驱动与控制技术推波助澜，新兴显示屏应用加速

chenlang456789

不知不觉间，我们日常使用的多种便携设备悄悄地发生了一些变化。手机的主要用途从打电话扩展到多种辅助功能，如游戏、上网、发邮件、拍照等；MP3播放器提升对视频的需求，向PMP升级；越来越多的PDA、甚至移动电视设备也出现在我们身边。这些设备的一个共同特点是对图像浏览和视频播放的要求提高，而且强调友好的用户交互界面，这对显示屏的控制和驱动系统提出了新的要求。 显示屏的尺寸不仅要更大、显示亮度更高、显示细节的能力更强，响应速度更快，而且要求整个显示控制和驱动系统不能消耗太多的功耗，不能占用太多的电路板空间，因此集成以及降低功耗成为显示驱动和控制电路的重要发展趋势。此外，基于电容性界面的触摸屏也越来越流行，它们使手机等设备的操作更友好，但如何从市场上众多的触控方案，选择合适的触控方案是需要解决的一个首要问题。本文将探讨针对便携设备应用的LCD、OLED等显示屏的驱动和控制技术，以及触摸屏控制技术的发展趋势和最新的解决方案。
驱动芯片集成化的同时仍须平衡全局因素
目前多数厂商提供的LCD驱动越来越向集成化发展，不仅把升压器、源驱动、栅驱动等集成到单芯片中，而且还有一些先驱者把电子部分集成到显示器玻璃上。如何全面平衡集成的利弊？怎样实现驱动最大的功率节省？如何应对新型显示屏对驱动的新要求？这些问题成为驱动领域的热点话题。
对于便携设备中显示屏的驱动电路来说，缩小体积显得尤为重要。把源驱动IC、门驱动IC、时钟控制、电源供应、甚至缓存集成在单个芯片的做法无疑会减少整个系统的体积，同时还简化了便携设备工程师的设计，因此深受欢迎。
此外，由于多种高速串行接口标准并存，如移动显示屏数字接口(MDDI)标准、基于LVDS技术移动视频接口(MVI)标准和移动行业处理器接口(MIPI)标准，所以在显示控制器、接口转换芯片或驱动IC中集成这些接口成为降低设计方案复杂性的一个途径。例如：三星、东芝、夏普、爱普生、瑞萨、罗姆等公司已经推出了各自的内置MDDI接口的显示控制器和接口转换芯片，晶门科技也推出了带MIPI 接口的LCD 驱动IC。
为了满足移动电话的应用需求，还诞生了一些针对移动电话应用程序接口(API)的中间平台方案，其中包括晶门科技推出的支持在移动电话系统中进行灵活连接的mini-RGB接口。该解决方案由mini-RGB控制器SSD1270、一系列单芯片TFT驱动器(SSD1276、SSD1269、SSD2006和SSD2116)和mini-RGB接口组成，大大简化了基带系统和显示模块之间的连接。
值得注意的是，除了IC自身集成度更高并集成多种接口外，业界已有几家厂商推出了把LCD 驱动集成到显示器内的产品。不过，该技术的起飞仍然需要解决成本、良率、和产能等问题。
“更高的集成能使客户减少显示模块外的被动元件，但在众多显示技术中，目前只有低温多晶硅(LTPS)TFT屏幕适合把电子部分集成到显示屏上。”Leadis公司负责LED驱动和电源管理IC的副总裁Donato Montanari表示。
该公司的执行副总裁兼首席运营官Ken Lee补充道：“在高端的、需要更高像素密度的产品中，LTPS的市场份额会比常规显示驱动的a-TFT(非晶硅)大，但在中低端模块中，a-TFT将继续表现出色，因为a-TFT宽裕的产能带来更低的成本。”Leadis公司目前专注于小尺寸、单芯片显示屏驱动解决方案。
把驱动器集成到显示器玻璃中的好处是减少驱动成本、以及简化LCM 流程，但晶门科技的周志光也指出其负面影响：“这种集成方法会使功耗更高，此外由于在面板中实现显示RAM和高速接口(500MHz-1GHz)并不是件容易的事，所以这也是一种不灵活的解决方案。”但他认为嵌入驱动器将是一种趋势，需要5 到10 年时间以及大量的投资来实现。
新算法巧妙实现功率节省
随着显示屏在便携设备中的地位越来越重要，显示屏所消耗的功率占整个系统功率开销的比例也越来越大，低功耗甚至零功耗显示器需求急速上升。在前不久美国加州举行的“SID 2007”展会，许多新技术都纷纷瞄准了这项需求，包括电泳双稳态显示器、双稳态LCD、微机电系统(MEMS)显示器、电润湿法显示器、传统低功耗LCD等。

 

对于节电来说，显示屏驱动IC也是系统功率设计重要的考虑因素。Leadis公司的PowerLite专利技术包含两种算法来实现全面节电：一个是动态背光控制(DBC)算法，用来分析并确定需要多少背光来在最大化节能的同时获得高质量图像，计算结果直接发送到系统LED驱动器，再调整背光LED的功率；另一个是环境光感测(ALS)，利用外部相片探测器来检测环境光，然后基于环境光和特定图片内容，来计算出最优化的背光等级。
“在传统LCD模块中，LED背光驱动器一般不区分图片内容，直接全功率运行。”Montanari指出，“碰到暗一点的图像时，显示屏驱动器令LCD阵列阻挡大部分的背光，这样，由于只有小部分的光是真正通过LCD阵列转送，所以必然会造成功率浪费。”
但使用PowerLite技术后，对于更暗的图像来说，显示屏驱动器允许LCD阵列传送更大量的光，这样系统发出的背光可以大大降低。与标准解决方案相比较，对于较暗的图片，DBC和ALS的算法组合可使显示模块节省75%的功率；对于较亮的图片，能节省20-50%的功率。PowerLite技术目前用在了Leadis公司的LSD285和LDS8861这两款芯片中，能极大的延长用户的电池寿命。
OLED、微型显示等催生新的驱动方案
虽然不同材料的LCD显示屏目前占据着便携市场的主导地位，但诸如OLED、柔性显示等新兴显示技术也逐渐取得商用化进展。在越来越强调低功耗、低成本和快速响应性能的今天，OLED屏幕可以更轻更薄、可视角度更大、成本更低更省电，显示响应时间更小等性能优势无疑会把OLED推向下一代主流显示技术的地位。
但是OLED驱动IC也有着特殊的技术门槛。OLED是电流驱动型显示设备，各个像素点的电气特性不一致，为了达到亮度均匀，每个像素点的电流大小必须相同，因此需要额外的电流参考亮度控制系统。OLED的控制与驱动芯片是一种数模混合、高压低功耗集成电路，需要集成控制器、静态存储器、数模转换器、直流电压变换器、振荡器、源驱动和栅驱动等电路模块。
由于LCD 技术已经发展的非常完善，这对任何新的显示技术来说都是一个障碍，新兴技术需要大资本投资以进入高批量的显示市场。Lee透露：“2003-2005，PM OLED 曾短暂辉煌，但却把地盘丢给了LCD。我们认为未来AM OLED在显示市场上更有潜力，而且Leadis在两年前就开发了AM OLED的驱动。”
影音TFT(AV TFT)是最近被开发的市场，最初是从笔记本和DVD 显示发展而来。“它已从模拟转换成数字接口。”晶门科技有限公司的周志光透露，“晶门科技把电源单芯片、源驱动、栅驱动整合进单芯片SSD2116中，适用于横向QVGA分辨率的AV TFT显示器。”
微型显示和电子纸显示技术也有着巨大的机会，其特殊的性能为创新应用留有更多的、以前从未想象到的空间。但是新技术变得成熟、并适合大批量生产，还需要更多时间。目前引人注目的进展是摩托罗拉采用晶门科技双稳驱动器的电子纸手机已进入量产阶段。该款双稳驱动器控制器包含：用于命令和图像数据输入的MCU接口、用于缓冲图像数据的显示RAM、以及高电压驱动输出。
触控方案呈现可编程趋势，关键性能指标逐一破解
仔细分析市场上常见的触摸屏技术，会发现目前占主流的还是基于电容的方案。电容式触控技术已迅速成为连接显示器与媒体控制应用的理想方案，持久的耐用度、简单的材料清单、简洁的外观设计，都是其风靡于多种便携产品应用的推动力。
对于赛普拉斯(Cypress)半导体公司的PSoC这种可编程IC来说，改变电容感应设计的软件是非常容易的事。新的固件可以通过软件枚举上载到电容感应的PCB板上，用户不必从系统中拆下PCB或者电容感应模块。如果固件出现了问题，做一个简单的软件升级即可，根本不用更换整个电容感应模块。
相反，作为触控领域另一家主流厂商，义隆电子所量产的触控屏程序是提前写好的，但该公司表示也在考虑芯片的可编程性。“义隆计划未来会提供一些可编程的触控芯片。”李予善透露，“而且我们会把一些常用的软件放进去，使客户可以直接调出来用，为其设计带来更大弹性。短期内，义隆的方案以OTP为主，比起采用Flash的工艺在成本上更有优势。”
不过可编程芯片对用户的开发能力要求很高，一些业界人士指出，很多使用PSoC的客户都借助了代理商的编程方案，而自己进行编程的并不多。可编程在提供设计便利性的同时，也为设计者的设计能力提出了更高的要求。
面临市场上众多的触控方案，如何判别其优劣，并选择合适自己产品的方案成为工程师头痛的问题。Cypress的PSoC CapSense产品经理王一杭表示：“当我们评估一种电容传感方案的性能，我们审查抗扰度、信噪比和功能。信噪比是一项重要的指标，信噪比低的系统不好。CapSense方案针对各种各样的噪声源进行了测试，显示了优秀的免疫能力。实际上, 我们还经常帮助客户定义合适的生产测试规则。”
其它的性能指标，如RF抗干扰性、抗AC噪声、对电源瞬时过冲的适应性等，也是电容感应设计时的重要因素。“基于PSoC的电容感应方案和算法经过了严格的性能测试，使客户不必在噪声导致的失效问题上花太多的时间进行调试。”王一杭表示。
除此之外，“还应该注重解析度和灵敏度这两个参数。”义隆电子电脑周边部专案经理李予善认为，“在解析度方面，义隆的触控板技术在广泛用于便携式设备之前，最初是用于笔记本电脑上的，长期以来曾积累了很多技术经验，目前可以达到300dpi，即每平方英寸上300x300个点。而对于灵敏度，目前有八个段可以调整，因为对灵敏度来说，并不是越灵敏越好，有时灵敏度太高会造成误读，灵敏度不够又会导致按下去没反应。所以应该强调的是灵敏度的可调性。”
触控屏的功耗参数同样重要。Cypress的PSoC也增加了类似的背光控制和环境光感测，以在执行电容触控的同时实现节电的性能，从而延长电池寿命。
此外，由于便携产品应用环境差异很大，所以芯片最好能有一个宽广的工作温度范围。义隆电子的触控芯片的工作温度在-40到80度之间。
王一杭建议设计工程师在设计电容性感应界面时需要注意以下四个问题：需要有简单易用但功能强大的设计工具；灵活的架构；集成化的能力；具有成本效益的解决方案。简单易用、功能强大的设计工具可以帮助设计人员花费几个小时而不是几天来完成定制的CapSense触摸屏设计。灵活的架构对于原型和测试阶段来说非常重要，许多手机设计都是在经历了无数次的设计修订才最终定稿的。
在设计电容性界面的过程中，还必须十分小心以确保在覆盖层和传感元器件之间没有金属涂料粒子以及空气缝隙。位于涂层上的金属点或者其他导体物质将阻碍电容性传感器的正常工作并中断侦测。位于传感器件和涂层之间的空气间隙将劣化电容性能。针对这种现象，Cypress推出了用户定制设计的指引，来帮助设计师设计可实际工作的电容性系统，避免昂贵的重新设计循环。
在触控这个领域，芯片制造商和系统厂商的合作关系会更密切一些。在这个领域，做出样品不难，难的是在量产过程中控制好良率、可制造性等问题。传感器的尺寸很大，无法和控制器集成，而且如果显示屏贴合不好，还会影响触控质量，因此一些半导体厂商除了直接销售触控模块，也和显示屏厂商合作，以提供贴好触控模块的完整的触控屏。