Displays verlustarm ansteuern – Energie recyceln #####

Gerade in tragbaren Geräten ist die Energie stets knapp, und einer der größten Verbraucher ist das Display. In dessen Treiber wird die Energie vor allem in den Abschlusswiderständen schlichtweg »verheizt«. Mithilfe eines Speicherkondensators und ein wenig Schaltungsaufwand lässt...

Gerade in tragbaren Geräten ist die Energie stets knapp, und einer der größten Verbraucher ist das Display. In dessen Treiber wird die Energie vor allem in den Abschlusswiderständen schlichtweg »verheizt«. Mithilfe eines Speicherkondensators und ein wenig Schaltungsaufwand lässt sich diese Energie »recyceln«, sodass die Verlustleistung um bis zu 75 Prozent sinkt. Da schaut sogar LVDS dagegen alt aus.

Käufer wünschen sich bei tragbaren Geräten neben verbesserter Mobilität und höherer Batteriekapazität vor allem auch leistungsfähigere Displays. Deshalb werden LC-Displays in Richtung höhere Auflösung und Bildrate getrimmt. Die auf diesem Gebiet erreichten Fortschritte gehen aber in vielen Fällen mit höherer Stromaufnahme und höherer elektromagnetischer Abstrahlung (EMI) der Bildschirme einher. Verschärft wird dieses Problem durch den Trend, vermehrt visuelle Elemente zu nutzen und Multimedia-Funktionen zu integrieren, sodass die elektrischen Schnittstellen eine höhere relative Einschaltdauer aufweisen. Dabei hängt die Verlustleistung der Schnittstelle zwischen LCD-Controller und Source-Driver-Chips nicht nur von der Bildschirmauflösung und der Update-Rate ab, sondern auch von der Datenmenge.

Bild 1 zeigt schematisch diese Schnittstelle. Für einen 24-Bit-Farbbildschirm kann ein solches Interface aus bis zu 36 Signalleitungen bestehen, die mit Frequenzen bis zu 80 MHz arbeiten. Diese Zahl an Leitungen setzt sich zusammen aus den 8-Bit-Datenbussen und den Leitungen zur Übertragung von Steuersignalen. Soll ein Bildschirm UXGA-Grafik unterstützen, kann sich die Zahl der Signale sogar verdoppeln und noch höhere Datenraten voraussetzen [1].

Wie aus Bild 1 ersichtlich, bilden fast verlustfreie LC-Übertragungsstrecken die Verbindung zu den Source-Treibern. Die durchschnittliche Kapazität einer gedruckten Leiterbahn liegt in der Größenordnung von ein bis zwei Picofarad pro Zentimeter Leitungslänge. Die Eingangslast jedes Source-Treiber-Pins beträgt etwa 5 pF. Sind die Source-Treiber gleichmäßig verteilt angeordnet, kann man die gesamte Struktur als eine einzige fast verlustfreie Übertragungsstrecke betrachten. In der Regel werden Source- beziehungsweise Serienabschlusswiderstände für die Unterdrückung von Reflexionen auf der Übertragungsstrecke sowie für die EMI erforderlich sein. Die Leistungsaufnahme pro Schnittstellensignal berechnet sich folgendermaßen: P = Cload x U² x f x A

Demnach ist P direkt proportional zur Gesamtlastkapazität Cload, zum Quadrat der Signalspannung U, zur Taktfrequenz f und zum Aktivitätsfaktor A. Bei einem Display eines konventionellen Windows-Rechners kann der Aktivitätsfaktor sehr niedrig sein und weniger als 1 Prozent betragen, wenn beispielsweise die Hintergrundfarbe lange nicht wechselt. Beim Abspielen von DVDs wechseln die Bitdaten – speziell die niederwertigen Bits – aber fast ständig nach einem weitgehend zufälligen Muster (Zufallsdaten), sodass sich der Aktivitätsfaktor eher bei 25 Prozent bewegt (durchschnittlich wechselt jedes Bit alle zwei Taktzyklen). Eine Schnittstelle für ein übliches aus fünf Source-Treiber-ICs bestehendes Array weist etwa eine Last von 35 pF auf. Werden über eine solche Schnittstelle mit 36 Leitungen Zufallsdaten (Aktivitätsfaktor 25 Prozent) mit einer Taktfrequenz von 80 MHz übertragen, würde es bei einer Spannungsversorgung von 3,3 V gemäß obiger Formel etwa 250 mW aufnehmen. Für ein tragbares Gerät ist das ganz erheblich. Da die Übertragungsstrecken selbst fast ohne Verluste arbeiten, stellt sich die Frage, wie es zu dieser hohen Verlustleistung kommt. Die Antwort lautet: Die aufgenommene Energie wird fast vollständig in den Abschlusswiderständen – oder wenn diese fehlen – im LCD-Controller in Wärme umgesetzt. Muss das sein?