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LCD驅動IC發展動向

輕巧、省電的液晶顯示器廣泛應用在各種可攜式電子機器與電視等領域，一般認為液晶顯示器今後在平面電子顯示器產業占有重要地位。各種用途使用的液晶顯示器，除了低消費電力化與提高影像品質之外，還要求解決應用上各式各樣的技術課題，尤其是LCD電路中的驅動IC將扮演決定性角色。

大型LCD驅動IC的發展趨勢
‧輸出多腳化
PC與電視用大型LCD的驅動IC可以分成:
a.依照信號提供LCD灰階電壓的「source驅動IC」
b.控制TFT開/關的「閘道(gate)驅動IC」
依照LCD解析度不同，液晶顯示器通常會使用8~15個source驅動IC，與3~5個閘道驅動IC。上述兩種驅動IC成為決定LCD功能，亦即所謂「關鍵性元件」。隨著LCD的高精細化、多色化，要求source驅動IC改善功能與成本等兩大目標。

圖1是大型液晶面板解析度與驅動IC腳架數年代別的發展趨勢，由圖可知驅動IC腳架數隨著LCD解析度的增加，不斷朝多腳架化方向發展，主要原因是最近幾年針對LCD低成本化等要求，導致驅動IC的使用數量大幅遭到削減，IC單體具備功能相對增加所致，例如使用384ch輸出的驅動IC，WXGA(1280×960) Full HD(1920×1080)的液晶面板，驅動IC的使用數量分別是:8個source驅動IC，與12個閘道驅動IC，驅動IC使用數量的削減除了達成低成本的目的之外，對實際封裝具有正面的助益，不過驅動IC的多腳架化後與液晶面板大尺寸化一樣，會引發驅動IC發熱等問題，因此今後隨著高驅動能力必需進行適當的散熱對策。
　

圖1 大型液晶面板解析度與驅動IC腳架數的發展趨勢
　

‧高速介面的適用性
隨著LCD的高解析度化與多灰階化，時序控制器(timing controller) 與source驅動IC之間的轉送資料量急遽增加，造成CMOS信號資料的信號線數量、消費電力，與EMI噪訊的暴增等棘手問題，因此研究人針對員驅動IC，提出差動小振幅serial I/F，亦即RSDS與mini-LVDS改善方案。

圖2是驅動IC的I/F發展趨勢，如果參照圖1 LCD解析度的發展趨勢統計，事實上差動小振幅serial I/F的比率，每年都有呈現增加趨勢，因此最近幾年各公司針對40吋以上超大型LCD與筆記型電腦用窄邊幅LCD，陸續提出新介面規格，隨著LCD高速化、低EMI化、低消費電力化，可以支援各種應用課題的介面因而備受期待。
　

圖2 source驅動IC的I/F發展趨勢
　

‧LCD電視用驅動IC的開發
a.驅動IC的高耐壓化
平面電視正式子跨入成長期，液晶電視除了需求擴大之外，市場對液晶電視高畫質化的要求則更加迫切，為實現可以媲美傳統CRT電視的宿願，大視角、高對比、高反應速度，以及灰階性的提升正積極展開中，可以支援上述液晶面板的驅動IC，以具備高電壓驅動能力的source驅動IC的需求最受關注。

以往筆記型電腦與監視器的TN面板驅動電壓大約是10V左右，為了支援大視角的IPS、VA型液晶面板，要求驅動IC以高電壓驅動，例如IPS液晶面板要求15~16V的驅動電壓，VA型液晶面板要求13V左右的驅動電壓。圖3是source驅動IC的耐壓產品一覽。
　

圖3 source驅動IC的耐壓產品一覽(NEC)
　

b.10bit驅動IC的開發
目前液晶電視大多使用8bit的source驅動IC，然而8bit的驅動IC在低灰階領域，無法充份發揮灰階再現性，此外為支援液晶電視高畫質化的需求，必需針對影像資料輸入驅動IC的前段，進行對比、調色、γ(輝對－灰階特性)等補償處理，此時基於防止灰階數減少等考量，例如8bit的影像資料進行10bit的影像位元擴充處理，傳統8bit驅動IC經過補償處理變成10bit擴充影像資料，必需利用畫格率(frame rate)控制技術進行時間軸變調，或是利用面積灰階手段，將dither圖案再度轉換成8bit的影像資料，此時會產生閃爍(flicker)、解析度劣化、特異圖案等waving問題。

開發可以支援10bit的驅動IC成為解決上述問題常用手段，不過0bit的驅動IC會有輸入資料導線數、晶片尺寸增加等反效果，因此研究人員針對輸入I/F採用mini－LVDS設計，試圖藉此抑制資料bus導線數的增加，同時還開發全新的D/A變頻器(converter)與輸出增幅器。圖4是驅動IC的晶片尺寸發展趨勢一覽。
　

圖4 驅動IC的晶片尺寸發展趨勢一覽
　

c.改善動畫顯示技術
液晶顯示器顯示動畫時，影像品質不如傳統CRT，實現無動畫殘影的動畫顯示技術，對液晶電視而言是非常重要的課題。液晶顯示器發生動畫殘影，主要原因是液晶材料的反應速度遲緩，以及液晶顯示器採用hold方式顯示影像所致。有關液晶的反應速度改善方案，例如開發OCB高速液晶材料，或是採用過驅動(over drive)技術等等，至於hold型顯示方式造成動畫殘影的改善方案，可以利用背光照明模組的點滅，或是插入黑色影像的impulse驅動方式獲得改善。

插入黑色影像的驅動方式，對改善液晶顯示器的動畫殘影具有極佳的效果，不過以傳統驅動IC實現黑色影像的插入，除了需要將影像資料從TCON轉送到驅動IC之外，還需要將黑色影像進行轉送，資料轉送速度增加卻成為引發消費電力、EMI噪訊暴增的主要原因，因此研究人員開發可以強制使驅動IC的輸出電壓對應黑色影像，亦即對電壓具有reset功能的驅動IC。

如圖5所示內建動畫對應功能的驅動IC，內部設有黑色影像寫入用控制端子(BWSEL)，BWSEL信號high期間會根據驅動IC的黑色影像強制輸出電壓，利用該特殊功能可以在任意期間、任意場所輸出對應電壓，卻不需要將黑色影像轉送到驅動IC。
　

圖5 利用內建動畫對應功能的驅動IC作impulse驅動
　


可攜式機器用LCD驅動IC的發展趨勢
可攜式機器用LCD驅動IC，依照LCD系統廠商的應用大致上可以分成:
‧內建顯示RAM驅動IC
‧內部無顯示RAM的驅動IC
內建RAM的驅動IC內部設有顯示記憶體(SRAM)、驅動電路、時序控制器，IC單體可以產生顯示上必要的所有時序。IC內部內建RAM除了變更畫面顯示之外，CPU不需要將影像資料轉送至LCD模組，因此無CPU與LCD驅動IC之間的bus消費電力，對液晶顯示器的低電力化具有很大的助益。內部無顯示RAM的驅動IC必需利用外部CPU，進行顯示控制以及影像資料、時脈(clock)轉送，它與內建顯示RAM的驅動IC比較，雖然消費電力明顯增加，不過製作成本卻比較有利。

最近幾年類似PDA、GPS、行動電話等可攜式電子機器，處理高精細彩色資料的情況越來越多，因此可攜式電子機器用液晶顯示器要求高精細、多色化等功能，然而高精細、多色化與有無RAM無關，會引發驅動IC的晶片尺寸、消費電力，EMI噪訊增加等問題，尤其是可攜式電子機器的封裝面積限制非常多，即使是CPU與LCD驅動IC之間的介面，也要求窄線寬的介面，因此介面的serial化成為必要手段，此外無內建RAM的驅動IC轉送影像資料時，隨著LCD的高精細化、多色化，CPU與LCD驅動IC之間的bus充放電力，與EMI噪訊增加成為重要的課題，因此研究人員提案採用圖6，由Mobile CMADS(Current Mode Advanced Differential Signaling)構成的serial介面。

Mobile CMADS屬於電流差動型介面方式，它除了可以削減CPU與LCD驅動IC之間的介面數之外，還能夠實現低消費電力與低EMI噪訊等目的，此外轉換電路是由Nch open drain構成，除了不需要使用不易維持穩定動作的類比電路之外，它還可以輕易內建在CPU內部作簡易的set設計。
　


圖6 Mobil CDMAS介面的基本結構
　

圖7是傳統Mobil CDMAS與次世代Mobil CDMAS2000的規格比較，由圖可知Mobil CDMAS2000將時序信號，亦即Vsync信號、Hsync，比照影像信號完全serial化，因此可以大幅削減導線數量，此外由於資料轉送的高速化，QVGA等級的面板可以利用資料信號1pair或是CLK 1pair驅動，Mobil CDMAS2000還將資料信號3pair，它可以支援VGA等級的面板。
　


圖7 次世代Mobil CDMAS的規格
　

有關內建RAM的驅動IC，LCD的高解析度化與多色化，除了使顯示記憶體容量增加之外，它同時也是晶片尺寸變大的主要原因，有效對策例如採取0.15μm製程，藉此縮小內建RAM驅動IC的尺寸，同時積極導入不會影響顯示畫質，還可以有效削減記憶體容量的影像資料壓縮、擴張電路SPC(Smart Pixel-data Codec)技術(圖8)。
　


圖8 內建SPC的驅動IC基本結構
　

圖9是傳統顯示記憶體容量削減技術亦即「dither方式」，與「SPC方式」以及經過畫質改善的「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劣化現象，甚至可以媲美元影像。
　

圖9 影像比較
　

圖10是利用傳統顯示記憶體容量削減技術，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果，由圖可知利用SPC處理的PSNR值非常高，即使定量上畫質也獲得改善。此外利用此新SPC電路可以削減25%左右的顯示記憶體，這意味著記憶體儲取電力與漏電電流可望獲得抑制，對消費電力的削減具有正面助益。
　

圖10 PSNR比較結果
　


結語
以行動電話為主流的可攜式電子機器，使用的小尺寸液晶面板除了高畫質化、低消費電力化之外，未來勢力會朝多功能化方向發展。至於電視用大型液晶面板今後將持續維持成長榮景，同時開拓電腦與監視器常見的廣視角技晶面板應用市場。 隨著顯示器得進化驅動IC的需求也逐漸多樣化，驅動IC廠商與液晶面板廠商攜手合作，積極導入LSI製程技術實現驅動IC低消費電力、低製作成本，則是今後有待努力的方向。

posted by C.H. Chen @ 2:17 AM