顯示驅(qū)動(dòng)芯片原理及發(fā)展現(xiàn)狀

張 昕， 吳佩雯， 肖書平， 陳 琦， 邱 天*， 符 曉， 寧洪龍

(1. 五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部, 數(shù)字光芯片實(shí)驗(yàn)室， 廣東 江門 529000;2. 深圳勁拓自動(dòng)化設(shè)備股份有限公司， 廣東 深圳 518126;3. 華南理工大學(xué) 高分子光電材料與器件研究所, 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

1 引 言

國家發(fā)改委和工信部在2016年5月18日發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施制造業(yè)升級(jí)改造重大工程包的通知》中指出，新型平板顯示工程領(lǐng)域是我國的重點(diǎn)發(fā)展方向，這體現(xiàn)了國家對(duì)顯示屏及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重視。時(shí)隔4年，顯示屏產(chǎn)業(yè)以及與之配套的驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展現(xiàn)狀值得持續(xù)關(guān)注。

目前國內(nèi)外的主要研究方向主要集中在新型顯示材料的驅(qū)動(dòng)上，如Micro-LED、Mini-LED等，希望能搶先占領(lǐng)技術(shù)高地，而國內(nèi)目前對(duì)于TFT-LCD、AMOLED等幾種顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)的掌握已經(jīng)趨于成熟，國內(nèi)的電子科技大學(xué)、華中科技大學(xué)等都建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室。

雖然顯示材料的更新使得顯示屏的各種性能不斷提升，迭代迅速，但是其內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)方式往往有許多相似之處，這既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。技術(shù)相似，可以使技術(shù)人員更快地掌握新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，但也限制了人們的思維方式，使得更加優(yōu)越的性能被陳舊的設(shè)備和技術(shù)限制了，所以如何打破這些思維模式，使驅(qū)動(dòng)技術(shù)和制造設(shè)備與新興顯示屏更好地匹配是首要問題。

本文通過對(duì)幾家熱門公司推出的新產(chǎn)品與之前的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，對(duì)近幾年顯示驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展情況進(jìn)行了整理總結(jié)。首先介紹了3種主流顯示屏的顯示驅(qū)動(dòng)原理，并分析該領(lǐng)域近幾年遇到的技術(shù)難點(diǎn)及相應(yīng)的解決方案；然后總結(jié)了近幾年顯示驅(qū)動(dòng)芯片的技術(shù)進(jìn)步和新的發(fā)展趨勢；最后，縱觀國際產(chǎn)業(yè)形勢變化，分析了國內(nèi)發(fā)展環(huán)境的優(yōu)缺點(diǎn)及未來趨勢。

2 LED顯示屏及其驅(qū)動(dòng)芯片

2.1 LED顯示屏及其工作原理

LED顯示屏是由LED燈組成行列矩陣，通過不同顏色的燈珠的狀態(tài)變化來顯示文字、圖像、動(dòng)畫和視頻等信息，內(nèi)容可以根據(jù)人們不同的需求進(jìn)行更換，然后通過電腦處理再在顯示屏中顯示。顯示器件是已經(jīng)形成模塊化結(jié)構(gòu)的部分組件[1]，通常由電源模塊、控制系統(tǒng)和顯示模塊共同構(gòu)成。電源模塊負(fù)責(zé)將輸入的電壓、電流轉(zhuǎn)換成LED顯示屏正常工作的電壓、電流；發(fā)光顯示環(huán)節(jié)由顯示模塊負(fù)責(zé)，是由LED燈陣排列形成的；相應(yīng)區(qū)域的LED燈狀態(tài)由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以讓屏幕顯示需要的畫面。

因LED是脈沖式發(fā)光，所以LED顯示屏普遍采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM)的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)其亮度和灰度的控制。PWM技術(shù)可以把一幀圖像拆分為許多子圖像，再與灰度等級(jí)的權(quán)重進(jìn)行匹配，芯片通過控制輸出的脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)圖像對(duì)于亮度和灰度的調(diào)節(jié)。其中LED的亮度與流過它的電流大小和導(dǎo)通時(shí)間長短相關(guān)。因此，要改變LED顯示屏亮度和灰度，主要是通過控制電流的大小或者是控制導(dǎo)通時(shí)間的長短來實(shí)現(xiàn)：(1)控制電流是指控制導(dǎo)通LED電流的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的調(diào)節(jié)，但由于實(shí)現(xiàn)電路較為復(fù)雜，可控性不高等原因，導(dǎo)致應(yīng)用不多。(2)控制導(dǎo)通時(shí)間是指向LED中通入恒定電流，在單位時(shí)間內(nèi)通過改變LED的導(dǎo)通時(shí)間來控制灰度。一般采用調(diào)節(jié)脈沖占空比來驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，LED的灰度與掃描周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間成正比。驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)位控制LED的灰度等級(jí)。

2.2 LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片簡介及其現(xiàn)狀

2.2.1 LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片

根據(jù)適用范圍，LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)芯片可分為通用芯片與專用芯片。通用芯片是指一些可以驅(qū)動(dòng)LED顯示屏的邏輯功能模塊，而不是專門為驅(qū)動(dòng)顯示屏而設(shè)計(jì)的芯片，一般用于LED顯示屏的低端產(chǎn)品。最常見的是具有8位鎖存、串-并移位寄存器和三態(tài)輸出功能的74HC595通用芯片，每路輸出最大電流可達(dá)35 mA[2]。LED顯示屏的專用芯片是根據(jù)LED的發(fā)光特性而為LED顯示屏專門設(shè)計(jì)的。LED屬電流特性元件，因此提供恒流源是專用芯片的第一要?jiǎng)?wù)。恒流源可以保持顯示屏的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定、消除顯示屏閃屏現(xiàn)象，從而提高顯示畫質(zhì)。專用芯片具有恒流和大的輸出電流等基本特點(diǎn)，因此可滿足畫質(zhì)清晰或電流較大等需求。數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘、最大輸出電流、恒流源輸出路數(shù)、電流輸出誤差都屬于專用芯片的關(guān)鍵性能參數(shù)。專用芯片主要分成3個(gè)檔位。第1檔是可以調(diào)節(jié)灰度的芯片，內(nèi)置脈沖寬度調(diào)制機(jī)制，根據(jù)輸入的信息匹配對(duì)應(yīng)灰度，容易形成深層次灰度，可用于高品質(zhì)畫面的顯示。第2檔是具有LOD(開路檢測)和TSD(溫度過熱保護(hù))亮度調(diào)節(jié)等功能的芯片，這些附加功能可使該類芯片應(yīng)用于一些有特殊需求的場合。第3檔是只為LED提供恒流源的芯片，其主要功能是使顯示畫面質(zhì)量基本良好[3]。圖1所示是LM3405A芯片的驅(qū)動(dòng)框圖，除了常規(guī)的電源模塊、振蕩模塊、邏輯控制輸出模塊等，可以看出增加了一個(gè)控制過熱關(guān)閉的模塊(Thermal shutdown)與邏輯控制輸出模塊連接，實(shí)現(xiàn)了溫度過熱保護(hù)的功能，所以這塊芯片應(yīng)該屬于第2檔以上的芯片。

圖1 LM3405A芯片驅(qū)動(dòng)框圖Fig.1 Block diagram of display driver chip LM3405A

2.2.2 LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片現(xiàn)狀

目前排名第一的LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片供應(yīng)商是美國的德州儀器公司(TI)。TI擁有先進(jìn)的高壓BCD工藝， 即能夠在同一芯片上同時(shí)制作雙極管Bipolar、CMOS和DMOS 3種器件的單片集成工藝技術(shù)。除此之外，TI還能夠在200 mm甚至更大直徑的晶圓上直接進(jìn)行生產(chǎn)加工工藝。2018年，TI的LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片的市場占有率已經(jīng)達(dá)到了17%，當(dāng)時(shí)排名第二的是美國國家半導(dǎo)體公司。目前TI已將美國國家半導(dǎo)體公司收購，預(yù)測新的TI在LED驅(qū)動(dòng)器市場將發(fā)揮十分重要的作用，它將會(huì)占據(jù)LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片市場的1/4[4]。各個(gè)企業(yè)相互競爭共同進(jìn)步，使得近幾年LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展 ：

更低功耗：以聚積科技(中國臺(tái)灣)為首的一批半導(dǎo)體公司主打低功耗產(chǎn)品，如聚積科技MBI5035驅(qū)動(dòng)器，使用0.2 V低轉(zhuǎn)折電壓使驅(qū)動(dòng)芯片不易發(fā)燙從而可以使用較少的風(fēng)冷裝置和電源供應(yīng)裝置，在節(jié)能的同時(shí)，降低設(shè)備工作噪聲。具有一定代表性的還有日本瑞薩電子的LED驅(qū)動(dòng)芯片ICR2A50106FT，其設(shè)計(jì)師稱該款芯片的耗電量最高可比同類產(chǎn)品減少20%。且內(nèi)建8個(gè)定電流驅(qū)動(dòng)通道，省去電源控制芯片的外接，每個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)電流最高可達(dá)160 mA，簡單化高灰度LED背光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、減少零件使用數(shù)量的成果也十分顯著。

更少零件：美國PI(Power Integrations)推出的LinkSwitch-PH系列產(chǎn)品，PFC/CC控制器、MOSFET驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)725 V MOSFET被LinkSwitch-PH器件同時(shí)集成并單個(gè)封裝。與傳統(tǒng)方法相比，PI的設(shè)計(jì)方法省去了MOSFET和控制器之間的相關(guān)元件，最多能節(jié)省25個(gè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)用于隔離反激式中所用的元件， 大幅簡化了電路的設(shè)計(jì)和布局。此方法省去了可能限制LED燈的使用壽命的元件，如高壓大容量電解電容和光耦器等，在降低成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠性[5]。美國達(dá)爾科技新產(chǎn)品供電電流達(dá)1.5 A。該LED驅(qū)動(dòng)顯示芯片集成了功率MOSFET開關(guān)元件，開關(guān)頻率最大達(dá)到1 MHz；采用了降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，導(dǎo)通電阻最大值為0.35 Ω。所以，小型部件也可滿足外置被動(dòng)部件的要求，進(jìn)而可以將印刷基板的封裝面積減小。需要的部件有4個(gè)進(jìn)行外置。

多恒流化方式：以日本東芝公司為首的半導(dǎo)體公司主打以多恒流化方式的特點(diǎn)來吸引客戶，如TB62D901FNG驅(qū)動(dòng)芯片，可支持的恒流化方式達(dá)3種：其中“臨界模式”的方式將重點(diǎn)放在電力效率；而“斷開時(shí)間固定”的方式是為了減少部件的數(shù)量；“頻率自動(dòng)調(diào)整”方式是此次的亮點(diǎn)，這種方式將重點(diǎn)放在LED電流的穩(wěn)定性上，除了輸入電壓可能不穩(wěn)定和LED的工藝誤差等因素外，在這種方式下，即使改變了LED數(shù)量或工作電壓等性能參數(shù)，也可在不改變外置部件的數(shù)量前提下，穩(wěn)定地控制平均LED電流[6]。所以，LED的數(shù)量可以發(fā)生變化，變化范圍可達(dá)到最初設(shè)計(jì)的50%～200%。

耐高溫：針對(duì)照明電路方面，美國羅姆等公司推出了耐高溫的大功率LED驅(qū)動(dòng)芯片，主要技術(shù)是在耐熱材料上采用了耐熱性陶瓷封裝，運(yùn)用這種材料的同時(shí)還采用了鍍金布線，可以保持光束穩(wěn)定。

3 LCD及其驅(qū)動(dòng)芯片

3.1 LCD簡介

3.1.1 常用LCD

根據(jù)驅(qū)動(dòng)類型的不同，LCD可分為扭曲向列型(TN-LCD)、超扭曲向列型(STN-LCD)和薄膜晶體管型(TFT-LCD)。TN-LCD主要是段碼屏，適用于低端產(chǎn)品；而TFT-LCD則適用于高端產(chǎn)品，如相機(jī)、電視等[7]。本文主要討論借助于薄膜晶體管(TFT)驅(qū)動(dòng)的有源矩陣LCD，它主要是背部燈管配合以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面構(gòu)成畫面。

當(dāng)外加電場施加于LCD上的液晶分子時(shí)，液晶分子的排列方向發(fā)生變化，從而改變光源的透光率，形成灰階可控的亮點(diǎn)，再利用紅、綠、藍(lán)三基色信號(hào)的不同激勵(lì)，通過紅、綠、藍(lán)三基色濾光膜，完成時(shí)域和空間域的彩色重顯[8]。

3.1.2 低溫多晶硅-薄膜晶體管型LCD

LTPS-TFT即低溫多晶硅-薄膜晶體管LCD，多晶硅結(jié)構(gòu)主要形成于非晶硅結(jié)構(gòu)玻璃基板吸收準(zhǔn)分子激光器的能量后。使用準(zhǔn)分子激光器做光源，通過投射系統(tǒng)的激光光線產(chǎn)生了能量均勻分布的激光光束，再投射于非晶硅結(jié)構(gòu)的玻璃基板上，將非晶硅變成多晶硅。分辨率優(yōu)越、色彩度飽和、價(jià)格便宜等是其優(yōu)點(diǎn)，也使其有望成為新一波的顯示器。

3.2 LCD驅(qū)動(dòng)芯片

3.2.1 LCD驅(qū)動(dòng)原理

常用的LCD驅(qū)動(dòng)方式分為靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。

(1)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法

靜態(tài)驅(qū)動(dòng)法可以使LCD獲得最佳的顯示質(zhì)量，該法主要適用于段碼液晶的驅(qū)動(dòng)，常見于低端液晶產(chǎn)品中。表1所示為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的液晶的電極結(jié)構(gòu)。當(dāng)組合了多位數(shù)字時(shí)，需要用導(dǎo)線連接所有數(shù)字位的背電極。液晶顯示器件的背電極BP 接收振蕩器發(fā)出經(jīng)分頻后時(shí)序信號(hào)，顯示選擇信號(hào)X與時(shí)序信號(hào)異或產(chǎn)生段電極的脈沖信號(hào)。當(dāng)不需要某位像素顯示時(shí)，設(shè)置顯示選擇信號(hào)X的值為0,使顯示像素上兩電極的脈沖電壓無法產(chǎn)生相位差，從而不存在電壓，所以該像素點(diǎn)無法顯示。當(dāng)需要像素顯示時(shí)，設(shè)置顯示選擇信號(hào)X的值為1，則顯示像素上兩電極的脈沖電壓存在180°的相位差，因而產(chǎn)生了2 V的電壓脈沖序列加在顯示像素上，所以該像素在屏幕上有所顯示。調(diào)整合適的脈沖電壓就可以提高顯示的對(duì)比度。

表1 段碼液晶電極結(jié)構(gòu)

(2)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)法

有時(shí)液晶顯示器件上需要顯示更多的信息，這就需要更多的像素點(diǎn)。點(diǎn)陣型液晶顯示屏就迎合了這種需求，通過行、列電極的設(shè)計(jì)構(gòu)成矩陣型結(jié)構(gòu)[9]。行電極是把一橫行的像素點(diǎn)電極都連在一起引出；列電極則是把一縱列像素點(diǎn)電極都連在一起引出。如此一來，矩陣型的行列結(jié)構(gòu)可以節(jié)省大量的硬件驅(qū)動(dòng)電路，而且液晶顯示器上每一個(gè)顯示像素都可以由行列電極構(gòu)成的坐標(biāo)系唯一確定。為顯示數(shù)據(jù)的列電極給出對(duì)應(yīng)是/否的驅(qū)動(dòng)脈沖，采用了Raster光柵掃描方法循環(huán)地傳送脈沖選擇信號(hào)給行電極，使得液晶顯示屏上呈現(xiàn)出穩(wěn)定的圖像[10]。

LCD驅(qū)動(dòng)芯片必須先接收來自LCD控制芯片的畫面信號(hào)，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而接收的輸入接口也有了一些發(fā)展演變。從美國國家半導(dǎo)體以低電壓差動(dòng)信號(hào)接口為基礎(chǔ)所定義的目前最常見的RSDS(Reduced Swing Differential Signaling)向性能升級(jí)和降低成本，減小尺寸的目標(biāo)發(fā)展到了PPDS(Point to Point Differential Signaling)和PPmL(Point to Point mini-LVDS)等接口。圖2所示是LCD 顯示驅(qū)動(dòng)芯片ILI9488的驅(qū)動(dòng)框圖。

圖2 ILI9488芯片驅(qū)動(dòng)框圖Fig.2 Block diagram of display driver chip ILI9488

3.2.2 LCD驅(qū)動(dòng)芯片現(xiàn)狀

不同種類的LCD具有與之相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片。目前推動(dòng)LCD驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)展的原因主要有以下幾個(gè)方面：

低端LCD驅(qū)動(dòng)芯片(如TN-LCD驅(qū)動(dòng)芯片)技術(shù)較成熟，且發(fā)展前景比較受限，這促使更多的科技公司對(duì)TFT-LCD驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行技術(shù)公關(guān)[11]。因此整個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)芯片行業(yè)呈現(xiàn)出從低端到高端、從小幕到大屏的發(fā)展趨勢。

在LCD驅(qū)動(dòng)芯片方面，中國臺(tái)灣在近幾年來擁有了不小的影響力，已經(jīng)成為全球液晶面板的組裝和制造重鎮(zhèn)。顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片市場需求量的增加以及進(jìn)口芯片價(jià)格的不穩(wěn)定，促使中國臺(tái)灣的各個(gè)液晶面板大廠積極地研發(fā)LCD驅(qū)動(dòng)芯片(如奇美電子投資研發(fā)的奇景光電)，進(jìn)而推動(dòng)了驅(qū)動(dòng)芯片國產(chǎn)化的進(jìn)程。

近年來，LCD驅(qū)動(dòng)芯片的主要發(fā)展方向有以下兩個(gè)方面：

(1)提升LCD的動(dòng)態(tài)顯示效果。傳統(tǒng)陰極射線管(CRT)顯示器是用電子束打擊熒光質(zhì)進(jìn)行顯示。當(dāng)CRT電子束移位后，熒光質(zhì)的發(fā)光效應(yīng)就開始消退[12]。與CRT顯示不同，持續(xù)持留性是LCD的顯示特性，這使得在動(dòng)態(tài)顯示過程中傳統(tǒng)的CRT技術(shù)反而優(yōu)于LCD。為了解決這個(gè)問題，LCD顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用類似電子束的間歇脈沖方式來驅(qū)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。改變驅(qū)動(dòng)方式后，動(dòng)態(tài)畫質(zhì)得到有效的改善[13]。

(2)消除殘影問題。為了解決殘影問題，為LCD顯示驅(qū)動(dòng)芯片增加了“插黑”的驅(qū)動(dòng)控制功能，其原理是在下一個(gè)畫面替換之前，先暫停驅(qū)動(dòng)液晶畫面，使頁面黑屏，然后再轉(zhuǎn)到成下一個(gè)畫面。要實(shí)現(xiàn)“插黑機(jī)制”，與芯片搭配工作的時(shí)序控制器也要配合才行，因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)一定要注意停留在黑色頁面的時(shí)間，差不多數(shù)十毫秒，就可以消除殘影效果。對(duì)比其他方式，使用此方法來進(jìn)行“插黑”具有節(jié)約傳輸頻帶的優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)增加芯片的引腳[14]。

目前在LCD中比較新的是LTPS-TFT LCD技術(shù)，其驅(qū)動(dòng)芯片線路直接制作于面板上。LTPS上存在載流子，其平均自由程較大， 遷移率也得到大幅提高，使周邊驅(qū)動(dòng)電路與像素驅(qū)動(dòng)一體化成為可能[15]。LTPS-TFT LCD技術(shù)有望同時(shí)在基板上實(shí)現(xiàn)開關(guān)陣列和周邊電路的制造，提高集成等級(jí)，已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)單邊芯片的面板制造[27]。

4 OLED及其驅(qū)動(dòng)芯片

4.1 OLED簡介

OLED被稱之為第三代顯示技術(shù)，它具有能耗低、發(fā)光率好、亮度高和輕薄等優(yōu)點(diǎn)，此外OLED可以顯示純黑色、成型為曲面屏。這些優(yōu)越性能使得OLED技術(shù)在終端設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，也使得國際各大廠商都爭先恐后地加強(qiáng)了對(duì)OLED技術(shù)的研發(fā)投入[16]。

4.2 OLED驅(qū)動(dòng)芯片

4.2.1 OLED驅(qū)動(dòng)原理

按照驅(qū)動(dòng)電流是否直接施加于像素電極而言，OLED可分為無源驅(qū)動(dòng)OLED(Passive Matrix OLED,PMOLED) 和有源驅(qū)動(dòng)OLED(Active Matrix OLED,AMOLED)[17]。PMOLED的驅(qū)動(dòng)原理與LCD的相似，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單。但因?yàn)槭艿搅蓑?qū)動(dòng)方式的限制，PMOLED的尺寸通常無法有所突破。AMOLED不再受到分辨率、尺寸等因素的制約[18]，所以較大的彩色顯示器通常使用這種方式進(jìn)行開發(fā)。就目前來看，市場上的PMOLED還是占大多數(shù)，主要應(yīng)用于小型便攜設(shè)備，應(yīng)用了它低功耗和輕薄的優(yōu)點(diǎn)。但后期，AMOLED的占比也會(huì)上升。兩者相輔相成，主要應(yīng)用于各種顯示終端設(shè)備中[19]。

(1)PMOLED

PMOLED可以采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，也可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)主要適用于發(fā)光像素共陰連接。恒流源驅(qū)動(dòng)像素在發(fā)光電壓小于恒流源的電壓與陰極電壓差時(shí)點(diǎn)亮；把像素點(diǎn)的陽極接在一個(gè)負(fù)電壓上，則此像素反向截止，無法發(fā)光。此種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)在于可能會(huì)在圖像變化更為復(fù)雜時(shí)發(fā)生交叉效應(yīng)。采用交流的形式，可以避免這些問題[20]。段式顯示屏一般采取無源靜態(tài)方式驅(qū)動(dòng)。

動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式：與前文中提到的LCD的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式相似，OLED像素的兩個(gè)電極形成矩陣型結(jié)構(gòu)，行和列分別對(duì)應(yīng)發(fā)光像素的陰極和陽極，水平一行顯示像素同一性質(zhì)的共用電極，垂直一列顯示像素的相同性質(zhì)的共用另一電極。為實(shí)現(xiàn)行掃描，給每個(gè)行電極循環(huán)施加脈沖，所有列電極給出顯示行像素的電流驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，則可以顯示出一行的像素[21]。 這種方法的弊端在于，顯示像素點(diǎn)較多時(shí)，在相同電流下，掃描行數(shù)與占空比成反比，所以掃描行數(shù)增多會(huì)使得有機(jī)電致發(fā)光像素上的電流注入在一幀中的有效亮度下降，顯示質(zhì)量會(huì)顯著降低。所以要保證顯示質(zhì)量，占空比應(yīng)該盡可能地提高。

(2)AMOLED

有源驅(qū)動(dòng)的區(qū)別在于：每個(gè)像素都配備一個(gè)電荷存儲(chǔ)電容和具備開關(guān)功能的LTPS-TFT，并且在同一玻璃基板上集成了外圍驅(qū)動(dòng)電路和顯示陣列整個(gè)系統(tǒng)[21]。由于OLED作為電流器件要依賴電流驅(qū)動(dòng)，而LCD采用電壓驅(qū)動(dòng)，所以適用于LCD的驅(qū)動(dòng)電路無法用于OLED。OLED與LED類似，亮度與電流大小成正比，因此除了進(jìn)行開/關(guān)切換動(dòng)作的選址TFT之外，更重要的是要保證導(dǎo)通阻抗比較低的小型驅(qū)動(dòng)TFT中有足夠電流通過。有源驅(qū)動(dòng)只能采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，有存儲(chǔ)功能，滿載下可驅(qū)動(dòng)，不被掃描電極數(shù)所約束，各像素可獨(dú)立選擇調(diào)節(jié)[22]。

有源驅(qū)動(dòng)的一大優(yōu)點(diǎn)是不考慮占空比問題，因?yàn)閽呙桦姌O數(shù)無法限制此種驅(qū)動(dòng)方式，高亮度和高分辨率的需求依靠于這種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。有源驅(qū)動(dòng)方式下，亮度的紅色和藍(lán)色像素可以獨(dú)立進(jìn)行灰度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)，這更有利于實(shí)現(xiàn)OLED的彩色化。顯示屏內(nèi)可安裝有源矩陣的驅(qū)動(dòng)電路，更易于實(shí)現(xiàn)小型化和提高集成度，還解決了外圍驅(qū)動(dòng)電路與屏的連接問題，成品率和可靠性也有所提高[23]。圖3所示是OLED驅(qū)動(dòng)芯片SSD1306的驅(qū)動(dòng)框圖。

圖3 芯片SSD1306結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of display driver chip SSD1306

4.2.2 OLED驅(qū)動(dòng)芯片中的Demura功能塊

由于晶化工藝的局限性，在大面積玻璃基板上制作的LTPS TFT時(shí)，眾多TFT單元的閾值電壓、遷移率等電學(xué)參數(shù)往往具有非均勻性，這種非均勻性會(huì)轉(zhuǎn)化為OLED顯示器件的電流差異和亮度差異，并被人眼所感知，即Mura現(xiàn)象。

為了使顯示效果穩(wěn)定，可以在驅(qū)動(dòng)電路中植入補(bǔ)償模塊。其中一種被廣泛使用的補(bǔ)償方式被稱為Demura，它是將背板點(diǎn)亮后通過光學(xué)CCD照相的方法將亮度信號(hào)抽取出來，根據(jù)抽取信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，使之達(dá)到均勻化顯示的目的。其步驟一般包括：

(1)驅(qū)動(dòng)芯片點(diǎn)亮OLED面板,并顯示數(shù)個(gè)畫面(一般是灰階或者RGB)。

(2)使用高分辨率和高精度的CCD照相機(jī)拍攝上述畫面。

(3)根據(jù)相機(jī)采集數(shù)據(jù)分析像素顏色分布特征，并根據(jù)相關(guān)算法識(shí)別出Mura。

(4)根據(jù)Mura數(shù)據(jù)及相應(yīng)的Demura補(bǔ)償算法產(chǎn)生Demura數(shù)據(jù)。

(5)將Demura數(shù)據(jù)燒錄到Flash ROM中，重新拍攝補(bǔ)償后畫面，確認(rèn)Mura已消除。

經(jīng)過上述5個(gè)步驟之后，驅(qū)動(dòng)芯片Demura模塊中的ROM被寫入補(bǔ)償數(shù)據(jù)，在新的數(shù)據(jù)顯示過程中補(bǔ)償數(shù)據(jù)將被調(diào)用、并作用于原始顯示數(shù)據(jù)，最終削弱Mura缺陷。

4.2.3 OLED驅(qū)動(dòng)芯片現(xiàn)狀

談到OLED驅(qū)動(dòng)芯片的現(xiàn)狀，首先應(yīng)該關(guān)注依然作為新興產(chǎn)業(yè)的OLED的產(chǎn)業(yè)格局[24]。目前的OLED產(chǎn)業(yè)格局比較明顯，高端產(chǎn)品產(chǎn)地主要還是集中在南韓和日本，特別是韓國，從全球產(chǎn)能占比來看，在2015年其產(chǎn)業(yè)比重就高達(dá)96%。

促使韓國在OLED占領(lǐng)如此地位的，主要是韓國的兩家企業(yè)：三星和LG。三星AMOLED在行業(yè)投入十年，目前技術(shù)、專利、產(chǎn)能等方面處于絕對(duì)領(lǐng)先，主要為智能手機(jī)上的小尺寸屏幕供貨；而LG則是大屏AMOLED的領(lǐng)頭羊。龐大的需求量使得兩家企業(yè)在對(duì)OLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展與生產(chǎn)上下足了功夫，使兩家公司在OLED驅(qū)動(dòng)芯片供應(yīng)商排名中分列第一、第二名。

在這種局勢下，中國也在向OLED產(chǎn)業(yè)內(nèi)進(jìn)軍，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從無到有的飛躍，但國產(chǎn)商品確實(shí)也存在一定的問題，主要是產(chǎn)能落后且良品率低。目前能夠量產(chǎn)柔性O(shè)LED的面板廠商主要有6家，包括三星、京東方、維信諾、LG、深圳天馬和柔宇，其中國內(nèi)廠商占據(jù)4席位置。以三星和國內(nèi)的行業(yè)領(lǐng)頭羊京東方進(jìn)行比較，京東方在成都的B7廠和綿陽的B11廠都是6代柔性O(shè)LED面板生產(chǎn)線，合計(jì)年產(chǎn)能為169.2萬片，良品率為65%左右；而三星年產(chǎn)能保守估計(jì)在2億片左右，不僅能夠給自己供貨，還可以出口，且良品率達(dá)到90%以上。

OLED Demura技術(shù)，目前韓國三星和LG處于領(lǐng)先的位置，但是Demura技術(shù)很復(fù)雜，均不能算成熟完美，國內(nèi)各個(gè)廠家也在積極開發(fā)自己的Demura技術(shù)，希望能夠提升良率。

但中國企業(yè)近兩年產(chǎn)能占比的確在逐漸上升，未來有望持續(xù)擴(kuò)大占比，預(yù)計(jì)到2022年達(dá)到上千萬平方米，約占全球產(chǎn)能的1/3，這說明國產(chǎn)OLED的確有自己的優(yōu)勢，那就是可以充分利用國內(nèi)資源。比如2017年國產(chǎn)手機(jī)銷量近4.5億，這說明中國廠商完全不用考慮商品供過于求，而且一旦達(dá)到企業(yè)之間的良性循環(huán)，產(chǎn)品也會(huì)更加平價(jià)，這會(huì)對(duì)目前處于暴利的韓國廠商形成巨大打擊。

既然明確了自己的優(yōu)勢，就為國產(chǎn)OLED驅(qū)動(dòng)芯片增加了動(dòng)力。當(dāng)前，在集成電路的產(chǎn)業(yè)市場占有率上，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，中國自主芯片設(shè)計(jì)在全球市場已經(jīng)占有8%的份額，在本土市場更是達(dá)到13%以上。例如我國的中穎電子公司，其主要產(chǎn)品之一為AMOLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片，其出貨量在2005年就已經(jīng)達(dá)到千萬級(jí)，也是國內(nèi)唯一一家量產(chǎn)過AMOLED驅(qū)動(dòng)芯片的廠商，在高分辨率AMOLED驅(qū)動(dòng)市場也是中國市場的領(lǐng)先者?？v觀中國的集成電路產(chǎn)業(yè)，目前最薄弱的環(huán)節(jié)依然是制造，也是最需要進(jìn)口的部分，目前的市場占有率為7%；封測環(huán)節(jié)上，大陸技術(shù)水平相對(duì)較高，目前市場占有率達(dá)到了19.1%，僅次于擁有40.8%市占率的中國臺(tái)灣，合理預(yù)測到2020年市占率會(huì)達(dá)到30%以上[21，25]。

5 Micro-LED/Mini-LED及其顯示驅(qū)動(dòng)芯片

5.1 簡介

5.1.1 Micro-LED簡介

Micro-LED(Micro Light Emitting Diode)是一種將LED進(jìn)行微縮和矩陣化的技術(shù)，可以讓每個(gè)LED的單元都保持在50 μm以下，且與OLED的功能相似，即可以完成單個(gè)像素點(diǎn)的單獨(dú)定位，還可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)光，即所謂的自發(fā)光。它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在即有無機(jī)LED高效、可靠等優(yōu)點(diǎn)，還有無需背光源，體積小、功耗低，易滿足人們的各種需求等優(yōu)勢。

5.1.2 Mini-LED簡介

Mini-LED是比Micro-LED更新的一種技術(shù)，全稱叫“次毫米發(fā)光二極管”， 使得每個(gè)LED單元保持在100 μm左右。Mini-LED是介于Micro-LED和LED之間的一種產(chǎn)品，算是在傳統(tǒng)的LED背光基礎(chǔ)上進(jìn)行的改良。

5.2 Micro-LED/Mini-LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片

5.2.1 Micro-LED/Mini-LED顯示驅(qū)動(dòng)原理

Micro-LED和Mini-LED依然屬于電流驅(qū)動(dòng)型發(fā)光器件，本文將介紹Micro-LED/Mini-LED兩種常見的驅(qū)動(dòng)方式: 無源選址驅(qū)動(dòng), 有源選址驅(qū)動(dòng)。

(1)無源選址驅(qū)動(dòng)

無源選址驅(qū)動(dòng)模式把陣列中每一列的LED像素的陽極(P-electrode)連接到列掃描線(Data Current Source)，同時(shí)把每一行的LED像素的陰極(N-electrode)連接到行掃描線(Scan Line)。當(dāng)某一特定的第Y列掃描線和第X行掃描線被選通時(shí)，其交叉點(diǎn)(X，Y)的LED像素即會(huì)被點(diǎn)亮。整個(gè)屏幕以這種方式進(jìn)行高速逐點(diǎn)掃描即可實(shí)現(xiàn)顯示畫面。這種方法雖然實(shí)現(xiàn)簡單，但連線較復(fù)雜，需要X+Y根連線，寄生電阻電容大導(dǎo)致效率低，像素發(fā)光時(shí)間短(1場/XY)從而導(dǎo)致有效亮度低，像素之間容易串?dāng)_，并且對(duì)掃描信號(hào)的頻率需求較高。即使有優(yōu)化方案，也避免不了無源選址驅(qū)動(dòng)方式的天生缺陷：連線龐雜，易串?dāng)_，像素選通信號(hào)無法保存等問題。

(2)有源選址驅(qū)動(dòng)

在有源選址驅(qū)動(dòng)電路中，每個(gè)Micro-LED像素有其對(duì)應(yīng)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電流由驅(qū)動(dòng)晶體管提供?；镜挠性淳仃囼?qū)動(dòng)電路為雙晶體管單電容(2T1C：2 Transistor 1 Capacitor)電路，每個(gè)像素電路中使用至少兩個(gè)晶體管來控制輸出電流：T1為選通晶體管，用來控制像素電路的開或關(guān)；T2是驅(qū)動(dòng)晶體管，與電壓源聯(lián)通并在一場(Frame)的時(shí)間內(nèi)為Micro-LED提供穩(wěn)定的電流。該電路中還有一個(gè)存儲(chǔ)電容C1來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信號(hào)(Vdata)。當(dāng)該像素單元的掃描信號(hào)脈沖結(jié)束后，存儲(chǔ)電容仍能保持驅(qū)動(dòng)晶體管T2柵極的電壓，從而為Micro-LED像素源源不斷地驅(qū)動(dòng)電流，直到這個(gè)幀結(jié)束[23]。

圖4 芯片MBI5029結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of display driver chip MBI5029

2T1C驅(qū)動(dòng)電路只是有源選址Micro-LED的一種基本像素電路結(jié)構(gòu)，它結(jié)構(gòu)較為簡單并易于實(shí)現(xiàn)。但由于其本質(zhì)是電壓控制電流源(VCCS)，而Micro-LED像素是電流型器件，所以在顯示灰度的控制方面會(huì)帶來一定的難度。有專家曾提出一種4T2C的電流比例型Micro-LED像素電路，采用電流控制電流源(CCCS)的方式，在實(shí)現(xiàn)灰階方面具有優(yōu)勢。圖4所示是一種具有錯(cuò)誤檢測和電流調(diào)節(jié)功能的16位恒流LED灌電流顯示驅(qū)動(dòng)芯片的簡易結(jié)構(gòu)圖。

5.2.2 Micro-LED/Mini-LED驅(qū)動(dòng)芯片現(xiàn)狀

現(xiàn)在顯示屏材料的發(fā)展趨勢是從傳統(tǒng)顯示屏向Micro-LED靠攏，而Mini-LED為兩者之間的一個(gè)過渡環(huán)節(jié)，業(yè)內(nèi)許多廠商都聲稱要在10年內(nèi)使Micro-LED和Mini-LED成為電視、手機(jī)等產(chǎn)品的主流選擇。但近幾年顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)在新型顯示屏中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，反而限制了Micro-LED/Mini-LED大規(guī)模投入市場。

5.2.2.1 Mini-LED

(1) 工藝制造方面，芯片倒裝結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在Mini-LED的首選。倒裝結(jié)構(gòu)對(duì)封裝基板的材質(zhì)限制不大， 提升了倒裝芯片的可靠性，使終端設(shè)備的維護(hù)成本也大幅降低，且由于其不需要打線的特性被廣泛應(yīng)用于超小空間密布的情況。所以在倒裝工藝制作過程中實(shí)現(xiàn)可控非常重要，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于在超小尺寸的情況下，如何保持焊接面的平整、電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性、焊接的難易程度、如何實(shí)行焊接參數(shù)和封裝的寬容度等[26]。

(2)Mini-LED用作背光源時(shí)，由于要控制成本和難度，結(jié)合終端盡可能輕薄的要求，需要芯片能在較寬 LED 芯片排列間距的情況下實(shí)現(xiàn)較小的混光距離[27]，從而對(duì)整個(gè)終端的厚度進(jìn)行削減，其難度在于如何對(duì)芯片的出光實(shí)現(xiàn)可控和如何在使用中保持一致[26]。

(3)彩色Mini-LED用作普通顯示時(shí)，除了要考慮克服：亮度比較集中、電流較小的情況下，亮度不一致、低且一致的電容特性等傳統(tǒng)小間距芯片的缺點(diǎn)，還需要適應(yīng)廣泛的使用環(huán)境和易操作的后期維護(hù)過程[28]。而且由于紅光芯片在制作倒裝工藝過程中需要進(jìn)行襯底轉(zhuǎn)移[26],使得封裝過程技術(shù)更為復(fù)雜，所以其重點(diǎn)要考慮技術(shù)可控性和生產(chǎn)良率[26]。

(4)目前Mini-LED一般采用全測試全切割的模式進(jìn)行，主要是為了滿足小尺寸芯片和光色保持一致的要求。但這種方式導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高，所以在應(yīng)用越來越廣泛的現(xiàn)在，如何提高生產(chǎn)效率，與應(yīng)用端更加匹配是需要克服的重難點(diǎn)[29]。

5.2.2.2 Micro-LED

(1)Micro-LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片有較多的缺陷，最突出的是良率較低，在現(xiàn)在較為成熟的芯片中依然需要剔除壞點(diǎn)，這個(gè)問題嚴(yán)重影響Micro-LED的顯示質(zhì)量[30]。而且由于本身良率不佳的問題，使得搬運(yùn)移動(dòng)等過程難度更大，對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)的數(shù)量和設(shè)備精度的要求也更高。所以提高本身良率和制備轉(zhuǎn)運(yùn)等技術(shù)也是現(xiàn)在急需解決的問題。

(2)制備工藝需要更新。Micro-LED并非傳統(tǒng)意義上微米或者納米量級(jí)的 LED 芯片與 TFT 基板或者 CMOS 的簡單疊加[30]。Micro-LED期望的精度和良率以當(dāng)前的設(shè)備、工藝、技術(shù)都不能滿足，而且還帶來了成本高、效率低等問題。所以Micro-LED并不能只憑自己獨(dú)自發(fā)展，其發(fā)展還必須要依靠設(shè)備、材料等企業(yè)的相互配合，以及現(xiàn)在的制備技術(shù)和生產(chǎn)線的革新[30]。

(3)聚積科技所推出的MBI5359高整合芯片擁有3大卓越功能，能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)micro-LED的愿景并且使畫面質(zhì)量更加精致。更值得關(guān)注的特點(diǎn)是針對(duì)micro-LED超小間距顯示屏燈板空間做更有效地運(yùn)用，一顆MBI5359芯片即可控制512個(gè)像素點(diǎn)，高整合功能可以有效縮減布件空間及組件的數(shù)量;另外，在畫面質(zhì)量表現(xiàn)上，低亮度高穩(wěn)定性一直是主宰觀賞距離與顯示效果的關(guān)鍵，單一顏色平均恒流驅(qū)動(dòng)低可至15 μA，灰度級(jí)數(shù)可達(dá)到16 bit，使顯示畫面的對(duì)比度與均勻性更加細(xì)膩，同時(shí)也能達(dá)到節(jié)能低功耗的效果;第三個(gè)特點(diǎn)則是使micro-LED在巨量轉(zhuǎn)移(Mass Transfer)制程上有加分作用：LED早夭偵測功能[22]。在micro-LED制程中，巨量轉(zhuǎn)移良率與壞點(diǎn)修補(bǔ)是影響micro-LED顯示屏良莠的關(guān)鍵技術(shù)，MBI5359的LED早夭偵測功能可以快速偵測并且回報(bào)已失效或即將失效的micro-LED位置，方便維修，這項(xiàng)功能可以有效提升micro-LED顯示屏質(zhì)量及可靠度。

6 異形屏對(duì)顯示驅(qū)動(dòng)芯片形成的挑戰(zhàn)

目前手機(jī)屏幕驅(qū)動(dòng)IC的封裝形式一般有COG(Chip on glass)和COF(Chip on film)兩種。COG是LCD屏幕常用的一種，其原理是直接通過各項(xiàng)異性導(dǎo)電膠(ACF)將IC封裝在玻璃上，實(shí)現(xiàn)IC導(dǎo)電凸點(diǎn)與玻璃上的ITO透明導(dǎo)電焊盤互連封裝在一起。COF是將IC芯片直接封裝到撓性印制板上，達(dá)到高構(gòu)裝密度、減輕重量、縮小體積、能自由彎曲安裝的目的。

異形屏是在傳統(tǒng)顯示屏的基礎(chǔ)上變換了各種形狀來呈現(xiàn)不同的效果，同時(shí)也有了很好的造型能力，滿足特殊定制需求(比如隱藏屏下攝像頭)和觀看視覺的多樣化需求，給顯示屏行業(yè)注入新的活力。異形屏的特殊切割給顯示驅(qū)動(dòng)芯片的時(shí)序設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

7 總結(jié)與展望

芯片是現(xiàn)代科技的核心，掌握芯片技術(shù)則不僅支撐了國家的競爭實(shí)力，且使得國家的科技發(fā)展不受他人掣肘。我國在芯片領(lǐng)域的發(fā)展一直都受到以美國為首的歐美日韓國家的技術(shù)封鎖，導(dǎo)致到目前為止，我國依然是芯片進(jìn)口大國，芯片一度成為我國最大進(jìn)口量的商品。雖然國內(nèi)的顯示平板產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但顯示驅(qū)動(dòng)芯片的步伐沒有跟上，芯片的自給能力非常低。傳統(tǒng)顯示驅(qū)動(dòng)芯片的供貨商是美歐廠商， 新型顯示驅(qū)動(dòng)芯片的主要供貨商是以三星和LG為首的韓國廠商，不僅消耗成本，而且限制行業(yè)發(fā)展。

2018年中興公司受到美國商務(wù)部制裁，被禁止進(jìn)口芯片；2020年初臺(tái)積電公司在美國壓力下，取消華為公司芯片訂單，華為也面臨著芯片供應(yīng)的危機(jī)，這一系列事件警示了芯片產(chǎn)業(yè)自主化的迫切性。顯示驅(qū)動(dòng)芯片占據(jù)了我國“一芯一屏”戰(zhàn)略計(jì)劃的雙重重要位置，所以顯示驅(qū)動(dòng)芯片的國產(chǎn)化是我國科技行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。經(jīng)前文分析，中國的科技公司有能力有技術(shù)實(shí)現(xiàn)顯示驅(qū)動(dòng)芯片的國有化，且國產(chǎn)芯片是有渠道有市場的。中國本土的顯示行業(yè)結(jié)合本土的設(shè)計(jì)材料和裝備企業(yè)，克服自身的弱點(diǎn)，必能實(shí)現(xiàn)中國本土的顯示行業(yè)生態(tài)圈。