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不知不覺間，我們日常使用的多種便攜設備悄悄地發生了一些變化。手機的主要用途從打電話擴展到多種輔助功能，如游戲、上網、發郵件、拍照等；MP3播放器提升對視頻的需求，向PMP升級；越來越多的PDA、甚至移動電視設備也出現在我們身邊。這些設備的一個共同特點是對圖像瀏覽和視頻播放的要求提高，而且強調友好的用戶交互界面，這對顯示屏的控制和驅動系統提出了新的要求。 顯示屏的尺寸不僅要更大、顯示亮度更高、顯示細節的能力更強，響應速度更快，而且要求整個顯示控制和驅動系統不能消耗太多的功耗，不能占用太多的電路板空間，因此集成以及降低功耗成為顯示驅動和控制電路的重要發展趨勢。此外，基于電容性界面的觸摸屏也越來越流行，它們使手機等設備的操作更友好，但如何從市場上眾多的觸控方案，選擇合適的觸控方案是需要解決的一個首要問題。本文將探討針對便攜設備應用的LCD、OLED等顯示屏的驅動和控制技術，以及觸摸屏控制技術的發展趨勢和最新的解決方案。 驅動芯片集成化的同時仍須平衡全局因素 目前多數廠商提供的LCD驅動越來越向集成化發展，不僅把升壓器、源驅動、柵驅動等集成到單芯片中，而且還有一些先驅者把電子部分集成到顯示器玻璃上。如何全面平衡集成的利弊？怎樣實現驅動最大的功率節省？如何應對新型顯示屏對驅動的新要求？這些問題成為驅動領域的熱點話題。 對于便攜設備中顯示屏的驅動電路來說，縮小體積顯得尤為重要。把源驅動IC、門驅動IC、時鐘控制、電源供應、甚至緩存集成在單個芯片的做法無疑會減少整個系統的體積，同時還簡化了便攜設備工程師的設計，因此深受歡迎。 此外，由于多種高速串行接口標準并存，如移動顯示屏數字接口(MDDI)標準、基于LVDS技術移動視頻接口(MVI)標準和移動行業處理器接口(MIPI)標準，所以在顯示控制器、接口轉換芯片或驅動IC中集成這些接口成為降低設計方案復雜性的一個途徑。例如：三星、東芝、夏普、愛普生、瑞薩、羅姆等公司已經推出了各自的內置MDDI接口的顯示控制器和接口轉換芯片，晶門科技也推出了帶MIPI 接口的LCD 驅動IC。 為了滿足移動電話的應用需求，還誕生了一些針對移動電話應用程序接口(API)的中間平臺方案，其中包括晶門科技推出的支持在移動電話系統中進行靈活連接的mini-RGB接口。該解決方案由mini-RGB控制器SSD1270、一系列單芯片TFT驅動器(SSD1276、SSD1269、SSD2006和SSD2116)和mini-RGB接口組成，大大簡化了基帶系統和顯示模塊之間的連接。 值得注意的是，除了IC自身集成度更高并集成多種接口外，業界已有幾家廠商推出了把LCD 驅動集成到顯示器內的產品。不過，該技術的起飛仍然需要解決成本、良率、和產能等問題。 “更高的集成能使客戶減少顯示模塊外的被動元件，但在眾多顯示技術中，目前只有低溫多晶硅(LTPS)TFT屏幕適合把電子部分集成到顯示屏上。”Leadis公司負責LED驅動和電源管理IC的副總裁Donato Montanari表示。 該公司的執行副總裁兼首席運營官Ken Lee補充道：“在高端的、需要更高像素密度的產品中，LTPS的市場份額會比常規顯示驅動的a-TFT(非晶硅)大，但在中低端模塊中，a-TFT將繼續表現出色，因為a-TFT寬裕的產能帶來更低的成本。”Leadis公司目前專注于小尺寸、單芯片顯示屏驅動解決方案。 把驅動器集成到顯示器玻璃中的好處是減少驅動成本、以及簡化LCM 流程，但晶門科技的周志光也指出其負面影響：“這種集成方法會使功耗更高，此外由于在面板中實現顯示RAM和高速接口(500MHz-1GHz)并不是件容易的事，所以這也是一種不靈活的解決方案。”但他認為嵌入驅動器將是一種趨勢，需要5 到10 年時間以及大量的投資來實現。 新算法巧妙實現功率節省 隨著顯示屏在便攜設備中的地位越來越重要，顯示屏所消耗的功率占整個系統功率開銷的比例也越來越大，低功耗甚至零功耗顯示器需求急速上升。在前不久美國加州舉行的“SID 2007”展會，許多新技術都紛紛瞄準了這項需求，包括電泳雙穩態顯示器、雙穩態LCD、微機電系統(MEMS)顯示器、電潤濕法顯示器、傳統低功耗LCD等。 PowerLite模塊在顯示屏中的應用框圖 對于節電來說，顯示屏驅動IC也是系統功率設計重要的考慮因素。Leadis公司的PowerLite專利技術包含兩種算法來實現全面節電：一個是動態背光控制(DBC)算法，用來分析并確定需要多少背光來在最大化節能的同時獲得高質量圖像，計算結果直接發送到系統LED驅動器，再調整背光LED的功率；另一個是環境光感測(ALS)，利用外部相片探測器來檢測環境光，然后基于環境光和特定圖片內容，來計算出最優化的背光等級。 “在傳統LCD模塊中，LED背光驅動器一般不區分圖片內容，直接全功率運行。”Montanari指出，“碰到暗一點的圖像時，顯示屏驅動器令LCD陣列阻擋大部分的背光，這樣，由于只有小部分的光是真正通過LCD陣列轉送，所以必然會造成功率浪費。” 但使用PowerLite技術后，對于更暗的圖像來說，顯示屏驅動器允許LCD陣列傳送更大量的光，這樣系統發出的背光可以大大降低。與標準解決方案相比較，對于較暗的圖片，DBC和ALS的算法組合可使顯示模塊節省75%的功率；對于較亮的圖片，能節省20-50%的功率。PowerLite技術目前用在了Leadis公司的LSD285和LDS8861這兩款芯片中，能極大的延長用戶的電池壽命。 OLED、微型顯示等催生新的驅動方案 雖然不同材料的LCD顯示屏目前占據著便攜市場的主導地位，但諸如OLED、柔性顯示等新興顯示技術也逐漸取得商用化進展。在越來越強調低功耗、低成本和快速響應性能的今天，OLED屏幕可以更輕更薄、可視角度更大、成本更低更省電，顯示響應時間更小等性能優勢無疑會把OLED推向下一代主流顯示技術的地位。 但是OLED驅動IC也有著特殊的技術門檻。OLED是電流驅動型顯示設備，各個像素點的電氣特性不一致，為了達到亮度均勻，每個像素點的電流大小必須相同，因此需要額外的電流參考亮度控制系統。OLED的控制與驅動芯片是一種數模混合、高壓低功耗集成電路，需要集成控制器、靜態存儲器、數模轉換器、直流電壓變換器、振蕩器、源驅動和柵驅動等電路模塊。 由于LCD 技術已經發展的非常完善，這對任何新的顯示技術來說都是一個障礙，新興技術需要大資本投資以進入高批量的顯示市場。Lee透露：“2003-2005，PM OLED 曾短暫輝煌，但卻把地盤丟給了LCD。我們認為未來AM OLED在顯示市場上更有潛力，而且Leadis在兩年前就開發了AM OLED的驅動。” 影音TFT(AV TFT)是最近被開發的市場，最初是從筆記本和DVD 顯示發展而來。“它已從模擬轉換成數字接口。”晶門科技有限公司的周志光透露，“晶門科技把電源單芯片、源驅動、柵驅動整合進單芯片SSD2116中，適用于橫向QVGA分辨率的AV TFT顯示器。” 微型顯示和電子紙顯示技術也有著巨大的機會，其特殊的性能為創新應用留有更多的、以前從未想象到的空間。但是新技術變得成熟、并適合大批量生產，還需要更多時間。目前引人注目的進展是摩托羅拉采用晶門科技雙穩驅動器的電子紙手機已進入量產階段。該款雙穩驅動器控制器包含：用于命令和圖像數據輸入的MCU接口、用于緩沖圖像數據的顯示RAM、以及高電壓驅動輸出。 觸控方案呈現可編程趨勢，關鍵性能指標逐一破解 仔細分析市場上常見的觸摸屏技術，會發現目前占主流的還是基于電容的方案。電容式觸控技術已迅速成為連接顯示器與媒體控制應用的理想方案，持久的耐用度、簡單的材料清單、簡潔的外觀設計，都是其風靡于多種便攜產品應用的推動力。 對于賽普拉斯(Cypress)半導體公司的PSoC這種可編程IC來說，改變電容感應設計的軟件是非常容易的事。新的固件可以通過軟件枚舉上載到電容感應的PCB板上，用戶不必從系統中拆下PCB或者電容感應模塊。如果固件出現了問題，做一個簡單的軟件升級即可，根本不用更換整個電容感應模塊。 相反，作為觸控領域另一家主流廠商，義隆電子所量產的觸控屏程序是提前寫好的，但該公司表示也在考慮芯片的可編程性。“義隆計劃未來會提供一些可編程的觸控芯片。”李予善透露，“而且我們會把一些常用的軟件放進去，使客戶可以直接調出來用，為其設計帶來更大彈性。短期內，義隆的方案以OTP為主，比起采用Flash的工藝在成本上更有優勢。” 不過可編程芯片對用戶的開發能力要求很高，一些業界人士指出，很多使用PSoC的客戶都借助了代理商的編程方案，而自己進行編程的并不多。可編程在提供設計便利性的同時，也為設計者的設計能力提出了更高的要求。 面臨市場上眾多的觸控方案，如何判別其優劣，并選擇合適自己產品的方案成為工程師頭痛的問題。Cypress的PSoC CapSense產品經理王一杭表示：“當我們評估一種電容傳感方案的性能，我們審查抗擾度、信噪比和功能。信噪比是一項重要的指標，信噪比低的系統不好。CapSense方案針對各種各樣的噪聲源進行了測試，顯示了優秀的免疫能力。實際上, 我們還經常幫助客戶定義合適的生產測試規則。” 其它的性能指標，如RF抗干擾性、抗AC噪聲、對電源瞬時過沖的適應性等，也是電容感應設計時的重要因素。“基于PSoC的電容感應方案和算法經過了嚴格的性能測試，使客戶不必在噪聲導致的失效問題上花太多的時間進行調試。”王一杭表示。 除此之外，“還應該注重解析度和靈敏度這兩個參數。”義隆電子電腦周邊部專案經理李予善認為，“在解析度方面，義隆的觸控板技術在廣泛用于便攜式設備之前，最初是用于筆記本電腦上的，長期以來曾積累了很多技術經驗，目前可以達到300dpi，即每平方英寸上300x300個點。而對于靈敏度，目前有八個段可以調整，因為對靈敏度來說，并不是越靈敏越好，有時靈敏度太高會造成誤讀，靈敏度不夠又會導致按下去沒反應。所以應該強調的是靈敏度的可調性。” 觸控屏的功耗參數同樣重要。Cypress的PSoC也增加了類似的背光控制和環境光感測，以在執行電容觸控的同時實現節電的性能，從而延長電池壽命。 此外，由于便攜產品應用環境差異很大，所以芯片最好能有一個寬廣的工作溫度范圍。義隆電子的觸控芯片的工作溫度在-40到80度之間。 王一杭建議設計工程師在設計電容性感應界面時需要注意以下四個問題：需要有簡單易用但功能強大的設計工具；靈活的架構；集成化的能力；具有成本效益的解決方案。簡單易用、功能強大的設計工具可以幫助設計人員花費幾個小時而不是幾天來完成定制的CapSense觸摸屏設計。靈活的架構對于原型和測試階段來說非常重要，許多手機設計都是在經歷了無數次的設計修訂才最終定稿的。 在設計電容性界面的過程中，還必須十分小心以確保在覆蓋層和傳感元器件之間沒有金屬涂料粒子以及空氣縫隙。位于涂層上的金屬點或者其他導體物質將阻礙電容性傳感器的正常工作并中斷偵測。位于傳感器件和涂層之間的空氣間隙將劣化電容性能。針對這種現象，Cypress推出了用戶定制設計的指引，來幫助設計師設計可實際工作的電容性系統，避免昂貴的重新設計循環。 在觸控這個領域，芯片制造商和系統廠商的合作關系會更密切一些。在這個領域，做出樣品不難，難的是在量產過程中控制好良率、可制造性等問題。傳感器的尺寸很大，無法和控制器集成，而且如果顯示屏貼合不好，還會影響觸控質量，因此一些半導體廠商除了直接銷售觸控模塊，也和顯示屏廠商合作，以提供貼好觸控模塊的完整的觸控屏。 |
