液晶显示器如何跨越能效关

霍 光

虽然相比CRT显示器来说,液晶显示器已经非常省电了,但人们的需求是无止境的,对节能的要求也是越来越高。液晶显示器的能耗究竟能降到多少,人们始终得不到最终答案,而是一直在不断探索新的方式以降低它的能耗。

液晶显示器功耗因何难降

事实上,液晶显示器的显示原理已经决定了,它的效率不会让人满意。这是由于,液晶显示器采用的是滤光的模式,而非发光的模式来提供图像。

液晶显示器的核心部件——液晶面板中,分布着大量的液晶分子,它们有一种特性,在加电时会改变方向,而仅在某个方向排布的时候,才允许光线通过。因此,通过加电来控制液晶的排布,就可以控制光线通过,从而显示出不同的图像。

液晶只能控制光线是否通过,却不能自行发光。因此,人们必须给液晶面板后面配上背光模组,让背光模组发光,由液晶面板来控制光线的通过与否。

同时,液晶只能靠分子偏转的不同来控制显示画面的灰阶,却不能控制通过光线的颜色。因此,人们又必须在液晶面板前面添加上滤色片,每个像素都由三个添加了不同颜色滤色片的小像素组成,通过对三色透光程度的控制,三原色组合成为色彩。

因此,液晶显示器的工作原理决定了,即使背光灯管的发光效率已经很高,但依然会在三个地方造成光能的衰减。

第一个地方就是背光模组内部。由于背光灯管是线性光源,必须通过反射板、反射片和棱镜片的反射和折射,使之变成均匀的面光源。这一过程中,光线在不停地反射和折射过程中射向不同方向,造成实际射向液晶面板的光已经大受损失。

其次,在液晶面板中,光线再一次受到损失:在液晶面板下的偏光片处,仅允许通过一个方向的偏振光,以满足液晶面板控制的需求。在液晶面板的下偏光片处,将有接近50%的光线会损失掉。另外,这仅仅是在液晶面板允许透光的时候;在不允许透光时,液晶面板不允许通过的光线也将被吸收。这也就是说,如果显示黑色画面,那么几乎所有的能量都被浪费了。在显示白色画面时,也将有50%的光线被浪费。

另外,通过液晶面板的光线中,也仅仅有符合颜色需求的部分波长的光会被保留,其他颜色的光同样在这一过程中损失掉了。

一般说来,CCFL射出的光线中,能够从屏幕正面射出的光仅仅有30%左右,其他70%都成为了无用功耗。这也意味着,液晶显示器的发光效率仅仅能达到CCFL发光效率的1/3左右。

以上讲的都是液晶显示器工作状态下的功耗。而待机时,液晶显示器的主要部件基本都进入了关闭状态。这时,供电模块就显现出了重要性——即使仅仅是主控电路上的一个很小的唤醒电路需要供电,供电模块都需要进行电压的转换。因此,它将一直持续工作,成为显示器的待机功耗的主要来源。

了解了显示器功耗的主要来源,人们就开始针对这些功耗来源,不断进行技术研发,创造出了高亮度灯管、增透膜技术、LED背光和高效电源转换器等若干招数来降低显示器的功耗。

招数一:用高效灯管降耗

如果要减少背光的功耗,就得减少背光灯管的用电量。因此,人们开始尝试减少灯管来降低显示器的工作功耗。但是,这样一来,显示器的亮度也随之降低,并不能符合提高能效的要求。

不过,CCFL的发光效率也在不断提高,高亮度的CCFL开始出现。就像超市中售卖的飞利浦节能灯泡一样,它们可以在同样的功耗下,发出更高的亮度。这一技术的变革使提高显示器能效成为可能。

LG在2008年推出的W2252TE中,将这一理念成功实现。通过改变灯管驱动电路,并使用更高亮度的灯管,LG成功在亮度不变的前提下将背光灯管从4根减少到2根。

通过减少灯管,LG W2252TE成功地将40W的背光工作功率降低到22W,使得整机的能源效率达到1.30cd/W,达到了1级能效标准的要求。

招数二:充分利用光线

用高效灯管并不能解决光线的浪费问题,而且高效灯管的价格也比较高。如何增加背光模组发出光线的使用效率呢?3M想出了一个新的方案。

3M首先开发出了棱镜膜(BEF)来解决背光散射光线的利用问题。BEF具有20微米左右高度的微三棱镜结构。加入BEF以后,光线会聚拢在70度左右范围内射出,而原本发散部分被微三棱镜反射回背光源系统,经过循环,重新加以利用,最终也在70度左右范围出射。这使得背光模组发出的光线最大程度地射出了屏幕,增加了利用效率。

单是BEF还不够,3M又开发出了另一个产品:反射型偏光片(DBEF)。它解决的是传统的吸收型偏光片对偏振光的选择问题。

从前,偏光片会选择透过一个振动方向的光线(此处假定是P光),而将与其垂直方向的光线(此处假定是S光)全部吸收,所以光能在通过LCD下偏光片时会被吸收而损失50%以上。

DBEF装置于背光源和LCD下偏光片之间。P光可以直接透过DBEF,但绝大部分S光会被DBEF反射回背光源,经过背光源各层材料后,S光被消偏振,成为全偏振光(P光+S光)后重新出射背光源,被循环加以利用。这样以来,这50%的光能不会完全丧失,经过几次循环之后,很大程度上得到了充分利用。

优派VX1933w就是应用3M增透膜技术的成功范例:通过采用3M增透膜技术,对背光发出光源的利用率从32%上升到了52%,从而采用双灯管就可以达到通常四灯管的亮度表现,实现了能耗的降低。

招数三:采用LED

事实上,CCFL的发光效率发展到今天,进一步提升的空间已经不大了。因此,人们开始将目光投向新的发光元件。LED就是人们寄予厚望的新一代背光光源。

早期的LED背光是由红、绿、蓝三色LED组成的。当时,白光LED专利掌握在少数公司手里,价格非常高昂。不过,现在白光LED的价格已经开始下降。

早期LED的发光效率并不高,最早的时候还不如CCFL。但近年来,LED的发光效率得到了长足的进步。一般来说,CCFL的发光效率在50～100lm/W左右。1995年的时候,LED的发光效率还仅有8lm/W,远低于CCFL。但到2007年初,日亚化学工业开发出的白色LED已经可以在某些电压和电流下达到150lm/W的发光效率,但尚未产品化。现在,实用化的白光LED的发光效率已经不低于CCFL了。

另一方面,LED是点光源,在显示器实际应用过程中,当画面局部显示黑色时,可以通过关闭对应区域的LED来实现。而传统CCFL在这种情况下依然要维持全功率工作。这样,在显示部分黑色的时候,就实现了能耗的节省。

AOC在2008年底推出的erfino“锋•尚”就使用了白光LED背光技术。根据官方数据,19英寸的“锋•尚”的能耗仅为28W,达到了1级能耗标准的范畴。

招数四:换用高效DC

以上三种方式降低的都是液晶显示器的工作功耗。但待机功耗也是显示器功耗很重要的一个组成部分。这方面,就需要在电源转换模组中下功夫。

LG W2252TE就采用了高效的DC转换器,实现了对待机能耗的有效控制。原本电源转换需要0.85W的能源消耗被降低到0.25W,因此,整机的待机功率被控制在0.3W左右,达到了1级能效标准的要求。

能效提升无止境

在节能规范的刺激下,人们对显示器能效的提升空间被打开,越来越多的节能产品开始出现。

除了我们已经提到过的一些节能产品之外,目前,三星公司的绝色系列产品已经做到了0.3W以下的待机功耗,而节能型号如743A、2243EW、933SN、943SN等产品,已经实现了节能40%的标准,22寸液晶显示器的正常功耗被降低至21W 的低水平。这一成绩是通过改变发光单元发布,提高发光效率,配合定时关机、显示器节能模式等手段来实现。

优派公司也表示,在已经推出的VA1933等产品的基础上,2009年优派还将把低功耗技术应用在22、24英寸的16∶9产品上。

LG公司表示,LG会在以后的开发中逐渐改变2级与1级的产品比例,最终向全面最高节能的方向发展。

从2008年的市场来看,节能是大势所趋,很多厂商都借着节能的说法来宣传自己的产品和品牌。但是,实际上各个产品的差别很大,人人节能的情况下,消费者无法甄别真正的节能产品。显示器节能规范,对行业来说是提供了一个可供参照的准则;对消费者来说,则是提供了一个选购应用的标杆;从厂商层面来说,是能够体现厂商实力的一个量化反映。通过这样的节能规范,消费者可以很明确地分辨出一台显示器在这一方面具备的能力,并据此进行消费。相对于目前市场上“认证”泛滥的情况,节能规范也是很好的肃清市场的办法。因此显示器能耗等级的出台非常有必要,也非常及时。用不同的等级标准来规范厂商的行为,既保障了消费者的利益,也保护了做得好的企业,规范了市场竞争秩序。

未来,在能效标准的要求下,厂商们势必更加注意对显示器产品能耗的控制,也会创造出越来越多的节能产品。另外,更多新技术的不断出现,也将让显示器的能效水平再上一个台阶。三年后,我们使用的显示器将更加节能环保。