智能刷新率之源

高刷新率的后遺癥

從2 019下半年開(kāi)始，越來(lái)越多的新款手機(jī)就開(kāi)始配備90Hz起步的高刷新率屏幕了?！捌聊凰⑿侣省钡膯挝粸椤癏z”，代表屏幕每秒能夠刷新的畫(huà)面數(shù)量，手機(jī)屏幕的標(biāo)準(zhǔn)刷新率為60Hz，意味著它們每秒能刷新60張畫(huà)面（圖1）。

更高的屏幕刷新率，可以緩解動(dòng)態(tài)畫(huà)面（如游戲）在高速移動(dòng)變化中的模糊以及撕裂現(xiàn)象，玩久了也不容易出現(xiàn)莫名的眩暈感。在刷微博或是抖音等屏幕內(nèi)容滾動(dòng)變化的場(chǎng)景中，也可以帶來(lái)更流暢的顯示效果（圖2）。大家可以找出幾年前的老款手機(jī)刷下微博，是不是感覺(jué)畫(huà)面總有股莫名的滯澀感？這就是高刷屏幕的核心優(yōu)勢(shì)——“用了就回不去了”的體驗(yàn)。

但是，屏幕刷新率越高，隨之而來(lái)的就是更高的耗電（圖3）。為了解決這個(gè)問(wèn)題，很多配備高刷新率屏幕的手機(jī)，都會(huì)在顯示設(shè)置中加入“智能切換”的功能，可以讓手機(jī)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行的APP，智能切換到高刷提升流暢度，亦或低刷省電，當(dāng)電量低于某個(gè)閾值后強(qiáng)制調(diào)低刷新率（圖4）。

需要注意的是，這種所謂的智能切換其實(shí)都是“偽智能”，因?yàn)樗倪\(yùn)行機(jī)制是“一刀切”，強(qiáng)制讓不同類(lèi)型的APP運(yùn)行在60Hz、90Hz（或120Hz/144Hz）幾個(gè)檔位上，當(dāng)我們?cè)趲讉€(gè)APP之間進(jìn)行切換跳轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)觸發(fā)刷新率的變化，帶來(lái)體驗(yàn)上的割裂感。

那么，有沒(méi)有真正智能的刷新率切換方式呢？答案自然是肯定的，那就是LTPO技術(shù)與OLED面板的結(jié)合。

OLED和TFT的關(guān)系

我們都知道，無(wú)論LCD還是OLED，它們的核心都是薄膜晶體管（TFT），差異是LCD需要LED燈條作為點(diǎn)亮TFT的光源，而OLED則是利用涂抹在每個(gè)TFT像素上的有機(jī)材料實(shí)現(xiàn)自發(fā)光（圖5）。從原理上看，OLED的面板功耗可以分為兩大類(lèi)，其一是“刷新功耗”，與刷新率、電容、開(kāi)關(guān)TFT電壓差平方成正比;其二是“點(diǎn)亮功耗”，與發(fā)光效率、驅(qū)動(dòng)TFT電壓成正比。

可見(jiàn)，無(wú)論刷新功耗還是點(diǎn)亮功耗，都與TFT有關(guān)系。而最影響TFT功耗的2個(gè)指標(biāo)，則是“載流子遷移率”和“開(kāi)關(guān)比”。其中，電子（載流子）遷移率越高，驅(qū)動(dòng)TFT的電壓就越低，進(jìn)而降低功耗;開(kāi)關(guān)比越大，關(guān)閉狀態(tài)下漏電就越小，同樣電力就能支撐TFT像素點(diǎn)亮更久。

那么，又是誰(shuí)在影響T FT的載流子遷移率和開(kāi)關(guān)比呢？答案就是TFT的制造技術(shù)和背板材料。

影響TFT的制造技術(shù)

目前，主流T F T 的制造技術(shù)和材料分類(lèi)主要有4種，分別為a-Si、HTPS、LTPS、IGZO和LTPO。

a-Si（非晶硅）

這是最簡(jiǎn)單成熟的TFT技術(shù)，a-Si成本很低，但它的電子遷移率也很低，為了保證高性能必須將晶體管做大，所以它不適合作為手機(jī)等追求顯示精度設(shè)備的屏幕，更適合作為電視、顯示器等大尺寸設(shè)備的屏幕。

HTPS（高溫多晶硅）

用高溫?zé)Y(jié)把非晶硅轉(zhuǎn)變成多晶硅的技術(shù)就叫高溫多晶硅，HTPS的電子遷移率最高，但這種工藝必須搭配耐高溫的基板，所以只能使用水晶玻璃，同樣不適合手機(jī)，一般HTPS都用于相機(jī)里的電子取景器。

LTPS（低溫多晶硅）

低溫多晶硅是通過(guò)激光加熱生成的多晶硅，對(duì)基板耐熱性的要求不高（圖6）。LTPS繼承了HTPS的優(yōu)點(diǎn)，同樣具備超高電子遷移率，刷新率越高它相對(duì)于其他技術(shù)的省電效果就更明顯，而且響應(yīng)速度很快，還能同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的PPI（分辨率）。

IGZO（銦鎵鋅氧化物）

銦鎵鋅氧化物的成本比LTPS低，電子遷移率介于a-Si和LTPS之間，不太適合高分辨率屏幕（圖7）。但是，IGZO的開(kāi)關(guān)比LTPS更大（見(jiàn)表），這意味著其漏電更少，能保證在低刷新率下顯示的穩(wěn)定性。

LTPO（低溫多晶氧化物）

目前，在中高端手機(jī)屏幕領(lǐng)域LTPS占絕對(duì)主流?？上?，LTPS的電子遷移率雖然近乎無(wú)敵，但漏電也比較大，需要它不斷的刷新來(lái)彌補(bǔ)電容漏電的情況，這就意味著LTPS無(wú)法實(shí)現(xiàn)低頻驅(qū)動(dòng)（刷新率不能降得太低），不利于屏幕功耗的節(jié)省。

IGZO雖然受制于遷移率（相對(duì)）較低一直沒(méi)有成為市場(chǎng)主流，但它卻具備漏電更少的天賦技能。既然LTPS存在高電子遷移率但漏電高的問(wèn)題，而LTPS又有低漏電但電子遷移率不夠高的特性，那將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，不就完美了（圖8）？

于是，我們便看到了第5種TFT技術(shù)——LTPO（Low TemperaturePolysilicon Oxide），其真正科學(xué)的叫法應(yīng)該是：低溫多晶硅和氧化物雜合TFT驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Hybrid TFT Technology contains LTPS TFTand Oxide TFT），我們可以將其理解為L(zhǎng)TPS+IGZO，利用LTPS來(lái)驅(qū)動(dòng)T F T，實(shí)現(xiàn)更小的驅(qū)動(dòng)電流和更低的驅(qū)動(dòng)電壓;再用IGZO負(fù)責(zé)TFT的開(kāi)關(guān)，利用較小的漏電就能讓像素保持更長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)低至1Hz～10Hz的刷新率。

LTPO 1.0初露鋒芒

在LTPO技術(shù)出現(xiàn)之前，智能手機(jī)所謂的“智能刷新率”就是不同的應(yīng)用和內(nèi)容可以觸發(fā)多個(gè)檔位的刷新率切換。比較常見(jiàn)的是120Hz（14 4H z）、9 0 H z、6 0 H z幾個(gè)檔位，玩的最漂亮的則是小米旗下部分型號(hào)手機(jī)主打的“七檔幀率”（30/48/50/60/90/120/144Hz）（圖9），但它們的通病是最低幀數(shù)不夠低，沒(méi)能將省電做到極致。

沒(méi)辦法，最低3 0 H z 刷新率，真的已經(jīng)是LTPS技術(shù)的極限了。好在，我們隨后等到了更先進(jìn)的LTPO技術(shù)。

2019年9月，蘋(píng)果發(fā)布的Apple Watch 5首次將OLED屏幕的背板材料從LTPS換成了LTPO（圖1 0），在相同亮度下可節(jié)省15%以上功耗，并支持最低1Hz，最高6 0 Hz的可變刷新率，從而為Apple Watch 5主打的常亮顯示和18小時(shí)續(xù)航奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在手機(jī)領(lǐng)域，首發(fā)LT PO技術(shù)的代表則是2020年8月發(fā)布的三星Galaxy Note 20 Ultra，這款產(chǎn)品就憑借LTPO獲得了10Hz～120Hz自適應(yīng)刷新率能力。2021年上市的多款國(guó)產(chǎn)驍龍888旗艦，如OPPOFind X3系列和一加9 Pro等也引入了LTPO技術(shù)，并將變頻范圍從硬件支持的最低10Hz成功下探到了1Hz（圖11）。

但是，2 0 2 1 年量產(chǎn)上市Android手機(jī)所采用的LTPO技術(shù)本質(zhì)上都屬于“LTPO 1.0”，通過(guò)具體A P P 的特性設(shè)定其顯示幀數(shù)的上限和下限，比如刷微博和玩游戲時(shí)屏幕刷新率為120 Hz，運(yùn)行視頻類(lèi)APP時(shí)降為6 0 Hz或3 0 Hz，查看電子郵件或其他常規(guī)文本、照片、社交媒體靜態(tài)圖片時(shí)則可以低至30Hz（甚至10Hz～1Hz）。

因此，很多網(wǎng)友都將Android領(lǐng)域的一眾LTPO機(jī)型戲稱(chēng)為“LTPO了個(gè)寂寞”，它們本質(zhì)上都是通過(guò)“白名單鎖幀”，其主打的自適應(yīng)刷新率只是“讓不同A PP適應(yīng)不同的刷新率”以兼顧流暢度和節(jié)能性，在同一個(gè)具體A PP上最多只能通過(guò)手指觸控屏幕（120Hz）和手指離開(kāi)屏幕（降回60Hz）的方式降低功耗。

LTPO 2.0趨近完美

實(shí)際上，LTPO屏幕也有高低之分。比如iPhone 13 Pro就基于LTPO屏幕帶來(lái)了ProMotion自適應(yīng)刷新率技術(shù)（圖12），和Android陣營(yíng)的LTPO1.0相比，ProMotion技術(shù)最大的差異就是可以在同一款A(yù)PP內(nèi)的不同場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)智能刷新率調(diào)節(jié)。蘋(píng)果對(duì)ProMotion技術(shù)的解釋也很簡(jiǎn)單：在你需要時(shí)提供高幀率，在不需要時(shí)為你省電，這才是我們?yōu)槟阗N心提供的方案。

ProMotion技術(shù)的效果也是顯而易見(jiàn)的。不支持該技術(shù)的iPhone 13（3227mAh）可提供19小時(shí)的視頻播放和15小時(shí)的流媒體視頻播放時(shí)間，而支持該技術(shù)的iPhone 13 Pro（3095mAh）對(duì)應(yīng)的播放時(shí)間卻長(zhǎng)達(dá)22小時(shí)和20小時(shí)（圖13），這點(diǎn)更加印證了ProMotion技術(shù)對(duì)省電帶大的巨大優(yōu)勢(shì)。

好消息是，如今Android陣營(yíng)手機(jī)不用在羨慕蘋(píng)果的ProMotion技術(shù)了。以小米12 Pro為開(kāi)端，2022年的很多旗艦手機(jī)都會(huì)獵裝來(lái)自三星的第二代LTPO屏幕（LTPO 2.0），小米官方將其稱(chēng)為“智能動(dòng)態(tài)刷新率技術(shù)”，和LTPO 1.0相比強(qiáng)調(diào)了“動(dòng)態(tài)”兩字。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“智能動(dòng)態(tài)刷新率技術(shù)”并不是LTPO 1.0時(shí)代簡(jiǎn)單的白名單鎖幀，也不是“一刀切”的全局120Hz，而是針對(duì)不同內(nèi)容和操作，智能匹配最優(yōu)刷新率，避免無(wú)效屏幕刷新帶來(lái)額外的電量耗損（圖14），也被很多網(wǎng)友稱(chēng)為“滑動(dòng)變速”體驗(yàn)。

比如滑動(dòng)頁(yè)面120Hz極致流暢，視頻60幀則匹配60Hz刷新率、觀看靜態(tài)文字或圖片則以10Hz刷新率，而這些都可以在同一款A(yù)PP之內(nèi)，根據(jù)用戶的每一次操作、每一種內(nèi)容動(dòng)態(tài)瞬時(shí)調(diào)整。以微博為例，小米12 Pro在用戶操作時(shí)能以120Hz流暢顯示，手指離開(kāi)屏幕畫(huà)面停止?jié)L動(dòng)時(shí)降到60Hz，畫(huà)面停止不動(dòng)后則會(huì)調(diào)低至10Hz，最大限度減少屏幕的耗電問(wèn)題（圖15）。作為對(duì)比，微博顯示靜態(tài)畫(huà)面時(shí)，LTPO 1.0手機(jī)仍會(huì)是始終保持最高功耗的120Hz狀態(tài)，LTPO在運(yùn)行微博時(shí)沒(méi)體現(xiàn)出任何節(jié)能的特性。

除了小米，realme、一加和iQOO等品牌旗下的新一代旗艦也會(huì)采用LTPO 2.0屏幕，劉作虎表示一加10 Pro會(huì)憑借LTPO 2.0，將屏幕全場(chǎng)景的流暢體驗(yàn)再次提升到新高度（圖16）;iQOO也稱(chēng)iQOO 9的這塊屏幕不僅采用了最新的E5材質(zhì)，還應(yīng)用了LTPO無(wú)級(jí)變速技術(shù)，能根據(jù)手機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景智能切換幀率（圖17）。realme副總裁徐起宣布realme GT2 Pro是全球第一款二代LTPO直屏旗艦，堪稱(chēng)是“直屏天花板”（圖18）。

需要注意的是，LTPO 2.0的“智能動(dòng)態(tài)刷新率技術(shù)”還需要A PP開(kāi)發(fā)者進(jìn)行主動(dòng)適配，未經(jīng)優(yōu)化的A PP可能無(wú)法享受到“滑動(dòng)變速”的愜意。