LCD Driver技術(shù)簡(jiǎn)介及發(fā)展趨勢

摘要：本文詳細探討了LCD驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢及設計人員應注意的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：液晶顯示器；驅動(dòng)器；薄膜晶體管

　　“LCD Driver”是一個(gè)范疇相當廣的話(huà)題，LCD 的驅動(dòng)類(lèi)型大體可區分成TN(Twisted Nematic)、STN(Super-Twisted Nematic)、以及TFT(Thin-Film Transistors)等三類(lèi)，其中TN LCD 多使用在儀器儀表等簡(jiǎn)單的對圖像品質(zhì)要求不高的數字顯示屏上，而TFT LCD則適用于小至數碼相機的顯示屏，大至數十英寸的液晶平板電視。

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

　　如今，有關(guān)TN、STN 之類(lèi)的LCD 驅動(dòng)IC 其技術(shù)已相當成熟，技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)成長(cháng)都達到一定程度，國內的IC 設計業(yè)者逐步跨入此領(lǐng)域，這就迫使日本、韓國、臺灣的驅動(dòng)IC設計業(yè)者朝更高技術(shù)性的LCD驅動(dòng)IC發(fā)展，從TN、STN 轉向TFT，從小寸數轉向大尺寸。本文側重介紹LCD TFT驅動(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(lèi)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(huì )依配向膜的細溝槽方向依序旋轉排列，如果電場(chǎng)未形成，光線(xiàn)會(huì )順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉其行進(jìn)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(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，光線(xiàn)便無(wú)法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現象，叫做扭轉式向列場(chǎng)效應，簡(jiǎn)稱(chēng)TNFE(twisted nematic field effect)。在電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉式向列場(chǎng)效應原理所制成。

圖1  LCD Driver系統

　　STN液晶顯示原理

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

　　在傳統單色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(guò)彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，再經(jīng)由三原色比例之調和，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(huì )先經(jīng)過(guò)一個(gè)偏光板然后再經(jīng)過(guò)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(xiàn)角度。然后這些光線(xiàn)接下來(lái)還必須經(jīng)過(guò)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的光線(xiàn)強度與色彩，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驅動(dòng)芯片的作用與分類(lèi)

　　通常在個(gè)人電腦等電子設備中都集成了液晶顯示器和對應的驅動(dòng)芯片。液晶面板上的圖像顯示是通過(guò)驅動(dòng)芯片提供的模擬電壓來(lái)實(shí)現的。LCD驅動(dòng)芯片通過(guò)模擬電壓輸出直接驅動(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、高速低振幅數字信號輸入等特點(diǎn)而成為了當今的技術(shù)熱點(diǎn)。

圖2  NS公司的TFT LCD驅動(dòng)IC：FPD33684，該驅動(dòng)晶片強調低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驅動(dòng)芯片來(lái)談?wù)劥祟?lèi)IC。驅動(dòng)TFT的液晶顯示器需要使用Gate Driver和Source Driver兩種驅動(dòng)芯片，其中Source Driver負責提供列上各色素點(diǎn)的驅動(dòng)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(lái)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(lǐng)域。通常情況下，小屏幕應用時(shí)通常會(huì )選擇Source Driver和Gate Driver復合在一起的Controller Driver來(lái)驅動(dòng)，而大屏幕設備通常使用二者分離的驅動(dòng)方式。

LCD控制驅動(dòng)器的設計與開(kāi)發(fā)

圖3  在手機用的TFT LCD驅動(dòng)芯片上EC有其獨到的界面傳輸技術(shù)：Mobile MCADS，優(yōu)點(diǎn)在于縮減線(xiàn)路數與降低EMI雜迅，圖中粉紅色即是NEC電子的LCD驅動(dòng)芯片的位置

　　在多路驅動(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(shí)的電壓有效值與占空比和偏壓的關(guān)系如下：

　　Vo:LCD驅動(dòng)電壓
　　N:占空比(1/N)
　　a:偏壓(1/a)

　　多路驅動(dòng)方式可分為點(diǎn)反轉驅動(dòng)和幀反轉驅動(dòng)。點(diǎn)反轉驅動(dòng)適合于低占空比應用，它在各段數據輸出時(shí)，將數據反轉。幀反轉驅動(dòng)適合于高占空比應用，它在各幀輸出時(shí)，將數據反轉。

　　對于多灰度和彩色顯示的控制方法，通常采用幀頻控制(FRC)和脈寬調制(PWM)方法。幀頻控制是通過(guò)減少幀輸出次數，控制輸出信號的有效值，來(lái)實(shí)現多灰度和彩色控制。而脈寬調制是通過(guò)改變段輸出信號脈寬，控制輸出信號的有效值，來(lái)實(shí)現多灰度和彩色控制。

圖4  TFT驅動(dòng)方式

　　顯示方式從簡(jiǎn)單的段式、點(diǎn)字符式到復雜的點(diǎn)陣式、階調式的變化。顯示顏色從黑白逐步變化到彩色。顯示屏從小到大，響應時(shí)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(dòng)畫(huà)對應速度方面有優(yōu)勢。 作為L(cháng)CD驅動(dòng)器標準電路生產(chǎn)廠(chǎng)主要有NEC 、EPSON、三星等公司。

　　LCD驅動(dòng)器基本構成由以下部分構成：

　　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(zhuān)用口

　　模擬部分：
　　手工設計  DC/DC轉換器
　　D/A轉換器  升壓放大器
　　電壓跟隨器  穩壓電路
　　溫度補償電路  振蕩電路

　　I/O部分：手工設計

LCD驅動(dòng)設計流程

　　1.確定LCD驅動(dòng)電路規格書(shū)。根據市場(chǎng)需求及發(fā)展趨勢，確定LCD驅動(dòng)電路的規格書(shū)。

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

　　3.LCD控制驅動(dòng)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(shí)現。

　　如采用低功耗技術(shù)，需選擇低功耗電源，內置存儲器和降低振蕩頻率，采用OSO(One Shot Operation)電路技術(shù)和MLS(Multi Line Selection多線(xiàn)選擇)驅動(dòng)法。

　　·電路描述與仿真
　　數字電路可采用HDL語(yǔ)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?；旌戏抡婕夹g(shù)，還要解決顯示圖象的驗證技術(shù)。

　　·版圖物理實(shí)現
　　為了保證設計效率，數字電路部分的版圖可利用SE，進(jìn)行自動(dòng)布局布線(xiàn)。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(xiàn)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/驅動(dòng)電路測試技術(shù)。例如，多引腳對應能力；高速數據傳送；高精度測試；高電壓對應。表1為L(cháng)CD 控制器驅動(dòng)常見(jiàn)引腳配置情況。

表1  LCD控制器驅動(dòng)常見(jiàn)引腳配置情況

LCD Driver設計需要考慮的問(wèn)題

　　節約能耗

　　我們先來(lái)談?wù)勑〕叽鏛CD的發(fā)展趨勢。手機最初的應用只是單純的打電話(huà)，之后才發(fā)展出短信需求。到GPRS的功能開(kāi)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碼相機的功能。近年來(lái)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(jìn)展我們可以知道手機逐漸走向高畫(huà)質(zhì)，高分辨率(由QVGA的128×180到現在WVGA 854×480)。目前日本市場(chǎng)上超過(guò)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(chǎng)為例。假設2007年手機銷(xiāo)售量約有11億，其中35%為QVGA以上的顯示等級。一般來(lái)說(shuō)QVGA的顯示器需要4顆背光，加上LCD驅動(dòng)約可造成0.6瓦的耗電量。假設每天使用半個(gè)小時(shí)，這樣一來(lái)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(xiàn)。背光省電的技術(shù)目前可以分為L(cháng)ABC和CABC兩類(lèi)。

　　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)現當人眼長(cháng)期觀(guān)看LCD屏幕時(shí)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(shí)，我們若能調整降低背光亮度，不僅可以保護眼睛，還能達到省電目標。例如說(shuō)在白天陽(yáng)光下，由于外在光線(xiàn)很亮，我們可以使用100%的背光。但當到了陰影處，光線(xiàn)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，也就是內容分析。他的概念是在LCD驅動(dòng)內新增一個(gè)內容分析器，假設當把圖片資料傳輸進(jìn)來(lái)時(shí)，先將其亮度提高24%(此時(shí)圖片變亮)，再來(lái)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(guò)分析器處理亮度，因此可以得到和原本圖片相差無(wú)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，調整背光效果。CABC則是透過(guò)內容分析器，隨時(shí)提供省電功能。

　　據分析，整個(gè)LCD模塊中主要耗電部份是LED背光和LCD驅動(dòng)。LED背光其實(shí)花費了90%的電力，因此如何有效節省背光的功耗是未來(lái)的驅動(dòng)技術(shù)的重點(diǎn)。 但是驅動(dòng)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驅動(dòng)、Source 驅動(dòng)、存儲、計時(shí)控制等等。為了導入背光省電技術(shù)，應嘗試整合畫(huà)面解析電路、背光調整電路、高畫(huà)質(zhì)電路。透過(guò)這三個(gè)電路的整合，可以達到背光省電技術(shù)。

　　高分辨率、廣視角的顯示畫(huà)質(zhì)

　　未來(lái)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(huà)面顯示更鮮艷、逼真。這就驅使顯示屏的生產(chǎn)商，努力開(kāi)發(fā)更高畫(huà)質(zhì)的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足終端客戶(hù)的需求。

　　更快的信息傳輸速度，提高刷屏速度，避免出現拖影現象

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

　　綠色環(huán)保

　　在過(guò)去這幾年有許多節能環(huán)保的概念被討論，如何能在LCD模塊上達到更進(jìn)一步的節能環(huán)保？目前全球關(guān)心的環(huán)保話(huà)題之一，就是溫室效應的問(wèn)題。溫室效應會(huì )造成溫度上升，進(jìn)而引發(fā)更多方面的問(wèn)題。當溫度上升之后，會(huì )造成南北極或格陵蘭等地的冰山融化。海岸線(xiàn)上升的結果可能會(huì )淹沒(méi)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。構思更省電、環(huán)保的驅動(dòng)IC是LCD行業(yè)可持續發(fā)展的關(guān)鍵。

TFT LCD Driver未來(lái)發(fā)展趨勢

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

　　我們可以預知將來(lái)TFT手機的趨勢也是點(diǎn)反轉，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(diǎn)反轉的IC約可省下33%的功耗；第二、它可以解決閃爍問(wèn)題。閃爍一直是TFT一個(gè)令人困擾的現象。很多人拿到TFT手機會(huì )先看看他的屏幕有沒(méi)有閃頻或移動(dòng)式閃頻問(wèn)題。但點(diǎn)反轉可以完全解決此兩個(gè)問(wèn)題，因為Vcom已經(jīng)改交流驅動(dòng)為直流驅動(dòng)，本質(zhì)上的避免閃頻再發(fā)生。第三、它相容于現有的LCM。也就是說(shuō)目前現有的玻璃不需要去做修正，就可以直接使用點(diǎn)反轉的IC。

參考文獻：

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