FI102701B - Näytön tehonsäästömenetelmä - Google Patents

Description

102701

NÄYTÖN TEHONSÄÄSTÖMENETELMÄ - METOD FÖR MINSKNING AV STRÖMFÖRBRUKNINGI EN MONITOR

5 Keksintö kohdistuu monitorin tehonkulutuksen pienentämiseen.

Usein monitori käynnistetään aamulla töihin tullessa ja suljetaan illalla töistä lähtiessä. Monitoriin on siis kytketty virta koko päivän ajan ja laite kuluttaa energiaa, vaikka sen tehollinen käyttöaika saattaa olla vain murto-osa työpäivän pituudesta. 10 Joillain työpaikoilla näyttöä ei sammuteta laisinkaan työpäivien välissä. Näyttöpäätteiden ja monitorien tehonkulutuksen pienentämiseksi onkin kehitetty useita erilaisia ratkaisuja.

Eräs tunnettu ratkaisu, joka kohdistuu enemmänkin kuvaputken eliniän pidentä-15 miseen kuin energian säästöön, on käyttää tietokonejäijestelmässä ohjelmaa, joka pimentää kuvaruudun aina, kun jäijestelmää ei ole hetkeen käytetty. Tällaisen toiminnon pääasiallisena tarkoituksena on estää pitkään muuttumattomina pysyvien kuvioiden palaminen kuvaputken fluoresoivaan materiaaliin. Tällainen toiminto yksinkertaisimmillaan katkaisee näytönohjaimelta tulevan videosignaalin.

20

Huomattava energiakulutuksen säästö saavutetaan sellaisella monitorin rakenteella, joka sammuttaa monitorin tietyn ajan kuluttua siitä, kun järjestelmää on viimeksi käytetty. Tähän voidaan käyttää esimerkiksi piiriä, joka tunnistaa videosignaalin puuttumisen ja katkaisee virran monitorin eniten tehoa kuluttavista 25 osista signaalin puuttumisen ajaksi. Tällaisella rakenteella monitorin tehonkulutus voidaan tehonsäästötilassa pudottaa luokkaan 5 - 8 W.

Videoelektroniikan standardointijärjestö VESA (VESA, Video Electronics Standards Association) on määritellyt monitorin tahdistussignaaleihin perustuvan 30 DPMS-signalointijärjestelmän (DPMS, Display Power Management Signalling). DPMS-jäijestelmässä monitorin toiminta on jaettu neljään eri tilaan: - ON-tila, joka vastaa monitorin normaalia toimintaa; - Stand-By-tila, jossa esimerkiksi kuvaruutu pimennetään ja siten saadaan aikaan pieni tehonkulutuksen pieneneminen; 35 - Suspend-tila, jossa merkittävä osa monitorin toiminnoista on sammutettu ja - OFF-tila, jossa monitorin toiminnat on sammutettu mahdollisimman kattavasti.

. · Merkittävimmät tehonkulutuksen säästöt saavutetaan Suspend- ja OFF-tiloissa.

2 102701 DPMS-järjestelmässä monitorin haluttu toimintatila välitetään pysty-ja vaaka-tahdistuspulssien avulla. Monitorin on kyettävä tulkitsemaan haluttu toimintatila pysty- ja vaakatahdistuspulssien tasoista ja kyettävä siirtymään tahdistuspulssien 5 määräämälle toimintatasolle. Allaolevasta taulukosta selviävät eri tiloja vastaavat tahdistuspulssien tilat.

Vaaka- Pysty-

Tehonsäästötila tahdistuspulssit tahdistuspulssit 10 ON-tila On On

Stand-By-tila Ei On

Suspend-tila On Ei OFF-tila Ei Ei 15 Taulukossa "On" tarkoittaa, että tulevan signaalin taajuus ja pulssisuhde ovat yli DPMS-järjestelmässä määritellyn raja-arvon. Vastaavasti "Ei" tarkoittaa, että tulevan signaalin taajuus ja pulssisuhde ovat alle kyseisen raja-arvon.

DPMS-järjestemän mukaisessa ratkaisussa tahdistussignaaleja tulkitsevan piirin 20 onkin tarvittaessa kyettävä mittaamaan tahdistuspulssien taajuus ja pulssisuhde. Ratkaisun on kyettävä myös varmistamaan vallitseva tilanne virhetoimintojen välttämiseksi esimerkiksi tilanteessa, jossa näytönohjain vaihtaa resoluutiota. Lisäksi tahdistuspulssien tulkitsemiseen tarvitaan energiaa, jota ei käytetystä tekniikasta johtuen voida ottaa näytönohjaimesta. Yleinen tapa suoriutua tahdistus-25 pulssien tulkitsemisesta ja monitorin ohjaamisesta on käyttää monitorin mikropro sessoria.

Eräs yleisesti DPMS-järjestelmän kanssa käytetty ratkaisu on niin kutsuttu "Soft Power" -kytkin. Tällöin laitteessa ei ole varsinaista verkkokytkintä, josta laite 30 voidaan sammuttaa, vaan se on korvattu prosessoriin liitetyllä kytkimellä. Kyseisen kytkimen kautta laite voidaan ohjata OFF-tilaan tahdistussignaalien tilasta huolimatta. OFF-tila näyttää käyttäjästä samalta kuin laite olisi sammutettu verk-kokytkimestä.

35 Nykyisin on käytössä kolmentyyppisiä rakenteita tehon syöttämiseksi virtalähteen toisiopiiriin äärimmäisen tehonsäästötilan eli OFF-tilan aikana: . ·; - teho syötetään verkosta virtalähteen toisiopiiriin normaalisti päävirtalähteen 3 102701 avulla, - tehon syöttö verkosta virtalähteen toisioon passiivisten komponenttien kuten ♦ kondensaattorien avulla, ja - erillisen virtalähteen käyttö.

5 Päävirtalähdettä käyttävän ratkaisun ensimmäisessä muunnelmassa virtalähteen toisiopiirissä on kytkinelimiä, joilla kytketään irti tehoa kuluttavia jäijestelmän osia. Irtikytkentä voidaan tehdä katkaisemalla joko osien ohjaussignaalit tai osien käyttöjännitteet. Suspend-tilassa kytketään irti suuritehoiset lohkot. OFF-tilassa 10 kytketään irti kaikki muut paitsi tahdistussignaaleja tulkitseva ja laitetta ohjaava prosessori tai vastaava piiri. Tällaisessa ratkaisussa laitteen virtalähde toimii koko ajan tuottaen toisioon jatkuvat vakavoidut käyttöjännitteet. Ratkaisun etuna on yksinkertaisuus, mutta virtalähteen hyötysuhde jää huonoksi. Lisäksi kytkinelimiä tarvitaan paljon, jos käyttöjännitteitä on paljon.

15 Päävirtalähdettä käyttävän ratkaisun toisessa muunnelmassa toision käyttöjännitteet vakavoidaan OFF-tilassa oleellisesti alemmalle tasolle kuin normaalissa käyttötilanteessa, jolloin toisiota kuormittavien piirien toiminta estyy ja piirien tehonkulutus putoaa pieneksi. Käytännössä tämä tapahtuu siten, että normaalisti 20 jokin suuri vakavoitu toisiopiirin käyttöjännite, esimerkiksi 150 volttia, josta muut toisiopiirin käyttöjännitteet muodostetaan, vakavoidaan noin 8 voltin tasolle. Pudotetusta käyttöjännitteessä otetaan prosessorin tarvitsema käyttöjännite (esim. +5 V) regulaattorin avulla. Tässä muunnelmassa jännitteiden vakavoiminen normaalia alemmalle tasolle vastaa mainitun ensimmäisen muunnelman kytkimiä. Jännit-25 teen pienentämiselimen lisäksi tarvitaan kytkin, joka kytkee pienennetyn toisio- jännitteen prosessorin käyttöjännitteeksi tehonsäästötilan ajaksi. Ratkaisun etuna on edelleen yksinkertaisuus ja samalla virtalähteen hyötysuhde paranee hiukan, koska virtalähteessä syntyvät jänniteamplitudit ovat pienemmät ensimmäiseen ratkaisuun verrattuna. Kytkennän monimutkaisuus ei riipu käyttöjännitteiden lu-30 kumäärästä, koska kaikki käyttöjännitteet pienenevät yhtä aikaa.

Kolmannessa päävirtalähdettä käyttävässä muunnelmassa virtalähteen toiminta ei ole jatkuvaa, vaan energiaa syötetään toisioon sykäyksittäin. Tällöin virtalähteen hyötysuhde paranee vielä hiukan. Toision käyttöjännitteet eivät tällaisessa jäijes-35 telmässä ole tehonsäästötilan aikana vakaita, vaan niissä on sykäysten taajuista heiluntaa. Prosessori saa kuitenkin koko ajan riittävästi käyttöjännitettä, ja se pysyy toiminnassa keskeytyksettä.

4 102701

Toisessa perusratkaisussa käytetään passiivisia komponentteja, kuten kondensaattoreita, tehon siirtämiseen verkosta toisiopiiriin. Kondensaattoreiden kapasitiivi-nen virta tasasuunnataan ja suodatetaan toisiossa tasajännitteeksi. Jotta näin saa-5 tava teho olisi riittävä tavanomaisille prosessoreille, täytyy kondensaattoreiden kapasitanssin olla suuri, jolloin niiden fyysinen kokoja kustannukset nousevat suuriksi.

Erillistä virtalähdettä käyttävissä jäijestelmissä toista virtalähdettä käytetään sil-10 loin, kun päävirtalähde on sammutettu. Erillinen virtalähde on optimoitu pienille tehoille ja se syöttää tehoa tavallisesti vain prosessorille. Tällaisen ratkaisun etuna on varmatoimisuus ja virtalähteen hyvä hyötysuhde. Huonona puolena on se, että tarvitaan kaksi virtalähdettä, mikä nostaa komponenttikustannuksia.

15 Esillä olevan keksinnön tavoitteena on toteuttaa mahdollisimman vähillä lisäkom-ponenteilla tunnettua tekniikkaa tehokkaampi OFF-tilan tehonsäästömenetelmä. Lisäksi keksinnön tavoitteena on kehittää menetelmä, joka käyttää mahdollisimman pitkälle hyväkseen monitoreissa jo olevia komponentteja.

20 Tavoitteet saavutetaan jäljestämällä tahdistussignaalien seuranta OFF-tilassa jak solliseksi. Keksinnön mukaisessa jäijestelmässä virtalähde toimii sykäyksittäin, jolloin sykäysten väliajalla virta katkeaa myös monitorin prosessorilta. Yhden pulssin pituus on riittävä prosessorille järjestelmän senhetkisen tilan ja tulevien tahdistussignaalien tulkitsemiseen ja tarvittaessa laitteen virtalähteen ohjaamiseen 25 normaaliin toimintaan.

Keksintö kohdistuu menetelmään, jossa mainittuja ohjaussignaaleja tarkkaillaan tehonsäästötilan aikana jaksoittain.

30 Keksintö kohdistuu myös järjestelmään, jolle on tunnusomaista, että toimintatilan ohjaussignaalien tarkkailuelin on järjestetty toimimaan jaksoittaisesti.

Seuraavassa selostetaan keksintöä yksityiskohtaisemmin viitaten esimerkkinä esitettyihin edullisiin suoritusmuotoihin ja kuvaan 1, joka esittää periaatekaaviota 35 keksinnön mukaisesta jäijestelmästä.

5 102701

Keksinnön mukaisessa menetelmässä kytketään irti tehoa kuluttavat lohkot siirryttäessä normaalitilasta OFF-tilaan. Tämän lisäksi järjestelmän virtalähde (1, 2) toimii OFF-tilassa sykäyksittäin, jolloin tahdistussignaaleja tulkitseva prosessori (4) tai vastaava piiri saa käyttöjännitettä vain osan aikaa. Energiapulssin jälkeen 5 virtalähde (1, 2) sammuu kokonaan ja prosessorin (4) käyttöjännite putoaa nollaan. Yhden sykäyksen energia on riittävä prosessorille (4) jäijestelmän senhetkisen tilan ja tulevien tahdistussignaalien tulkitsemiseen ja tarvittaessa laitteen virtalähteen (1,2) ohjaamiseen normaaliin toimintaan.

10 Jaksottainen toiminta on mahdollista, koska monitorin lämpenemisaika on normaalisti suhteellisen pitkä, 10 sekunnin luokkaa, eikä jaksottaisen toiminnan aiheuttama pieni lisäviive ole oleellinen. Virtalähteen kuormitus ja samalla toisioon tapahtuva tehonsyöttö voidaan siten jaksottaa lyhyisiin ajanjaksoihin jatkuvan toiminnan asemesta laitteen kokonaistehonkulutuksen pienentämiseksi.

15 Käyttöjännitteen ollessa ylhäällä prosessori (4) tutkii laitteen senhetkisen tilan sekä tahdistussignaalien tilan. Laitteen tehonkulutus koostuu tällöin prosessorin ja sen oheispiirien kuluttamasta tehosta sekä virtalähteessä syntyvistä tehohäviöistä. Käyttöjännitteen ollessa alhaalla prosessori ei kuluta energiaa lainkaan. Koska 20 koko toisiopiiri on sammuneena, virtalähteessä syntyvät tehohäviöt ovat sinä aikana pienet, 400 mW luokkaa. Järjestelmän kokonaistehonkulutus on siten suorassa suhteessa jännitteiden katkosajan pituuteen. Eräs edullinen käyttöjännitten alkajako on esimerkiksi 500 ms kytkettynä ja 2,5 s katkaistuna.

25 Keksinnön mukaisessa ratkaisussa tehonsyöttöön käytetään laitteen päävirtaläh-dettä (1, 2) ja tahdistussignaalien tarkkailuun käytetään jo käytössä olevien jäijes-telmien mukaisia prosessoreita tai vastaavia piirejä. Tällöin komponenttikustan-nukset saadaan mahdollisimman alas samalla kuitenkin tehonkulutuksen pienentyessä.

30

Keksinnön eräs oleellinen osa on myös energiavarasto (3), jossa säilytetään lisä-energiaa niitä tilanteita varten, joissa energiantarve lisääntyy lyhytaikaisesti. Tällaisena energiavarastona voi toimia esimerkiksi kondensaattori, joka ladataan virtalähteen energiapulsseilla. Oleellista on, että energiavaraston energiaa ei käytetä 35 itse signaalien tarkkailuun. Tämän lisäpiirteen ansiosta virtalähteen antaman energiapulssin energiamäärä saadaan paremmin optimoitua vastaamaan prosesso- 6 102701 rin tarvitsemaa energiaa ja laitteen tehonkulutus saadaan siten mahdollisimman alhaiseksi.

Lisäenergiaa tarvitaan tilanteissa, joissa laitteen virtalähde halutaan palauttaa jak-5 sottaisesta toiminnasta normaaliin toimintatilaan. Tällainen tilanne syntyy, kun prosessori havaitsee tahdistussignaalikombinaation, joka edellyttää siirtymistä enemmän energiaa kuluttavaan tilaan. Tällöin tieto normaalitoimintaan siirtymisestä on välitettävä virtalähteen ensiötä ohjaavalle piirille. Käytännössä tieto voidaan siirtää antamalla liipaisupulssi tai vastaava ohjaussignaali ensiöpiirin puolel-10 le optoerottimen tai muuntajan avulla. Erillistä energiavarastoa tarvitaan, koska optoerottimen tai muuntajan ohjaaminen vaatii suhteellisen paljon viitaa.

Lisäenergiaa tarvitaan myös silloin, kun laitteen käyttäjä haluaa käynnistää laitteen “soft power” -kytkimen avulla. Käyttömukavuuden kannalta on tärkeää, että 15 laite reagoi tähän välittömästi, eikä vasta seuraavan jännitepulssin aikana. Tällöin on oltava heti saatavilla riittävästi energiaa liipaisupulssin antamiseksi ensiötä ohjaavalle piirille.

Lisäksi prosessorin energiankulutus saattaa väliaikaisesti nousta keskimääräisestä 20 tasosta joidenkin rutiinien suorittamisen aikana. Tällaisia rutiineja ovat esimerkiksi EEPROM:iin kirjoittaminen tai jonkin mittaustuloksen varmentaminen. Järjestämällä prosessorille mainittu lisäenergian lähde voidaan virtalähteen energia-pulssin suuruus optimoida prosessorin keskimääräisen energiankulutuksen mukaan.

: 25

Alan ammattimiehelle on selvää, että edellä kuvattu tahdistussignaalien käyttö ohjaussignaaleina on esimerkinluonteinen, ja mainitut ohjaussignaalit voidaan toteuttaa monella muullakin tavalla. Keksintö ei myöskään rajoitu mainitun DP-MS-käytännön mukaisiin järjestelmiin, vaan sitä voidaan soveltaa myös muun 30 tyyppisiin monitoreihin.

Tässä yhteydessä termillä monitori tarkoitetaan mitä tahansa kuvaputken sisältävää laitetta, kuten tietokoneen näyttöä tai televisiota.

Claims (10)

1. 7 102701
2. 1. Menetelmä monitorin tehonkulutuksen pienentämiseksi, jossa menetelmässä monitorin toimintatilaa ohjataan ohjaussignaaleilla ja jossa menetelmässä tehon-säästötilan ajaksi ainakin yhden monitorin osan virransyöttö katkaistaan virranku-5 lutuksen vähentämiseksi, tunnettu siitä, että mainittuja ohjaussignaaleja tarkkaillaan tehonsäästötilan aikana jaksoittain, jolloin jos kulloisenkin tarkkailujakson aikana ei havaita monitorin toimintatilan muutosta edellyttävää ohjaussignaalia, tehonsäästötilaa jatketaan tarkkailujakson jälkeen.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuja ohjaussignaaleja tarkkailevan elimen (4) virransyöttö katkaistaan ohjaussignaalien tarkkailujaksojen väliseksi ajaksi.
4. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä sellaisen monitorin tehonkulu- 15 tuksen pienentämiseksi, jossa monitorissa on virtalähde ja siihen nähden ensiöpuo- li ja toisiopuoli, tunnettu siitä, että monitorin kaikkien virtalähteen toisiopuolella olevien piirien (4, 5) virransyöttö katkaistaan ohjaussignaalien tarkkailujaksojen väliseksi ajaksi. 20 4. Järjestelmä monitorin tehonkulutuksen pienentämiseksi, jossa järjestelmässä ainakin yhden monitorin osan virransyöttö on järjestetty katkaistavaksi tehonsäästötilan ajaksi ja jossa järjestelmässä monitorin toimintatila määräytyy ohjaussignaalien perusteella ja joka järjestelmä sisältää tarkkailuelimen mainittujen ohjaussignaalien tarkkailemiseksi, tunnettu siitä, että toimintatilan ohjaussignaalien tark- 25 kailuelin (4) on järjestetty toimimaan jaksoittaisesti ja siitä, että järjestelmä on järjestetty ylläpitämään tehonsäästötilaa kulloisenkin tarkkailuelimen (4) toimintajakson jälkeen, jos mainittu toimintatilan ohjaussignaalien tarkkailuelin (4) ei kulloisenkin toimintajakson aikana havaitse monitorin toimintatilan muutosta edellyttävää ohjaussignaalia. ' : 30
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että virtalähde (1, 2) on järjestetty katkaisemaan virta ohjaussignaalien tarkkailuelimeltä (4) ohjaussignaalien tarkkailujaksojen väliseksi ajaksi.
6. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen järjestelmä, jossa järjestelmässä on virta lähde ja siihen nähden ensiöpuoli ja toisiopuoli, tunnettu siitä, että virtalähde on 8 102701 järjestetty katkaisemaan virta kaikilta virtalähteen toisiopuolella olevilta monitorin osilta (4, 5) ohjaussignaalien tarkkailujaksojen väliseksi ajaksi.
7. 7. Patenttivaatimuksen 4, 5 tai 6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että jär-5 jestelmä käsittää lisäksi energian varastointielimen (3) lyhytaikaisten lisäenergian- tarpeiden kattamiseksi.
8. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen jäijestelmä, tunnettu siitä, että energian va-rastointielin käsittää kondensaattorin, joka latautuu ohjaussignaalien tarkkailujak- 10 sojen aikana.
9. 9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että ohjaussignaalien tarkkailujakson aikana virtalähteen (1, 2) antaman energian määrä on optimoitu vastaamaan mainitun tarkkailuelimen (4) tarvitsemaa energiaa.
10. 15 Patentkrav