|
作者：白玉杰，ADI公司高級應用工程師 摘要 在汽車顯示系統領域，TFT LCD顯示屏目前是車載顯示面板的主流選擇。與此同時，OLED和micro-LED顯示屏也逐漸吸引了市場的廣泛關注。為了適應不同的顯示技術，我們需要開發相應的電源技術。TFT LCD顯示屏通常使用側光式背光和直下式背光。為了提高顯示性能，業界開發了基于mini-LED的直下式背光的局部調光技術。OLED顯示屏在智能手機中更為常見，而面向汽車的OLED和mirco-LED顯示屏仍在開發中。本文全面介紹了汽車顯示系統及電源技術。 簡介 隨著汽車電氣化的推進，消費者希望汽車在安全性、便利性、娛樂體驗、生產力、舒適性和可持續性等方面實現全面提升。為了滿足這一需求，OEM和一級供應商需要尋找新的解決方案。然而，隨著車載硬件的不斷增加，功耗問題也日益凸顯。在設計的初期階段就充分考慮電源管理功能，成為了解決這一難題的關鍵。對此，本文將深入探討汽車顯示系統的電源技術。 汽車顯示系統 圖1為一個簡化的汽車顯示系統，其中包括主機、顯示面板以及屏蔽雙絞線(STP)或同軸電纜。其中，汽車主機，常被稱為信息娛樂系統，是車輛中音頻、娛樂、導航和連接功能的中心控制樞紐。在現代汽車中，先進的人機交互界面已成為標配，如準確的語音識別、反應迅速且觸感流暢的觸摸屏，以及復雜多變的手勢控制等。 在顯示面板內部，時序控制器(TCON)充當視頻或圖像流與顯示模式之間的橋梁。信息娛樂系統與TCON之間的高效連接，依賴于一對串行器(SER)和解串器(DES)芯片，支持通過長達10米的屏蔽STP或15米同軸電纜進行高速芯片間通信。對于45英寸到60英寸、7680 × 2160像素的全座艙寬度顯示屏，數據傳輸速度需要達到28 Gbps。 
圖1.ADI公司的千兆多媒體串行鏈路(GMSL™)解決方案是一種性價比高、結構簡單且可擴展的SERDES技術。 汽車TFT-LCD顯示屏電源架構 圖2為TFT-LCD顯示面板示例。整個顯示面板系統由TCON、微控制器(MCU)、LED面板（背光）和TFT偏置PMIC組成。
圖2.LCD顯示系統功能框圖。 背光 背光電源技術可分為兩種常見類型：側光式和直下式，如圖3所示。側光式背光是傳統的背光供電方法，它將LED布置在顯示面板的邊緣。通常，側光式背光使用四到八個LED燈串。控制LED燈串亮度的方法稱為全局調光，即調整整個背光或特定LED燈串的亮度。如圖4所示，LED燈串由升壓轉換器供電。調光功能可由外部PWM或內部18位寄存器T_ON執行。MAX25512還支持混合調光，即綜合采用模擬調光和PWM調光。在200 Hz調光頻率下，調光比為16,667:1。采用混合調光時，調光比可翻倍至33,333:1。
圖3.背光電源技術：側光式和直下式。 如圖3所示，mini-LED以矩陣形式均勻分布，位于LCD面板的正下方。每個mini-LED的亮度均可獨立動態調節，以適應圖像內容的變化。這種調光方法稱為局部調光，能夠大大提高對比度。與側光式顯示屏相比，直下式背光的功耗較低。當顯示圖像中的深色內容時，直下式背光可以關閉深色圖像分區的LED，同時還能減輕顯示深色內容圖像時的漏光現象。 對于側光式背光，顯示屏尺寸、分辨率和亮度取決于LED燈串數量和每串的LED數量。而對于直下式背光，則通過LED分區控制實現對顯示面板的大尺寸、高分辨率和高對比度需求。圖5為兩個LED并聯后串聯一個LED的配置(1S2P)。背光驅動和光學要求共同決定了LED配置，例如1S2P或2S1P。其中，VLED用于提供LED正向電壓，而VSINK是維持LED所需恒定電流的電壓。
圖4.MAX25512背光驅動器。
圖5.1S2P LED分區。 圖6為兩種不同類型的局部調光LED驅動器。矩陣LED驅動器采用分時復用技術。如圖6a所示，四個LED共享一個電流源，并通過四個PMOS進行控制。直驅LED驅動器中的LED由同一VLED和單獨的電流源供電，如圖6b所示。相比矩陣LED驅動器，直驅LED驅動器具有更高的電流驅動能力。驅動相同數量的LED時，矩陣LED驅動器的使用數量通常少于直驅LED驅動器。
圖6.局部調光LED驅動器：(a)矩陣LED驅動器，(b)直接驅動LED驅動器。 MAX2550x是一款集成PMOS的矩陣LED驅動器，VLED工作電壓可達14 V。因此能夠支持單個分區中最多串聯四個LED (4S1P)。內部PMOS優化了電流環路，從而改善了EMI性能并消除了鬼影。此外，得益于PMOS的內部控制，系統復雜性和尺寸也得以減小。 MAX2550x還具備反饋控制功能。隨著結溫升高，LED的正向電壓呈現單調下降趨勢。如果VLED在整個工作溫度范圍內變化不定，VSINK電壓將升高，這會導致功耗提高，溫度低于85℃時這種狀況尤為突出。反饋控制功能通過調整VLED來優化VSINK電壓。理想情況下，VLED是LED正向電壓與VSINK的和。如圖7所示，當VSINK電壓較低時，MAX2550x背光驅動器中的FB會吸收電流IFB并提高VLED。
圖7.MAX2550x與MAX25660/MAX20048的反饋控制配置。 矩陣LED驅動器MAX2550x和直接驅動LED驅動器MAX21610均配備了點校正功能。LED點校準是針對LED背光顯示屏的逐像素校正技術，會校準各個LED輸出，以確保輸出相同的亮度。為了實現顯示色彩和亮度的一致性，MAX2550x有兩種方法來設置各LED電流：每個LED分區均可通過獨立的5位電流設置和17位PWM設置進行調整。5位電流設置可用于校準每個LED的亮度。當所有LED分區的亮度設置均相同時，17位PWM設置可通過全局設置實現統一調節。 此外，MAX2550x能夠實現信號裝置功能，通過增強發光符號亮度指示故障或系統運行狀態，例如低油量/電量。采用特定的電流設置和PWM設置，MAX2550x的峰值電流還可以借助SCALE_SEL寄存器進一步配置。 TFT偏置 對于6英寸以上且分辨率較高的顯示面板，需要為TFT偏置提供外部電源電路。對于較小的顯示面板，電源電路則直接集成在玻璃中。通常，電源電壓為3.3 V和5 V。此外，5 V供電軌因其更高的可靠性，廣泛應用于汽車顯示面板中。 如圖8所示，集成TFT電源電路(MAX25221)利用升壓轉換器提供的AVDD和NAVDD，為源驅動器（也稱為列驅動器）供電。柵極驅動器（也稱為行驅動器）由兩個獨立電荷泵產生的VGH和VGL供電。此外，該電路還集成了VCOM和VCOM溫度補償。 列驅動器、行驅動器、VCOM的目標電壓和電源開/關序列均可通過編程設置，并存儲在非易失性存儲器中。這一功能確保了TFT LCD的參考背板電壓能夠針對不同面板進行調整，從而有助于降低顯示像差并提高系統穩健性。
圖8.集成VCOM的TFT偏置電源。 OLED/Micro-LED驅動器 OLED/micro-LED與LCD顯示屏相比，電源電路類似，包括TFT偏置PMIC和OLED/micro-LED電源。目前，消費電子領域的OLED顯示屏技術日漸成熟。為OLED顯示屏供電的PMIC通常使用5 V額定電壓，既將TFT偏置電源和OLED/micro-LED電源結合在一起，還集成了兩個升壓轉換器和一個反向降壓-升壓轉換器。適用于汽車OLED/micro-LED顯示屏的電源PMIC仍在開發中。相比消費電子產品，汽車OLED/micro-LED顯示屏的尺寸更大，因此所需的電源電流也更高。此外，TFT偏置PMIC可能需要能夠提供參考電壓。 結論 OLED和micro-LED等新型顯示技術的出現，正推動顯示技術飛速發展。為了實現最佳性能，這些新型顯示系統需要更先進的像素驅動器和TFT偏置PMIC。得益于TFT PMIC在效率、性能、智能化和散熱方面的不斷提升，LED驅動器將能夠更好地滿足新型顯示技術的需求。 作者簡介 白玉杰是ADI公司的高級應用工程師，負責汽車電源產品的支持和應用。他于2020年加入Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分），擁有美國邁阿密大學（俄亥俄州）電氣工程碩士學位。 |
