WHITEPAPER Leistungsstarke LED-Treiber bringen Vorzüge von Digital Signage zur Geltung Einleitung: Treiber für Digital-Signage-Anwendungen

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1 WHITEPAPER Leistungsstarke LED-Treiber bringen Vorzüge von Digital Signage zur Geltung Roland Gehrmann, Marketingleiter, ICs für Verbraucherelektronik und Industrie, Toshiba Electronics Europe Digital-Signage-Systeme werden immer anspruchsvoller. Für die Realisierung solcher Systeme benötigen Entwickler LED-Treiber, die in der Lage sind, den besonderen Anforderungen dieser Anwendungen gerecht zu werden. Einleitung: Treiber für Digital-Signage-Anwendungen High-Brightness-LEDs entwickeln sich mittlerweile immer mehr zum technologischen Standard bei Signage-Anwendungen wie z.b. Großbildschirmen für Außenanzeigen. Die Sender selbst sind robust und energieeffizient. Gleichzeitig fördern elektronische Steuerungen Innovationen wie z.b. dynamische Inhalte, Displayvernetzung und Interaktivität. Besondere Kennzeichen von LED- Treiber-ICs für Digital-Signage-Anwendungen sind eine große Anzahl von Ausgangskanälen mit hohen Ansteuerungsströmen, präziser Stromsteuerung innerhalb enger Grenzen und Ausgleich zwischen den verschiedenen Ausgangskanälen sowie spezielle Merkmale zur Bewältigung von Überspannungen und Rauschsignalen. On-Chip-Diagnosesysteme unterstützen die Wartung großer Beschilderungen durch Anzeige fehlerhafter Einheiten. Die von Toshiba angebotene Treiberbaureihe für Signage-Anwendungen bietet darüber hinaus eine neuartige Technologie zur Unterdrückung von Flimmern bei der Wiedergabe bewegter Bilder. Höhere Leistung und bessere Steuerung LED-Beschilderungen beflügeln die Fantasie der Anbieter und die Nachfrage nach immer größeren, helleren Displays, die eine maximale visuelle Wirkung erzielen, steigt ständig. Treiber für Signage-Systeme sind üblicherweise mehrkanalige ICs, die in der Lage sind, einen hohen maximalen Ausgangsstrom zu liefern, und gleichzeitig den Ansteuerungsstrom bei schwankender Ausgangsspannung der LED innerhalb von engen Toleranzen steuern. Das Produktportfolio von Toshiba umfasst eine Vielzahl von Treibern für Signage-Anwendungen, die aktuell bis zu 16 Kanäle bieten. Für die Zukunft werden bereits 24-kanalige Treiber entwickelt. Dank einer hohen Kanalzahl können diese Treiber die Anzahl von Bauteilen, die zur Ansteuerung der einzelnen LEDs in einem Array benötigt werden, erheblich reduzieren, wobei sich die Gesamtzahl an LEDs durchaus auf mehrere Tausende oder bei sehr großflächigen Anzeigen sogar Millionen belaufen kann. Trotzdem können bei einer großen Signage-Anwendung, wie zum Beispiel Anzeigetafeln in Stadien oder Außenwerbung mehrere Tausend Treiber benötigt werden, um das LED-Array zu steuern. Zum Toshiba-Treiberportfolio gehört zum Beispiel der TC62D723, der 16 Ausgangskanäle bietet und eine hoch genaue Einstellung des LED-Ansteuerungsstroms in einem Bereich zwischen 1,5 ma und 90 ma ermöglicht. Dies bietet Designern die Möglichkeit LEDs mit der größtmöglichen Strombelastbarkeit einzusetzen, und die Höhe des Stroms so einzustellen, dass eine optimale Helligkeit und ein optimaler Betrachtungswinkel erzielt werden. Außerdem bleibt der Ausgangsstrom beim TC62D723 über einen breiten Spannungsbereich konstant (siehe Abb. 1). Dies gewährleistet, dass die Helligkeit der LED gleich bleiben, auch wenn sich Umweltfaktoren ändern, z.b. bei einer Temperaturänderung, die ja zu einer Änderung der Durchlassspannung führen kann.

2 Abbildung 1. TC62D723 Konstantstrom-Kennlinie. Der Stromausgleich zwischen den einzelnen Kanälen in einem Bereich von ±3-6% war in der Vergangenheit normalerweise bei einfachen LED-Anwendungen ausreichend zur Erzielung einer gleichmäßigen Helligkeit und Farbe über die gesamte Fläche. Im Zuge immer größerer Signage- Systeme müssen die ICs auch eine immer höhere Genauigkeit bieten. Der TC62D723 bietet nicht nur einen Stromausgleich zwischen den Kanälen innerhalb eines Bereichs von ±1,5%, sondern gewährleistet darüber hinaus, dass die Kanäle von einem IC zum nächsten innerhalb eines Toleranzbereichs von ±1,5% ausgeglichen werden. Dies bietet ein hohes Maß an Sicherheit, dass großflächige Anzeigen mit hoher Pixeldichte, die eine Vielzahl von Treiber-ICs erfordern, die gewünschte visuelle Wirkung erzielen. Der genaue Abgleich zwischen den Kanälen und zwischen einzelnen Treiber-ICs ermöglicht Designern außerdem die Erzielung eines akzeptablen optischen Ergebnisses mit kostengünstigeren LEDs, die von einem Bauteil zum nächsten eine größere Schwankung von Parametern aufweisen können. Besondere Anforderungen Bei einer großflächigen Anzeige werden normalerweise die Treiber, die Blöcke von bis z.b. 64 LEDs ansteuern, an eine einzige Leistungsversorgung angeschlossen. Die gleichzeitige Einschaltung eines großen Teils dieser LEDs führt zu einem Spitzenbedarf. Im schlimmsten Fall könnten alle LEDs bei einem Display mit mehreren Millionen LEDs gleichzeitig eingeschaltet werden. Dies würde eine relativ umfangreiche und kostenintensive Leistungsarchitektur erfordern, die einen sehr hohen Spitzenbedarf zur Verfügung stellen kann. In der Vergangenheit wurde bei den Treibern typischerweise eine Flankensteilheitssteuerung für jeden Kanal eingesetzt, damit durch einen starker Spitzenbedarf keine plötzlichen Stromschwankungen hervorgerufen wurden. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es die Stromänderung bei Aktivierung oder Deaktivierung der Ausgänge beschränkt. Dadurch wird das Signage-System reaktionsträge und langsam. Toshiba verwendet eine andere Technik, bei der automatisch eine kurze Verzögerung verwendet wird, um die Einschaltung der Kanäle gegeneinander zu versetzen. Dadurch wird der Spitzenstrombedarf pro Treiber gesenkt, Spannungsspitzen vermieden, und es können kleinere, kostengünstigere Spannungsversorgungen eingesetzt werden.. Eine weitere Herausforderung bei Treibern für Signage-Systeme besteht darin, dass Rausch- und Nachschwingeffekte auf den Treiberausgangskanälen, die beim Schalten einer Vielzahl von LEDs entstehen, vermieden werden müssen. Dieses Rauschen kann sowohl die Schaltung des Treibers selbst als auch die benachbarter Treiber beeinflussen. Außerdem verursachen solche Störungen Probleme bei der Erfüllung von EMV-Vorschriften und können kostspielige zusätzliche Abschirmmaßnahmen erforderlich machen, um die notwendigen Produktzertifizierungen wie z.b. die CE-Kennzeichnung zu erhalten.

3 Zur Lösung dieser Probleme bei einem großflächigen Display musste deshalb in der Vergangenheit eine große Zahl externer Bauteile eingesetzt werden, z.b. Kondensatoren zum Ausgleich von Spannungsspitzen und Dämpfen von Schwingungen. Bei neueren Generationen von mehrkanaligen Treibern für Hochleistungs-Signage-Anwendungen werden jedoch häufig Schaltungen zur Vermeidung von Schaltrauschen integriert. Dadurch wird die Zahl externer Bauteile erheblich reduziert, und dies kann einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf Aspekte wie Kosten und Zuverlässigkeit von Signage-Produkten haben, die Tausende von LEDs und die zugehörigen Treiber umfassen. Abbildung 2 zeigt, wie die interne Schaltung der Signage- Treiber von Toshiba effektiv das Rauschen in den LED-Schaltsignalen bei einer minimalen Anzahl von externen Bauteilen reduziert. Abbildung 2. Interne Schaltung verbessert das Rauschverhalten der LED-Schaltsignale Verbesserung des bewegten Bilds Bei dimmbaren Anzeigen, auf denen Animationen oder häufig wechselnde Bilder dargestellt werden, kann die Steuerung der Pixels durch PWM- Dimmung zu einem merklichen Flimmern führen, wenn der PWM-Ausgangszyklus relativ zur Update-Rate des Bilds nicht ausreichend schnell ist. Nehmen wir zum Beispiel einen dimmbaren Treiber mit einer Dimm-Auflösung von 16 Bit. Wenn eine PWM Taktfrequenz von 30MHz angelegt wird, wäre die PWM- Ausgangsrate 458Hz. Bei Anzeige bewegter Bilder ist diese Frequenz so nahe an der Bildwiedergabegeschwindigkeit, dass ein merkliches Flimmern entsteht. Eine Erhöhung der Taktfrequenz zur Erhöhung der PWM-Ausgangsrate würde zu einem höheren Rauschen und Problemen mit Energieverbrauch und Wärmeableitung und Kosten führen. Mit der Divisions-PWM-Technologie von Toshiba wird die PWM-Rate effektiv ohne eine entsprechende Erhöhung der Taktfrequenz erhöht. Bei der gleichen Frequenz von 30MHz und Dimmauflösung von 16 Bit wird beim Divisions-PWM-Verfahren der PWM-Ausgangszyklus von 2,18 ms (1/458Hz) in 128 Abschnitte von jeweils 512 Taktzyklen unterteilt. Das für den gewünschten Dimmpegel benötigte PWM Tastverhältnis wird dann auf jeden Teilzeitraum angewandt. Dadurch wird die PWM-Ausgangsrate effektiv von 458 Hz auf 59 khz erhöht, und die Anzeige neigt bei der Ausgabe bewegter Bilder weniger zum Flimmer. Der TC62D723 unterstützt sowohl den normalen PWM als auch einen Divisions-PWM-Modus. Die gewählte Betriebsart kann vom Benutzer über ein Register gewählt werden. Die PWM- Auflösung ist programmierbar - Einstellungen von 16 Bit-, 14 Bit, 12 Bit oder 10 Bit ermöglichen eine Steuerung der Grauskala mit bis zu Stufen pro Kanal. Die Wahl eines PWM-Modus mit Einzelausgang oder eines PWM Ausgabemodus mit automatischer Wiederholung wird ebenfalls unterstützt. Abbildung 3 zeigt das Division-PWM-Verfahren im Vergleich zum normalen PWM-Betrieb beim TC62D723.

4 Abbildung 3. Dimmen mit Divisions-PWM ermöglicht flimmerfreie Anzeige bewegter Bilder. Senkung von Betriebskosten Angesichts des ständigen Wachstums der Größe typischer Signage-Systeme gewinnen auch andere konstruktive Erwägungen in steigendem Maße an Bedeutung. Die Integration von Leistungsmanagement-Funktionen in Treiber-ICs ist ein gutes Beispiel, da bereits eine geringfügige Senkung des Leistungsverbrauchs pro Treiber auf Systemebene wertvolle Energieeinsparungen ergeben kann. Ein typischer mehrkanaliger Treiber zum Beispiel zieht möglicherweise nur wenige Milliampere Ruhestrom. Bei einem großen Display mit rund 1000 Treibern, die jeweils mit 5 V arbeiten, kann sich die Gesamtleistungsaufnahme jedoch durchaus auf ca W summieren, sogar wenn keine LED leuchtet. Damit Energieeinsparungen bei energieeffizienten Anwendungen realisiert werden können bietet der TC62D723 einen Standby-Modus, in dem die Stromentnahme des IC auf weniger als 1µA reduziert wird. Bei einem vergleichbaren System mit 1000 Treibern könnte allein durch die Implementierung dieses Merkmals eine Senkung des Ruhestroms von 30-40W auf einen Wert von 5mW im Standby-Modus reduziert werden. Dadurch sinkt nicht nur der Energieverbrauch, sondern es eröffnen sich zusätzliche Einsparpotentiale durch die Verwendung kleinerer, kostengünstigerer Leistungsarchitekturen. Effektives Wartungsmanagement Wartung und Reparatur großer Signage-Anlagen ist potentiell eine kostenaufwändige Angelegenheit, z.b. wenn zunächst ein sicherer Zugang zu Modulen gewährleistet werden muss, die über einer Straße oder in einem Stadion aufgehängt sind. LEDs sind zwar für ihre lange Lebensdauer bekannt, trotzdem können einzelne LEDs durch Kurzschluss oder Leiterbruch ausfallen. Ein großes Display wird normalerweise trotz des Ausfalls einer kleinen Zahl von LEDs in einem begrenzten Bereich ordnungsgemäß arbeiten, aber ein einzelner unterbrochener Stromkreis kann dazu führen, dass eine ganze Kette von in Reihe geschalteten LEDs dunkel wird, und dies kann deutlich sichtbare Auswirkungen haben. Ausfallsichere Nebenschlussvorrichtungen können an einzelnen LEDs vorgesehen werden, um die LEDs im Falle eines Defekts durch Leiterbruch zu überbrücken. Dadurch können die anderen in Reihe geschlossenen LEDs in weiter funktionieren, und die sichtbaren Auswirkungen des Defekts werden minimiert. Treiber für Signage-Anwendungen wie der TC62D723 verfügen über eine interne Schaltung, die Ausfälle von LEDs aufgrund von Leiterbruch oder Kurzschluss an jedem Ausgang erkennt. Dies kann dazu beitragen, dass die Gesamtbauteilzahl reduziert wird und eine Übermittlung der Fehlerart und des Fehlerortes an die übergeordnete Anwendung ermöglichen. Der TC62D723 umfasst zwei Komparatoren an jedem Ausgang, die Fehlerbits für Leiterbruch oder Kurzschluss in einem internen Schieberegister setzen, wenn die Spannung am Ausgangpin auf über 2,0 V steigt oder unter 0,1 V sinkt. So kann der Treiber über den seriellen Datenausgangspin genaue Informationen zum LED-Defekt übermitteln. Eine Übertemperaturabschaltung und Power-On-Reset-Funktion sind ebenfalls vorgesehen.

5 Schluss Angesichts der enorm gestiegenen Bedeutung von LED-basierten Digital-Signage-Anlagen sind leistungsfähige Treiber mit höheren Ansteuerungsströmen und besseren Möglichkeiten des Stromausgleichs, einer möglichst großen Zahl von Ausgangskanälen, Funktionen zur Steuerung von Leistung und Rauschen sowie integrierten Diagnose- und Schutzschaltungen geeignet, die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Gesamtbetriebskosten neuer Signage-Systeme zu verbessern. Mit zunehmender Reife der Märkte werden Innovationen wie die hier beschriebenen den Designern helfen, auf eine steigende Preissensibilität von Standardanwendungen zu reagieren und noch größere, anspruchsvollere Projekte in Angriff zu nehmen. Ende Weitere Informationen über Toshiba Electronics Europe unter: Ansprechpartner für Veröffentlichungen: Toshiba Electronics Europe, Hansaallee 181, D Düsseldorf, Deutschland Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Web: MAC/IC: mac-ic@toshiba-components.com Zu Toshiba Toshiba Electronics Europe (TEE) ist die europäische Niederlassung der Toshiba Corporation, einem der weltweit größten Halbleiterhersteller, die das Geschäft mit elektronischen Bauelementen verantwortet. TEE bietet eine der branchenweit umfangreichsten Produktlinien im Bereich ICs und diskrete Bauelemente, einschließlich Speicher, Mikrocontroller, ASICs, ASSPs und Displays für die Märkte Automotive, Multimedia, Industrie, Telekommunikation und Netzwerktechnik. Das Unternehmen bietet darüber hinaus auch eine Vielzahl von Leistungshalbleitern. TEE wurde 1973 in Neuss gegründet und stellt heute Design-, Fertigungs-, Marketing- und Vertriebsaktivitäten über seine Zentrale in Düsseldorf zur Verfügung. Weitere Niederlassungen finden sich in England, Frankreich, Italien, Schweden und Spanien. TEE beschäftigt in Europa ca. 300 Mitarbeiter. Präsident des Unternehmens ist Mr. Takashi Nagasawa. Die Toshiba Corporation zählt zu den weltweit führenden Anbietern von Hochtechnologie und Fertigungsdienstleistungen rund um fortschrittliche Elektronik und Elektrotechnik. Dabei werden die Märkte digitale Unterhaltungselektronik; Elektronikgeräte und Elektronikbauteile; Stromversorgungssysteme, einschließlich Atomenergie; industrielle und soziale Infrastrukturnetzwerke sowie Haushaltsgeräte bedient. Toshiba wurde 1875 gegründet, betreibt heute ein weltweites Netzwerk mit über 730 Unternehmen und zählt an die Mitarbeiter. Der Jahresumsatz des Unternehmens beträgt über $75 Mrd. US-$.