LCD Driver技术简介及发展趋势

摘要：本文详细探讨了LCD驱动技术的发展趋势及设计人员应注意的一些问题。

关键词：液晶显示器；驱动器；薄膜晶体管

　　“LCD Driver”是一个范畴相当广的话题，LCD 的驱动类型大体可区分成TN(Twisted Nematic)、STN(Super-Twisted Nematic)、以及TFT(Thin-Film Transistors)等三类，其中TN LCD 多使用在仪器仪表等简单的对图像品质要求不高的数字显示屏上，而TFT LCD则适用于小至数码相机的显示屏，大至数十英寸的液晶平板电视。

　　仪器仪表需要LCD驱动IC，大尺寸液晶显示也需要驱动IC，然而不同类型、不同尺寸的LCD却必须搭配不同的驱动IC，没有一种LCD 驱动IC可以满足各种类型、各种尺寸的驱动需求，因此在谈论LCD驱动IC时必须有更明确、更具体的范畴定义，才能够完整说明与讨论。

　　如今，有关TN、STN 之类的LCD 驱动IC 其技术已相当成熟，技术发展与市场成长都达到一定程度，国内的IC 设计业者逐步跨入此领域，这就迫使日本、韩国、台湾的驱动IC设计业者朝更高技术性的LCD驱动IC发展，从TN、STN 转向TFT，从小寸数转向大尺寸。本文侧重介绍LCD TFT驱动技术。
   
LCD显示原理

　　TN型液晶显示原理

　　TN型的液晶显示技术是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液晶显示器也是在TN型基础上加以改良。其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应，简称TNFE(twisted nematic field effect)。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成。

图1  LCD Driver系统

　　STN液晶显示原理

　　STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。

　　在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片(color filter)，并将单色显示矩阵之任一像素(pixel)分成三个子像素(sub-pixel)，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

　　TFT液晶显示原理

　　TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括：萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。

LCD驱动芯片的作用与分类

　　通常在个人电脑等电子设备中都集成了液晶显示器和对应的驱动芯片。液晶面板上的图像显示是通过驱动芯片提供的模拟电压来实现的。LCD驱动芯片通过模拟电压输出直接驱动显示面板，因而它的性能将直接决定LCD器件的显示效果，另外由于它具有大量高电压模拟输出引脚、高速低振幅数字信号输入等特点而成为了当今的技术热点。

图2  NS公司的TFT LCD驱动IC：FPD33684，该驱动晶片强调低EMI、低功耗并支持RSDS介面，适合用于笔记型电脑或桌上型液晶显示器上。(www.national.com)

　　目前比较常用的是STN和TFT的LCD显示器件。由于TFT是发展的趋势和主流，后文中我们将主要针对TFT的LCD驱动芯片来谈谈此类IC。驱动TFT的液晶显示器需要使用Gate Driver和Source Driver两种驱动芯片，其中Source Driver负责提供列上各色素点的驱动电压，而Gate Driver控制每一行像素的选通状态。另外，从应用的角度来看，工业产品或便携式产品的LCD显示设备的应用主要分为大屏幕(大于9英寸)和小屏幕(小于9英寸)的应用领域。通常情况下，小屏幕应用时通常会选择Source Driver和Gate Driver复合在一起的Controller Driver来驱动，而大屏幕设备通常使用二者分离的驱动方式。

LCD控制驱动器的设计与开发

图3  在手机用的TFT LCD驱动芯片上EC有其独到的界面传输技术：Mobile MCADS，优点在于缩减线路数与降低EMI杂迅，图中粉红色即是NEC电子的LCD驱动芯片的位置

　　在多路驱动方式中，像素可分为选择点、半选择点和非选择点。为了提高显示的对比度和降低串扰，应合理选择占空比(duty)和偏压(bias)。 施加在LCD上所表示的ON和OFF时的电压有效值与占空比和偏压的关系如下：

　　Vo:LCD驱动电压
　　N:占空比(1/N)
　　a:偏压(1/a)

　　多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动。点反转驱动适合于低占空比应用，它在各段数据输出时，将数据反转。帧反转驱动适合于高占空比应用，它在各帧输出时，将数据反转。

　　对于多灰度和彩色显示的控制方法，通常采用帧频控制(FRC)和脉宽调制(PWM)方法。帧频控制是通过减少帧输出次数，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。

图4  TFT驱动方式

　　显示方式从简单的段式、点字符式到复杂的点阵式、阶调式的变化。显示颜色从黑白逐步变化到彩色。显示屏从小到大，响应时间逐步缩短，目前STN显示器在成本及消费电流方面有优势。TFT显示器在对比度和动画对应速度方面有优势。 作为LCD驱动器标准电路生产厂主要有NEC 、EPSON、三星等公司。

　　LCD驱动器基本构成由以下部分构成：

　　控制部分：
　　TopDown(自顶向下)  逻辑电路

　　RAM部分：
　　手工设计  异步2 PortRAM
　　I/O口  输出专用口

　　模拟部分：
　　手工设计  DC/DC转换器
　　D/A转换器  升压放大器
　　电压跟随器  稳压电路
　　温度补偿电路  振荡电路

　　I/O部分：手工设计

LCD驱动设计流程

　　1.确定LCD驱动电路规格书。根据市场需求及发展趋势，确定LCD驱动电路的规格书。

　　2.建立完整的设计环境。由于LCD控制驱动电路涉及到数字、模拟和高压电路。SPICE参数的提取和验证是其中重要的一项任务。因此，设计和工艺人员应制作测试用的TEG片，并对TEG片进行测试，提取和验证SPICE参数，建立完整的设计环境。

　　3.LCD控制驱动电路设计。电路设计包括确定电路设计方案、逻辑综合、电路仿真和物理实现。

　　如采用低功耗技术，需选择低功耗电源，内置存储器和降低振荡频率，采用OSO(One Shot Operation)电路技术和MLS(Multi Line Selection多线选择)驱动法。

　　·电路描述与仿真
　　数字电路可采用HDL语言描述，HDL仿真。模拟电路可采用原理图输入，SPICE仿真。 对于整体电路仿真需采用数模混合仿真技术，还要解决显示图象的验证技术。

　　·版图物理实现
　　为了保证设计效率，数字电路部分的版图可利用SE，进行自动布局布线。为获得高性能，对模拟电路版图及I/O部分版图应采用手工布图。由于全芯片采用不同的方法分块制作，因此需利用全芯片合成、布局布线技术和部分电路版图和全芯片版图的DRC技术。

　　4.LCD控制/驱动电路测试技术。例如，多引脚对应能力；高速数据传送；高精度测试；高电压对应。表1为LCD 控制器驱动常见引脚配置情况。

表1  LCD控制器驱动常见引脚配置情况

LCD Driver设计需要考虑的问题

　　节约能耗

　　我们先来谈谈小尺寸LCD的发展趋势。手机最初的应用只是单纯的打电话，之后才发展出短信需求。到GPRS的功能开始普及后，手机也成了上网的工具之一，甚至有很多手机拥有了数码相机的功能。近年来GPS功能也渐渐成为手机的必要功能，除此之外还有以游戏、看电视为取向的其他机种。从这些进展我们可以知道手机逐渐走向高画质，高分辨率(由QVGA的128×180到现在WVGA 854×480)。目前日本市场上超过50%以上的机种已经升级到WVGA的显示器。但是高分辨率的产品，手机的处理速度必须加快，这将导致能耗的增加。

　　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，其中35%为QVGA以上的显示等级。一般来说QVGA的显示器需要4颗背光，加上LCD驱动约可造成0.6瓦的耗电量。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2700个一般家庭1年的用电，由此我们可以看到LCD模块的耗电情形。

　　那么，如何省电就成为技术的焦点，背光省电技术进入人们视线。背光省电的技术目前可以分为LABC和CABC两类。

　　LABC的L指的就是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。而当外在环境变暗时，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content，也就是内容分析。他的概念是在LCD驱动内新增一个内容分析器，假设当把图片资料传输进来时，先将其亮度提高24%(此时图片变亮)，再来我们可以将背光降低24%(此时图片变暗)。由于事先已经将图片经过分析器处理亮度，因此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，随时提供省电功能。

　　据分析，整个LCD模块中主要耗电部份是LED背光和LCD驱动。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未来的驱动技术的重点。 但是驱动IC本身是十分复杂的。它包含了各式各样的模拟电路，例如Gate驱动、Source 驱动、存储、计时控制等等。为了导入背光省电技术，应尝试整合画面解析电路、背光调整电路、高画质电路。透过这三个电路的整合，可以达到背光省电技术。

　　高分辨率、广视角的显示画质

　　未来消费者对显示屏将追求更大尺寸、更高清晰的品质，因为分辨率越高，画面显示更鲜艳、逼真。这就驱使显示屏的生产商，努力开发更高画质的产品，以满足终端客户的需求。

　　更快的信息传输速度，提高刷屏速度，避免出现拖影现象

　　众所周知，LCD与其他的显示技术相比，在响应速度上存在明显缺陷，造成图像拖影现象，但这种不足已随着技术的改良逐步改善。其中驱动技术的改良在其中又将起重要作用。

　　绿色环保

　　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环保？目前全球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，进而引发更多方面的问题。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地球上最肥沃的土地，如欧洲、美国、甚至北京、上海等人口众多之地。那么，LCD产业界如何达到绿色环保是非常重要的。构思更省电、环保的驱动IC是LCD行业可持续发展的关键。

TFT LCD Driver未来发展趋势

　　目前手机上TFT都是采用线反转的方式。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，而改用点反转即所有相邻的点其电压都是相反地，到了下一个帧时电位再改变。

　　我们可以预知将来TFT手机的趋势也是点反转，其好处之一是省电。在同控制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，本质上的避免闪频再发生。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。

参考文献：

　　1．应根裕，胡文波，邱勇等，‘平板显示技术’，人民邮电出版社，2002.10
　　2．李维(言是)，郭强，‘液晶显示应用技术’，电子工业出版社