LCD用时序控制器（TCON）的技术与特征

作者：张箭时间：2019-12-26来源：电子产品世界收藏

　　Adam Chen （硅谷数模半导体市场总监）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201912/408670.htm

　　张箭（硅谷数模半导体资深系统工程总监）

　　摘要：每个显示面板都有1个时序控制器（TCON），它是显示器内部唯一的有源元件。不同的显示器使用不同类型的TCON。本文将讨论面向IT市场使用的TCON：LCD（液晶显示器）笔记本电脑和显示器。

　　关键词：时序控制器；TCON；LCD

　　一块LCD面板具有数百万个红绿蓝色（RGB）液晶，这些液晶用于在施加电压时阻止白色背光，发送到每个像素的高压信号控制要阻挡的背光量。白色显示表示没有任何障碍物，黑色显示表示所有3种颜色均被最大限度地遮挡。

　　过滤的强度决定了对比度。背光灯的亮度决定了显示器的强度。不同级别的过滤会产生不同的颜色。电压调整的速度会影响像素响应时间。

　　TCON引导高压驱动器芯片移动彩色滤光片，通常位于玻璃面板下方的电路板上（如图1）。

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　　1 TCON接口

　　GPU，如Nvidia、AMD和Intel的集成显卡使用嵌入式DisplayPort（eDP连接）来发出信号。

　　eDP被开发为专门用于嵌入式显示应用，例如笔记本电脑、多合一电脑。它基于VESADisplayPort™标准，具有相同的接口，并且可以共享GPU上的相同视频端口（图2）。

　　eDP连接速度快，使用的电线很少，并且在尺寸，带宽和附加功能方面都非常灵活。eDP在一个插头中提供所有面板连接，包括电源，数据和控制信号。这是硅谷数模所擅长的。

　　eDP将在未来几年内取代LVDS，在降低系统成本、功耗和尺寸的同时增加新的系统功能。

　　Arm处理器通常使用MIPI连接。MIPI连接需要更多的电线，但功耗比eDP低。它们通常仅适用于最大10 英寸（注：1 英寸等于2.54 cm）的屏幕。

　　电视系统通常使用Vx1连接，这种连接对不同的电缆类型具有很高的兼容度。

　　2 TCON的功能

　　GPU负责将数式转换为单独的像素和帧，而TCON则采用GPU生成的单独帧、校正颜色和亮度，然后在面板的特定时间将图像的一部分发送给每个单独的驱动器。

　　TCON通常是面板设计的一部分，而GPU在主板上。

　　TCON在以下方面发挥作用：亮度（HDR），颜色，触摸，刷新率，省电。

　　2.1 亮度

　　人眼具有难以置信的动态范围。这意味着我们可以同时看到非常暗的和非常亮的图像。但是，相机传感器和显示面板都无法显示该范围。您的相机通过使用多次曝光中的图像来合并图片的最亮和最暗部分来生成HDR图像。这样可以增加明暗之间的对比度（动态范围），从而从较暗或褪色的区域中抽出细节。

　　HDR（高动态范围图像）准确地将现实世界的颜色和亮度映射到显示面板。VESA DisplayHDR™标准制定了HDR质量，其中包括亮度、色域、位深度和上升时间。

　　硅谷数模已经生产出经VESA DisplayHDR400™认证的TCON，可实现更高的对比度和更鲜艳的色彩，产品型号为ANX2403，显示效果如图3。

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　　显示面板不能显示大范围的亮度。正常的阳光可以达到10 000 cd/m² ，但是今天大多数笔记本电脑的背光约为250 cd/m² 。

　　VESA推出了笔记本电脑和显示器HDR面板的规格，分别为VESA DisplayHDR™400、500、600、1 000（注：数字是指面板的最大nits级别）。

　　VESA DisplayHDR要求面板需要满足最小的亮度、对比度和颜色。没有面板可以达到10 000 cd/m ²的自然光。250 cd/m² 笔记本面板可以产生的最亮亮度是250 cd/m ² ，超过250 cd/m ² 的任何图像都会被冲洗掉。同样，从250 cd/m ² 到10 000 cd/m ² 的细节也看不到。

　　HDR400规格要求对比度为1 000：1。这是比较困难的，因为即使在全电压下，液晶也不能阻挡100％的背光。因此，即使屏幕上没有任何内容，您也总是知道电视何时打开。

　　HDR400规格需要可调光的背光，这有助于产生更深的黑色并降低功耗。色调映射用于将10 000 cd/m ²的整个范围映射到面板可以处理的范围，因此可以看到详细信息。色调映射不会增加面板的亮度，只会使细节可见。

　　2.2 调光控制

　　VESA DisplayHDR600需要局部调光。LCD面板无法达到对比度6 000：1的要求。但是，这可以通过局部调光来克服。

　　对于真正明亮的区域，背光必须非常明亮。对于非常暗的区域，背光必须非常暗（如图4）。

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　　例如，1块750：1对比度的面板需要8种不同的背光功率设置，才能达到6 000：1的对比度。但是，除非有成千上万的单独区域，否则局部调光总是在明亮区域周围产生光晕。为了减少光晕，建议采取以下措施：

　　•增加细分数量。

　　•增加离轴面板对比度，并减小垂直轴与45°离轴之间的对比度差。

　　•提高EOTF-2084跟踪精度。面板级别应与高低值匹配源请求。

　　•限制相邻段的差异（在TCON中）以降低对比度，并节省了功率以减少光晕。建议将每个相邻网段的背光灯功率降低一半。

　　•请勿完全关闭背光灯（在TCON中），但即使该段应该是全黑的，也要保持一些最小的非闪烁功率。

　　VESA DisplayHDR400需要全局调光（图5）以整体调节背光。但是，明亮的区域会点亮整个屏幕。

　　显示器可以在许多区域使用直接背光。可以使用额外的液晶层来使特定位置的背光变暗，但这通常会导致面板对于笔记本电脑来说会太厚。

　　笔记本电脑背光灯在面板边缘使用LED来减小面板厚度。这些可以在1侧、2侧或全部4侧。每个边缘都会增加成本和边框尺寸。

　　全局调光节电：图6显示了1个15.6英寸UHD面板，其最大亮度为400 nit。图7显示了400、50和5 cd/m 2 之间的背光功耗值的比较。

　　2.3 颜色管理

　　颜色管理的主要目的是在各种颜色设备之间获得良好的匹配。例如，视频一帧的颜色在计算机LCD监视器、电视屏幕和印刷海报上应是相同的显示。颜色管理有助于在所有设备上实现相同的外观，前提是这些设备能够提供所需的色彩强度。颜色管理不能保证相同的颜色再现，因为这几乎是不可能的，但是至少可以更好地控制可能发生的任何改变。

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　　一台PC上使用相同屏幕的情况下，HDR和SDR（标准动态范围）模式下是使用不同色域的。双屏手机和笔记本需要两屏的颜色一致才能完美匹配。对于需要浏览网站、电影、视频游戏等用户需要知道他们所创建的内容在自己设备屏幕上显示出来的色彩或亮度等要与在客户的屏幕上是完全相同的。

　　随着面板的改进，新面板的色彩空间可能会超过Windows的色彩空间。这将导致其可能看起来会过于饱和。有一种趋势是低蓝光或“夜间模式”面板，同时仍保留其他颜色的颜色精度。如今，通过测量每个单独的面板来创建低蓝光面板，然后希望产量足够高。

　　硅谷数模的Advanced Color Blocking（ACB）技术用于在不同面板上创建一致的图像质量，并针对不同的使用模式来更改色彩空间（图8）。它允许在光学色域而不是RGB域中进行3D色域旋转，并且可以动态更改颜色空间，例如，BT.2020源到sRGB或DCI-P3面板的颜色映射。它包括LUT影子寄存器和硬件转换计算（以平滑更改）。

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　　TCON中的颜色转换可以是动态且连续地调整来自GPU的输入信号，以实现低蓝光色彩空间。这样就不需要独立的面板测量，并且产量可以被增加。虽然这也可以由GPU本身完成，但这需要GPU带宽和500倍的功耗。

　　2.4 省电技术

　　1）面板自刷新（PSR）– TCON中的帧缓冲区可以保持图像显示而无需从CPU接收视频数据。对于静止图像，允许GPU进入低功耗状态，而eDP主链接关闭。GPU在显示更新之间关闭电源将节省大量电量并延长电池寿命。

　　除了看电影或玩游戏外，很多时候视频在多个帧中都不会改变。PSR节省了全屏图像的功耗。

　　面板自刷新功能可延长电池寿命（如图9）。

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　　2）具有选择性更新的面板自刷新（PSR2）是面板自刷新功能的超集，它允许在视频帧内传输修改后的区域，从而在观看电影或玩游戏时具有较为明显的优势。PSR2可识别何时只有一部分屏幕是静态的，这是有选择的更新。在PSR2中，当全屏为静态时，可以降低刷新率，以实现进一步的节能，如英特尔低刷新率（LRR）一样。英特尔LRR通过更改像素时钟或更改垂直空白来降低刷新率，具体取决于空闲、播放视频、浏览等情况。所有硅谷数模 TCON均支持英特尔LRR。

　　3）以60 Hz的频率刷新显示。但是，GPU会在准备就绪时开始刷新显示。该技术通过动态更改刷新率而无需更改任何模式，从而将GPU输出与显示刷新同步，重点在于减少卡顿、撕裂和输入滞后（如图10）。

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