LCD用時序控制器（TCON）的技術(shù)與特征

　　Adam?Chen?（硅谷數(shù)模半導(dǎo)體?市場總監(jiān)）

　　張?箭?（硅谷數(shù)模半導(dǎo)體?資深系統(tǒng)工程總監(jiān)）

　　摘?要：每個顯示面板都有1個時序控制器（TCON），它是顯示器內(nèi)部唯一的有源元件。不同的顯示器使用不同類型的TCON。本文將討論面向IT市場使用的TCON：LCD（液晶顯示器）筆記本電腦和顯示器。

　　關(guān)鍵詞：時序控制器；TCON；LCD

　　一塊LCD面板具有數(shù)百萬個紅綠藍(lán)色（RGB）液晶，這些液晶用于在施加電壓時阻止白色背光，發(fā)送到每個像素的高壓信號控制要阻擋的背光量。白色顯示表示沒有任何障礙物，黑色顯示表示所有3種顏色均被最大限度地遮擋。

　　過濾的強度決定了對比度。背光燈的亮度決定了顯示器的強度。不同級別的過濾會產(chǎn)生不同的顏色。電壓調(diào)整的速度會影響像素響應(yīng)時間。

　　TCON引導(dǎo)高壓驅(qū)動器芯片移動彩色濾光片，通常位于玻璃面板下方的電路板上（如圖1）。

　　1 TCON接口

　　GPU，如Nvidia、AMD和Intel的集成顯卡使用嵌入式DisplayPort（eDP連接）來發(fā)出信號。

　　eDP被開發(fā)為專門用于嵌入式顯示應(yīng)用，例如筆記本電腦、多合一電腦 。 它基于VESADisplayPort?標(biāo)準(zhǔn)，具有相同的接口，并且可以共享GPU上的相同視頻端口（圖2）。

　　eDP連接速度快，使用的電線很少，并且在尺寸，帶寬和附加功能方面都非常靈活。eDP在一個插頭中提供所有面板連接，包括電源，數(shù)據(jù)和控制信號。這是硅谷數(shù)模所擅長的。

　　eDP將在未來幾年內(nèi)取代LVDS，在降低系統(tǒng)成本、功耗和尺寸的同時增加新的系統(tǒng)功能。

　　Arm處理器通常使用MIPI連接。MIPI連接需要更多的電線，但功耗比eDP低。它們通常僅適用于最大10 英寸（注：1 英寸等于2.54 cm）的屏幕。

　　電視系統(tǒng)通常使用Vx1連接，這種連接對不同的電纜類型具有很高的兼容度。

　　2 TCON的功能

　　GPU負(fù)責(zé)將數(shù)式轉(zhuǎn)換為單獨的像素和幀，而TCON則采用GPU生成的單獨幀、校正顏色和亮度，然后在面板的特定時間將圖像的一部分發(fā)送給每個單獨的驅(qū)動器。

　　TCON通常是面板設(shè)計的一部分，而GPU在主板上。

　　TCON在以下方面發(fā)揮作用：亮度（HDR），顏色，觸摸，刷新率，省電。

　　2.1 亮度

　　人眼具有難以置信的動態(tài)范圍。這意味著我們可以同時看到非常暗的和非常亮的圖像。但是，相機傳感器和顯示面板都無法顯示該范圍。您的相機通過使用多次曝光中的圖像來合并圖片的最亮和最暗部分來生成HDR圖像。這樣可以增加明暗之間的對比度（動態(tài)范圍），從而從較暗或褪色的區(qū)域中抽出細(xì)節(jié)。

　　HDR（高動態(tài)范圍圖像）準(zhǔn)確地將現(xiàn)實世界的顏色和亮度映射到顯示面板。VESA DisplayHDR?標(biāo)準(zhǔn)制定了HDR質(zhì)量，其中包括亮度、色域、位深度和上升時間。

　　硅谷數(shù)模已經(jīng)生產(chǎn)出經(jīng)VESA DisplayHDR400?認(rèn)證的TCON，可實現(xiàn)更高的對比度和更鮮艷的色彩，產(chǎn)品型號為ANX2403，顯示效果如圖3。

　　顯示面板不能顯示大范圍的亮度。正常的陽光可以達(dá)到10 000 cd/m ² ，但是今天大多數(shù)筆記本電腦的背光約為250 cd/m ² 。

　　VESA推出了筆記本電腦和顯示器HDR面板的規(guī)格，分別為VESA DisplayHDR?400、500、600、1 000（注：數(shù)字是指面板的最大nits級別）。

　　VESA DisplayHDR要求面板需要滿足最小的亮度、對比度和顏色。沒有面板可以達(dá)到10 000 cd/m ²的自然光。250 cd/m ² 筆記本面板可以產(chǎn)生的最亮亮度是250 cd/m ² ，超過250 cd/m ² 的任何圖像都會被沖洗掉。同樣，從250 cd/m ² 到10 000 cd/m ² 的細(xì)節(jié)也看不到。

　　HDR400規(guī)格要求對比度為1 000：1。這是比較困難的，因為即使在全電壓下，液晶也不能阻擋100％的背光。因此，即使屏幕上沒有任何內(nèi)容，您也總是知道電視何時打開。

　　HDR400規(guī)格需要可調(diào)光的背光，這有助于產(chǎn)生更深的黑色并降低功耗。色調(diào)映射用于將10 000 cd/m ²的整個范圍映射到面板可以處理的范圍，因此可以看到詳細(xì)信息。色調(diào)映射不會增加面板的亮度，只會使細(xì)節(jié)可見。

　　2.2 調(diào)光控制

　　VESA DisplayHDR600需要局部調(diào)光。LCD面板無法達(dá)到對比度6 000：1的要求。但是，這可以通過局部調(diào)光來克服。

　　對于真正明亮的區(qū)域，背光必須非常明亮。對于非常暗的區(qū)域，背光必須非常暗（如圖4）。

　　例如，1塊750：1對比度的面板需要8種不同的背光功率設(shè)置，才能達(dá)到6 000：1的對比度。但是，除非有成千上萬的單獨區(qū)域，否則局部調(diào)光總是在明亮區(qū)域周圍產(chǎn)生光暈。為了減少光暈，建議采取以下措施：

　　?增加細(xì)分?jǐn)?shù)量。

　　?增加離軸面板對比度，并減小垂直軸與45°離軸之間的對比度差。

　　?提高EOTF-2084跟蹤精度。面板級別應(yīng)與高低值匹配源請求。

　　?限制相鄰段的差異（在TCON中）以降低對比度，并節(jié)省了功率以減少光暈。建議將每個相鄰網(wǎng)段的背光燈功率降低一半。

　　?請勿完全關(guān)閉背光燈（在TCON中），但即使該段應(yīng)該是全黑的，也要保持一些最小的非閃爍功率。

　　VESA DisplayHDR400需要全局調(diào)光（圖5）以整體調(diào)節(jié)背光。但是，明亮的區(qū)域會點亮整個屏幕。

　　顯示器可以在許多區(qū)域使用直接背光?？梢允褂妙~外的液晶層來使特定位置的背光變暗，但這通常會導(dǎo)致面板對于筆記本電腦來說會太厚。

　　筆記本電腦背光燈在面板邊緣使用LED來減小面板厚度。這些可以在1側(cè)、2側(cè)或全部4側(cè)。每個邊緣都會增加成本和邊框尺寸。

　　全局調(diào)光節(jié)電：圖6顯示了1個15.6英寸UHD面板，其最大亮度為400 nit。圖7顯示了400、50和5 cd/m 2 之間的背光功耗值的比較。

　　2.3 顏色管理

　　顏色管理的主要目的是在各種顏色設(shè)備之間獲得良好的匹配。例如，視頻一幀的顏色在計算機LCD監(jiān)視器、電視屏幕和印刷海報上應(yīng)是相同的顯示。顏色管理有助于在所有設(shè)備上實現(xiàn)相同的外觀，前提是這些設(shè)備能夠提供所需的色彩強度。顏色管理不能保證相同的顏色再現(xiàn)，因為這幾乎是不可能的，但是至少可以更好地控制可能發(fā)生的任何改變。

　　一臺PC上使用相同屏幕的情況下，HDR和SDR（標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍）模式下是使用不同色域的。雙屏手機和筆記本需要兩屏的顏色一致才能完美匹配。對于需要瀏覽網(wǎng)站、電影、視頻游戲等用戶需要知道他們所創(chuàng)建的內(nèi)容在自己設(shè)備屏幕上顯示出來的色彩或亮度等要與在客戶的屏幕上是完全相同的。

　　隨著面板的改進(jìn)，新面板的色彩空間可能會超過Windows的色彩空間。這將導(dǎo)致其可能看起來會過于飽和。有一種趨勢是低藍(lán)光或“夜間模式”面板，同時仍保留其他顏色的顏色精度。如今，通過測量每個單獨的面板來創(chuàng)建低藍(lán)光面板，然后希望產(chǎn)量足夠高。

　　硅谷數(shù)模的Advanced Color Blocking（ACB）技術(shù)用于在不同面板上創(chuàng)建一致的圖像質(zhì)量，并針對不同的使用模式來更改色彩空間（圖8）。它允許在光學(xué)色域而不是RGB域中進(jìn)行3D色域旋轉(zhuǎn)，并且可以動態(tài)更改顏色空間，例如，BT.2020源到sRGB或DCI-P3面板的顏色映射。它包括LUT影子寄存器和硬件轉(zhuǎn)換計算（以平滑更改）。

　　TCON中的顏色轉(zhuǎn)換可以是動態(tài)且連續(xù)地調(diào)整來自GPU的輸入信號，以實現(xiàn)低藍(lán)光色彩空間。這樣就不需要獨立的面板測量，并且產(chǎn)量可以被增加。雖然這也可以由GPU本身完成，但這需要GPU帶寬和500倍的功耗。

　　2.4 省電技術(shù)

　　1）面板自刷新（PSR）– TCON中的幀緩沖區(qū)可以保持圖像顯示而無需從CPU接收視頻數(shù)據(jù)。對于靜止圖像，允許GPU進(jìn)入低功耗狀態(tài)，而eDP主鏈接關(guān)閉。GPU在顯示更新之間關(guān)閉電源將節(jié)省大量電量并延長電池壽命。

　　除了看電影或玩游戲外，很多時候視頻在多個幀中都不會改變。PSR節(jié)省了全屏圖像的功耗。

　　面板自刷新功能可延長電池壽命（如圖9）。

　　2）具有選擇性更新的面板自刷新（PSR2）是面板自刷新功能的超集，它允許在視頻幀內(nèi)傳輸修改后的區(qū)域，從而在觀看電影或玩游戲時具有較為明顯的優(yōu)勢。PSR2可識別何時只有一部分屏幕是靜態(tài)的，這是有選擇的更新。在PSR2中，當(dāng)全屏為靜態(tài)時，可以降低刷新率，以實現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)能，如英特爾低刷新率（LRR）一樣。英特爾LRR通過更改像素時鐘或更改垂直空白來降低刷新率，具體取決于空閑、播放視頻、瀏覽等情況。所有硅谷數(shù)模 TCON均支持英特爾LRR。

　　3）以60 Hz的頻率刷新顯示。但是，GPU會在準(zhǔn)備就緒時開始刷新顯示。該技術(shù)通過動態(tài)更改刷新率而無需更改任何模式，從而將GPU輸出與顯示刷新同步，重點在于減少卡頓、撕裂和輸入滯后（如圖10）。

　　2.5 Dynamic Overdrive（動態(tài)超速）

　　LCD overdrive技術(shù)補償了LCD面板本身的響應(yīng)時間，從而使運動圖像更加清晰（如圖11右側(cè)）。

　　Dynamic overdrive會根據(jù)情況更改超速參數(shù)。Overdrive和PSR可以共享同一幀緩沖區(qū)。這增強了包括游戲和視頻編輯在內(nèi)的各種應(yīng)用程序的體驗效果。

　　2.5 In-Cell Touch

　　In-Cell Touch是將觸摸功能嵌入到顯示器中，該塊面板包含了所有觸摸傳感器、控制器及其所需的處理功能。通過移除保護(hù)玻璃，可以簡化生產(chǎn)過程并減少重量和反射。由于不需要子卡，也不需要單獨的導(dǎo)線來觸摸，因此它還可以用于更薄的邊框，并且由于去除了保護(hù)玻璃，因此還可以減輕設(shè)備的重量。

　　具有單元內(nèi)觸摸功能的eDP 1.4面板比具有附加觸摸功能的eDP 1.2面板更便宜。

　　硅谷數(shù)模率先推出了嵌入式觸摸筆記本電腦面板TCON。

　　目前市場上大約15％的筆記本電腦支持觸摸，主要有手指和觸控筆觸摸模式（如圖12）。隨著更多支持active pen的推出，預(yù)計觸摸連接率將會提高。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。