LCD用時(shí)序控制器（TCON）的技術(shù)與特征

　　Adam?Chen?（硅谷數模半導體?市場(chǎng)總監）

　　張?箭?（硅谷數模半導體?資深系統工程總監）

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

　　關(guān)鍵詞：時(shí)序控制器；TCON；LCD

　　一塊LCD面板具有數百萬(wàn)個(gè)紅綠藍色（RGB）液晶，這些液晶用于在施加電壓時(shí)阻止白色背光，發(fā)送到每個(gè)像素的高壓信號控制要阻擋的背光量。白色顯示表示沒(méi)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(guò)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(guò)濾會(huì )產(chǎn)生不同的顏色。電壓調整的速度會(huì )影響像素響應時(shí)間。

　　TCON引導高壓驅動(dòng)器芯片移動(dòng)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(lái)發(fā)出信號。

　　eDP被開(kāi)發(fā)為專(zhuān)門(mén)用于嵌入式顯示應用，例如筆記本電腦、多合一電腦 。 它基于VESADisplayPort?標準，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(xiàn)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(gè)插頭中提供所有面板連接，包括電源，數據和控制信號。這是硅谷數模所擅長(cháng)的。

　　eDP將在未來(lái)幾年內取代LVDS，在降低系統成本、功耗和尺寸的同時(shí)增加新的系統功能。

　　Arm處理器通常使用MIPI連接。MIPI連接需要更多的電線(xiàn)，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。

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

　　2 TCON的功能

　　GPU負責將數式轉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(shí)間將圖像的一部分發(fā)送給每個(gè)單獨的驅動(dòng)器。

　　TCON通常是面板設計的一部分，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(dòng)態(tài)范圍。這意味著(zhù)我們可以同時(shí)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(wú)法顯示該范圍。您的相機通過(guò)使用多次曝光中的圖像來(lái)合并圖片的最亮和最暗部分來(lái)生成HDR圖像。這樣可以增加明暗之間的對比度（動(dòng)態(tài)范圍），從而從較暗或褪色的區域中抽出細節。

　　HDR（高動(dòng)態(tài)范圍圖像）準確地將現實(shí)世界的顏色和亮度映射到顯示面板。VESA DisplayHDR?標準制定了HDR質(zhì)量，其中包括亮度、色域、位深度和上升時(shí)間。

　　硅谷數模已經(jīng)生產(chǎn)出經(jīng)VESA DisplayHDR400?認證的TCON，可實(shí)現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(yáng)光可以達到10 000 cd/m ² ，但是今天大多數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面板的規格，分別為VESA DisplayHDR?400、500、600、1 000（注：數字是指面板的最大nits級別）。

　　VESA DisplayHDR要求面板需要滿(mǎn)足最小的亮度、對比度和顏色。沒(méi)有面板可以達到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(guò)250 cd/m ² 的任何圖像都會(huì )被沖洗掉。同樣，從250 cd/m ² 到10 000 cd/m ² 的細節也看不到。

　　HDR400規格要求對比度為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(méi)有任何內容，您也總是知道電視何時(shí)打開(kāi)。

　　HDR400規格需要可調光的背光，這有助于產(chǎn)生更深的黑色并降低功耗。色調映射用于將10 000 cd/m ²的整個(gè)范圍映射到面板可以處理的范圍，因此可以看到詳細信息。色調映射不會(huì )增加面板的亮度，只會(huì )使細節可見(jiàn)。

　　2.2 調光控制

　　VESA DisplayHDR600需要局部調光。LCD面板無(wú)法達到對比度6 000：1的要求。但是，這可以通過(guò)局部調光來(lái)克服。

　　對于真正明亮的區域，背光必須非常明亮。對于非常暗的區域，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置，才能達到6 000：1的對比度。但是，除非有成千上萬(wàn)的單獨區域，否則局部調光總是在明亮區域周?chē)a(chǎn)生光暈。為了減少光暈，建議采取以下措施：

　　?增加細分數量。

　　?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，并節省了功率以減少光暈。建議將每個(gè)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需要全局調光（圖5）以整體調節背光。但是，明亮的區域會(huì )點(diǎn)亮整個(gè)屏幕。

　　顯示器可以在許多區域使用直接背光?？梢允褂妙~外的液晶層來(lái)使特定位置的背光變暗，但這通常會(huì )導致面板對于筆記本電腦來(lái)說(shuō)會(huì )太厚。

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

　　全局調光節電：圖6顯示了1個(gè)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監視器、電視屏幕和印刷海報上應是相同的顯示。顏色管理有助于在所有設備上實(shí)現相同的外觀(guān)，前提是這些設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，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（標準動(dòng)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(hù)需要知道他們所創(chuàng )建的內容在自己設備屏幕上顯示出來(lái)的色彩或亮度等要與在客戶(hù)的屏幕上是完全相同的。

　　隨著(zhù)面板的改進(jìn)，新面板的色彩空間可能會(huì )超過(guò)Windows的色彩空間。這將導致其可能看起來(lái)會(huì )過(guò)于飽和。有一種趨勢是低藍光或“夜間模式”面板，同時(shí)仍保留其他顏色的顏色精度。如今，通過(guò)測量每個(gè)單獨的面板來(lái)創(chuàng )建低藍光面板，然后希望產(chǎn)量足夠高。

　　硅谷數模的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(lái)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，并且可以動(dòng)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換計算（以平滑更改）。

　　TCON中的顏色轉換可以是動(dòng)態(tài)且連續地調整來(lái)自GPU的輸入信號，以實(shí)現低藍光色彩空間。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中的幀緩沖區可以保持圖像顯示而無(wú)需從CPU接收視頻數據。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)閉電源將節省大量電量并延長(cháng)電池壽命。

　　除了看電影或玩游戲外，很多時(shí)候視頻在多個(gè)幀中都不會(huì )改變。PSR節省了全屏圖像的功耗。

　　面板自刷新功能可延長(cháng)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，它允許在視頻幀內傳輸修改后的區域，從而在觀(guān)看電影或玩游戲時(shí)具有較為明顯的優(yōu)勢。PSR2可識別何時(shí)只有一部分屏幕是靜態(tài)的，這是有選擇的更新。在PSR2中，當全屏為靜態(tài)時(shí)，可以降低刷新率，以實(shí)現進(jìn)一步的節能，如英特爾低刷新率（LRR）一樣。英特爾LRR通過(guò)更改像素時(shí)鐘或更改垂直空白來(lái)降低刷新率，具體取決于空閑、播放視頻、瀏覽等情況。所有硅谷數模 TCON均支持英特爾LRR。

　　3）以60 Hz的頻率刷新顯示。但是，GPU會(huì )在準備就緒時(shí)開(kāi)始刷新顯示。該技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)更改刷新率而無(wú)需更改任何模式，從而將GPU輸出與顯示刷新同步，重點(diǎn)在于減少卡頓、撕裂和輸入滯后（如圖10）。

　　2.5 Dynamic Overdrive（動(dòng)態(tài)超速）

　　LCD overdrive技術(shù)補償了LCD面板本身的響應時(shí)間，從而使運動(dòng)圖像更加清晰（如圖11右側）。

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

　　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(guò)移除保護玻璃，可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程并減少重量和反射。由于不需要子卡，也不需要單獨的導線(xiàn)來(lái)觸摸，因此它還可以用于更薄的邊框，并且由于去除了保護玻璃，因此還可以減輕設備的重量。

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

　　硅谷數模率先推出了嵌入式觸摸筆記本電腦面板TCON。

　　目前市場(chǎng)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(zhù)更多支持active pen的推出，預計觸摸連接率將會(huì )提高。

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