淺析驅動芯片的發展近況及未來創新方向

王勝學　張文澤

【關鍵詞】驅動芯片；LCD；LED；OLED

引言

2016年5月18日，國家發改委和工信部頒布了《關于實施制造業升級改造重大工程包的通知》，體現出顯示屏及相關產業已然得到國家充分重視。在近幾年的發展過程中驅動芯片助力顯示屏產業持續升級，在顯示屏制造中所使用的新型顯示材料，例如Mini-LED、Micro-LED等均體現出我國現已掌握較為成熟的驅動技術。并且多所高等院?，F已成立相關專項試驗隊伍，建立實驗室，為新興顯示屏匹配以及制造工作提供支持。結合目前驅動芯片的發展境況，把握未來創新方向，是實現國際和國內產業形勢全面向好的必要舉措，為此，下文將就驅動芯片的發展近況與未來創新方向展開研究。

圖1 顯示器制造

一、驅動芯片的發展近況

（一）LCD

LCD驅動分為動態顯示驅動和靜態顯示驅動。其中，動態顯示驅動需滿足顯示器件對于像素點的需要，借助點陣型液晶顯示屏將行列電極形成矩陣型結構，列電極把縱列像素點、行電極把橫行像素點分別連接，并引出所形成的矩陣型行業結構，對于節約硬件驅動電路起到促進作用。在接收LCD控制芯片的畫面信號后，LCD驅動芯片驅動數模轉換[1]。靜態顯示驅動指的是適用于數碼液晶的驅動情況中，電極組合多位數字，數字位的背電極使用導線連接，通過分屏操作后背電極BP接收振蕩器，傳輸時序信號，脈沖信號與時序信號均可在此條件下被選擇?，F階段，常用的LCD可分成薄膜晶體管型、超扭曲向列型和扭曲向列型。薄膜晶體管型更為高端，能夠在電流刺激液晶分子的前提下，配合背部燈管，從點、線、面三個角度形成畫面。當在LCD液晶分子上加入電場時，排列液晶分子的方向出現變化。亮點具備灰階可控特征。根據紅綠藍3基色信號的概率，在透過濾光膜后，能夠出現空間域和時域的色彩重顯[2]。

低端的TN-LCD驅動芯片技術已較為成熟，目前發展的重點放在TFT-LCD驅動芯片上，并且在整個芯片行業呈現出從小幕到大屏、從低端到高端的發展態勢。對于我國而言，LCD驅動芯片制造和組裝液晶面板的技術十分穩定，顯示屏驅動芯片市場需求量增加，使得LCD驅動芯片研發逐步朝著國產化方向邁進[3]。對于當前LCD驅動芯片而言，主要研發重點為解決殘影問題和提高動態顯示效果兩個方面。在消除殘影問題上加入插黑驅動控制功能，在替換下一個畫面以前，使液晶畫面暫停驅動處于頁面黑屏狀態，而后再進入下一個畫面的顯示狀態中。為達到插黑效果，配合使用時序控制器，限制黑色頁面停留時間，保證黑色頁面時間可控制在數十毫秒范圍內，以此實現消除殘影。運用插黑方法有助于節約傳輸頻帶，并逐步應對芯片增加的現實問題解決需求。在提升LCD動態顯示效果方面，因CRT顯示不同，所具備的持留性也存在差異，運用CRT技術，應當采取電子數間歇脈沖方式，驅動顯示芯片，以此改善動態畫質。

（二）LED

LED驅動芯片控制灰度和亮度可以通過脈沖寬度調制方法實現，由于此種芯片為脈沖式發光，可在匹配灰度等級權重后，按照空比實現亮度和灰度調節，并控制輸出脈沖的效果。當前所使用的LED顯示屏驅動芯片可分成專用芯片和通用芯片兩大類。其中，前者具備輸出電流大和恒流的特點，更為貼合電流大和畫質清晰要求。關鍵性能參數，包括電流輸出誤差、恒流源輸出路數、最大輸出電流和數據移位時鐘[4]。一般可分為三個檔位，第一檔調節灰度，第二檔具備過熱保護和開路檢測功能，第三檔提供恒流源，以此維持顯示畫面質量。常用的專用芯片為LM3405A芯片，其中包含溫度過熱保護模塊，通過連接邏輯控制輸出模塊和控制過熱關閉模塊，實現保護芯片的目的。后者所包含的邏輯功能模塊，可使得每路輸出電流最高達35mA。常用的通用芯片為74HC595，具有三態輸出功能，此類產品較為低端。

目前使用最為廣泛的LED顯示屏驅動芯片由TI公司生產，其所使用的高壓BCD工藝可在同一芯片上加入DMOS、CMOS和雙極管Bipoolar器件，單片集成工藝技術較為先進，直接加工生產超過200mm的晶圓管[5]。目前TI公司已經占據LED顯示屏驅動芯片市場的1/4，在設計此類芯片的過程中，朝著更少零件、更低功耗和多恒流化方式三個方向發展。其中多恒流化方式如TB62D901FNG驅動芯片，將重點的臨界模式放于電力效率上，利用頻率自動調整，減少斷開時間，固定所需要的部件數量，維持LED電流穩定。此種發展形式除考慮LED工藝誤差和電壓不穩定外，仍舊能夠平穩控制LED電流，且不改變外置部件數量，使得LED變化范圍可趨近100%～200%的范圍內。

在更少零件方面，集成并單個封裝MOSFET驅動器和PFC/CC控制器，運用此種方法，可節省傳統設計用于隔離反激所使用的控制器元件，簡化布局與電路設計，延長LED燈使用壽命。在降低成本的基礎上，省去了限制LED燈使用的光耦器和大容量電解電容。更低功耗方面，使用0.2V低轉折電壓和MBI5035驅動器，保證節能的基礎上消除工作噪聲[6]。通過設置定電流驅動通道，外接電源控制芯片，保證各通道的驅動電流超過150mA，減少零件使用數量的同時，簡化高灰度LED背光系統的設計工作。

（三）OLED

OLED驅動芯片包括有源驅動和無源驅動兩大類，其整體驅動原理與LCD類似，具備工藝簡單的優勢，但由于驅動方式限制，PMOLED尺寸方面的突破性進展較小。在有源驅動方面，現已不受尺寸和分辨率的限制。在此種背景下，開發較大彩色顯示器成為可能。對于市場上所使用的無源驅動形式，其具備輕薄、低功耗的優勢。目前市場發展過程中將無源驅動和有源驅動兩種形式相互輔助，可直接作用于各類顯示終端設備當中。對于有源驅動來講，其各個像素均配以具備開關功能和電荷存儲功能的電容以及設備，在同一基板上將顯示陣列和外圍驅動電路系統予以集成，電流驅動是OLED電流器件發揮作用的必要條件。適用于LCD的驅動電路難以作用至OLED當中。OLED電流大小與亮度成正比，選擇LTPS-TFT開關切動動作，要保證電流足夠支撐小型驅動TFT維持正常工作。

靜態驅動是有源驅動芯片的唯一作用方式，不受掃描電極數的限制，獨立調節各像素，滿載下可直接驅動，并具備存儲功能。有源驅動的另一優點是空間占比問題無需過度考量，由于掃描電極數對于此種方式無法限制，高分辨率和高亮度需求均可在有源驅動模式下達成?；叶日{節驅動獨立運行，使得藍色和紅色像素均可達到OLED彩色化的效果，將驅動電路安裝于顯示屏內，能夠提高集成度。滿足小型化特點同時，應對外圍驅動屏與電路連接的問題，提高可靠性和成品率。對于靜態驅動來講，主要適合連接發光像素。此種驅動方式會因交叉效應，使得圖像變化更為復雜，為解決以上問題運用交流方式，促使靜態驅動更為適用于實際工作。

現階段LED驅動芯片能夠在demura模塊中，將補償數據寫入ROM中，調用補償數據，使得數據顯示過程能夠削弱mura缺陷。驅動芯片點亮LED面板使得RGB或灰階顯示數個畫面。運用高精度和高分辨率CCD照相機拍攝RGB和灰階畫面，依據算法分析所采集的相機數據，得到像素顏色分布特征，以此求出mura。結合mura數據和相應算法輸出demura數據，將所得到的數據燒錄至Flash ROM中形成拍攝補償后的畫面，消除mura。

中國所持有的OLED demura技術相較于其他國家處于領先地位，不僅能夠保證良品率，還兼顧市場份額逐漸擴大的優勢。未來技術人員應當將集成電路產業發展著力點落于制造層面上，全面提升技術水平。

二、驅動芯片未來創新方向

（一）Mini-LEDOLED

功能與Mini-LED功能基本相似，相較于LED和OLED驅動芯片，其各個單元處于100左右，是LED與Micro-LED共同經過改良所得到的新型產品。通過無源選址驅動和有源選址驅動方式，使得電流驅動型發光器能夠控制電流源。Mini-LED是Micro-LED實現的過渡階段，目前，眾多業內廠商，逐步將Mini-LED當做主流選擇應用于手機和電視產品設計領域當中。未來工藝制造方面首選Mini-LED芯片結構，倒裝芯片具備可靠性，使用此種芯片可降低終端設備維護成本，并因打線特性可使得較小空間密布問題得以解決?？煽氐寡b工藝制作是當前驅動芯片的創新方向，同時，如何降低封裝寬容度、實行焊接參數、控制焊接難易程度以及保持結構設計可行性是Mini-LED用作背光源時的主要控制方向。根據輕薄需求，擴寬LED芯片排列間距，削減整體終端厚度，如此可消除亮度集中、電流小的現實桎梏，并使得后續維護和使用環境更為貼合復雜技術應用狀態。

（二）高精度高功率LED

LED的光源具備色彩豐富易于調光、綠色環保、小體積、長壽、高效節能的優點，目前此類燈具已經達到80%的市場滲透率。在LED驅動芯片被廣泛應用的背景下，此種芯片仍存在著驅動器失效率高、功率因數低、恒流精度低的問題。解決以上問題是當前驅動芯片的創新方向。鑒于此，文章提出一種系統級別的高精度高功率LED恒流芯片設計實施。方案具體如下：

所設計的高功率高精度恒流驅動芯片滿足自頂向下的設計原則，所形成的系統級建模使用電子設計自動化軟件EDA，通過反激式變換器建模結構的形成，使得主拓撲結構模型可發揮實效。模型中包括開關管、初級電流檢測電阻、RCD緩沖網絡電容、二極管、次級繞組和初級繞組。驅動模塊中控制邏輯模塊、固定開通時間控制模塊和功率因素校正斜坡發生模塊相互作用，共同形成PFC核心控制模塊。其中功率因數矯正斜坡產生電路模型，由復位端Clear元件補償端、Compensation開關比較器、積分電容、電壓控制的電流源和RS觸發器組成。在運行過程中，并未加入占空比限制模塊，能夠使得在臨界導通狀態下檢測所輸入的電流為0，重新上升輸入電流，需打開功率開關管，控制系統中的輸入電流跟隨輸入電壓變化而變化。因此在死區時間會出現畸變，但加入三極管后能夠釋放積分電容中的電荷，以此達到改良輸入電流畸變問題并消除的效果。

固定開通時間控制模塊中包含反向器、比較器、計時電容、電壓可控的電流源、觸發器等元件。固定導通時間策略的邏輯控制模塊中包含觸發器、與門和比較器。因在Simplis中難以使得輸入端為0，需將很小電壓輸入至比較器的參考電壓控制裝置中。邏輯運算固定導通時間模塊，輸出信號與輸出高電平，降低誤差，提升精度。為保證系統處于臨界導通模式，使得復位信號優先觸發RS觸發器，在加入控制模塊和固定導通時間模塊后，系統局部放大的輸入電流和開關，信號波形顯示出其仿真結果更為貼近補償模型的理想原型電路。同時，為應對零交越附近的死區時間問題，將三極管、電阻、開關和比較器同時作用于模塊當中。負載電阻與三極管共同生成參考電壓inp，控制開關與比較器共同發揮效用，完成通斷控制開關的作業任務。調整Compensation信號，對比信號與參考電壓間的大小，當低于電壓時，導通開關，補償Compensation信號；當超出電壓時，輸出低電平，關斷相應開關。

結束語

綜上所述，文章對LCD、LED和OLED驅動芯片的發展現狀和相應作用機理給出了詳細闡釋，并且通過提出Mini-LED和高精度高功率LED驅動芯片點明未來驅動芯片創新方向。通過文章描述可以看出高精度高功率LED驅動芯片是企業在市場中站穩腳跟的必要研發方向。如此要求各企業技術人員在明確相關科學技術的前提下，應對異形屏對顯示驅動芯片所提出的挑戰，掌握現代科技核心，提高國家在芯片技術領域的整體競爭實力。