LCD驱动IC发展动向

轻巧、省电的液晶显示器广泛应用在各种可携式电子机器与电视等领域，一般认为液晶显示器今后在平面电子显示器产业占有重要地位。各种用途使用的液晶显示器，除了低消费电力化与提高影像质量之外，还要求解决应用上各式各样的技术课题，尤其是LCD电路中的驱动IC将扮演决定性角色。

大型LCD驱动IC的发展趋势

‧输出多脚化

PC与电视用大型LCD的驱动IC可以分成:
a.依照信号提供LCD灰阶电压的“source驱动IC”
b.控制TFT开/关的“网关(gate)驱动IC”

依照LCD分辨率不同，液晶显示器通常会使用8~15个source驱动IC，与3~5个网关驱动IC。上述两种驱动IC成为决定LCD功能，亦即所谓“关键性组件”。随着LCD的高精细化、多色化，要求source驱动IC改善功能与成本等两大目标。

图1是大型液晶面板分辨率与驱动IC脚架数年代别的发展趋势，由图可知驱动IC脚架数随着LCD分辨率的增加，不断朝多脚架化方向发展，主要原因是最近几年针对LCD低成本化等要求，导致驱动IC的使用数量大幅遭到削减，IC单体具备功能相对增加所致，例如使用384ch输出的驱动IC，WXGA(1280×960) Full HD(1920×1080)的液晶面板，驱动IC的使用数量分别是:8个source驱动IC，与12个网关驱动IC，驱动IC使用数量的削减除了达成低成本的目的之外，对实际封装具有正面的帮助，不过驱动IC的多脚架化后与液晶面板大尺寸化一样，会引发驱动IC发热等问题，因此今后随着高驱动能力必需进行适当的散热对策。
　
图1 大型液晶面板分辨率与驱动IC脚架数的发展趋势

‧高速接口的适用性

随着LCD的高分辨率化与多灰阶化，时序控制器(timing controller) 与source驱动IC之间的转送数据量急遽增加，造成CMOS信号数据的信号线数量、消费电力，与EMI噪讯的暴增等棘手问题，因此研究人针对员驱动IC，提出差动小振幅serial I/F，亦即RSDS与mini-LVDS改善方案。
图2是驱动IC的I/F发展趋势，如果参照图1 LCD分辨率的发展趋势统计，事实上差动小振幅serial I/F的比率，每年都有呈现增加趋势，因此最近几年各公司针对40吋以上超大型LCD与笔记型计算机用窄边幅LCD，陆续提出新接口规格，随着LCD高速化、低EMI化、低消费电力化，可以支持各种应用课题的接口因而备受期待。
　
图2 source驱动IC的I/F发展趋势
　
‧LCD电视用驱动IC的开发

a.驱动IC的高耐压化

平面电视正式子跨入成长期，液晶电视除了需求扩大之外，市场对液晶电视高画质化的要求则更加迫切，为实现可以媲美传统CRT电视的宿愿，大视角、高对比、高反应速度，以及灰阶性的提升正积极展开中，可以支持上述液晶面板的驱动IC，以具备高电压驱动能力的source驱动IC的需求最受关注。

以往笔记型计算机与监视器的TN面板驱动电压大约是10V左右，为了支持大视角的IPS、VA型液晶面板，要求驱动IC以高电压驱动，例如IPS液晶面板要求15~16V的驱动电压，VA型液晶面板要求13V左右的驱动电压。图3是source驱动IC的耐压产品一览。
　
图3 source驱动IC的耐压产品一览(NEC)
　
b.10bit驱动IC的开发

目前液晶电视大多使用8bit的source驱动IC，然而8bit的驱动IC在低灰阶领域，无法充份发挥灰阶再现性，此外为支持液晶电视高画质化的需求，必需针对影像数据输入驱动IC的前段，进行对比、调色、γ(辉对－灰阶特性)等补偿处理，此时基于防止灰阶数减少等考虑，例如8bit的影像数据进行10bit的影像位扩充处理，传统8bit驱动IC经过补偿处理变成10bit扩充影像数据，必需利用画格率(frame rate)控制技术进行时间轴变调，或是利用面积灰阶手段，将dither图案再度转换成8bit的影像数据，此时会产生闪烁(flicker)、分辨率劣化、特异图案等waving问题。

开发可以支持10bit的驱动IC成为解决上述问题常用手段，不过0bit的驱动IC会有输入数据导线数、芯片尺寸增加等反效果，因此研究人员针对输入I/F采用mini－LVDS设计，试图藉此抑制数据bus导线数的增加，同时还开发全新的D/A变频器(converter)与输出增幅器。图4是驱动IC的芯片尺寸发展趋势一览。
　
图4 驱动IC的芯片尺寸发展趋势一览
　
c.改善动画显示技术

液晶显示器显示动画时，影像质量不如传统CRT，实现无动画残影的动画显示技术，对液晶电视而言是非常重要的课题。液晶显示器发生动画残影，主要原因是液晶材料的反应速度迟缓，以及液晶显示器采用hold方式显示影像所致。有关液晶的反应速度改善方案，例如开发OCB高速液晶材料，或是采用过驱动(over drive)技术等等，至于hold型显示方式造成动画残影的改善方案，可以利用背光照明模块的点灭，或是插入黑色影像的impulse驱动方式获得改善。

插入黑色影像的驱动方式，对改善液晶显示器的动画残影具有极佳的效果，不过以传统驱动IC实现黑色影像的插入，除了需要将影像数据从TCON转送到驱动IC之外，还需要将黑色影像进行转送，数据转送速度增加却成为引发消费电力、EMI噪讯暴增的主要原因，因此研究人员开发可以强制使驱动IC的输出电压对应黑色影像，亦即对电压具有reset功能的驱动IC。

如图5所示内建动画对应功能的驱动IC，内部设有黑色影像写入用控制端子(BWSEL)，BWSEL信号high期间会根据驱动IC的黑色影像强制输出电压，利用该特殊功能可以在任意期间、任意场所输出对应电压，却不需要将黑色影像转送到驱动IC。
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图5 利用内建动画对应功能的驱动IC作impulse驱动
　
可携式机器用LCD驱动IC的发展趋势

可携式机器用LCD驱动IC，依照LCD系统厂商的应用大致上可以分成:
‧内建显示RAM驱动IC
‧内部无显示RAM的驱动IC

内建RAM的驱动IC内部设有显示内存(SRAM)、驱动电路、时序控制器，IC单体可以产生显示上必要的所有时序。IC内部内建RAM除了变更画面显示之外，CPU不需要将影像数据转送至LCD模块，因此无CPU与LCD驱动IC之间的bus消费电力，对液晶显示器的低电力化具有很大的帮助。内部无显示RAM的驱动IC必需利用外部CPU，进行显示控制以及影像数据、频率(clock)转送，它与内建显示RAM的驱动IC比较，虽然消费电力明显增加，不过制作成本却比较有利。

最近几年类似PDA、GPS、行动电话等可携式电子机器，处理高精细彩色数据的情况越来越多，因此可携式电子机器用液晶显示器要求高精细、多色化等功能，然而高精细、多色化与有无RAM无关，会引发驱动IC的芯片尺寸、消费电力，EMI噪讯增加等问题，尤其是可携式电子机器的封装面积限制非常多，即使是CPU与LCD驱动IC之间的接口，也要求窄线宽的接口，因此接口的serial化成为必要手段，此外无内建RAM的驱动IC转送影像数据时，随着LCD的高精细化、多色化，CPU与LCD驱动IC之间的bus充放电力，与EMI噪讯增加成为重要的课题，因此研究人员提案采用图6，由Mobile CMADS(Current Mode Advanced Differential Signaling)构成的serial界面。

Mobile CMADS属于电流差动型接口方式，它除了可以削减CPU与LCD驱动IC之间的接口数之外，还能够实现低消费电力与低EMI噪讯等目的，此外转换电路是由Nch open drain构成，除了不需要使用不易维持稳定动作的模拟电路之外，它还可以轻易内建在CPU内部作简易的set设计。
　
图6 Mobil CDMAS接口的基本结构
　
图7是传统Mobil CDMAS与次世代Mobil CDMAS2000的规格比较，由图可知Mobil CDMAS2000将时序信号，亦即Vsync信号、Hsync，比照影像信号完全serial化，因此可以大幅削减导线数量，此外由于数据转送的高速化，QVGA等级的面板可以利用数据信号1pair或是CLK 1pair驱动，Mobil CDMAS2000还将数据信号3pair，它可以支持VGA等级的面板。
　
图7 次世代Mobil CDMAS的规格
　
有关内建RAM的驱动IC，LCD的高分辨率化与多色化，除了使显示内存容量增加之外，它同时也是芯片尺寸变大的主要原因，有效对策例如采取0.15μm制程，藉此缩小内建RAM驱动IC的尺寸，同时积极导入不会影响显示画质，还可以有效削减内存容量的影像数据压缩、扩张电路SPC(Smart Pixel-data Codec)技术(图8)。
　
图8 内建SPC的驱动IC基本结构
　
图9是传统显示内存容量削减技术亦即「dither方式」，与「SPC方式」以及经过画质改善的「新SPC方式」三者的显示影像比较，由图可知新SPC方式的显示影像不但无画质劣化现象，甚至可以媲美元影像。
　
图9 影像比较
　
图10是利用传统显示内存容量削减技术，亦即dither方式的显示影像，与利用SPC处理的显示影像，以及利用新SPC处理的显示影像三者的比较结果，由图可知利用SPC处理的PSNR值非常高，即使定量上画质也获得改善。此外利用此新SPC电路可以削减25%左右的显示内存，这意味着内存储取电力与漏电电流可望获得抑制，对消费电力的削减具有正面帮助。
　
图10 PSNR比较结果
　
结语

以移动电话为主流的可携式电子机器，使用的小尺寸液晶面板除了高画质化、低消费电力化之外，未来势力会朝多功能化方向发展。至于电视用大型液晶面板今后将持续维持成长荣景，同时开拓计算机与监视器常见的广视角技晶面板应用市场。 随着显示器得进化驱动IC的需求也逐渐多样化，驱动IC厂商与液晶面板厂商携手合作，积极导入LSI制程技术实现驱动IC低消费电力、低制作成本，则是今后有待努力的方向。