驱动器维修【ＬＣＤ驱动器的新特性】

　　文章编号：1006-6268（2008）09-0000-00 　　摘要：本文就LCD驱动器的相关事项分为五个部分做了介绍：市场信息、节电技术、绿色驱动器、新型显示驱动器的走向，最后为大家介绍矽创近年来的状况。
　　关键词：液晶显示器；驱动器；特性
　　中图分类号：TN141.9文献标识码：C
　　
　　1 市场信息
　　
　　首先，我们先来谈谈视效演进史。说到视效的演进史，必须要了解到1971年LCD显示器的诞生开启了显示器的新世代，1973年精工爱普生发明第一台字元型的显示器，到了1984年，欧美提出STN显示器以及TFT的原型。1980年代末期，日本大规模生产STN的LCD。持续演进到1990年代，第一款14inTFT显示器由夏普开发出来。自此LCD显示器全面进入我们的日常生活，成为必备的电子商品。而今年更由于奥运会的召开，估计全中国会有2.74亿部手机的销售量，显示器将更贴近我们的日常生活。
　　接下来我们谈谈小尺寸面板的应用。小尺寸面板主要的应用可以分为手机主面板(handset-main)、副面板(handset-sub)、个人数字助理(PDA)、数码相机、数码摄影机、便携式多媒体播放器(PMP)、游戏机……等等(图1）。若我们将手机的主面板、副面板的应用相加可以发现，小尺寸面板运用在手机上的数量，约占总数量的70%以上。也就是说，若按应用分类，整体的市场会以手机应用为最大宗。
　　
　　图1 小尺寸面板的应用
　　
　　图2 手机面板出货种类
　　
　　现在我们就以手机面板为主来做一个探讨。图2将显示器的种类分为主动式液晶显示器 (active LCD)、主动式有机发光二极管 (active OLED)、主动式电子纸(active e-Paper)、彩色超扭曲向列型(color STN)、被动式有机发光二极管 (passive OLED)、单色超扭曲向列型（mono STN）。从整个图表来看，TFT将是未来的主流。虽然这个图表掌握的大趋势是对的，但是有一些细节我们认为有待商榷。
　　此图表下面的表格叙述从2006~2009年各种显示器的应用数字。以2007年为例，它认为Mono在2007年只剩下10.99%。但实际上矽创在2007年光供应给诺基亚此单一客户的Mono STN 驱动每月约在1，000万~1，800万颗之间，全年出货量更在1.4亿颗左右。2007年全世界手机的出货量大概是11亿部。在这之中光是诺基亚出产的部分，矽创就占了1.4亿部左右，超过11%。更不用说除了诺基亚之外，仍有索尼爱立信、LG、摩托罗拉、三星等世界大厂的黑白手机产品。由此我们可以推断黑白机的用量是远大于10.99%的。同理可证CSTN也是一样的状况。虽然目前产品的主流是TFT，但是我们不能忽略金字塔底部的这些低阶产品。他们的应用量才是最大的。即使现今市场上不断推出新的TFT手机，但这些新手机所创造的营业量远比低阶手机(Mono、CSTN）来得少。
　　
　　2 节电技术
　　
　　接下来我们先来谈谈小尺寸LCD的发展趋势。手机在一开始的运用只是单纯打电话，之后才发展出短信需求。等到GPRS的功能开始普及后，手机也成了上网的工具之一，甚至有很多手机并入了数码相机的功能。近年来GPS功能也渐渐成为手机的必要配备，除此之外还有以游戏、看电视为取向的其他机种。从这些发展我们可以知道手机逐渐走向高画质，分辨率也渐渐上升(由QQVGA的128X180到现在WVGA 854X480)。目前日本市场50%以上的机种已经升级到WVGA的显示器。但是当我们走到高分辨率的产品时，手机的处理速度(尤其是从baseband到LCD模块)必须加快，而高速处理衍生出的问题就是耗电量增加。
　　LCD模块究竟有多耗电呢？我们以2007年的手机市场为例。假设2007年手机销售量约有11亿部，其中35%为QVGA以上的显示等级。一般来说QVGA的显示器需要四颗背光，加上LCD 驱动器约可造成0.6W的耗电量。假设每天使用半个小时，这样一来年总耗电量约48.18GWh。这样的耗电量可以供给2，700个一般家庭一年的用电。由此我们可以看到LCD模块的耗电情形。在过去这几年有许多节能环保的概念被讨论，如何能在LCD模块上达到更进一步的节能也是很重要的议题。
　　目前我们最关心的环保话题之一，就是温室效应的问题。温室效应会造成温度上升，进而引发更多的问题。当温度上升之后，会造成南北极或格陵兰等地的冰山融化。海岸线上升的结果可能会淹没我们最肥沃的土地，如欧洲、美国、甚至北京、上海等人口富饶之地。所以说，在产业界要如何达到省电环保是非常重要的。因而矽创将此视为公司使命之一，极力构思更省电、更环保的驱动器 IC。针对这个议题，矽创研发了一系列的绿色驱动器。而底下就将为大家介绍矽创的绿色驱动器。
　　
　　3 绿色驱动器
　　
　　图3我们可以看到LCD 传统驱动方式。红色与绿色的讯号线均采用高压运行方式，红色讯号线是一个低频讯号线，而绿色讯号线则随时变化，属于高频讯号线。基本上此种高压运行方式耗电较多。如果我们可以把这些高压的讯号转到低压的工作模式去，就可以大幅地省电。这就是一个重要的概念，针对这样的思想改变，我们为我们的驱动器 IC做了新的设计。
　　
　　图3 传统驱动模式
　　
　　图4 Hi-fas驱动模式
　　
　　从图4我们可以看到，绿色信号线已经从高压运行转到Vg到GND之间的低压工作方式，将节省非常多的电能。红色信号线虽然工作在V0与XV0之间，电压更高，但由于它是低频信号线，所以功耗增加有限。藉由这个机制，我们将整个IC最耗电的部分（SEG)做了大幅省电。这就是一个思想创新，降低了整个功耗。下面将介绍绿色驱动器的六个要点（Sigma）。
　　
　　3.1效率第一(Power Saving)
　　首先我们来想想，假设今日我们盖一个挑高6m的房子。屋子的天花板挑高6m有什么好处呢？可能它住起来空旷、舒服，但是实际上这是一种空间浪费。过去我们的驱动器 IC也有一样的状况。例如我们的液晶可能需要14V，但IC中的作法可能是接收一个3V的电，再做一个七倍压。但实际上我们只需要14V，那为何需要倍压到21V呢？我们今天要谈一个省电概念就是"够用就好"。因此我们在IC里面做了许多比较器，由这些比较器来判定现在IC所需要的电压，以此控制倍压程度。从过去的21V到刚刚好的14V，这其中的差距代表我们能省下了30%的耗电。
　　
　　3.2外部元件第一(Component Saving)
　　减少外部元件可以带来三个好处。首先当然是外部元件的减少。过去LCD驱动器可能需要十几个电容、电阻、甚至二极管体作为外部元件。到了我们的绿色驱动器，只需要接上三个电容即可。大幅减少外部元件的结果就是成本降低。除此之外，由于外部元件的减少，模块上的FPC就有机会变成单层板。当FPC由双层板改到单层板，我们又能降低50%的成本，带来第二个好处。而当外部的元件减少后也能一并减少FPC制作不良的机率，减少返修的成本，就是我们第三个好处。
　　
　　3.3 价格第一(Price Saving)
　　我们以128X128的分辨率来做例子，透过Hi-Phase这个思想转换让SEG转移到低压制程，将IC 尺寸减少45%。接下来，我们针对模拟电路的部分又做了一些巧妙的安排，使我们在2008年能够成功的再减少30%。由此使得成本降低，对地球资源的节省也是我们绿色驱动器的重要贡献。
　　
　　3.4一致性第一(Uniformity Saving)
　　一片硅片上不同的IC，由于制程参数差异会产生不一样的特性。因此在IC测试的时候，会先做一些校正的动作。这些校正包括VOP调整、OSC调整……等等。透过这些调整我们可以保证从矽创出去的IC，会有较好的一致性。但这样并不代表问题已经被解决。我们要记得液晶特性也是一个重要参数，特别是在彩色显示器这一块。我们人眼对色彩是非常敏感的，只要液晶电压有所不同就容易被肉眼觉察。因此我们很可能看到一个批量的模块中，有显示颜色深浅不一的问题。为此矽创特别提供OTP或EEPROM的功能。透过它，模块厂商可以重新编程VOP，才能够真正保证视效相同。当产品出货到手机厂商时，每只手机都能有同样的显示效果。因此一致性第一可以提高生产效率。
　　
　　3.5低温省电第一(Temperature Saving)
　　过去传统的驱动器 IC在温度越低时耗电越大。这主要是因为液晶本身在低温时粘稠性会增加。此时液晶若要达到同样的显示效果，就需要更高的电压驱动，因此功耗也会增加。在矽创的绿色驱动器中，内建了温度传感器,就好似内建一个变频式压缩机。驱动IC可以随时知道目前的工作温度，并在不同的温度下针对所有模拟电路的性能做调整。例如低温环境时，帧频是否需要和常温一样快？这就是一个可以思考的问题。透过这样的概念，绿色驱动器在低温之下的功耗反而比较少，和传统产品迥异。这就是低温省电第一。
　　
　　3.6 显示品质第一(Display Saving)
　　绿色驱动器在温补上和其他传统 驱动器 IC有很大不同的地方。一般驱动器 IC只提供一条温补线，但我们的IC在不同的温度可以提供不同的斜率，让客户去做设定的动作。因此无论高低温或常温，我们都可以达到最佳的显示效果。我们可以想象在东北，冬天气温可能是-10℃或-20℃，但在南方，当我们身处车子里或者其他特殊环境，他的工作温度可能达到40、50℃，甚至60℃。因此让IC在不同的温度下都能够拥有同样的显示效果是很重要的事情。唯有我们的多段温补能够克服这项困难。
　　为什么在我们的产品设计上，我们要如此重视上述的六个要点呢？我们认为这是一种哲学，一种用来改进液晶驱动晶片的效能和客户满意度的哲学。同时它也是一种方法。透过降低设计变数如EEPROM等方式来追求品质持续改善，并且明确的注重客户的需求，达到与客户一起双赢的目标。
　　
　　图5 多段温补克服时空差异
　　
　　4新型显示驱动器的走向
　　
　　4.1TFT驱动方式
　　目前手机上TFT都是采用线反转（line inversion）的方式。也就是说在某一个帧时，它每一条线可能都为正电压或负电压，到了下一个周期时再转变。但是目前在大尺寸的TFT上已经无人使用此方式，而改用点反转（dot inversion），即所有相邻的点其电压都是相反的。到了下一个帧时电位再改变。
　　
　　图6 TFT驱动方式
　　
　　我们可以预知将来TFT手机的趋势也是点反转。其好处一是省电。在同样面板与分辨率的基准比较下，使用点反转的IC约可省下33%的功耗。第二，它可以解决闪烁问题。闪烁一直是TFT一个令人困扰的现象。很多人拿到TFT手机会先看看他的屏幕有没有闪频或移动式闪频问题。但点反转可以完全解决此两个问题，因为Vcom已经改交流驱动为直流驱动，本质上避免闪频再发生。第三，它相容于现有的LCM。也就是说目前现有的玻璃不需要去做修正，就可以直接使用点反转的IC。
　　
　　4.2LCD驱动器节能状况
　　由表1我们可以看到，通过矽创在这几年的努力，MSTN功耗由0.8mA降到0.15mA、CSTN功耗由2.5mA降到0.45mA、a-TFT功耗由5mA降到0.9mA。在省电节能这一块，矽创已经竭尽所能。以目前的功耗和过去比较起来，几乎减少了80%以上。也就是说，在驱动器 IC上，矽创已经做到了绿色环保。但接下来我们要问一个问题：如果驱动器IC已经可以做到那么省电了，那么在LCD模块上还有什么电可以省呢？
　　相信大家都有这个经验。虽然在出门前已经把手机充电完成，但之后说不定只要讲30min的电话，发几个短信、或者浏览网页，电池马上就没电了。由这个现象我们就可以知道，其实节电在LCD模块上，依旧有可以改进的地方。
　　因此我们提出一个概念。如果我们可以在维持可接受的画面品质下，达到背光降低30%的目标，必定可以进一步省电。实际上我们也发现，当背光可以省下30%的功耗，就代表我们可以增加40%的使用时间，这是一个很重要的概念。
　　
　　4.3 背光省电技术
　　背光省电的技术目前可以分为环境光侦测背光控制（LABC）和动态背光控制（CABC）两类。
　　LABC的L指的就是亮度传感器（light sensor)，这个概念衍生自欧美学者的研究。他们发现当人眼长期观看LCD屏幕时由于其背光太亮，导致人眼瞳孔维持缩小状态，使得眼睛容易感到疲劳。因此当外在环境变暗时，我们若能调整降低背光亮度，不仅可以保护眼睛，还能达到省电目标。例如说在白天阳光下，由于外在光线很亮，我们可以使用100%的背光。但当到了阴影处，光线减少，我们就可以减少背光至80%。甚至到了晚上，环境光的干扰减少，背光能够进一步减少至70%。这就是LABC的基本概念。
　　CABC的C指的是内容（content），也就是图资分析。他的概念是在LCD 驱动器内新增一个内容分析器，假设当我们的图片资料送进来时，我们先将其亮度提高24%（此时图片变亮）。再将背光降低24%（此时图片变暗）。由于我们事先已经将图片经过分析器处理亮度，因此我们可以得到和原本图片相差无几的显示效果。但是却减少了24%的背光功耗。这就是CABC的技术。
　　LABC和CABC的差异在于：LABC希望跟随环境光的改变，调整背光效果。CABC则是透过内容分析器，随时做省电功能。
　　根据我们的分析，整个LCD模块中主要耗电部分是LED背光和LCD驱动器。前面的报告中，LCD 驱动器能省的，矽创都办到了；LED背光其实花费了90%的电力，因此如何有效节省背光的功耗是接下来一个非常重要的议题，这也是我们要去着手控制背光调整功能的原因。
　　但是驱动器 IC本身是十分复杂的。它包含了各式各样的模拟电路，例如门极驱动器、源极驱动器、储存器、时序控制器等等。为了导入背光省电技术，我们尝试着整合画面解析电路、背光调整电路、高画质电路。透过这三个电路的整合，我们就可以达到背光省电技术。
　　
　　图7 ST7783省电效果
　　
　　5 矽创近年产品
　　
　　5.1 ST7783省电技术
　　矽创在ST7783中所做出的背光省电技术已经有卓越的成果。无论在动态或者静态都有可观的省电成效。假设原本的背光需要20mA的电力，比方说图7中的剑图，其在静止模式可以省下47.1%电力，在动画模式则省下高达70.6%的电力。
　　在客户实际应用的手机架构上，我们这颗IC里面，提供了两种不同的架构，第一个架构是各位手机厂商受惠最多的。那就是使用ST7783的手机厂商不需要改变任何架构。当我们的内容分析器针对图片分析之后，手机的CPU只需要读回我们分析的结果，之后根据我们运算的结果再去控制LED 驱动器即可。因此手机厂商不需要为我们做任何改变。第二个架构是手机厂商可以将LED 驱动器的控制权由CPU端转移到LCD 驱动器这里。也就是由LCD驱动器去控制LED 驱动器。我们的IC可以提供各式各样的架构供合作厂商选择。
　　矽创ST7783这项产品中有五大特点：第一、背光省电方式不影响视效;第二、不增加CPU处理负担;第三、内建高速处理电路可播放动画;第四、可减少一半以上的背光消耗电力;第五、现行CPU/驱动器 IC的接口不需改变。
　　我们认为在2008年下半年，背光控制将会是很热门的讨论话题。
　　
　　图8 矽创成长有目共睹
　　
　　图9矽创与同业业绩比较
　　
　　图10 矽创于各大厂商的TFT产品
　　
　　5.省略.tw。