LCD驅(qū)動(dòng)IC發(fā)展動(dòng)向

輕巧、省電的液晶顯示器廣泛應(yīng)用在各種可攜式電子機(jī)器與電視等領(lǐng)域，一般認(rèn)為液晶顯示器今后在平面電子顯示器產(chǎn)業(yè)占有重要地位。各種用途使用的液晶顯示器，除了低消費(fèi)電力化與提高影像質(zhì)量之外，還要求解決應(yīng)用上各式各樣的技術(shù)課題，尤其是LCD電路中的驅(qū)動(dòng)IC將扮演決定性角色。

大型LCD驅(qū)動(dòng)IC的發(fā)展趨勢(shì)

‧輸出多腳化

PC與電視用大型LCD的驅(qū)動(dòng)IC可以分成:
a.依照信號(hào)提供LCD灰階電壓的“source驅(qū)動(dòng)IC”
b.控制TFT開/關(guān)的“網(wǎng)關(guān)(gate)驅(qū)動(dòng)IC”

依照LCD分辨率不同，液晶顯示器通常會(huì)使用8~15個(gè)source驅(qū)動(dòng)IC，與3~5個(gè)網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)IC。上述兩種驅(qū)動(dòng)IC成為決定LCD功能，亦即所謂“關(guān)鍵性組件”。隨著LCD的高精細(xì)化、多色化，要求source驅(qū)動(dòng)IC改善功能與成本等兩大目標(biāo)。

圖1是大型液晶面板分辨率與驅(qū)動(dòng)IC腳架數(shù)年代別的發(fā)展趨勢(shì)，由圖可知驅(qū)動(dòng)IC腳架數(shù)隨著LCD分辨率的增加，不斷朝多腳架化方向發(fā)展，主要原因是最近幾年針對(duì)LCD低成本化等要求，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)IC的使用數(shù)量大幅遭到削減，IC單體具備功能相對(duì)增加所致，例如使用384ch輸出的驅(qū)動(dòng)IC，WXGA(1280×960) Full HD(1920×1080)的液晶面板，驅(qū)動(dòng)IC的使用數(shù)量分別是:8個(gè)source驅(qū)動(dòng)IC，與12個(gè)網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)IC，驅(qū)動(dòng)IC使用數(shù)量的削減除了達(dá)成低成本的目的之外，對(duì)實(shí)際封裝具有正面的幫助，不過驅(qū)動(dòng)IC的多腳架化后與液晶面板大尺寸化一樣，會(huì)引發(fā)驅(qū)動(dòng)IC發(fā)熱等問題，因此今后隨著高驅(qū)動(dòng)能力必需進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳釋?duì)策。
　
圖1 大型液晶面板分辨率與驅(qū)動(dòng)IC腳架數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

‧高速接口的適用性

隨著LCD的高分辨率化與多灰階化，時(shí)序控制器(timing controller) 與source驅(qū)動(dòng)IC之間的轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)量急遽增加，造成CMOS信號(hào)數(shù)據(jù)的信號(hào)線數(shù)量、消費(fèi)電力，與EMI噪訊的暴增等棘手問題，因此研究人針對(duì)員驅(qū)動(dòng)IC，提出差動(dòng)小振幅serial I/F，亦即RSDS與mini-LVDS改善方案。
圖2是驅(qū)動(dòng)IC的I/F發(fā)展趨勢(shì)，如果參照?qǐng)D1 LCD分辨率的發(fā)展趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)，事實(shí)上差動(dòng)小振幅serial I/F的比率，每年都有呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，因此最近幾年各公司針對(duì)40吋以上超大型LCD與筆記型計(jì)算機(jī)用窄邊幅LCD，陸續(xù)提出新接口規(guī)格，隨著LCD高速化、低EMI化、低消費(fèi)電力化，可以支持各種應(yīng)用課題的接口因而備受期待。
　
圖2 source驅(qū)動(dòng)IC的I/F發(fā)展趨勢(shì)
　
‧LCD電視用驅(qū)動(dòng)IC的開發(fā)

a.驅(qū)動(dòng)IC的高耐壓化

平面電視正式子跨入成長(zhǎng)期，液晶電視除了需求擴(kuò)大之外，市場(chǎng)對(duì)液晶電視高畫質(zhì)化的要求則更加迫切，為實(shí)現(xiàn)可以媲美傳統(tǒng)CRT電視的宿愿，大視角、高對(duì)比、高反應(yīng)速度，以及灰階性的提升正積極展開中，可以支持上述液晶面板的驅(qū)動(dòng)IC，以具備高電壓驅(qū)動(dòng)能力的source驅(qū)動(dòng)IC的需求最受關(guān)注。

以往筆記型計(jì)算機(jī)與監(jiān)視器的TN面板驅(qū)動(dòng)電壓大約是10V左右，為了支持大視角的IPS、VA型液晶面板，要求驅(qū)動(dòng)IC以高電壓驅(qū)動(dòng)，例如IPS液晶面板要求15~16V的驅(qū)動(dòng)電壓，VA型液晶面板要求13V左右的驅(qū)動(dòng)電壓。圖3是source驅(qū)動(dòng)IC的耐壓產(chǎn)品一覽。
　
圖3 source驅(qū)動(dòng)IC的耐壓產(chǎn)品一覽(NEC)
　
b.10bit驅(qū)動(dòng)IC的開發(fā)

目前液晶電視大多使用8bit的source驅(qū)動(dòng)IC，然而8bit的驅(qū)動(dòng)IC在低灰階領(lǐng)域，無法充份發(fā)揮灰階再現(xiàn)性，此外為支持液晶電視高畫質(zhì)化的需求，必需針對(duì)影像數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)IC的前段，進(jìn)行對(duì)比、調(diào)色、γ(輝對(duì)－灰階特性)等補(bǔ)償處理，此時(shí)基于防止灰階數(shù)減少等考慮，例如8bit的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行10bit的影像位擴(kuò)充處理，傳統(tǒng)8bit驅(qū)動(dòng)IC經(jīng)過補(bǔ)償處理變成10bit擴(kuò)充影像數(shù)據(jù)，必需利用畫格率(frame rate)控制技術(shù)進(jìn)行時(shí)間軸變調(diào)，或是利用面積灰階手段，將dither圖案再度轉(zhuǎn)換成8bit的影像數(shù)據(jù)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生閃爍(flicker)、分辨率劣化、特異圖案等waving問題。

開發(fā)可以支持10bit的驅(qū)動(dòng)IC成為解決上述問題常用手段，不過0bit的驅(qū)動(dòng)IC會(huì)有輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)線數(shù)、芯片尺寸增加等反效果，因此研究人員針對(duì)輸入I/F采用mini－LVDS設(shè)計(jì)，試圖藉此抑制數(shù)據(jù)bus導(dǎo)線數(shù)的增加，同時(shí)還開發(fā)全新的D/A變頻器(converter)與輸出增幅器。圖4是驅(qū)動(dòng)IC的芯片尺寸發(fā)展趨勢(shì)一覽。
　
圖4 驅(qū)動(dòng)IC的芯片尺寸發(fā)展趨勢(shì)一覽
　
c.改善動(dòng)畫顯示技術(shù)

液晶顯示器顯示動(dòng)畫時(shí)，影像質(zhì)量不如傳統(tǒng)CRT，實(shí)現(xiàn)無動(dòng)畫殘影的動(dòng)畫顯示技術(shù)，對(duì)液晶電視而言是非常重要的課題。液晶顯示器發(fā)生動(dòng)畫殘影，主要原因是液晶材料的反應(yīng)速度遲緩，以及液晶顯示器采用hold方式顯示影像所致。有關(guān)液晶的反應(yīng)速度改善方案，例如開發(fā)OCB高速液晶材料，或是采用過驅(qū)動(dòng)(over drive)技術(shù)等等，至于hold型顯示方式造成動(dòng)畫殘影的改善方案，可以利用背光照明模塊的點(diǎn)滅，或是插入黑色影像的impulse驅(qū)動(dòng)方式獲得改善。

插入黑色影像的驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)改善液晶顯示器的動(dòng)畫殘影具有極佳的效果，不過以傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)IC實(shí)現(xiàn)黑色影像的插入，除了需要將影像數(shù)據(jù)從TCON轉(zhuǎn)送到驅(qū)動(dòng)IC之外，還需要將黑色影像進(jìn)行轉(zhuǎn)送，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送速度增加卻成為引發(fā)消費(fèi)電力、EMI噪訊暴增的主要原因，因此研究人員開發(fā)可以強(qiáng)制使驅(qū)動(dòng)IC的輸出電壓對(duì)應(yīng)黑色影像，亦即對(duì)電壓具有reset功能的驅(qū)動(dòng)IC。

如圖5所示內(nèi)建動(dòng)畫對(duì)應(yīng)功能的驅(qū)動(dòng)IC，內(nèi)部設(shè)有黑色影像寫入用控制端子(BWSEL)，BWSEL信號(hào)high期間會(huì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)IC的黑色影像強(qiáng)制輸出電壓，利用該特殊功能可以在任意期間、任意場(chǎng)所輸出對(duì)應(yīng)電壓，卻不需要將黑色影像轉(zhuǎn)送到驅(qū)動(dòng)IC。
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圖5 利用內(nèi)建動(dòng)畫對(duì)應(yīng)功能的驅(qū)動(dòng)IC作impulse驅(qū)動(dòng)
　
可攜式機(jī)器用LCD驅(qū)動(dòng)IC的發(fā)展趨勢(shì)

可攜式機(jī)器用LCD驅(qū)動(dòng)IC，依照LCD系統(tǒng)廠商的應(yīng)用大致上可以分成:
‧內(nèi)建顯示RAM驅(qū)動(dòng)IC
‧內(nèi)部無顯示RAM的驅(qū)動(dòng)IC

內(nèi)建RAM的驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部設(shè)有顯示內(nèi)存(SRAM)、驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)序控制器，IC單體可以產(chǎn)生顯示上必要的所有時(shí)序。IC內(nèi)部?jī)?nèi)建RAM除了變更畫面顯示之外，CPU不需要將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至LCD模塊，因此無CPU與LCD驅(qū)動(dòng)IC之間的bus消費(fèi)電力，對(duì)液晶顯示器的低電力化具有很大的幫助。內(nèi)部無顯示RAM的驅(qū)動(dòng)IC必需利用外部CPU，進(jìn)行顯示控制以及影像數(shù)據(jù)、頻率(clock)轉(zhuǎn)送，它與內(nèi)建顯示RAM的驅(qū)動(dòng)IC比較，雖然消費(fèi)電力明顯增加，不過制作成本卻比較有利。

最近幾年類似PDA、GPS、行動(dòng)電話等可攜式電子機(jī)器，處理高精細(xì)彩色數(shù)據(jù)的情況越來越多，因此可攜式電子機(jī)器用液晶顯示器要求高精細(xì)、多色化等功能，然而高精細(xì)、多色化與有無RAM無關(guān)，會(huì)引發(fā)驅(qū)動(dòng)IC的芯片尺寸、消費(fèi)電力，EMI噪訊增加等問題，尤其是可攜式電子機(jī)器的封裝面積限制非常多，即使是CPU與LCD驅(qū)動(dòng)IC之間的接口，也要求窄線寬的接口，因此接口的serial化成為必要手段，此外無內(nèi)建RAM的驅(qū)動(dòng)IC轉(zhuǎn)送影像數(shù)據(jù)時(shí)，隨著LCD的高精細(xì)化、多色化，CPU與LCD驅(qū)動(dòng)IC之間的bus充放電力，與EMI噪訊增加成為重要的課題，因此研究人員提案采用圖6，由Mobile CMADS(Current Mode Advanced Differential Signaling)構(gòu)成的serial界面。

Mobile CMADS屬于電流差動(dòng)型接口方式，它除了可以削減CPU與LCD驅(qū)動(dòng)IC之間的接口數(shù)之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)低消費(fèi)電力與低EMI噪訊等目的，此外轉(zhuǎn)換電路是由Nch open drain構(gòu)成，除了不需要使用不易維持穩(wěn)定動(dòng)作的模擬電路之外，它還可以輕易內(nèi)建在CPU內(nèi)部作簡(jiǎn)易的set設(shè)計(jì)。
　
圖6 Mobil CDMAS接口的基本結(jié)構(gòu)
　
圖7是傳統(tǒng)Mobil CDMAS與次世代Mobil CDMAS2000的規(guī)格比較，由圖可知Mobil CDMAS2000將時(shí)序信號(hào)，亦即Vsync信號(hào)、Hsync，比照影像信號(hào)完全serial化，因此可以大幅削減導(dǎo)線數(shù)量，此外由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送的高速化，QVGA等級(jí)的面板可以利用數(shù)據(jù)信號(hào)1pair或是CLK 1pair驅(qū)動(dòng)，Mobil CDMAS2000還將數(shù)據(jù)信號(hào)3pair，它可以支持VGA等級(jí)的面板。
　
圖7 次世代Mobil CDMAS的規(guī)格
　
有關(guān)內(nèi)建RAM的驅(qū)動(dòng)IC，LCD的高分辨率化與多色化，除了使顯示內(nèi)存容量增加之外，它同時(shí)也是芯片尺寸變大的主要原因，有效對(duì)策例如采取0.15μm制程，藉此縮小內(nèi)建RAM驅(qū)動(dòng)IC的尺寸，同時(shí)積極導(dǎo)入不會(huì)影響顯示畫質(zhì)，還可以有效削減內(nèi)存容量的影像數(shù)據(jù)壓縮、擴(kuò)張電路SPC(Smart Pixel-data Codec)技術(shù)(圖8)。
　
圖8 內(nèi)建SPC的驅(qū)動(dòng)IC基本結(jié)構(gòu)
　
圖9是傳統(tǒng)顯示內(nèi)存容量削減技術(shù)亦即「dither方式」，與「SPC方式」以及經(jīng)過畫質(zhì)改善的「新SPC方式」三者的顯示影像比較，由圖可知新SPC方式的顯示影像不但無畫質(zhì)劣化現(xiàn)象，甚至可以媲美元影像。
　
圖9 影像比較
　
圖10是利用傳統(tǒng)顯示內(nèi)存容量削減技術(shù)，亦即dither方式的顯示影像，與利用SPC處理的顯示影像，以及利用新SPC處理的顯示影像三者的比較結(jié)果，由圖可知利用SPC處理的PSNR值非常高，即使定量上畫質(zhì)也獲得改善。此外利用此新SPC電路可以削減25%左右的顯示內(nèi)存，這意味著內(nèi)存儲(chǔ)取電力與漏電電流可望獲得抑制，對(duì)消費(fèi)電力的削減具有正面幫助。
　
圖10 PSNR比較結(jié)果
　
結(jié)語(yǔ)

以移動(dòng)電話為主流的可攜式電子機(jī)器，使用的小尺寸液晶面板除了高畫質(zhì)化、低消費(fèi)電力化之外，未來勢(shì)力會(huì)朝多功能化方向發(fā)展。至于電視用大型液晶面板今后將持續(xù)維持成長(zhǎng)榮景，同時(shí)開拓計(jì)算機(jī)與監(jiān)視器常見的廣視角技晶面板應(yīng)用市場(chǎng)。 隨著顯示器得進(jìn)化驅(qū)動(dòng)IC的需求也逐漸多樣化，驅(qū)動(dòng)IC廠商與液晶面板廠商攜手合作，積極導(dǎo)入LSI制程技術(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)IC低消費(fèi)電力、低制作成本，則是今后有待努力的方向。