淺析驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展近況及未來(lái)創(chuàng)新方向

王勝學(xué)　張文澤

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動(dòng)芯片；LCD；LED；OLED

引言

2016年5月18日，國(guó)家發(fā)改委和工信部頒布了《關(guān)于實(shí)施制造業(yè)升級(jí)改造重大工程包的通知》，體現(xiàn)出顯示屏及相關(guān)產(chǎn)業(yè)已然得到國(guó)家充分重視。在近幾年的發(fā)展過(guò)程中驅(qū)動(dòng)芯片助力顯示屏產(chǎn)業(yè)持續(xù)升級(jí)，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(xiàn)出我國(guó)現(xiàn)已掌握較為成熟的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。并且多所高等院?，F(xiàn)已成立相關(guān)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)隊(duì)伍，建立實(shí)驗(yàn)室，為新興顯示屏匹配以及制造工作提供支持。結(jié)合目前驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展境況，把握未來(lái)創(chuàng)新方向，是實(shí)現(xiàn)國(guó)際和國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)形勢(shì)全面向好的必要舉措，為此，下文將就驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展近況與未來(lái)創(chuàng)新方向展開(kāi)研究。

圖1 顯示器制造

一、驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展近況

（一）LCD

LCD驅(qū)動(dòng)分為動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。其中，動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)需滿足顯示器件對(duì)于像素點(diǎn)的需要，借助點(diǎn)陣型液晶顯示屏將行列電極形成矩陣型結(jié)構(gòu)，列電極把縱列像素點(diǎn)、行電極把橫行像素點(diǎn)分別連接，并引出所形成的矩陣型行業(yè)結(jié)構(gòu)，對(duì)于節(jié)約硬件驅(qū)動(dòng)電路起到促進(jìn)作用。在接收LCD控制芯片的畫(huà)面信號(hào)后，LCD驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換[1]。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)指的是適用于數(shù)碼液晶的驅(qū)動(dòng)情況中，電極組合多位數(shù)字，數(shù)字位的背電極使用導(dǎo)線連接，通過(guò)分屏操作后背電極BP接收振蕩器，傳輸時(shí)序信號(hào)，脈沖信號(hào)與時(shí)序信號(hào)均可在此條件下被選擇?，F(xiàn)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(diǎn)、線、面三個(gè)角度形成畫(huà)面。當(dāng)在LCD液晶分子上加入電場(chǎng)時(shí)，排列液晶分子的方向出現(xiàn)變化。亮點(diǎn)具備灰階可控特征。根據(jù)紅綠藍(lán)3基色信號(hào)的概率，在透過(guò)濾光膜后，能夠出現(xiàn)空間域和時(shí)域的色彩重顯[2]。

低端的TN-LCD驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)已較為成熟，目前發(fā)展的重點(diǎn)放在TFT-LCD驅(qū)動(dòng)芯片上，并且在整個(gè)芯片行業(yè)呈現(xiàn)出從小幕到大屏、從低端到高端的發(fā)展態(tài)勢(shì)。對(duì)于我國(guó)而言，LCD驅(qū)動(dòng)芯片制造和組裝液晶面板的技術(shù)十分穩(wěn)定，顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片市場(chǎng)需求量增加，使得LCD驅(qū)動(dòng)芯片研發(fā)逐步朝著國(guó)產(chǎn)化方向邁進(jìn)[3]。對(duì)于當(dāng)前LCD驅(qū)動(dòng)芯片而言，主要研發(fā)重點(diǎn)為解決殘影問(wèn)題和提高動(dòng)態(tài)顯示效果兩個(gè)方面。在消除殘影問(wèn)題上加入插黑驅(qū)動(dòng)控制功能，在替換下一個(gè)畫(huà)面以前，使液晶畫(huà)面暫停驅(qū)動(dòng)處于頁(yè)面黑屏狀態(tài)，而后再進(jìn)入下一個(gè)畫(huà)面的顯示狀態(tài)中。為達(dá)到插黑效果，配合使用時(shí)序控制器，限制黑色頁(yè)面停留時(shí)間，保證黑色頁(yè)面時(shí)間可控制在數(shù)十毫秒范圍內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)消除殘影。運(yùn)用插黑方法有助于節(jié)約傳輸頻帶，并逐步應(yīng)對(duì)芯片增加的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題解決需求。在提升LCD動(dòng)態(tài)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(yùn)用CRT技術(shù)，應(yīng)當(dāng)采取電子數(shù)間歇脈沖方式，驅(qū)動(dòng)顯示芯片，以此改善動(dòng)態(tài)畫(huà)質(zhì)。

（二）LED

LED驅(qū)動(dòng)芯片控制灰度和亮度可以通過(guò)脈沖寬度調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)，由于此種芯片為脈沖式發(fā)光，可在匹配灰度等級(jí)權(quán)重后，按照空比實(shí)現(xiàn)亮度和灰度調(diào)節(jié)，并控制輸出脈沖的效果。當(dāng)前所使用的LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片可分成專(zhuān)用芯片和通用芯片兩大類(lèi)。其中，前者具備輸出電流大和恒流的特點(diǎn)，更為貼合電流大和畫(huà)質(zhì)清晰要求。關(guān)鍵性能參數(shù)，包括電流輸出誤差、恒流源輸出路數(shù)、最大輸出電流和數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘[4]。一般可分為三個(gè)檔位，第一檔調(diào)節(jié)灰度，第二檔具備過(guò)熱保護(hù)和開(kāi)路檢測(cè)功能，第三檔提供恒流源，以此維持顯示畫(huà)面質(zhì)量。常用的專(zhuān)用芯片為L(zhǎng)M3405A芯片，其中包含溫度過(guò)熱保護(hù)模塊，通過(guò)連接邏輯控制輸出模塊和控制過(guò)熱關(guān)閉模塊，實(shí)現(xiàn)保護(hù)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(dá)35mA。常用的通用芯片為74HC595，具有三態(tài)輸出功能，此類(lèi)產(chǎn)品較為低端。

目前使用最為廣泛的LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片由TI公司生產(chǎn)，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(shù)較為先進(jìn)，直接加工生產(chǎn)超過(guò)200mm的晶圓管[5]。目前TI公司已經(jīng)占據(jù)LED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片市場(chǎng)的1/4，在設(shè)計(jì)此類(lèi)芯片的過(guò)程中，朝著更少零件、更低功耗和多恒流化方式三個(gè)方向發(fā)展。其中多恒流化方式如TB62D901FNG驅(qū)動(dòng)芯片，將重點(diǎn)的臨界模式放于電力效率上，利用頻率自動(dòng)調(diào)整，減少斷開(kāi)時(shí)間，固定所需要的部件數(shù)量，維持LED電流穩(wěn)定。此種發(fā)展形式除考慮LED工藝誤差和電壓不穩(wěn)定外，仍舊能夠平穩(wěn)控制LED電流，且不改變外置部件數(shù)量，使得LED變化范圍可趨近100%～200%的范圍內(nèi)。

在更少零件方面，集成并單個(gè)封裝MOSFET驅(qū)動(dòng)器和PFC/CC控制器，運(yùn)用此種方法，可節(jié)省傳統(tǒng)設(shè)計(jì)用于隔離反激所使用的控制器元件，簡(jiǎn)化布局與電路設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)LED燈使用壽命。在降低成本的基礎(chǔ)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(zhuǎn)折電壓和MBI5035驅(qū)動(dòng)器，保證節(jié)能的基礎(chǔ)上消除工作噪聲[6]。通過(guò)設(shè)置定電流驅(qū)動(dòng)通道，外接電源控制芯片，保證各通道的驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)150mA，減少零件使用數(shù)量的同時(shí)，簡(jiǎn)化高灰度LED背光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

（三）OLED

OLED驅(qū)動(dòng)芯片包括有源驅(qū)動(dòng)和無(wú)源驅(qū)動(dòng)兩大類(lèi)，其整體驅(qū)動(dòng)原理與LCD類(lèi)似，具備工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但由于驅(qū)動(dòng)方式限制，PMOLED尺寸方面的突破性進(jìn)展較小。在有源驅(qū)動(dòng)方面，現(xiàn)已不受尺寸和分辨率的限制。在此種背景下，開(kāi)發(fā)較大彩色顯示器成為可能。對(duì)于市場(chǎng)上所使用的無(wú)源驅(qū)動(dòng)形式，其具備輕薄、低功耗的優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)發(fā)展過(guò)程中將無(wú)源驅(qū)動(dòng)和有源驅(qū)動(dòng)兩種形式相互輔助，可直接作用于各類(lèi)顯示終端設(shè)備當(dāng)中。對(duì)于有源驅(qū)動(dòng)來(lái)講，其各個(gè)像素均配以具備開(kāi)關(guān)功能和電荷存儲(chǔ)功能的電容以及設(shè)備，在同一基板上將顯示陣列和外圍驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)予以集成，電流驅(qū)動(dòng)是OLED電流器件發(fā)揮作用的必要條件。適用于LCD的驅(qū)動(dòng)電路難以作用至OLED當(dāng)中。OLED電流大小與亮度成正比，選擇LTPS-TFT開(kāi)關(guān)切動(dòng)動(dòng)作，要保證電流足夠支撐小型驅(qū)動(dòng)TFT維持正常工作。

靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是有源驅(qū)動(dòng)芯片的唯一作用方式，不受掃描電極數(shù)的限制，獨(dú)立調(diào)節(jié)各像素，滿載下可直接驅(qū)動(dòng)，并具備存儲(chǔ)功能。有源驅(qū)動(dòng)的另一優(yōu)點(diǎn)是空間占比問(wèn)題無(wú)需過(guò)度考量，由于掃描電極數(shù)對(duì)于此種方式無(wú)法限制，高分辨率和高亮度需求均可在有源驅(qū)動(dòng)模式下達(dá)成?；叶日{(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)獨(dú)立運(yùn)行，使得藍(lán)色和紅色像素均可達(dá)到OLED彩色化的效果，將驅(qū)動(dòng)電路安裝于顯示屏內(nèi)，能夠提高集成度。滿足小型化特點(diǎn)同時(shí)，應(yīng)對(duì)外圍驅(qū)動(dòng)屏與電路連接的問(wèn)題，提高可靠性和成品率。對(duì)于靜態(tài)驅(qū)動(dòng)來(lái)講，主要適合連接發(fā)光像素。此種驅(qū)動(dòng)方式會(huì)因交叉效應(yīng)，使得圖像變化更為復(fù)雜，為解決以上問(wèn)題運(yùn)用交流方式，促使靜態(tài)驅(qū)動(dòng)更為適用于實(shí)際工作。

現(xiàn)階段LED驅(qū)動(dòng)芯片能夠在demura模塊中，將補(bǔ)償數(shù)據(jù)寫(xiě)入ROM中，調(diào)用補(bǔ)償數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)顯示過(guò)程能夠削弱mura缺陷。驅(qū)動(dòng)芯片點(diǎn)亮LED面板使得RGB或灰階顯示數(shù)個(gè)畫(huà)面。運(yùn)用高精度和高分辨率CCD照相機(jī)拍攝RGB和灰階畫(huà)面，依據(jù)算法分析所采集的相機(jī)數(shù)據(jù)，得到像素顏色分布特征，以此求出mura。結(jié)合mura數(shù)據(jù)和相應(yīng)算法輸出demura數(shù)據(jù)，將所得到的數(shù)據(jù)燒錄至Flash ROM中形成拍攝補(bǔ)償后的畫(huà)面，消除mura。

中國(guó)所持有的OLED demura技術(shù)相較于其他國(guó)家處于領(lǐng)先地位，不僅能夠保證良品率，還兼顧市場(chǎng)份額逐漸擴(kuò)大的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展著力點(diǎn)落于制造層面上，全面提升技術(shù)水平。

二、驅(qū)動(dòng)芯片未來(lái)創(chuàng)新方向

（一）Mini-LEDOLED

功能與Mini-LED功能基本相似，相較于LED和OLED驅(qū)動(dòng)芯片，其各個(gè)單元處于100左右，是LED與Micro-LED共同經(jīng)過(guò)改良所得到的新型產(chǎn)品。通過(guò)無(wú)源選址驅(qū)動(dòng)和有源選址驅(qū)動(dòng)方式，使得電流驅(qū)動(dòng)型發(fā)光器能夠控制電流源。Mini-LED是Micro-LED實(shí)現(xiàn)的過(guò)渡階段，目前，眾多業(yè)內(nèi)廠商，逐步將Mini-LED當(dāng)做主流選擇應(yīng)用于手機(jī)和電視產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中。未來(lái)工藝制造方面首選Mini-LED芯片結(jié)構(gòu)，倒裝芯片具備可靠性，使用此種芯片可降低終端設(shè)備維護(hù)成本，并因打線特性可使得較小空間密布問(wèn)題得以解決?？煽氐寡b工藝制作是當(dāng)前驅(qū)動(dòng)芯片的創(chuàng)新方向，同時(shí)，如何降低封裝寬容度、實(shí)行焊接參數(shù)、控制焊接難易程度以及保持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性是Mini-LED用作背光源時(shí)的主要控制方向。根據(jù)輕薄需求，擴(kuò)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(xiàn)實(shí)桎梏，并使得后續(xù)維護(hù)和使用環(huán)境更為貼合復(fù)雜技術(shù)應(yīng)用狀態(tài)。

（二）高精度高功率LED

LED的光源具備色彩豐富易于調(diào)光、綠色環(huán)保、小體積、長(zhǎng)壽、高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，目前此類(lèi)燈具已經(jīng)達(dá)到80%的市場(chǎng)滲透率。在LED驅(qū)動(dòng)芯片被廣泛應(yīng)用的背景下，此種芯片仍存在著驅(qū)動(dòng)器失效率高、功率因數(shù)低、恒流精度低的問(wèn)題。解決以上問(wèn)題是當(dāng)前驅(qū)動(dòng)芯片的創(chuàng)新方向。鑒于此，文章提出一種系統(tǒng)級(jí)別的高精度高功率LED恒流芯片設(shè)計(jì)實(shí)施。方案具體如下：

所設(shè)計(jì)的高功率高精度恒流驅(qū)動(dòng)芯片滿足自頂向下的設(shè)計(jì)原則，所形成的系統(tǒng)級(jí)建模使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件EDA，通過(guò)反激式變換器建模結(jié)構(gòu)的形成，使得主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型可發(fā)揮實(shí)效。模型中包括開(kāi)關(guān)管、初級(jí)電流檢測(cè)電阻、RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)電容、二極管、次級(jí)繞組和初級(jí)繞組。驅(qū)動(dòng)模塊中控制邏輯模塊、固定開(kāi)通時(shí)間控制模塊和功率因素校正斜坡發(fā)生模塊相互作用，共同形成PFC核心控制模塊。其中功率因數(shù)矯正斜坡產(chǎn)生電路模型，由復(fù)位端Clear元件補(bǔ)償端、Compensation開(kāi)關(guān)比較器、積分電容、電壓控制的電流源和RS觸發(fā)器組成。在運(yùn)行過(guò)程中，并未加入占空比限制模塊，能夠使得在臨界導(dǎo)通狀態(tài)下檢測(cè)所輸入的電流為0，重新上升輸入電流，需打開(kāi)功率開(kāi)關(guān)管，控制系統(tǒng)中的輸入電流跟隨輸入電壓變化而變化。因此在死區(qū)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)畸變，但加入三極管后能夠釋放積分電容中的電荷，以此達(dá)到改良輸入電流畸變問(wèn)題并消除的效果。

固定開(kāi)通時(shí)間控制模塊中包含反向器、比較器、計(jì)時(shí)電容、電壓可控的電流源、觸發(fā)器等元件。固定導(dǎo)通時(shí)間策略的邏輯控制模塊中包含觸發(fā)器、與門(mén)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(yùn)算固定導(dǎo)通時(shí)間模塊，輸出信號(hào)與輸出高電平，降低誤差，提升精度。為保證系統(tǒng)處于臨界導(dǎo)通模式，使得復(fù)位信號(hào)優(yōu)先觸發(fā)RS觸發(fā)器，在加入控制模塊和固定導(dǎo)通時(shí)間模塊后，系統(tǒng)局部放大的輸入電流和開(kāi)關(guān)，信號(hào)波形顯示出其仿真結(jié)果更為貼近補(bǔ)償模型的理想原型電路。同時(shí)，為應(yīng)對(duì)零交越附近的死區(qū)時(shí)間問(wèn)題，將三極管、電阻、開(kāi)關(guān)和比較器同時(shí)作用于模塊當(dāng)中。負(fù)載電阻與三極管共同生成參考電壓inp，控制開(kāi)關(guān)與比較器共同發(fā)揮效用，完成通斷控制開(kāi)關(guān)的作業(yè)任務(wù)。調(diào)整Compensation信號(hào)，對(duì)比信號(hào)與參考電壓間的大小，當(dāng)?shù)陀陔妷簳r(shí)，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)，補(bǔ)償Compensation信號(hào)；當(dāng)超出電壓時(shí)，輸出低電平，關(guān)斷相應(yīng)開(kāi)關(guān)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章對(duì)LCD、LED和OLED驅(qū)動(dòng)芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和相應(yīng)作用機(jī)理給出了詳細(xì)闡釋?zhuān)⑶彝ㄟ^(guò)提出Mini-LED和高精度高功率LED驅(qū)動(dòng)芯片點(diǎn)明未來(lái)驅(qū)動(dòng)芯片創(chuàng)新方向。通過(guò)文章描述可以看出高精度高功率LED驅(qū)動(dòng)芯片是企業(yè)在市場(chǎng)中站穩(wěn)腳跟的必要研發(fā)方向。如此要求各企業(yè)技術(shù)人員在明確相關(guān)科學(xué)技術(shù)的前提下，應(yīng)對(duì)異形屏對(duì)顯示驅(qū)動(dòng)芯片所提出的挑戰(zhàn)，掌握現(xiàn)代科技核心，提高國(guó)家在芯片技術(shù)領(lǐng)域的整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。