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LCD驱动IC发展动向

导读: 轻巧、省电的液晶显示器广泛应用在各种可携式电子机器与电视等领域

        轻巧、省电的液晶显示器广泛应用在各种可携式电子机器与电视等领域,一般认为液晶显示器今后在平面电子显示器产业占有重要地位。各种用途使用的液晶显示器,除了低消费电力化与提高影像质量之外,还要求解决应用上各式各样的技术课题,尤其是LCD电路中的驱动IC将扮演决定性角色。

大型LCD驱动IC的发展趋势

‧输出多脚化


        PC与电视用大型LCD的驱动IC可以分成:
        a.依照信号提供LCD灰阶电压的“source驱动IC”
        b.控制TFT开/关的“网关(gate)驱动IC”

        依照LCD分辨率不同,液晶显示器通常会使用8~15个source驱动IC,与3~5个网关驱动IC。上述两种驱动IC成为决定LCD功能,亦即所谓“关键性组件”。随着LCD的高精细化、多色化,要求source驱动IC改善功能与成本等两大目标。

        图1是大型液晶面板分辨率与驱动IC脚架数年代别的发展趋势,由图可知驱动IC脚架数随着LCD分辨率的增加,不断朝多脚架化方向发展,主要原因是最近几年针对LCD低成本化等要求,导致驱动IC的使用数量大幅遭到削减,IC单体具备功能相对增加所致,例如使用384ch输出的驱动IC,WXGA(1280×960) Full HD(1920×1080)的液晶面板,驱动IC的使用数量分别是:8个source驱动IC,与12个网关驱动IC,驱动IC使用数量的削减除了达成低成本的目的之外,对实际封装具有正面的帮助,不过驱动IC的多脚架化后与液晶面板大尺寸化一样,会引发驱动IC发热等问题,因此今后随着高驱动能力必需进行适当的散热对策。
    
              图1 大型液晶面板分辨率与驱动IC脚架数的发展趋势

‧高速接口的适用性

         随着LCD的高分辨率化与多灰阶化,时序控制器(timing controller) 与source驱动IC之间的转送数据量急遽增加,造成CMOS信号数据的信号线数量、消费电力,与EMI噪讯的暴增等棘手问题,因此研究人针对员驱动IC,提出差动小振幅serial I/F,亦即RSDS与mini-LVDS改善方案。
图2是驱动IC的I/F发展趋势,如果参照图1 LCD分辨率的发展趋势统计,事实上差动小振幅serial I/F的比率,每年都有呈现增加趋势,因此最近几年各公司针对40吋以上超大型LCD与笔记型计算机用窄边幅LCD,陆续提出新接口规格,随着LCD高速化、低EMI化、低消费电力化,可以支持各种应用课题的接口因而备受期待。
      
                                  图2 source驱动IC的I/F发展趋势
 
‧LCD电视用驱动IC的开发

        a.驱动IC的高耐压化
       
        平面电视正式子跨入成长期,液晶电视除了需求扩大之外,市场对液晶电视高画质化的要求则更加迫切,为实现可以媲美传统CRT电视的宿愿,大视角、高对比、高反应速度,以及灰阶性的提升正积极展开中,可以支持上述液晶面板的驱动IC,以具备高电压驱动能力的source驱动IC的需求最受关注。

        以往笔记型计算机与监视器的TN面板驱动电压大约是10V左右,为了支持大视角的IPS、VA型液晶面板,要求驱动IC以高电压驱动,例如IPS液晶面板要求15~16V的驱动电压,VA型液晶面板要求13V左右的驱动电压。图3是source驱动IC的耐压产品一览。
    
                图3 source驱动IC的耐压产品一览(NEC)
 
        b.10bit驱动IC的开发

        目前液晶电视大多使用8bit的source驱动IC,然而8bit的驱动IC在低灰阶领域,无法充份发挥灰阶再现性,此外为支持液晶电视高画质化的需求,必需针对影像数据输入驱动IC的前段,进行对比、调色、γ(辉对-灰阶特性)等补偿处理,此时基于防止灰阶数减少等考虑,例如8bit的影像数据进行10bit的影像位扩充处理,传统8bit驱动IC经过补偿处理变成10bit扩充影像数据,必需利用画格率(frame rate)控制技术进行时间轴变调,或是利用面积灰阶手段,将dither图案再度转换成8bit的影像数据,此时会产生闪烁(flicker)、分辨率劣化、特异图案等waving问题。

         开发可以支持10bit的驱动IC成为解决上述问题常用手段,不过0bit的驱动IC会有输入数据导线数、芯片尺寸增加等反效果,因此研究人员针对输入I/F采用mini-LVDS设计,试图藉此抑制数据bus导线数的增加,同时还开发全新的D/A变频器(converter)与输出增幅器。图4是驱动IC的芯片尺寸发展趋势一览。
     
                      图4 驱动IC的芯片尺寸发展趋势一览
 
         c.改善动画显示技术

         液晶显示器显示动画时,影像质量不如传统CRT,实现无动画残影的动画显示技术,对液晶电视而言是非常重要的课题。液晶显示器发生动画残影,主要原因是液晶材料的反应速度迟缓,以及液晶显示器采用hold方式显示影像所致。有关液晶的反应速度改善方案,例如开发OCB高速液晶材料,或是采用过驱动(over drive)技术等等,至于hold型显示方式造成动画残影的改善方案,可以利用背光照明模块的点灭,或是插入黑色影像的impulse驱动方式获得改善。

         插入黑色影像的驱动方式,对改善液晶显示器的动画残影具有极佳的效果,不过以传统驱动IC实现黑色影像的插入,除了需要将影像数据从TCON转送到驱动IC之外,还需要将黑色影像进行转送,数据转送速度增加却成为引发消费电力、EMI噪讯暴增的主要原因,因此研究人员开发可以强制使驱动IC的输出电压对应黑色影像,亦即对电压具有reset功能的驱动IC。

         如图5所示内建动画对应功能的驱动IC,内部设有黑色影像写入用控制端子(BWSEL),BWSEL信号high期间会根据驱动IC的黑色影像强制输出电压,利用该特殊功能可以在任意期间、任意场所输出对应电压,却不需要将黑色影像转送到驱动IC。
    
                                         图5 利用内建动画对应功能的驱动IC作impulse驱动
 
可携式机器用LCD驱动IC的发展趋势


         可携式机器用LCD驱动IC,依照LCD系统厂商的应用大致上可以分成:
         ‧内建显示RAM驱动IC
         ‧内部无显示RAM的驱动IC
       
         内建RAM的驱动IC内部设有显示内存(SRAM)、驱动电路、时序控制器,IC单体可以产生显示上必要的所有时序。IC内部内建RAM除了变更画面显示之外,CPU不需要将影像数据转送至LCD模块,因此无CPU与LCD驱动IC之间的bus消费电力,对液晶显示器的低电力化具有很大的帮助。内部无显示RAM的驱动IC必需利用外部CPU,进行显示控制以及影像数据、频率(clock)转送,它与内建显示RAM的驱动IC比较,虽然消费电力明显增加,不过制作成本却比较有利。

         最近几年类似PDA、GPS、行动电话等可携式电子机器,处理高精细彩色数据的情况越来越多,因此可携式电子机器用液晶显示器要求高精细、多色化等功能,然而高精细、多色化与有无RAM无关,会引发驱动IC的芯片尺寸、消费电力,EMI噪讯增加等问题,尤其是可携式电子机器的封装面积限制非常多,即使是CPU与LCD驱动IC之间的接口,也要求窄线宽的接口,因此接口的serial化成为必要手段,此外无内建RAM的驱动IC转送影像数据时,随着LCD的高精细化、多色化,CPU与LCD驱动IC之间的bus充放电力,与EMI噪讯增加成为重要的课题,因此研究人员提案采用图6,由Mobile CMADS(Current Mode Advanced Differential Signaling)构成的serial界面。

         Mobile CMADS属于电流差动型接口方式,它除了可以削减CPU与LCD驱动IC之间的接口数之外,还能够实现低消费电力与低EMI噪讯等目的,此外转换电路是由Nch open drain构成,除了不需要使用不易维持稳定动作的模拟电路之外,它还可以轻易内建在CPU内部作简易的set设计。
     
                                     图6 Mobil CDMAS接口的基本结构
 
        图7是传统Mobil CDMAS与次世代Mobil CDMAS2000的规格比较,由图可知Mobil CDMAS2000将时序信号,亦即Vsync信号、Hsync,比照影像信号完全serial化,因此可以大幅削减导线数量,此外由于数据转送的高速化,QVGA等级的面板可以利用数据信号1pair或是CLK 1pair驱动,Mobil CDMAS2000还将数据信号3pair,它可以支持VGA等级的面板。
    
                      图7 次世代Mobil CDMAS的规格
 
         有关内建RAM的驱动IC,LCD的高分辨率化与多色化,除了使显示内存容量增加之外,它同时也是芯片尺寸变大的主要原因,有效对策例如采取0.15μm制程,藉此缩小内建RAM驱动IC的尺寸,同时积极导入不会影响显示画质,还可以有效削减内存容量的影像数据压缩、扩张电路SPC(Smart Pixel-data Codec)技术(图8)。
      
                   图8 内建SPC的驱动IC基本结构
 
        图9是传统显示内存容量削减技术亦即「dither方式」,与「SPC方式」以及经过画质改善的「新SPC方式」三者的显示影像比较,由图可知新SPC方式的显示影像不但无画质劣化现象,甚至可以媲美元影像。
    
                                                                     图9 影像比较
 
         图10是利用传统显示内存容量削减技术,亦即dither方式的显示影像,与利用SPC处理的显示影像,以及利用新SPC处理的显示影像三者的比较结果,由图可知利用SPC处理的PSNR值非常高,即使定量上画质也获得改善。此外利用此新SPC电路可以削减25%左右的显示内存,这意味着内存储取电力与漏电电流可望获得抑制,对消费电力的削减具有正面帮助。
     
                                                  图10 PSNR比较结果
 
 结语

        以移动电话为主流的可携式电子机器,使用的小尺寸液晶面板除了高画质化、低消费电力化之外,未来势力会朝多功能化方向发展。至于电视用大型液晶面板今后将持续维持成长荣景,同时开拓计算机与监视器常见的广视角技晶面板应用市场。 随着显示器得进化驱动IC的需求也逐渐多样化,驱动IC厂商与液晶面板厂商携手合作,积极导入LSI制程技术实现驱动IC低消费电力、低制作成本,则是今后有待努力的方向。
 

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