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LCD驱动IC诸元趋势分析

发布来源:www.xyhlcd.com   发布时间:2010-5-5

单只谈「LCD的驱动IC」其实是一个范畴相当广的议题。

LCD的驱动类型大体可区分成TN(Twisted Nematic)、STN(Super-Twisted Nematic)(附注1),以及TFT(Thin-Film Transistors)等3类,其中TN LCD多半使用在数字表、计算器等简单的数字显示,而TFT则小至数字相机的观景窗,大至数十英寸的液晶平面电视都有使用。

所以,数字表也需要LCD驱动IC,大尺寸液晶显示也需要驱动IC,然不同类型的LCD、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可以合乎各种类型、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。

当然,有关TN、STN之类的LCD驱动IC其技术已相当成熟,技术发展与市场增长都达一定程度,因此已少有人关注,也因为技术的成熟,使大陆的IC设计业者也逐步跨入此领域,如此也迫使日本、南韩、台湾的驱动IC设计业者必须朝更高技术性的LCD驱动IC发展,从TN、STN转向TFT,从小尺寸转向大尺寸。

△图说:TFT LCD驱动 IC控工艺序示意图。(制图:郭长佑)

另外一个加速台湾驱动IC提升的动力,是来自液晶面板厂。由于台湾已经成为全球液晶面板的组装、制造重镇,如果LCD驱动IC仍要持续倚赖进口,将难以掌握制造成本、制造时程,所以国内的面板大厂也都积极于LCD驱动IC的国产化,例如奇美电子(CHIMEI)即转投资奇景光电(Himax),由奇景光电研制LCD驱动IC,以大宗供应给奇美电子。

因此,本文以下将以大尺寸、TFT类的LCD驱动IC为主,只有在特有情况下才会谈论TN、STN类的驱动IC,同样的也在特有情况下才会谈论中小尺寸的驱动IC。

驱动IC类型

首先,LCD驱动IC并非只有1颗,而是由2颗以上的芯片所构成,这包括源极驱动器(Source Driver)芯片、闸级驱动器(Gate Driver)芯片、以及时序控制器(Timing Controller;TCON或T-CON)芯片等(附注2),此外也可能需要运算放大器(Operational Amplifier;OP AMP)或缓冲器(Buffer)的搭配。有时源极驱动器还区分成数字型或模拟型,不过多数业者都实行数字型,仅少数业者实行模拟型(附注3)。

要注意的是,源极驱动器有时也称为数据驱动器(Data Driver),而闸级驱动器则称为扫瞄驱动器(Scan Driver)。

△图说:NS公司的TFT LCD驱动IC:FPD33684,该驱动芯片强调低EMI、低功耗并支持RSDS接口,适合用于笔记本电脑或桌上型液晶显示器上。(www.national.com

输入接口

LCD驱动IC必须先接收来自LCD控制IC的画面讯号,之后才能透过数字转模拟的程序来进行驱动,而这个接收的输入接口仍在持续演化中。

目前最常见的接口是RSDS(Reduced Swing Differential Signaling),这是美国国家半导体(National Semiconductor;NS,简称:国半)以LVDS(Low-Voltage Differential Signaling,低电压差动信号)接口为基础所定义出的接口,此接口的优点在于低电磁干扰(EMI)、低功耗,并尽可能保有传输效能与画面分辨率。RSDS原本是NS自有的技术,不过之后则开放使用,今日多数的时序控制器芯片、源极驱动器芯片都实行RSDS接口。此外也有人支持最传统的TTL(Transistor-Transistor Logic)接口。

在RSDS后NS又提出一种新的接口,称为PPDS(Point to Point Differential Signaling),新接口的优点在于支持更高的画面分辨率、更高的传输(运作)频率,同时也能缩减传输的线路数目,不仅能抑止EMI,同时节省电路板布线面积及成本。另外还也一种迷你型的LVDS,称为mini-LVDS,也是因应高尺寸趋势而有的新技术提案,mini-LVDS也有助于传输线路数的缩减,mini-LVDS往后也可能实行点对点作法,如此将称为PPmL(Point to Point mini-LVDS)。

△图说:在手机用的TFT LCD驱动器芯片上NEC有其独到的接口传输技术:Mobile MCADS(Mobile Current Mode Advanced Differential Signaling),其技术优点在于缩减线路用数与降低EMI噪声,图中粉红色区块即是NEC电子的LCD驱动器芯片的位置。

电压、频率、色阶、信道数

在驱动电压、驱动的扫瞄频率、驱动的色阶、驱动的信道数等方面,则都是朝更大的数字发展,其中驱动电压愈高愈能改善视角、对比方面的表现,电压高则有机会拥有更广的视角(可视角度)、更高的显示对比。而驱动频率高则可以支持更快速的画面更新率。

至于驱动的色阶也是从每原色6-bit(64阶)、8-bit(256阶)提升到10-bit(1,024阶)、12-bit,未来甚至不排除支持到16-bit,毕竟HDMI 1.3版已经言明支持48-bit的色深,如此三原色的每个原色可以配分到16-bit的阶度。

而通道数(Channel;ch)方面,也是随着大尺寸液晶电视的需求而增加,从以往的每颗(源极)驱动器芯片具有300多、400多个通道,增加到现在的600多、700多个信道,每颗驱动器芯片的信道数愈多,对应用设计者而言,就能够以较少的芯片用数而达到相同的驱动效果。

举例来说,在1920 x 1280的分辨率中,若1颗数据驱动器芯片仅具有400多个驱动信道,则需要5颗才能达到1920的驱动,相对的若是使用单颗就具有700多个驱动信道的芯片,则只要3颗就可以达到相同的驱动设计要求。源极驱动是如此,闸极驱动也类似,闸极驱动器的信道数一般多在200多、300多个通道,如今也逐渐往400迈进。

△图说:南韩Samsung将LCD Driver IC(液晶驱动器芯片)简称为LDI,LDI属于DDI(Display Driver IC)下的一块,此外还有STN与TFT之分,STN又有字符与图形之分,TFT亦有OA(办公室自动化)与A/V(视听)之分。

特有的驱动功效

除上述外,LCD驱动IC还可运用其驱动控制手法来提升液晶画质,由于传统CRT(阴极射线管,俗称:映像管)的显 示是用电子光束打击荧光质,光束移位后荧光质的发光效应就开始消退,相对的LCD的显示是持续持留性的,因此LCD的动态显示效果不如传统CRT,为了达到逼近于CRT的显示特性,因此LCD驱动IC改变了驱动方式,也实行类似电子光束的间歇脉冲方式(Impulse Type)来驱动,以此改善动态画质。

另外LCD有液晶反应较慢的残影(附注4)问题,为了减少残影对画质的影响,LCD驱动IC也会提供「插黑,插入全黑色的影像」的驱动控制功效,即是在替换成下一个画面前,会先停止整个液晶画面的驱动,使液晶呈现黑色,之后再换替成下一张画面,当然,这个黑色画面的时间很短暂,仅十数毫秒,但却具有消除残影的效果。为了实现插黑机制,与TFT LCD驱动器芯片相搭配运作的时序控制器也必须能共同配合才行。

要注意的是,由LCD驱动IC进行插黑控制,主要是使用CCFL背光源,而今有许多液晶电视、液晶显示器开始改采LED背光源,由于LED的点亮、熄灭速度反应极快,不像CCFL的点亮、熄灭较慢,因此LED背光也可用短时间内熄灭所有背光LED来达到插黑效果,这时就不用透过LCD驱动IC来进行插黑。

附带一提的是,此一插黑若是透过软件或影像数据传输的方式来实现,那么将会增加视讯传输的频宽耗占,为了避免此一耗占就必须在TFT LCD驱动器芯片中,直接内建插黑的控制功效,TFT LCD驱动器芯片的设计业者对此问题,也增加了芯片的控制接脚(或称:引脚),例如增加了BWSEL(Black White Select)的信号,将此接脚输入Hi(High)信号即可对TFT LCD进行插黑。

当然,改善残影、残像的方式不是只有一种,也有试图从其它层面来解决的构想。例如有业者开发OCB高速液晶材料,使液晶的扭转操作更为快速,或者也有业者认为,改变液晶的操作维度也可加速扭转的角度变化,此称为垂直扭转,垂直扭转虽然可以达到更快速的扭转,但也因为扭转角度的减少使液晶的遮光能力变差,结果很可能是:液晶转变的速度变快了,但全黑时的黑度却也更差了,因为液晶扭转至极致时,仍会有光从背光穿透到前端。

△图说:日本瑞萨(Renesas)的Gate Driver for TFT(TFT LCD的闸极驱动器芯片)-HD66774R,该芯片具有240个输出,使用COG封装(尺寸10.60 x 2.80公厘),适合用在QCIF规格尺寸的手机或PDA上。

驱动IC的封装

有别于一般芯片的封装,TFT LCD驱动芯片有其独特的封装方式,一般的芯片多半使用QFP、BGA之类的封装,而TFT LCD驱动芯片则不然,用的是卷带式芯片载体封装(Tape Carrier Package;TCP)封装、晶粒软膜接合(Chip On Film;COF)封装、以及晶粒玻璃接和(Chip On Glass;COG)封装。

也因为封装方式的特殊,因此其封装测试(简称:封测)业者也与一般芯片封装不尽相同,特别是TCP封装,国内的主要业者有颀邦、南茂、硅品、华新先进、飞信、福葆等等,而原有封测大厂日月光(ASE)则不在此列。另外与封装息息相关的金凸块(Gold Bump)在台湾也有业者提供,如慎立、颀邦、福葆、米辑、攸立、利弘等等。

驱动器芯片内的SRAM

同样是为了节省影像传输接口的频宽耗占,因此TFT LCD驱动器芯片内多半会内建SRAM内存,此一内存用来暂存已经传送到驱动器芯片,但尚未要透过驱动器芯片进行输出的影像数据。由于TFT LCD的尺寸愈来愈高、分辨率愈来愈高、画面更新率、色深也都在提升,很明显的,驱动器内的SRAM内存只会不断的加大容量,好因应愈来愈大的影像数据传输量。

不过,内建SRAM容量愈来愈大的副作用是:(1)芯片产制的成本要增加,因为更多的SRAM内存容量就意味着更大的裸晶面积。(2)芯片运作时的用电更凶,此有违今日不断强调的节能与绿色运算等理念。所以也有人提出不能一味地增加暂存内存的容量,因而提出暂存内存的压缩技术,如此可运用较少的暂存内存而达到相近的显示效果。

△图说:日本瑞萨(Renesas)的Soruce Driver for TFT(TFT LCD的源极驱动器芯片):HD66778,有的源级驱动器芯片会内建RAM内存,但此款芯片并未具备,此图势将HD66778用于QVGA规格尺寸的驱动上,此芯片适合用在PDA、相片打印机、多媒体显示播放器等应用上。

附注1:STN若依据单色与彩色来区分则还可以称为MSTN与CSTN,其中「M」即为「Mono,单色」之意,相对的「C」即为「Color,彩色」之意,另也有强调更细腻画质的DSTN,D为「Double Layer,双层」之意,不过TFT出现后近乎全面取代DSTN。

附注2:时序控制器(TCON)不见得以独立、分立的离散性型态进行芯片封装,有时会与TFT LCD驱动器芯片一同整合、封装,如此即是TFT LCD驱动器芯片整合、内建了TCON的功效。

附注3:模拟式驱动的业者主要是日本恩益禧(NEC),然台湾的联咏科技(Novatek)在中型尺寸上也有提供模拟式的源极驱动器。

附注4:Ghost Shadow,也有人称为「鬼影」或「拖影」,这是因为液晶扭转变化慢所造成的短暂影像残留,在动态影像时尤为明显。

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