通过可变帧率优化显示图像质量和功耗　

摘要：动态改变平板显示屏的刷新速率可以帮助平衡图像清晰度与用电量之间的冲突性需求。然而，频率变化时还需要特殊的电路来提供针对像素公共电压的实时调节，以确保可接受的无闪烁图像质量，并维持显示寿命。

　　基于液晶或有机LED技术的平板显示屏目前采用介于30Hz到240Hz之间的固定帧率。如果该帧率在低端，则功耗降低，但是快速运动的图像会出现图像拖尾和显示质量损失。出于这个原因，高端电视机出现了每秒240帧(fps)的更高帧率趋势，这消除了各种残留图像，例如跑垒员溜进二垒位置或飞行中的高尔夫球的多个图像。

　　然而，高帧率的缺点是增加了功耗，因为显示面板必须在与较慢速率下的单个刷新周期相同的时间段内执行多个刷新图像生成周期。这些更高的帧率将对移动平台(例如笔记本PC)上的运行时间产生重大影响。

　　这两个低帧率/低功耗和高帧率/高功耗的极值之间存在替代选择。未来的显示面板将采用一种技术，它会根据正在显示的内容和所需图像自适应地调节帧率。对于电子表格和文字处理，低于30Hz的帧刷新速率已经足够快，而显示快速运动的游戏场景时，同一显示面板可能会设置为以240Hz帧率运行。

　　但是，与增加典型液晶或有机显示屏(LCD或OLED)面板帧率相关存在实际问题，由于它们的技术和制造问题的物理性质，它们的最佳电气工作点可能会随着帧率的变化而变化。这些显示屏使用薄膜晶体管(TFT)背板来控制每个像素，图1为TFT LCD像素元件的简化示意图。TFT 栅电压施加到具体面板行，从而允许来自相关列的源电压电流，以便通过调节光透明度级别来构造像素图像。

　　这通过使用铟锡氧化物(ITO)电极调节穿过电容器的电势来实现，它是显示屏的半透明金属层。由于这些晶体管阵列由薄膜沉积技术沉积，晶体管(其充当开关)的质量和一致性很不理想。

　　在典型的电视TFT面板中，尺寸跨度为30至80英寸，源极电压的范围为0到24V。随着面板尺寸的增加，最大源电压也必须随着驱动电流需求的增加而增加。像素的底部通常连接至背板，该节点电压称为公共电压或V_COM，并且应该在整个面板区域内保持单个电势。另外，要延长面板的寿命而没有闪烁问题，V_COM通常设定在介于零和最大电源电压之间约中点位置，约为模拟电源A_VDD的一半。(注：公共电压V_COM是真正的“公共电压”而不是“接地电压”。)

鲜为人知的TFT特性是关键

　　由于TFT背板由大区域薄膜沉积制成，V_COM电压的最佳值将由于制造偏差而因面板而异，即使在单个生产线中也是如此。如果面板的尺寸足够大，它也可能会在单个面板内变化。因此，面板模块组件的最后一个检查点旨在执行显示品质测试，它涉及每个面板的最佳V_COM电压设置的工厂校准和调节。

　　对于这些面板，像素信息更改时，设法使VCOM在面板间以及整个过渡周期中一致非常重要。在大多数面板中，通过使用运算放大器(通常称为V_COM缓冲器)的1至12个信道完成，它连接到用于存储工厂设置电压电平的数字电位计的数字/模拟转换器(DAC)输出。如图2所示，现在使用典型V_COM发生器由非易失性存储器、DAC和缓冲放大器组成。

　　V_COM电压在有图像不断变化的信号扰动时，其设定电压会发生变化。然后，V_COM缓冲放大器将输出或吸入输出节点电流，以便该电压返回到由数字电位计所存储的设定电平。恢复V_COM输出节点所需的能量总量取决于由瞬态以及电源电压产生的偏移程度(以给定帧率)，其通常介于V_DD和接地之间。该操作假定固定帧率。

　　随着许多应用中的显示屏朝着可变帧率(刷新速率)发展，这种情况很可能会变得更加复杂。在这种情况下，个人计算机会以较慢的(30帧/秒)速率显示电子表格或文字处理应用程序的图像，而针对高端游戏快速移动的运动图像则需要切换到更高的速率(高达250帧/秒)。

可变帧率实施对标准设计提出了挑战

　　新的“自适应同步”格式理念需要从独立显示器或笔记本电脑显示屏读取各种可变帧率。可变帧率需要实时调节V_COM，以避免帧率内的理想V_COM电平变化时因不理想的初始V_COM设置引起闪烁。

　　在传统面板中，可以接受使用单个固定的V_COM值管理并最小化闪烁水平，因为来自GPU(图形处理单元)的垂直频率的范围相对较窄。因此，面板具有单个优化的V_COM电平设置足以，并且在发货时预设该值。由于仅具有针对面板工作的中心帧率进行校准的一个固定的VCOM电平，因此，奇偶帧之间的平均电压不会出现很大的不同，如图3所示。

　　对于具有自由同步或自适应同步的可变帧率面板而言，很难通过单个固定的V_COM值优化闪烁水平，因为垂直频率的可变范围比传统固定帧率更广。如果预设并固定V_COM电压，放电时间跨度中的变化将非常高，而这将加剧闪烁问题。

　　如图4所示，区域A与区域B的比率将随着刷新时间期间在原始帧率的基础上显著变化而变得非常不同。随着刷新周期变得更长，最佳V_COM电平将从V_COM1更改为新值V_COM2。如果不相应调节V_COM电平，区域A’和区域B’的比率会随着放电时间的增加偏离其约1.0的正常值。

可变V_COM电平发生器(VVLG)方法

　　传统V_COM发生器由数字参考电压(DVR)块、I²C接口、EEPROM和运算放大器组成，如图2所示。V_COM电平使用I²C接口设置，并存储在EEPROM中。用户写入新的V_COM值前该电平不会改变。凭借该配置，帧率变化(例如从30Hz到90Hz)时“即时”执行V_COM电平更改不切合实际。

　　解决方案是可变V_COM参考，它可以在不同的帧率施加到面板上时调节其值，具体由显示的图像要求确定。实施这种新方法的C是Exar公司的IML7918可变V_COM电平发生器(VVLG)，如图5所示。

　　VVLG的理念是提供可变VCOM电平，其通过针对不同垂直频率自适应或通过外部控制信号实现。这最大限度地减少了感知到的闪烁水平，因为自适应地更改VCOM电平会尽量减小区域A和区域B之间的差异。GPU会生成不同的垂直频率，还将调整并更改VCOM电平以保持区域的平衡(区域A=区域B)。

　　为解决自适应同步显示面板的V_COM电平调节需求，需要具有对应于不同面板帧率值的多个寄存器和非易失性存储(NVM)体的V_COM发生器。工厂可以为面板的各种帧率设置最佳V_COM值，该器件会生成计时控制器芯片需要的V_COM输出。例如，它们可以是针对20Hz、40Hz和更高的预设值，高达240Hz的刷新速率。

　　调节输出V_COM电平的另一种方式是通过使用内置在IC中的频率检测器调节。计数器通过监视垂直启动(STV)信号并将V_COM输出调节到正确的电平测量帧率。八个不同V_COM值可以存储在器件中，在它确定频率后，IC将自动产生最适合使区域A’和区域B’相等的V_COM值，从而最大限度地减少闪烁。为准确检测和测量STV，该器件包括一个准确修整的振荡器。

　　图6显示帧率变化时V_COM输出电平中的变化如何由来自计时控制器的STV信号的IC监测进行感测。示波器图像底部的区域1差异表示帧率变化，而迹线则显示V_COM输出电平。在图6(a)中，该功能禁用，而图6(b)则显示由启用该感应功能所形成的V_COM的受控变化。不同帧率的各种V_COM电平在工厂进行校准，以实现高性能显示面板。

　　调节最佳V_COM电平的另一种方法是通过I²C端口直接向器件提供控制信号，如图7所示。由范围通道1和通道4提供I²C控制信号，通道3V_COM电平针对给定帧率调节为所需值。

结论

　　下一代显示屏及其控制器将具有灵活处理不同显示图像质量要求的能力。这些显示屏面板称为“自由同步”或“自适应同步”单元，将具有调节它们的帧率以与图像要求相匹配的能力。因此，有必要针对给定帧率调节并优化面板的VCOM电压电平。否则，无法避免的恼人闪烁噪声将出现在这样的显示屏上。

　　目前没有一个面板供应商能够提供具有强大帧率变化能力的显示屏。虽然某些专家表示，较高的帧率不明显提供真正的优势，而真正的显示屏用户(例如游戏玩家)可以看出差别，很有可能某些显示屏厂商将尽力支持他们的需求。建议的可变V_COM生成器将实现该升级，因为它会在帧率转换期间通过调节V_COM电平消除闪烁噪声。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第8期第70页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。