Een energiebesparend ontwerp en oplossing voor LED videowalls / LED schermen

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 V_LED 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:

Figuur 4 MBI5024 uitgangsstroom vs.  V_DS

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:

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 led scherm) 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%
I_DD = 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), V_DD = 5.0V, dan is het stroomverbruik: PD_R(actual)=(I_DD×V_DD)+(I_out×Duty×V_DS)×16=(15mA×5V)+(15mA×100%×(5V-1,8V-15mA×100))×16=483mW PD_G(actual)=(I_DD×V_DD)+(I_out×Duty×V_DS)×16=(15mA×5V)+(10mA×100%×(5V-3,3V))×16=347mW PD_B(actual)=(I_DD×V_DD)+(I_out×Duty×V_DS)×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 V_DS=0,2V, V_DD=3,8V;  het stroomverbruik is dan:

PD_R(actual)=(I_DD×V_DD)+(I_out×Duty×V_DS)×16=(15mA×3,8V)+(15mA×100%×(2,8V-1,8V))×16=297mW PD_G(actual)=(I_DD×V_DD)+(I_out×Duty×V_DS)×16=(15mA×3,8V)+(10mA×100%×(3,8V-3,3V))×16=137mW PD_B(actual)=(I_DD×V_DD)+(I_out×Duty×V_DS)×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.

Figuur 7 Een videowall dat lichtvervuiling veroorzaakt.

De autoriteiten in verschillende regio’s van China nemen wettelijke maatregelen om lichtvervuiling te voorkomen. Bijvoorbeeld de herziene regeling voor buitenreclame in Shenzhen bevat kwalitatieve en kwantitatieve regels om lichtvervuiling door  led videowalls te reguleren, gericht op minder CO₂, milieuvriendelijk,  op gemak en service gericht, en gericht op het algemeen belang.

isplays die niet voldoen aan de eisen van de overheid worden verwijderd. Hier dient het belang van stroombesparing zich aan. Er zijn universele controllers op de markt die men kan gebruiken om automatisch de stroom aan te passen aan de helderheid van de omgeving. Ze voorzien in een slim antwoord op de veranderlijke omgeving en zo een energiebesparing opleveren. Bijvoorbeeld door de helderheid bij dag te verminderen tot 10.000 nit en tot 3.000 nit bij nacht, kan de vermogensafname met 70% worden verminderd. En, grijswaarden gaan niet verloren wanneer die winst wordt aangewend om de helderheid aan te passen.

Onderstaand een voorbeeld voor de aanpassingscurve voor een MBI5045:

Figuur 8 Stroomaanpassing in de output van de driver IC

Figuur 9 Register driver IC stroomwinst

< >Overdag: winst door stroomaanpassing van 100% – 193%‘s Nachts: winst door stroomaanpassing van 12,5% – 100%.

Hiermee kan aan de vereiste helderheid van het videowall worden voldaan terwijl een maximale energiebesparing wordt gerealiseerd.

Macroblock beveelt de volgende oplossingen aan: MBI5041, MBI5042, MBI5043, MBI5045, MBI5151, MBI5153, MBI5155 en MBI5252.

C. Een energiebesparend ontwerp voor HD videowalls

Lage grijswaarden en energiebesparing zijn beide van belang voor een HD display, zoals die met een pitch van minder dan P2.5. Macroblocks MBI5155 biedt de beste oplossing voor de problemen met lage grijswaarden bij HD displays (zoals kleurverschuivingen tussen de modules en de koppeling bij de eerste scanlijn). MBI5155 maakt gebruik van een lage kniespanning om het verlies van vermogen in de driver IC te verminderen. Onderstaande grafiek toont de karakteristieke curve van dit IC:

Figuur 10 Relatie tussen uitgangstroom van MBI5155 en V_DS

Een constante output kan worden verkregen voor alle stroomparameters bij een spanning van het uitgangskanaal groter dan 0,2V.

Bij HD displays zijn de stroomsterktes voor rode, groene en blauwe led’s al laag. In geval van HD displays is de ratio van de IC werkstroom en het overall verlies van vermogen belangrijker dan bij traditionele buitendisplays. MBI5155 is een driver IC met de laagste werkstroom, circa 1/3 van voorgaande producten. Hiermee kan de vermogensafname worden verminderd en energie worden bespaard bij HD displays. Doorgaans kennen rode, groene en blauwe led’s een verschillende spanningsval wanneer ze branden (respectievelijk 1,8V, 3,3V en 3.3V). Met inachtneming van die balans, gebruikten we een uitgangsspanning van 4,0V. de energiebesparingen waren als volgt:

Stel: een fullcolour module heeft de volgende specificaties:

De uitgangsstroom van rood, groen en blauw is 3mA, 2mA en 1mA

Duty=100%

Conclusie: bij een 4,5V voeding voor de MBI5153 driver IC en een 4V voeding voor de MBI5155 driver IC is de energiebesparing als volgt:

Voor een MBI5155:

1. IC energiebesparing 48,88%

< >Overall energiebesparing van het display 30,02%

Overall vermindering verlies van vermogen display:

Zoals hierboven is aangetoond kan met de overschakeling naar een energiebesparende IC met een 4,0V stroom een overall energiebesparing voor het display behaald worden van 30,02%. Als daar dan ook nog een automatische stroomaanpassing functie aan wordt toegevoegd, dan is de behaald energiebesparing nog aanzienlijker.

Vervolgens kan het stroomverbruik per 16 pixels worden berekend om de energiebesparingsbron te analyseren en vast te stellen. We ontdekten dat na vervanging door een MBI5155 de energiebesparing voor de IC V_DS 26% bedroeg en voor de IC I_DD 70%.

Tabel 3 Berekening verlies van vermogen bij 16 pixels voor een MB151153 en een MBI5155

Figuur 11 Vergelijking MBI5153 en MBI5155

Door een MBI5153 te vervangen door een MBI5155 kan het vermogensverlies per 16 pixels verminderd worden van 634,5mW naar 444mW (vermindering van 30,02%).

Macroblock beveelt de volgende oplossing aan: MBI5155.

Conclusie en aanbevelingen

(1) Nu de  led videowallsector stabiliseert moeten leveranciers zich meer en meer gaan toeleggen op productdifferentiatie om concurrentievoordelen te behalen op de markt. Dit artikel richt zich op energiebesparing en vermindering van straling in combinatie met vermindering van het energieverbruik door  led videowalls. Om hiervoor een oplossing vinden zijn de volgende vier energiebesparende maatregelen nodig:

(2) Het gebruik van MBI5037, MBI5038 en MBI5049 0-Power (slaap) modus bij display voor verkeersinformatie, om het vermogensverlies van de driver IC voor delen van het display die niet verlicht zijn te verminderen.

(3) Het gebruik van lage kniespanning driver IC’s zoals MBI5035, MBI5045, or MBI5155 de kan de vermogensspanning van de schakelaar en het IC-stroomverlies verminderen.

(4) Gebruik van de stroombesparingsfunctie van MBI5041, MBI5042, MBI5043, MBI5045, MBI5051, MBI5151, MBI5153, MBI5155 of MBI5252 in combinatie met een controller voor automatische aanpassing van de helderheid. Dit voorkomt lichtvervuiling en levert een aanzienlijke energiebesparing en vermindering van straling op.

(5) De huidige geavanceerde en HD displays op de markt gebruiken Macroblock MBI5155. Deze driver IC biedt niet alleen perfect een oplossing voor lage grijswaarden, maar zorgt ook voor een energiebesparing (lage kniespanning en een stroombesparingsfunctie), en zorgt voor een differentiatie in het displayaanbod en levert uitstekende economische voordelen op als u eraan denkt een LED scherm te kopen.