驅動(dòng)與控制技術(shù)推波助瀾，新興顯示屏應用加速

　　不知不覺(jué)間，我們日常使用的多種便攜設備悄悄地發(fā)生了一些變化。手機的主要用途從打電話(huà)擴展到多種輔助功能，如游戲、上網(wǎng)、發(fā)郵件、拍照等；MP3播放器提升對視頻的需求，向PMP升級；越來(lái)越多的PDA、甚至移動(dòng)電視設備也出現在我們身邊。這些設備的一個(gè)共同特點(diǎn)是對圖像瀏覽和視頻播放的要求提高，而且強調友好的用戶(hù)交互界面，這對顯示屏的控制和驅動(dòng)系統提出了新的要求。

　　顯示屏的尺寸不僅要更大、顯示亮度更高、顯示細節的能力更強，響應速度更快，而且要求整個(gè)顯示控制和驅動(dòng)系統不能消耗太多的功耗，不能占用太多的電路板空間，因此集成以及降低功耗成為顯示驅動(dòng)和控制電路的重要發(fā)展趨勢。此外，基于電容性界面的觸摸屏也越來(lái)越流行，它們使手機等設備的操作更友好，但如何從市場(chǎng)上眾多的觸控方案，選擇合適的觸控方案是需要解決的一個(gè)首要問(wèn)題。本文將探討針對便攜設備應用的LCD、OLED等顯示屏的驅動(dòng)和控制技術(shù)，以及觸摸屏控制技術(shù)的發(fā)展趨勢和最新的解決方案。

　　驅動(dòng)芯片集成化的同時(shí)仍須平衡全局因素

　　目前多數廠(chǎng)商提供的LCD驅動(dòng)越來(lái)越向集成化發(fā)展，不僅把升壓器、源驅動(dòng)、柵驅動(dòng)等集成到單芯片中，而且還有一些先驅者把電子部分集成到顯示器玻璃上。如何全面平衡集成的利弊？怎樣實(shí)現驅動(dòng)最大的功率節??？如何應對新型顯示屏對驅動(dòng)的新要求？這些問(wèn)題成為驅動(dòng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話(huà)題。

　　對于便攜設備中顯示屏的驅動(dòng)電路來(lái)說(shuō)，縮小體積顯得尤為重要。把源驅動(dòng)IC、門(mén)驅動(dòng)IC、時(shí)鐘控制、電源供應、甚至緩存集成在單個(gè)芯片的做法無(wú)疑會(huì )減少整個(gè)系統的體積，同時(shí)還簡(jiǎn)化了便攜設備工程師的設計，因此深受歡迎。

　　此外，由于多種高速串行接口標準并存，如移動(dòng)顯示屏數字接口(MDDI)標準、基于LVDS技術(shù)移動(dòng)視頻接口(MVI)標準和移動(dòng)行業(yè)處理器接口(MIPI)標準，所以在顯示控制器、接口轉換芯片或驅動(dòng)IC中集成這些接口成為降低設計方案復雜性的一個(gè)途徑。例如：三星、東芝、夏普、愛(ài)普生、瑞薩、羅姆等公司已經(jīng)推出了各自的內置MDDI接口的顯示控制器和接口轉換芯片，晶門(mén)科技也推出了帶MIPI 接口的LCD 驅動(dòng)IC。

　　為了滿(mǎn)足移動(dòng)電話(huà)的應用需求，還誕生了一些針對移動(dòng)電話(huà)應用程序接口(API)的中間平臺方案，其中包括晶門(mén)科技推出的支持在移動(dòng)電話(huà)系統中進(jìn)行靈活連接的mini-RGB接口。該解決方案由mini-RGB控制器SSD1270、一系列單芯片TFT驅動(dòng)器(SSD1276、SSD1269、SSD2006和SSD2116)和mini-RGB接口組成，大大簡(jiǎn)化了基帶系統和顯示模塊之間的連接。

　　值得注意的是，除了IC自身集成度更高并集成多種接口外，業(yè)界已有幾家廠(chǎng)商推出了把LCD 驅動(dòng)集成到顯示器內的產(chǎn)品。不過(guò)，該技術(shù)的起飛仍然需要解決成本、良率、和產(chǎn)能等問(wèn)題。

　　“更高的集成能使客戶(hù)減少顯示模塊外的被動(dòng)元件，但在眾多顯示技術(shù)中，目前只有低溫多晶硅(LTPS)TFT屏幕適合把電子部分集成到顯示屏上?！盠eadis公司負責LED驅動(dòng)和電源管理IC的副總裁Donato Montanari表示。

　　該公司的執行副總裁兼首席運營(yíng)官Ken Lee補充道：“在高端的、需要更高像素密度的產(chǎn)品中，LTPS的市場(chǎng)份額會(huì )比常規顯示驅動(dòng)的a-TFT(非晶硅)大，但在中低端模塊中，a-TFT將繼續表現出色，因為a-TFT寬裕的產(chǎn)能帶來(lái)更低的成本?！盠eadis公司目前專(zhuān)注于小尺寸、單芯片顯示屏驅動(dòng)解決方案。

　　把驅動(dòng)器集成到顯示器玻璃中的好處是減少驅動(dòng)成本、以及簡(jiǎn)化LCM 流程，但晶門(mén)科技的周志光也指出其負面影響：“這種集成方法會(huì )使功耗更高，此外由于在面板中實(shí)現顯示RAM和高速接口(500MHz-1GHz)并不是件容易的事，所以這也是一種不靈活的解決方案?！钡J為嵌入驅動(dòng)器將是一種趨勢，需要5 到10 年時(shí)間以及大量的投資來(lái)實(shí)現。

　　新算法巧妙實(shí)現功率節省

　　隨著(zhù)顯示屏在便攜設備中的地位越來(lái)越重要，顯示屏所消耗的功率占整個(gè)系統功率開(kāi)銷(xiāo)的比例也越來(lái)越大，低功耗甚至零功耗顯示器需求急速上升。在前不久美國加州舉行的“SID 2007”展會(huì )，許多新技術(shù)都紛紛瞄準了這項需求，包括電泳雙穩態(tài)顯示器、雙穩態(tài)LCD、微機電系統(MEMS)顯示器、電潤濕法顯示器、傳統低功耗LCD等。

　　PowerLite模塊在顯示屏中的應用框圖

　　對于節電來(lái)說(shuō)，顯示屏驅動(dòng)IC也是系統功率設計重要的考慮因素。Leadis公司的PowerLite專(zhuān)利技術(shù)包含兩種算法來(lái)實(shí)現全面節電：一個(gè)是動(dòng)態(tài)背光控制(DBC)算法，用來(lái)分析并確定需要多少背光來(lái)在最大化節能的同時(shí)獲得高質(zhì)量圖像，計算結果直接發(fā)送到系統LED驅動(dòng)器，再調整背光LED的功率；另一個(gè)是環(huán)境光感測(ALS)，利用外部相片探測器來(lái)檢測環(huán)境光，然后基于環(huán)境光和特定圖片內容，來(lái)計算出最優(yōu)化的背光等級。

　　“在傳統LCD模塊中，LED背光驅動(dòng)器一般不區分圖片內容，直接全功率運行?！盡ontanari指出，“碰到暗一點(diǎn)的圖像時(shí)，顯示屏驅動(dòng)器令LCD陣列阻擋大部分的背光，這樣，由于只有小部分的光是真正通過(guò)LCD陣列轉送，所以必然會(huì )造成功率浪費?！?

　　但使用PowerLite技術(shù)后，對于更暗的圖像來(lái)說(shuō)，顯示屏驅動(dòng)器允許LCD陣列傳送更大量的光，這樣系統發(fā)出的背光可以大大降低。與標準解決方案相比較，對于較暗的圖片，DBC和ALS的算法組合可使顯示模塊節省75%的功率；對于較亮的圖片，能節省20-50%的功率。PowerLite技術(shù)目前用在了Leadis公司的LSD285和LDS8861這兩款芯片中，能極大的延長(cháng)用戶(hù)的電池壽命。

　　OLED、微型顯示等催生新的驅動(dòng)方案

　　雖然不同材料的LCD顯示屏目前占據著(zhù)便攜市場(chǎng)的主導地位，但諸如OLED、柔性顯示等新興顯示技術(shù)也逐漸取得商用化進(jìn)展。在越來(lái)越強調低功耗、低成本和快速響應性能的今天，OLED屏幕可以更輕更薄、可視角度更大、成本更低更省電，顯示響應時(shí)間更小等性能優(yōu)勢無(wú)疑會(huì )把OLED推向下一代主流顯示技術(shù)的地位。

　　但是OLED驅動(dòng)IC也有著(zhù)特殊的技術(shù)門(mén)檻。OLED是電流驅動(dòng)型顯示設備，各個(gè)像素點(diǎn)的電氣特性不一致，為了達到亮度均勻，每個(gè)像素點(diǎn)的電流大小必須相同，因此需要額外的電流參考亮度控制系統。OLED的控制與驅動(dòng)芯片是一種數?；旌?、高壓低功耗集成電路，需要集成控制器、靜態(tài)存儲器、數模轉換器、直流電壓變換器、振蕩器、源驅動(dòng)和柵驅動(dòng)等電路模塊。

　　由于LCD 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常完善，這對任何新的顯示技術(shù)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)障礙，新興技術(shù)需要大資本投資以進(jìn)入高批量的顯示市場(chǎng)。Lee透露：“2003-2005，PM OLED 曾短暫輝煌，但卻把地盤(pán)丟給了LCD。我們認為未來(lái)AM OLED在顯示市場(chǎng)上更有潛力，而且Leadis在兩年前就開(kāi)發(fā)了AM OLED的驅動(dòng)?！?

　　影音TFT(AV TFT)是最近被開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)，最初是從筆記本和DVD 顯示發(fā)展而來(lái)?！八褟哪M轉換成數字接口?！本чT(mén)科技有限公司的周志光透露，“晶門(mén)科技把電源單芯片、源驅動(dòng)、柵驅動(dòng)整合進(jìn)單芯片SSD2116中，適用于橫向QVGA分辨率的AV TFT顯示器?！?

　　微型顯示和電子紙顯示技術(shù)也有著(zhù)巨大的機會(huì )，其特殊的性能為創(chuàng )新應用留有更多的、以前從未想象到的空間。但是新技術(shù)變得成熟、并適合大批量生產(chǎn)，還需要更多時(shí)間。目前引人注目的進(jìn)展是摩托羅拉采用晶門(mén)科技雙穩驅動(dòng)器的電子紙手機已進(jìn)入量產(chǎn)階段。該款雙穩驅動(dòng)器控制器包含：用于命令和圖像數據輸入的MCU接口、用于緩沖圖像數據的顯示RAM、以及高電壓驅動(dòng)輸出。

　　觸控方案呈現可編程趨勢，關(guān)鍵性能指標逐一破解

　　仔細分析市場(chǎng)上常見(jiàn)的觸摸屏技術(shù)，會(huì )發(fā)現目前占主流的還是基于電容的方案。電容式觸控技術(shù)已迅速成為連接顯示器與媒體控制應用的理想方案，持久的耐用度、簡(jiǎn)單的材料清單、簡(jiǎn)潔的外觀(guān)設計，都是其風(fēng)靡于多種便攜產(chǎn)品應用的推動(dòng)力。

　　對于賽普拉斯(Cypress)半導體公司的PSoC這種可編程IC來(lái)說(shuō)，改變電容感應設計的軟件是非常容易的事。新的固件可以通過(guò)軟件枚舉上載到電容感應的PCB板上，用戶(hù)不必從系統中拆下PCB或者電容感應模塊。如果固件出現了問(wèn)題，做一個(gè)簡(jiǎn)單的軟件升級即可，根本不用更換整個(gè)電容感應模塊。

　　相反，作為觸控領(lǐng)域另一家主流廠(chǎng)商，義隆電子所量產(chǎn)的觸控屏程序是提前寫(xiě)好的，但該公司表示也在考慮芯片的可編程性?！傲x隆計劃未來(lái)會(huì )提供一些可編程的觸控芯片?！崩钣枭仆嘎?，“而且我們會(huì )把一些常用的軟件放進(jìn)去，使客戶(hù)可以直接調出來(lái)用，為其設計帶來(lái)更大彈性。短期內，義隆的方案以OTP為主，比起采用Flash的工藝在成本上更有優(yōu)勢?！?

　　不過(guò)可編程芯片對用戶(hù)的開(kāi)發(fā)能力要求很高，一些業(yè)界人士指出，很多使用PSoC的客戶(hù)都借助了代理商的編程方案，而自己進(jìn)行編程的并不多?？删幊淘谔峁┰O計便利性的同時(shí)，也為設計者的設計能力提出了更高的要求。

　　面臨市場(chǎng)上眾多的觸控方案，如何判別其優(yōu)劣，并選擇合適自己產(chǎn)品的方案成為工程師頭痛的問(wèn)題。Cypress的PSoC CapSense產(chǎn)品經(jīng)理王一杭表示：“當我們評估一種電容傳感方案的性能，我們審查抗擾度、信噪比和功能。信噪比是一項重要的指標，信噪比低的系統不好。CapSense方案針對各種各樣的噪聲源進(jìn)行了測試，顯示了優(yōu)秀的免疫能力。實(shí)際上, 我們還經(jīng)常幫助客戶(hù)定義合適的生產(chǎn)測試規則?！?

　　其它的性能指標，如RF抗干擾性、抗AC噪聲、對電源瞬時(shí)過(guò)沖的適應性等，也是電容感應設計時(shí)的重要因素?！盎赑SoC的電容感應方案和算法經(jīng)過(guò)了嚴格的性能測試，使客戶(hù)不必在噪聲導致的失效問(wèn)題上花太多的時(shí)間進(jìn)行調試?！蓖跻缓急硎?。

　　除此之外，“還應該注重解析度和靈敏度這兩個(gè)參數?！绷x隆電子電腦周邊部專(zhuān)案經(jīng)理李予善認為，“在解析度方面，義隆的觸控板技術(shù)在廣泛用于便攜式設備之前，最初是用于筆記本電腦上的，長(cháng)期以來(lái)曾積累了很多技術(shù)經(jīng)驗，目前可以達到300dpi，即每平方英寸上300x300個(gè)點(diǎn)。而對于靈敏度，目前有八個(gè)段可以調整，因為對靈敏度來(lái)說(shuō)，并不是越靈敏越好，有時(shí)靈敏度太高會(huì )造成誤讀，靈敏度不夠又會(huì )導致按下去沒(méi)反應。所以應該強調的是靈敏度的可調性?！?

　　觸控屏的功耗參數同樣重要。Cypress的PSoC也增加了類(lèi)似的背光控制和環(huán)境光感測，以在執行電容觸控的同時(shí)實(shí)現節電的性能，從而延長(cháng)電池壽命。

　　此外，由于便攜產(chǎn)品應用環(huán)境差異很大，所以芯片最好能有一個(gè)寬廣的工作溫度范圍。義隆電子的觸控芯片的工作溫度在-40到80度之間。

　　王一杭建議設計工程師在設計電容性感應界面時(shí)需要注意以下四個(gè)問(wèn)題：需要有簡(jiǎn)單易用但功能強大的設計工具；靈活的架構；集成化的能力；具有成本效益的解決方案。簡(jiǎn)單易用、功能強大的設計工具可以幫助設計人員花費幾個(gè)小時(shí)而不是幾天來(lái)完成定制的CapSense觸摸屏設計。靈活的架構對于原型和測試階段來(lái)說(shuō)非常重要，許多手機設計都是在經(jīng)歷了無(wú)數次的設計修訂才最終定稿的。

　　在設計電容性界面的過(guò)程中，還必須十分小心以確保在覆蓋層和傳感元器件之間沒(méi)有金屬涂料粒子以及空氣縫隙。位于涂層上的金屬點(diǎn)或者其他導體物質(zhì)將阻礙電容性傳感器的正常工作并中斷偵測。位于傳感器件和涂層之間的空氣間隙將劣化電容性能。針對這種現象，Cypress推出了用戶(hù)定制設計的指引，來(lái)幫助設計師設計可實(shí)際工作的電容性系統，避免昂貴的重新設計循環(huán)。

　　在觸控這個(gè)領(lǐng)域，芯片制造商和系統廠(chǎng)商的合作關(guān)系會(huì )更密切一些。在這個(gè)領(lǐng)域，做出樣品不難，難的是在量產(chǎn)過(guò)程中控制好良率、可制造性等問(wèn)題。傳感器的尺寸很大，無(wú)法和控制器集成，而且如果顯示屏貼合不好，還會(huì )影響觸控質(zhì)量，因此一些半導體廠(chǎng)商除了直接銷(xiāo)售觸控模塊，也和顯示屏廠(chǎng)商合作，以提供貼好觸控模塊的完整的觸控屏。