LCD Driver技術簡介及發展趨勢

摘要：本文詳細探討了LCD驅動技術的發展趨勢及設計人員應注意的一些問題。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/88202.htm

關鍵詞：液晶顯示器；驅動器；薄膜電晶體

　　「LCD Driver」是一個範疇相當廣的話題，LCD 的驅動類型大體可區分成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要求不高的數字顯示屏上，而TFT LCD則適用於小至數位相機的顯示屏，大至數十英寸的液晶平板電視。

　　儀器儀表需要LCD驅動IC，大尺寸液晶顯示也需要驅動IC，然而不同類型、不同尺寸的LCD卻必須搭配不同的驅動IC，沒有一種LCD 驅動IC可以滿足各種類型、各種尺寸的驅動需求，因此在談論LCD驅動IC時必須有更明確、更具體的範疇定義，才能夠完整說明與討論。

　　如今，有關TN、STN 之類的LCD 驅動IC 其技術已相當成熟，技術發展與市場成長都達到一定程度，國內的IC 設計業者逐步跨入此領域，這就迫使日本、韓國、臺灣的驅動IC設計業者朝更高技術性的LCD驅動IC發展，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，而之後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於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，依液晶分子旋轉其行進方向，然後從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之後，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，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現象，叫做扭轉式向列場效應，簡稱TNFE(twisted nematic field effect)。在電子產品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉式向列場效應原理所製成。

圖1  LCD Driver系統

　　STN液晶顯示原理

　　STN型的顯示原理與TN相類似，不同的是TN扭轉式向列場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)，並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複雜，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、薄模式電晶體等等。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，這些光源會先經過一個偏光板然後再經過液晶，這時液晶分子的排列方式進而改變穿透液晶的光線角度。然後這些光線接下來還必須經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後出現的光線強度與色彩，並進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。

LCD驅動晶片的作用與分類

　　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動晶片。液晶面板上的圖像顯示是通過驅動晶片提供的模擬電壓來實現的。LCD驅動晶片通過模擬電壓輸出直接驅動顯示面板，因而它的性能將直接決定LCD器件的顯示效果，另外由於它具有大量高電壓模擬輸出引腳、高速低振幅數位訊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驅動IC：FPD33684，該驅動晶片強調低EMI、低功耗並支持RSDS介面，適合用於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。由於TFT是發展的趨勢和主流，後文中我們將主要針對TFT的LCD驅動晶片來談談此類IC。驅動TFT的液晶顯示器需要使用Gate Driver和Source Driver兩種驅動晶片，其中Source Driver負責提供列上各色素點的驅動電壓，而Gate Driver控制每一行像素的選通狀態。另外，從應用的角度來看，工業產品或可攜式產品的LCD顯示設備的應用主要分為大屏幕(大於9英寸)和小屏幕(小於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複合在一起的Controller Driver來驅動，而大屏幕設備通常使用二者分離的驅動方式。

LCD控制驅動器的設計與開發

 

圖3  在手機用的TFT LCD驅動晶片上EC有其獨到的界面傳輸技術：Mobile MCADS，優點在於縮減線路數與降低EMI雜迅，圖中粉紅色即是NEC電子的LCD驅動晶片的位置

　　在多路驅動方式中，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，應合理選擇佔空比(duty)和偏壓(bias)。 施加在LCD上所表示的ON和OFF時的電壓有效值與佔空比和偏壓的關係如下：

　　Vo:LCD驅動電壓
　　N:佔空比(1/N)
　　a:偏壓(1/a)

　　多路驅動方式可分為點反轉驅動和幀反轉驅動。點反轉驅動適合於低佔空比應用，它在各段數據輸出時，將數據反轉。幀反轉驅動適合於高佔空比應用，它在各幀輸出時，將數據反轉。

　　對於多灰度和彩色顯示的控制方法，通常採用幀頻控制(FRC)和脈寬調製(PWM)方法。幀頻控制是通過減少幀輸出次數，控制輸出信號的有效值，來實現多灰度和彩色控制。而脈寬調製是通過改變段輸出信號脈寬，控制輸出信號的有效值，來實現多灰度和彩色控制。

 

圖4  TFT驅動方式

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

　　LCD驅動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驅動設計流程

　　1.確定LCD驅動電路規格書。根據市場需求及發展趨勢，確定LCD驅動電路的規格書。

　　2.建立完整的設計環境。由於LCD控制驅動電路涉及到數字、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。因此，設計和工藝人員應製作測試用的TEG片，並對TEG片進行測試，提取和驗證SPICE參數，建立完整的設計環境。

　　3.LCD控制驅動電路設計。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。

　　如採用低功耗技術，需選擇低功耗電源，內置存儲器和降低振蕩頻率，採用OSO(One Shot Operation)電路技術和MLS(Multi Line Selection多線選擇)驅動法。

　　·電路描述與仿真
　　數字電路可採用HDL語言描述，HDL仿真。模擬電路可採用原理圖輸入，SPICE仿真。 對於整體電路仿真需採用數模混合仿真技術，還要解決顯示圖象的驗證技術。

　　·版圖物理實現
　　為了保證設計效率，數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部分版圖應採用手工布圖。由於全晶片採用不同的方法分塊製作，因此需利用全晶片合成、布局布線技術和部分電路版圖和全晶片版圖的DRC技術。

　　4.LCD控制/驅動電路測試技術。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LCD 控制器驅動常見引腳配置情況。

表1  LCD控制器驅動常見引腳配置情況

LCD Driver設計需要考慮的問題

　　節約能耗

　　我們先來談談小尺寸LCD的發展趨勢。手機最初的應用只是單純的打電話，之後才發展出簡訊需求。到GPRS的功能開始普及後，手機也成了上網的工具之一，甚至有很多手機擁有了數位相機的功能。近年來GPS功能也漸漸成為手機的必要功能，除此之外還有以遊戲、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，高解析度(由QVGA的128×180到現在WVGA 854×480)。目前日本市場上超過50%以上的機種已經升級到WVGA的顯示器。但是高解析度的產品，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。

　　那麼，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。他們發現當人眼長期觀看LCD屏幕時由於其背光太亮，導致人眼瞳孔維持縮小狀態，使得眼睛容易感到疲勞。而當外在環境變暗時，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。例如說在白天陽光下，由於外在光線很亮，我們可以使用100%的背光。但當到了陰影處，光線減少，我們就可以減少背光至80%。甚至到了晚上，環境光的幹擾減少，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，也就是內容分析。他的概念是在LCD驅動內新增一個內容分析器，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)。由於事先已經將圖片經過分析器處理亮度，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的差異在於：LABC希望跟隨環境光的改變，調整背光效果。CABC則是透過內容分析器，隨時提供省電功能。

　　據分析，整個LCD模塊中主要耗電部份是LED背光和LCD驅動。LED背光其實花費了90%的電力，因此如何有效節省背光的功耗是未來的驅動技術的重點。 但是驅動IC本身是十分複雜的。它包含了各式各樣的模擬電路，例如Gate驅動、Source 驅動、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、背光調整電路、高畫質電路。透過這三個電路的整合，可以達到背光省電技術。

　　高解析度、廣視角的顯示畫質

　　未來消費者對顯示屏將追求更大尺寸、更高清晰的品質，因為解析度越高，畫面顯示更鮮豔、逼真。這就驅使顯示屏的生產商，努力開發更高畫質的產品，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，避免出現拖影現象

　　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，造成圖像拖影現象，但這種不足已隨著技術的改良逐步改善。其中驅動技術的改良在其中又將起重要作用。

　　綠色環保

　　在過去這幾年有許多節能環保的概念被討論，如何能在LCD模塊上達到更進一步的節能環保？目前全球關心的環保話題之一，就是溫室效應的問題。溫室效應會造成溫度上升，進而引發更多方面的問題。當溫度上升之後，會造成南北極或格陵蘭等地的冰山融化。海岸線上升的結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。那麼，LCD產業界如何達到綠色環保是非常重要的。構思更省電、環保的驅動IC是LCD行業可持續發展的關鍵。

TFT LCD Driver未來發展趨勢

　　目前手機上TFT都是採用線反轉的方式。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變。但是目前在大尺寸的TFT上已經無人使用此方式，而改用點反轉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，其好處之一是省電。在同控制板與解析度的基準比較下，使用點反轉的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。但點反轉可以完全解決此兩個問題，因為Vcom已經改交流驅動為直流驅動，本質上的避免閃頻再發生。第三、它相容於現有的LCM。也就是說目前現有的玻璃不需要去做修正，就可以直接使用點反轉的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』，電子工業出版社