  led videowalls, en komt met een voorstel hoe voor een  led videowallsysteem te komen tot een energiebesparing door het verminderen van het verlies van vermogen van de driver IC en automatische stroomaanpassing.

Sleutelbegrippen:

verlies van vermogen, automatische stroomaanpassing,  led videowallsysteem.

Inleiding

De geschiedenis van de ontwikkeling van  led videowalls volgde vrijwel altijd de ontwikkeling van advertentiedisplays, die voor de mediasector een onmisbaar platform zijn geworden voor het overbrengen van informatie. Echter, dit ‘Under the Dome’-concept (een documentaire beschrijft de luchtvervuiling veroorzaakt door energieconsumptie) heeft vrijwel constant bij het publiek ter discussie gestaan.  led videowalls verbruiken enorme hoeveelheden energie en deze beperking vormt langzaam aan een knelpunt bij de ontwikkeling. Led-leveranciers hebben onvermoeibaar gewerkt aan de productie van energiebesparende en milieuvriendelijke producten die kleur toevoegen aan een stad zonder vervuiling. Veel ondernemingen hebben hard gewerkt aan een energiebesparend concept en het ontwerp van het product en de resultaten op het vlak van energiebesparing zijn voortdurend verbeterd. Echter, er is nog een lange weg te gaan waarbij meer betekenisvolle stappen worden gezet om te komen tot energiebesparing. Om dit doel te bereiken is samenwerking nodig en zullen de nodige inspanningen moeten worden verricht door de gehele sector.

Hierna geven we een uiteenzetting van een energiebesparend ontwerp en een algemene oplossing voor  led videowalls die zijn gebaseerd op een driver IC.

De energiestroom door de videowall

De volgende figuur geeft een illustratie van de stroomomzetting in een led-display / video wall.

stroomomzetting videowall

Figuur 1 De energiestroom door een  led videowallsysteem

We richten ons op energiebesparing. Uit de voorgaande figuur kunnen we opmaken dat een efficiëntere omzetting van de voedingsstroom, vermindering van de vermogensafname in de driver IC en het gebruik van led’s die efficiënter zijn bij hoge helderheid en een redelijke beheersing van de helderheid van de led videowall alle kunnen bijdragen aan het verminderen van de energieconsumptie. In dit artikel focussen we ons op het kerncomponent van het gehele displayssysteem: de driver IC. Hierna analyseren we het belang van een efficiënte driver IC en hoe energiebesparing kan worden gerealiseerd.

Energieverbruik door de driver IC

aansluiting van de driver IC

Figuur 2 De aansluiting van de driver IC

Wanneer het uitgangskanaal van de driver IC is ingeschakeld dan stroomt de stroom van de voeding  VLED naar de led en door de IC. Gedurende dit proces produceert de IC onvermijdelijk warmte. In technische termen wordt dit het pakket energieverlies genoemd.

Berekening pakket energieverlies (PD) van een driver IC

Wanneer alle 16 kanalen tegelijk ingeschakeld zijn dan is het actuele verlies van vermogen van de IC: PD(actual)=(IDD×VDD)+(Iout×Duty×VDS)×16

Hierbij zijn:

  • VDD en IDD de werkspanning en -stroomsterkte van de driver IC

< >Iout de uitgangsstroom van een kanaalDuty is werkcyclus bij inschakeling van een kanaal VDS is de spanning bij een IC output pin.

Als we aannemen dat Iout en Duty van een module vast liggen, dan kan een vermindering van IDD, VDD, en VDS de vermogensafname verminderen. Macroblock heeft speciale op maat gemaakte driver IC’s voor verschillende displays met verschillende specificaties om het beste energiebesparingseffect te krijgen.

Oplossingen voor energiebesparing voor displays uitgaande van verschillende toepassingen

 

Energiebesparing voor een VMS (Variable Message Sign): slaapstand (0-energiestand)

Toepassing van een VMS /Bron voor videwall / led scherm

Figuur 3 Toepassing van een VMS /Bron: WIKIPEDIA

Bij een VMS-toepassing zijn het grootste deel van de tijd slechts enkele indicatoren oplichten terwijl de overige niet nodig zijn. We kunnen hiervan gebruik maken en driver IC’s van de ongebruikte delen in slaapstand zetten. Dit zal het stroomverbruik van de led videowall aanzienlijk verminderen tot meer energiebesparing leiden. MBI5038 is hieronder gebruikt als voorbeeld:

elektrische kenmerken videowall

Tabel 1 MBI5038 0-stand: elektrische kenmerken

 

De parameters in de tabel hierboven zijn afkomstig van de MBI5038 specificaties. De gegevens in de tabel tonen dat als driver IC in de 0-energiestand komt, de verbruikte stroom slechts 2,5% is van dat van de normale modus. Dit betekent een aanzienlijke energiebesparing.

Macroblock beveelt de volgens oplossingen aan: MBI5037, MBI5038 en MBI5049.

B. Energiebesparing voor fullcolour led walls

Bij een fullcolour display zal iedere led branden, zodat de nulstand zelden kan worden benut. Er zijn echter andere methodes om tot een energiebesparing te komen.

Verlagen van VLED om het verlies van vermogen te verminderen

Om te zorgen voor een uniform beeld van het gehele display moet de uitgangsstroom van de driver IC consistent. Onderstaande grafiek toont de karakteristieke curve van de constante van MBI5024:

uitgangsstroom videowall

Figuur 4 MBI5024 uitgangsstroom vs.  VDS

 

Bij een specifieke uitgangsstroom en alleen als de spanning van het uitgangskanaal groter is dan een specifieke waarde kan een constante output worden gegarandeerd. Om er voor te zorgen dat dat de uitgangsstroom constant is, moet een conventionele driver IC een kniespanning van 0,5 V hebben. Om dit probleem op te lossen heeft Macroblock speciaal een driver IC met een lage kniespanning ontworpen. Onderstaande figuur toont de curve met de uitgangsstroomkarakteristieken van MBI5045:

MBI5045 driver voor led scherm

Figuur 5 De relatie tussen IOUT en VDS bij een MBI5045

 

De uitgangsstroomkarakteristieken van MBI5045 tonen dat een constante uitgangsstroom van 20 mA mogelijk is als de spanning van het uitgangskanaal groter is dan 0,2 V.

Om voldoende gebruik te maken van de lage kniefunctie kan een spanningsbron voor de led worden gekozen met een lager voltage om een hogere energiebesparing te behalen. In het algemeen hebben rood, groen en blauw een verschillende spanning als ze branden (respectievelijk 1,8 V, 3,3 V  en 3,3 V). Met die balans tussen de kleuren in het achterhoofd kozen we voor 2,8 V en 3,8 V uitgangsspanning, hetgeen de volgende effecten voor energiebesparing opleverde:

Stel: bij een fullcolour led-module (outdoor display) zouden de specificaties  als volgt zijn:

De uitgangsstroom van rood, groen en blauw zou 15 mA (alleen rood moet in serie geschakeld worden met een 100 Ω spanningsvalweerstand), 10 mA en 6 mA.

Duty = 100%

IDD = 15 mA

Conclusie: gebruik van een 3,8 V spanningbron om een driver IC en een blauwe en groene led te voorzien van een lage kniespanning, en een 2,8 V spanningsbron voor een rode led, levert op:

  1. een IC energiebesparing van 49,53%
  2. een energiebesparing voor het gehele display van 32,87%

 

De berekeningen zijn als volgt:

Basis model (bijv. MBI5024), VDD = 5.0V, dan is het stroomverbruik: PD_R(actual)=(IDD×VDD)+(Iout×Duty×VDS)×16=(15mA×5V)+(15mA×100%×(5V-1,8V-15mA×100))×16=483mW PD_G(actual)=(IDD×VDD)+(Iout×Duty×VDS)×16=(15mA×5V)+(10mA×100%×(5V-3,3V))×16=347mW PD_B(actual)=(IDD×VDD)+(Iout×Duty×VDS)×16=(15mA×5V)+(6mA×100%×(5V-3,3V))×16=238mW PD_R+PD_G+PD_B=1068mW

Gebruik van een lage kniespanning driver IC in combinatie met 3,8V bronspanning en VDS=0,2V, VDD=3,8V;  het stroomverbruik is dan:

PD_R(actual)=(IDD×VDD)+(Iout×Duty×VDS)×16=(15mA×3,8V)+(15mA×100%×(2,8V-1,8V))×16=297mW PD_G(actual)=(IDD×VDD)+(Iout×Duty×VDS)×16=(15mA×3,8V)+(10mA×100%×(3,8V-3,3V))×16=137mW PD_B(actual)=(IDD×VDD)+(Iout×Duty×VDS)×16=(15mA×3,8V)+(6mA×100%×(3,8V-3,3V))×16=105mW PD_R+PD_G+PD_B=539mW

Vermindering verlies van vermogen IC:

stroomverbruik uitgangssituatie – stroomverbruik na toepassing energiebesparing / stroomverbruik uitgangssituatie × 100% = (1068mW-539mW )/1068mW ×100%=49,53%

Overall vermindering stroomverbruik door het display:

(werkspanning × stroom sterkte in uitgangssituatie – werkspanning × stroomsterkte na energiebesparende aanpassingen)/werkspanning × stroomsterkte in uitgangssituatie × 100%=5V×((15+10+6)×16+15×3)mA-3.8V×((10+6)×16+15×3)mA-2.8V×(15×16)mA / 5V×((15+10+6)×16×3+15×3)mA ×100%=32.87%

Vervolgens kan voor 16 pixel de vermogensafname worden berekend. Het gebruik van een lage kniespanning IC vermindert het stroomverbruik van alle delen van het display, met uitzondering van het stroomverbruik van de led.

Tabel 2 Berekening van de vermogensafname voor 16 pixels

Figuur 6 Vergelijking verlies van vermogen bij een 16 pixels traditioneel driver IC en een lage kniespanning driver IC

Het gebruik van een driver IC met een lage kniespanning in de plaats van een traditionele driver IC kan het stroomverbruik van iedere 16 pixels verminderen van 2704,2mW naar 1815mW (een vermindering van 32,87%).

Macroblock beveelt de volgende oplossingen aan: MBI5035, MBI5045, and MBI5155.

Automatische stroomaanpassing

Reclamedisplays die buiten worden gebruikt en blootstaan aan direct zonlicht moeten voldoende helderheid hebben om zichtbaar te kunnen zijn. Deze displays moeten ‘s nachts hun helderheid verminderen met het oog op energiebesparing en om lichtvervuiling te vermijden.  led videowalls zijn oorspronkelijk bedoeld om het leven van mensen te verrijken en vanwege de commerciële waarde. Echter, als we tijdens het rijden ‘s nachts plots een display zien als in de afbeelding hieronder, dan zouden er ongelukken kunnen volgen.