LCD Driver技術簡介及發(fā)展趨勢

摘要：本文詳細探討了LCD驅(qū)動技術的發(fā)展趨勢及設計人員應注意的一些問題。

關鍵詞：液晶顯示器；驅(qū)動器；薄膜晶體管

　　“LCD Driver”是一個范疇相當廣的話題，LCD 的驅(qū)動類型大體可區(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IC，大尺寸液晶顯示也需要驅(qū)動IC，然而不同類型、不同尺寸的LCD卻必須搭配不同的驅(qū)動IC，沒有一種LCD 驅(qū)動IC可以滿足各種類型、各種尺寸的驅(qū)動需求，因此在談論LCD驅(qū)動IC時必須有更明確、更具體的范疇定義，才能夠完整說明與討論。

　　如今，有關TN、STN 之類的LCD 驅(qū)動IC 其技術已相當成熟，技術發(fā)展與市場成長都達到一定程度，國內(nèi)的IC 設計業(yè)者逐步跨入此領域，這就迫使日本、韓國、臺灣的驅(qū)動IC設計業(yè)者朝更高技術性的LCD驅(qū)動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)動技術。
   
LCD顯示原理

　　TN型液晶顯示原理

　　TN型的液晶顯示技術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電玻璃間，液晶分子會依配向膜的細溝槽方向依序旋轉(zhuǎn)排列，如果電場未形成，光線會順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉(zhuǎn)其行進方向，然后從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之后，兩片玻璃間會造成電場，進而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進行扭轉(zhuǎn)，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現(xiàn)象，叫做扭轉(zhuǎn)式向列場效應，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)式向列場效應原理所制成。

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)式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場效應是將入射光旋轉(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)分成三個子像素(sub-pixel)，分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，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雜，主要的構(gòu)成包括：螢光管、導光板、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，這些光源會先經(jīng)過一個偏光板然后再經(jīng)過液晶，這時液晶分子的排列方式進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)的光線強度與色彩，并進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)動芯片的作用與分類

　　通常在個人電腦等電子設備中都集成了液晶顯示器和對應的驅(qū)動芯片。液晶面板上的圖像顯示是通過驅(qū)動芯片提供的模擬電壓來實現(xiàn)的。LCD驅(qū)動芯片通過模擬電壓輸出直接驅(qū)動顯示面板，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)字信號輸入等特點而成為了當今的技術熱點。

圖2  NS公司的TFT LCD驅(qū)動IC：FPD33684，該驅(qū)動晶片強調(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)展的趨勢和主流，后文中我們將主要針對TFT的LCD驅(qū)動芯片來談談此類IC。驅(qū)動TFT的液晶顯示器需要使用Gate Driver和Source Driver兩種驅(qū)動芯片，其中Source Driver負責提供列上各色素點的驅(qū)動電壓，而Gate Driver控制每一行像素的選通狀態(tài)。另外，從應用的角度來看，工業(yè)產(chǎn)品或便攜式產(chǎn)品的LCD顯示設備的應用主要分為大屏幕(大于9英寸)和小屏幕(小于9英寸)的應用領域。通常情況下，小屏幕應用時通常會選擇Source Driver和Gate Driver復合在一起的Controller Driver來驅(qū)動，而大屏幕設備通常使用二者分離的驅(qū)動方式。

LCD控制驅(qū)動器的設計與開發(fā)

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

　　在多路驅(qū)動方式中，像素可分為選擇點、半選擇點和非選擇點。為了提高顯示的對比度和降低串擾，應合理選擇占空比(duty)和偏壓(bias)。 施加在LCD上所表示的ON和OFF時的電壓有效值與占空比和偏壓的關系如下：

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

　　多路驅(qū)動方式可分為點反轉(zhuǎn)驅(qū)動和幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動。點反轉(zhuǎn)驅(qū)動適合于低占空比應用，它在各段數(shù)據(jù)輸出時，將數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)。幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動適合于高占空比應用，它在各幀輸出時，將數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)。

　　對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)，控制輸出信號的有效值，來實現(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脈寬，控制輸出信號的有效值，來實現(xiàn)多灰度和彩色控制。

圖4  TFT驅(qū)動方式

　　顯示方式從簡單的段式、點字符式到復雜的點陣式、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，響應時間逐步縮短，目前STN顯示器在成本及消費電流方面有優(yōu)勢。TFT顯示器在對比度和動畫對應速度方面有優(yōu)勢。 作為LCD驅(qū)動器標準電路生產(chǎn)廠主要有NEC 、EPSON、三星等公司。

　　LCD驅(qū)動器基本構(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：
　　手工設計  異步2 PortRAM
　　I/O口  輸出專用口

　　模擬部分：
　　手工設計  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
　　溫度補償電路  振蕩電路

　　I/O部分：手工設計

LCD驅(qū)動設計流程

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

　　2.建立完整的設計環(huán)境。由于LCD控制驅(qū)動電路涉及到數(shù)字、模擬和高壓電路。SPICE參數(shù)的提取和驗證是其中重要的一項任務。因此，設計和工藝人員應制作測試用的TEG片，并對TEG片進行測試，提取和驗證SPICE參數(shù)，建立完整的設計環(huán)境。

　　3.LCD控制驅(qū)動電路設計。電路設計包括確定電路設計方案、邏輯綜合、電路仿真和物理實現(xiàn)。

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

　　·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。 對于整體電路仿真需采用數(shù)?；旌戏抡婕夹g，還要解決顯示圖象的驗證技術。

　　·版圖物理實現(xiàn)
　　為了保證設計效率，數(shù)字電路部分的版圖可利用SE，進行自動布局布線。為獲得高性能，對模擬電路版圖及I/O部分版圖應采用手工布圖。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、布局布線技術和部分電路版圖和全芯片版圖的DRC技術。

　　4.LCD控制/驅(qū)動電路測試技術。例如，多引腳對應能力；高速數(shù)據(jù)傳送；高精度測試；高電壓對應。表1為LCD 控制器驅(qū)動常見引腳配置情況。

表1  LCD控制器驅(qū)動常見引腳配置情況

LCD Driver設計需要考慮的問題

　　節(jié)約能耗

　　我們先來談談小尺寸LCD的發(fā)展趨勢。手機最初的應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，手機也成了上網(wǎng)的工具之一，甚至有很多手機擁有了數(shù)碼相機的功能。近年來GPS功能也漸漸成為手機的必要功能，除此之外還有以游戲、看電視為取向的其他機種。從這些進展我們可以知道手機逐漸走向高畫質(zhì)，高分辨率(由QVGA的128×180到現(xiàn)在WVGA 854×480)。目前日本市場上超過50%以上的機種已經(jīng)升級到WVGA的顯示器。但是高分辨率的產(chǎn)品，手機的處理速度必須加快，這將導致能耗的增加。

　　LCD模塊究竟有多耗電呢？我們以2007年的手機市場為例。假設2007年手機銷售量約有11億，其中35%為QVGA以上的顯示等級。一般來說QVGA的顯示器需要4顆背光，加上LCD驅(qū)動約可造成0.6瓦的耗電量。假設每天使用半個小時，這樣一來年總耗電量約48.18GWh。這樣的耗電量可以供給2700個一般家庭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的焦點，背光省電技術進入人們視線。背光省電的技術目前可以分為LABC和CABC兩類。

　　LABC的L指的就是Light sensor，這個概念衍生自歐美學者的研究。他們發(fā)現(xiàn)當人眼長期觀看LCD屏幕時由于其背光太亮，導致人眼瞳孔維持縮小狀態(tài)，使得眼睛容易感到疲勞。而當外在環(huán)境變暗時，我們?nèi)裟苷{(diào)整降低背光亮度，不僅可以保護眼睛，還能達到省電目標。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?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)動內(nèi)新增一個內(nèi)容分析器，假設當把圖片資料傳輸進來時，先將其亮度提高24%(此時圖片變亮)，再來我們可以將背光降低24%(此時圖片變暗)。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。 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，隨時提供省電功能。

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

　　高分辨率、廣視角的顯示畫質(zhì)

　　未來消費者對顯示屏將追求更大尺寸、更高清晰的品質(zhì)，因為分辨率越高，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與其他的顯示技術相比，在響應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的改良逐步改善。其中驅(qū)動技術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模塊上達到更進一步的節(jié)能環(huán)保？目前全球關心的環(huán)保話題之一，就是溫室效應的問題。溫室效應會造成溫度上升，進而引發(fā)更多方面的問題。當溫度上升之后，會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IC是LCD行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

TFT LCD Driver未來發(fā)展趨勢

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

　　我們可以預知將來TFT手機的趨勢也是點反轉(zhuǎn)，其好處之一是省電。在同控制板與分辨率的基準比較下，使用點反轉(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一個令人困擾的現(xiàn)象。很多人拿到TFT手機會先看看他的屏幕有沒有閃頻或移動式閃頻問題。但點反轉(zhuǎn)可以完全解決此兩個問題，因為Vcom已經(jīng)改交流驅(qū)動為直流驅(qū)動，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，就可以直接使用點反轉(zhuǎn)的IC。

參考文獻：

　　1．應根裕，胡文波，邱勇等，‘平板顯示技術’，人民郵電出版社，2002.10
　　2．李維(言是)，郭強，‘液晶顯示應用技術’，電子工業(yè)出版社