LCD Driver技術(shù)簡介及發(fā)展趨勢(shì)

摘要：本文詳細(xì)探討了LCD驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意的一些問題。

關(guān)鍵詞：液晶顯示器；驅(qū)動(dòng)器；薄膜晶體管

　　“LCD Driver”是一個(gè)范疇相當(dāng)廣的話題，LCD 的驅(qū)動(dòng)類型大體可區(qū)分成TN(Twisted Nematic)、STN(Super-Twisted Nematic)、以及TFT(Thin-Film Transistors)等三類，其中TN LCD 多使用在儀器儀表等簡單的對(duì)圖像品質(zhì)要求不高的數(shù)字顯示屏上，而TFT LCD則適用于小至數(shù)碼相機(jī)的顯示屏，大至數(shù)十英寸的液晶平板電視。

　　儀器儀表需要LCD驅(qū)動(dòng)IC，大尺寸液晶顯示也需要驅(qū)動(dòng)IC，然而不同類型、不同尺寸的LCD卻必須搭配不同的驅(qū)動(dòng)IC，沒有一種LCD 驅(qū)動(dòng)IC可以滿足各種類型、各種尺寸的驅(qū)動(dòng)需求，因此在談?wù)揕CD驅(qū)動(dòng)IC時(shí)必須有更明確、更具體的范疇定義，才能夠完整說明與討論。

　　如今，有關(guān)TN、STN 之類的LCD 驅(qū)動(dòng)IC 其技術(shù)已相當(dāng)成熟，技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)成長都達(dá)到一定程度，國內(nèi)的IC 設(shè)計(jì)業(yè)者逐步跨入此領(lǐng)域，這就迫使日本、韓國、臺(tái)灣的驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)業(yè)者朝更高技術(shù)性的LCD驅(qū)動(dòng)IC發(fā)展，從TN、STN 轉(zhuǎn)向TFT，從小寸數(shù)轉(zhuǎn)向大尺寸。本文側(cè)重介紹LCD TFT驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
   
LCD顯示原理

　　TN型液晶顯示原理

　　TN型的液晶顯示技術(shù)是液晶顯示器中最基本的，而之后其它種類的液晶顯示器也是在TN型基礎(chǔ)上加以改良。其顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導(dǎo)電玻璃間，液晶分子會(huì)依配向膜的細(xì)溝槽方向依序旋轉(zhuǎn)排列，如果電場(chǎng)未形成，光線會(huì)順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉(zhuǎn)其行進(jìn)方向，然后從另一邊射出。如果在兩片導(dǎo)電玻璃通電之后，兩片玻璃間會(huì)造成電場(chǎng)，進(jìn)而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，光線便無法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣所得到光暗對(duì)比的現(xiàn)象，叫做扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)，簡稱TNFE(twisted nematic field effect)。在電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)原理所制成。

圖1  LCD Driver系統(tǒng)

　　STN液晶顯示原理

　　STN型的顯示原理與TN相類似，不同的是TN扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。

　　在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片(color filter)，并將單色顯示矩陣之任一像素(pixel)分成三個(gè)子像素(sub-pixel)，分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，也可以顯示出全彩模式的色彩。

　　TFT液晶顯示原理

　　TFT型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要的構(gòu)成包括：螢光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。首先液晶顯示器必須先利用背光源，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會(huì)先經(jīng)過一個(gè)偏光板然后再經(jīng)過液晶，這時(shí)液晶分子的排列方式進(jìn)而改變穿透液晶的光線角度。然后這些光線接下來還必須經(jīng)過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，并進(jìn)而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。

LCD驅(qū)動(dòng)芯片的作用與分類

　　通常在個(gè)人電腦等電子設(shè)備中都集成了液晶顯示器和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片。液晶面板上的圖像顯示是通過驅(qū)動(dòng)芯片提供的模擬電壓來實(shí)現(xiàn)的。LCD驅(qū)動(dòng)芯片通過模擬電壓輸出直接驅(qū)動(dòng)顯示面板，因而它的性能將直接決定LCD器件的顯示效果，另外由于它具有大量高電壓模擬輸出引腳、高速低振幅數(shù)字信號(hào)輸入等特點(diǎn)而成為了當(dāng)今的技術(shù)熱點(diǎn)。

圖2  NS公司的TFT LCD驅(qū)動(dòng)IC：FPD33684，該驅(qū)動(dòng)晶片強(qiáng)調(diào)低EMI、低功耗并支持RSDS介面，適合用于筆記型電腦或桌上型液晶顯示器上。(www.national.com)

　　目前比較常用的是STN和TFT的LCD顯示器件。由于TFT是發(fā)展的趨勢(shì)和主流，后文中我們將主要針對(duì)TFT的LCD驅(qū)動(dòng)芯片來談?wù)劥祟怚C。驅(qū)動(dòng)TFT的液晶顯示器需要使用Gate Driver和Source Driver兩種驅(qū)動(dòng)芯片，其中Source Driver負(fù)責(zé)提供列上各色素點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)電壓，而Gate Driver控制每一行像素的選通狀態(tài)。另外，從應(yīng)用的角度來看，工業(yè)產(chǎn)品或便攜式產(chǎn)品的LCD顯示設(shè)備的應(yīng)用主要分為大屏幕(大于9英寸)和小屏幕(小于9英寸)的應(yīng)用領(lǐng)域。通常情況下，小屏幕應(yīng)用時(shí)通常會(huì)選擇Source Driver和Gate Driver復(fù)合在一起的Controller Driver來驅(qū)動(dòng)，而大屏幕設(shè)備通常使用二者分離的驅(qū)動(dòng)方式。

LCD控制驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

圖3  在手機(jī)用的TFT LCD驅(qū)動(dòng)芯片上EC有其獨(dú)到的界面?zhèn)鬏敿夹g(shù)：Mobile MCADS，優(yōu)點(diǎn)在于縮減線路數(shù)與降低EMI雜迅，圖中粉紅色即是NEC電子的LCD驅(qū)動(dòng)芯片的位置

　　在多路驅(qū)動(dòng)方式中，像素可分為選擇點(diǎn)、半選擇點(diǎn)和非選擇點(diǎn)。為了提高顯示的對(duì)比度和降低串?dāng)_，應(yīng)合理選擇占空比(duty)和偏壓(bias)。 施加在LCD上所表示的ON和OFF時(shí)的電壓有效值與占空比和偏壓的關(guān)系如下：

　　Vo:LCD驅(qū)動(dòng)電壓
　　N:占空比(1/N)
　　a:偏壓(1/a)

　　多路驅(qū)動(dòng)方式可分為點(diǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。點(diǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)適合于低占空比應(yīng)用，它在各段數(shù)據(jù)輸出時(shí)，將數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)。幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)適合于高占空比應(yīng)用，它在各幀輸出時(shí)，將數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)。

　　對(duì)于多灰度和彩色顯示的控制方法，通常采用幀頻控制(FRC)和脈寬調(diào)制(PWM)方法。幀頻控制是通過減少幀輸出次數(shù)，控制輸出信號(hào)的有效值，來實(shí)現(xiàn)多灰度和彩色控制。而脈寬調(diào)制是通過改變段輸出信號(hào)脈寬，控制輸出信號(hào)的有效值，來實(shí)現(xiàn)多灰度和彩色控制。

圖4  TFT驅(qū)動(dòng)方式

　　顯示方式從簡單的段式、點(diǎn)字符式到復(fù)雜的點(diǎn)陣式、階調(diào)式的變化。顯示顏色從黑白逐步變化到彩色。顯示屏從小到大，響應(yīng)時(shí)間逐步縮短，目前STN顯示器在成本及消費(fèi)電流方面有優(yōu)勢(shì)。TFT顯示器在對(duì)比度和動(dòng)畫對(duì)應(yīng)速度方面有優(yōu)勢(shì)。 作為LCD驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)電路生產(chǎn)廠主要有NEC 、EPSON、三星等公司。

　　LCD驅(qū)動(dòng)器基本構(gòu)成由以下部分構(gòu)成：

　　控制部分：
　　TopDown(自頂向下)  邏輯電路

　　RAM部分：
　　手工設(shè)計(jì)  異步2 PortRAM
　　I/O口  輸出專用口

　　模擬部分：
　　手工設(shè)計(jì)  DC/DC轉(zhuǎn)換器
　　D/A轉(zhuǎn)換器  升壓放大器
　　電壓跟隨器  穩(wěn)壓電路
　　溫度補(bǔ)償電路  振蕩電路

　　I/O部分：手工設(shè)計(jì)

LCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程

　　1.確定LCD驅(qū)動(dòng)電路規(guī)格書。根據(jù)市場(chǎng)需求及發(fā)展趨勢(shì)，確定LCD驅(qū)動(dòng)電路的規(guī)格書。

　　2.建立完整的設(shè)計(jì)環(huán)境。由于LCD控制驅(qū)動(dòng)電路涉及到數(shù)字、模擬和高壓電路。SPICE參數(shù)的提取和驗(yàn)證是其中重要的一項(xiàng)任務(wù)。因此，設(shè)計(jì)和工藝人員應(yīng)制作測(cè)試用的TEG片，并對(duì)TEG片進(jìn)行測(cè)試，提取和驗(yàn)證SPICE參數(shù)，建立完整的設(shè)計(jì)環(huán)境。

　　3.LCD控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)包括確定電路設(shè)計(jì)方案、邏輯綜合、電路仿真和物理實(shí)現(xiàn)。

　　如采用低功耗技術(shù)，需選擇低功耗電源，內(nèi)置存儲(chǔ)器和降低振蕩頻率，采用OSO(One Shot Operation)電路技術(shù)和MLS(Multi Line Selection多線選擇)驅(qū)動(dòng)法。

　　·電路描述與仿真
　　數(shù)字電路可采用HDL語言描述，HDL仿真。模擬電路可采用原理圖輸入，SPICE仿真。 對(duì)于整體電路仿真需采用數(shù)模混合仿真技術(shù)，還要解決顯示圖象的驗(yàn)證技術(shù)。

　　·版圖物理實(shí)現(xiàn)
　　為了保證設(shè)計(jì)效率，數(shù)字電路部分的版圖可利用SE，進(jìn)行自動(dòng)布局布線。為獲得高性能，對(duì)模擬電路版圖及I/O部分版圖應(yīng)采用手工布圖。由于全芯片采用不同的方法分塊制作，因此需利用全芯片合成、布局布線技術(shù)和部分電路版圖和全芯片版圖的DRC技術(shù)。

　　4.LCD控制/驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試技術(shù)。例如，多引腳對(duì)應(yīng)能力；高速數(shù)據(jù)傳送；高精度測(cè)試；高電壓對(duì)應(yīng)。表1為LCD 控制器驅(qū)動(dòng)常見引腳配置情況。

表1  LCD控制器驅(qū)動(dòng)常見引腳配置情況

LCD Driver設(shè)計(jì)需要考慮的問題

　　節(jié)約能耗

　　我們先來談?wù)勑〕叽鏛CD的發(fā)展趨勢(shì)。手機(jī)最初的應(yīng)用只是單純的打電話，之后才發(fā)展出短信需求。到GPRS的功能開始普及后，手機(jī)也成了上網(wǎng)的工具之一，甚至有很多手機(jī)擁有了數(shù)碼相機(jī)的功能。近年來GPS功能也漸漸成為手機(jī)的必要功能，除此之外還有以游戲、看電視為取向的其他機(jī)種。從這些進(jìn)展我們可以知道手機(jī)逐漸走向高畫質(zhì)，高分辨率(由QVGA的128×180到現(xiàn)在WVGA 854×480)。目前日本市場(chǎng)上超過50%以上的機(jī)種已經(jīng)升級(jí)到WVGA的顯示器。但是高分辨率的產(chǎn)品，手機(jī)的處理速度必須加快，這將導(dǎo)致能耗的增加。

　　LCD模塊究竟有多耗電呢？我們以2007年的手機(jī)市場(chǎng)為例。假設(shè)2007年手機(jī)銷售量約有11億，其中35%為QVGA以上的顯示等級(jí)。一般來說QVGA的顯示器需要4顆背光，加上LCD驅(qū)動(dòng)約可造成0.6瓦的耗電量。假設(shè)每天使用半個(gè)小時(shí)，這樣一來年總耗電量約48.18GWh。這樣的耗電量可以供給2700個(gè)一般家庭1年的用電，由此我們可以看到LCD模塊的耗電情形。

　　那么，如何省電就成為技術(shù)的焦點(diǎn)，背光省電技術(shù)進(jìn)入人們視線。背光省電的技術(shù)目前可以分為LABC和CABC兩類。

　　LABC的L指的就是Light sensor，這個(gè)概念衍生自歐美學(xué)者的研究。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)人眼長期觀看LCD屏幕時(shí)由于其背光太亮，導(dǎo)致人眼瞳孔維持縮小狀態(tài)，使得眼睛容易感到疲勞。而當(dāng)外在環(huán)境變暗時(shí)，我們?nèi)裟苷{(diào)整降低背光亮度，不僅可以保護(hù)眼睛，還能達(dá)到省電目標(biāo)。例如說在白天陽光下，由于外在光線很亮，我們可以使用100%的背光。但當(dāng)?shù)搅岁幱疤帲饩€減少，我們就可以減少背光至80%。甚至到了晚上，環(huán)境光的干擾減少，背光能夠進(jìn)一步減少至70%。這就是LABC的基本概念。

　　CABC的C指的是content，也就是內(nèi)容分析。他的概念是在LCD驅(qū)動(dòng)內(nèi)新增一個(gè)內(nèi)容分析器，假設(shè)當(dāng)把圖片資料傳輸進(jìn)來時(shí)，先將其亮度提高24%(此時(shí)圖片變亮)，再來我們可以將背光降低24%(此時(shí)圖片變暗)。由于事先已經(jīng)將圖片經(jīng)過分析器處理亮度，因此可以得到和原本圖片相差無幾的顯示效果。但是卻減少了24%的背光功耗。這就是CABC的技術(shù)。 LABC和CABC的差異在于：LABC希望跟隨環(huán)境光的改變，調(diào)整背光效果。CABC則是透過內(nèi)容分析器，隨時(shí)提供省電功能。

　　據(jù)分析，整個(gè)LCD模塊中主要耗電部份是LED背光和LCD驅(qū)動(dòng)。LED背光其實(shí)花費(fèi)了90%的電力，因此如何有效節(jié)省背光的功耗是未來的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的重點(diǎn)。 但是驅(qū)動(dòng)IC本身是十分復(fù)雜的。它包含了各式各樣的模擬電路，例如Gate驅(qū)動(dòng)、Source 驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)、計(jì)時(shí)控制等等。為了導(dǎo)入背光省電技術(shù)，應(yīng)嘗試整合畫面解析電路、背光調(diào)整電路、高畫質(zhì)電路。透過這三個(gè)電路的整合，可以達(dá)到背光省電技術(shù)。

　　高分辨率、廣視角的顯示畫質(zhì)

　　未來消費(fèi)者對(duì)顯示屏將追求更大尺寸、更高清晰的品質(zhì)，因?yàn)榉直媛试礁?，畫面顯示更鮮艷、逼真。這就驅(qū)使顯示屏的生產(chǎn)商，努力開發(fā)更高畫質(zhì)的產(chǎn)品，以滿足終端客戶的需求。

　　更快的信息傳輸速度，提高刷屏速度，避免出現(xiàn)拖影現(xiàn)象

　　眾所周知，LCD與其他的顯示技術(shù)相比，在響應(yīng)速度上存在明顯缺陷，造成圖像拖影現(xiàn)象，但這種不足已隨著技術(shù)的改良逐步改善。其中驅(qū)動(dòng)技術(shù)的改良在其中又將起重要作用。

　　綠色環(huán)保

　　在過去這幾年有許多節(jié)能環(huán)保的概念被討論，如何能在LCD模塊上達(dá)到更進(jìn)一步的節(jié)能環(huán)保？目前全球關(guān)心的環(huán)保話題之一，就是溫室效應(yīng)的問題。溫室效應(yīng)會(huì)造成溫度上升，進(jìn)而引發(fā)更多方面的問題。當(dāng)溫度上升之后，會(huì)造成南北極或格陵蘭等地的冰山融化。海岸線上升的結(jié)果可能會(huì)淹沒地球上最肥沃的土地，如歐洲、美國、甚至北京、上海等人口眾多之地。那么，LCD產(chǎn)業(yè)界如何達(dá)到綠色環(huán)保是非常重要的。構(gòu)思更省電、環(huán)保的驅(qū)動(dòng)IC是LCD行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

TFT LCD Driver未來發(fā)展趨勢(shì)

　　目前手機(jī)上TFT都是采用線反轉(zhuǎn)的方式。也就是說在某一個(gè)幀時(shí)，它每一條線可能都為正電壓或負(fù)電壓，到了下一個(gè)周期時(shí)再轉(zhuǎn)變。但是目前在大尺寸的TFT上已經(jīng)無人使用此方式，而改用點(diǎn)反轉(zhuǎn)即所有相鄰的點(diǎn)其電壓都是相反地，到了下一個(gè)幀時(shí)電位再改變。

　　我們可以預(yù)知將來TFT手機(jī)的趨勢(shì)也是點(diǎn)反轉(zhuǎn)，其好處之一是省電。在同控制板與分辨率的基準(zhǔn)比較下，使用點(diǎn)反轉(zhuǎn)的IC約可省下33%的功耗；第二、它可以解決閃爍問題。閃爍一直是TFT一個(gè)令人困擾的現(xiàn)象。很多人拿到TFT手機(jī)會(huì)先看看他的屏幕有沒有閃頻或移動(dòng)式閃頻問題。但點(diǎn)反轉(zhuǎn)可以完全解決此兩個(gè)問題，因?yàn)閂com已經(jīng)改交流驅(qū)動(dòng)為直流驅(qū)動(dòng)，本質(zhì)上的避免閃頻再發(fā)生。第三、它相容于現(xiàn)有的LCM。也就是說目前現(xiàn)有的玻璃不需要去做修正，就可以直接使用點(diǎn)反轉(zhuǎn)的IC。

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