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作者：白玉杰，ADI公司高級應用工程師 摘要 如今，汽車(chē)行業(yè)對先進(jìn)顯示屏的需求空前高漲，亟需能夠實(shí)現更大尺寸、更高亮度、曲面設計、更高分辨率和更高對比度的解決方案。與此同時(shí)，各類(lèi)新型車(chē)載顯示屏也日益受到青睞。目前，TFT LCD是汽車(chē)平板顯示技術(shù)的主流選擇。OLED和micro-LED顯示屏憑借出色的顯示效果、低能耗、高柔韌性、超薄等特性，正逐漸贏(yíng)得汽車(chē)制造商的關(guān)注。本文比較了這些不同的顯示技術(shù)，并討論適用于LCD顯示屏的2T1C像素驅動(dòng)器，以及適用于OLED和micro-LED顯示屏的7T1C/2C像素驅動(dòng)器。 簡(jiǎn)介 汽車(chē)應用中TFT LCD、OLED和micro-LED顯示屏系列文章共有兩個(gè)部分，本文為其中的第1部分。文章比較了TFT LCD、OLED和micro-LED顯示屏的特性，以及不同像素驅動(dòng)器的技術(shù)。此外還討論了TFT技術(shù)和汽車(chē)顯示屏的電源技術(shù)。 本系列的第1部分重點(diǎn)介紹汽車(chē)顯示屏的基本原理，包括發(fā)展趨勢、挑戰和顯示屏結構。為幫助理解汽車(chē)顯示屏的電源技術(shù)，文章還簡(jiǎn)要介紹了像素驅動(dòng)器。 本系列的第2部分將介紹汽車(chē)顯示屏的電源技術(shù)。文章討論了不同的顯示技術(shù)，包括側光式背光和直下式背光。此外還簡(jiǎn)要說(shuō)明了mini-LED顯示屏的局部調光技術(shù)。 汽車(chē)數字座艙趨勢 近年來(lái)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)化、自動(dòng)駕駛、共享出行等汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展迅猛。為了給用戶(hù)帶來(lái)更好的體驗，座艙的設計也隨之徹底改變。人們對于尺寸更大、曲面設計、更高分辨率和更高對比度的顯示屏以及新型車(chē)載顯示屏的需求日益強烈。根據IHS Markit汽車(chē)顯示屏市場(chǎng)追蹤報告，2018年汽車(chē)顯示面板出貨量為1.615億塊，預計到2025年出貨量將超過(guò)2億塊1。 為了改善座艙體驗，現代汽車(chē)配備了多種類(lèi)型的顯示屏：儀表板、中央信息顯示屏(CID)、平視顯示屏(HUD)、乘客顯示屏、智能電子后視鏡顯示屏、側后視鏡顯示屏和后部娛樂(lè )顯示屏。儀表板用于為駕駛員提供速度和燃油表狀態(tài)等關(guān)鍵信息。HUD用于將關(guān)鍵信息投射到擋風(fēng)玻璃上。后座娛樂(lè )顯示屏和乘客顯示屏是信息娛樂(lè )系統的一部分，供乘客觀(guān)看電影或進(jìn)行其他娛樂(lè )活動(dòng)。數字攝像頭監視系統(CMS)利用兩到三個(gè)攝像頭取代了外部后視鏡。同時(shí)側后視鏡顯示屏和電子后視鏡顯示屏也增強了駕駛員對周?chē)h(huán)境的視覺(jué)感知。 根據IHS Markit汽車(chē)顯示屏市場(chǎng)追蹤報告，2018年，10英寸面板占汽車(chē)顯示面板出貨量的10%，預計到2025年這一比例將增長(cháng)至18.4%1。近年來(lái)，12.3英寸及更大的顯示面板逐漸成為儀表板顯示屏的主流尺寸。 自2017年特斯拉Model 3搭載15英寸觸摸屏以來(lái)，汽車(chē)顯示面板就朝著(zhù)尺寸更大、分辨率更高、對比度更高的方向發(fā)展，形態(tài)設計自由度也越來(lái)越高。2019年，理想ONE采用了全座艙寬度顯示屏，包含兩塊尺寸分別為12.3英寸和16.2英寸的屏幕。2023年，寶馬3系配備了采用局部調光技術(shù)的14.9英寸曲面觸摸屏，屏幕從駕駛員側方一直延伸至中控臺。VISION EQXX概念車(chē)則搭載了采用局部調光技術(shù)的47.5英寸全座艙寬度屏幕。汽車(chē)顯示屏的趨勢總結如圖1所示。 
圖1.座艙顯示屏趨勢2 寶馬概念車(chē)Neue Klasse上的全擋風(fēng)玻璃HUD將于2025年投入量產(chǎn)。這項HUD創(chuàng )新技術(shù)能將信息投射至整個(gè)前擋風(fēng)玻璃，所有乘客都能輕松查看。擋風(fēng)玻璃下邊緣具有更高的光強度和對比度，可向駕駛員和乘客顯示相關(guān)信息。此外還有一個(gè)自由形態(tài)中央顯示屏3。 顯示面板架構 圖2中的TFT LCD、圖3中的OLED和圖4中的micro-LED代表了三種不同技術(shù)，這些技術(shù)都推動(dòng)了視覺(jué)顯示的革新。 TFT LCD利用夾在兩層玻璃襯底之間的液晶來(lái)顯示圖像。下方襯底嵌入了TFT，而上方襯底用作濾色器。通過(guò)控制流過(guò)晶體管的電流可以改變電場(chǎng)，電場(chǎng)的變化又會(huì )影響液晶分子的排列方式，進(jìn)而調制光穿過(guò)液晶層時(shí)的旋轉狀態(tài)。用不同比例的三色光照射濾色器，就能形成色彩各異的像素。
圖2.TFT LCD顯示屏結構 相比之下，OLED顯示屏具備自發(fā)光能力，所以不需要背光。OLED的基本結構包括了氧化銦錫(ITO)玻璃襯底和其上的有機發(fā)光層。有機發(fā)光層夾在兩個(gè)低功函數金屬電極之間：上方陰極和下方陽(yáng)極。 在陰極和陽(yáng)極上施加外部電壓時(shí)，電子傳輸層(ETL)和空穴傳輸層(HTL)將電子和空穴注入有機發(fā)光層，注入的數量和速度可以控制。這個(gè)過(guò)程讓OLED發(fā)光。在OLED中使用不同的化學(xué)材料，可以產(chǎn)生紅光、綠光和藍光。因此，OLED顯示屏更薄、更節能，色彩再現能力和對比度也更優(yōu)越。
圖3.OLED顯示屏結構 Micro-LED顯示屏采用微型LED陣列構成每個(gè)像素，代表了顯示領(lǐng)域的新進(jìn)展。通常，micro-LED的芯片尺寸在50 μm以?xún)�，人眼幾乎看不�?jiàn)。得益于其微小的尺寸和先進(jìn)的組裝技術(shù)，紅光、綠光和藍光照明源可以集成到單個(gè)像素點(diǎn)中，因此micro-LED顯示屏無(wú)需濾色器和液晶。 像素中的每個(gè)micro-LED都能自行發(fā)光，因此畫(huà)面亮度更高、黑色更深邃且能效出色。這些技術(shù)代表了顯示創(chuàng )新方面的重大進(jìn)步，每種技術(shù)在結構和性能方面都有獨特的優(yōu)勢。micro-LED顯示屏適配于智能手機、電視到增強現實(shí)、可穿戴設備、汽車(chē)顯示等各種應用。
圖4.micro-LED顯示屏結構 TFT LCD技術(shù)相對成熟且成本優(yōu)勢突出，這樣因此成為了目前汽車(chē)行業(yè)占主導地位的平板顯示技術(shù)。然而，OLED顯示屏和micro-LED顯示屏也正引起越來(lái)越多的汽車(chē)制造商注意。 OLED顯示屏兼具顯示效果出色、能耗低、柔韌性強、超薄等特點(diǎn)。micro-LED顯示屏正作為新一代顯示技術(shù)嶄露頭角，不僅支持曲面顯示設計，亮度和對比度均有增強，能夠為座艙內屏幕設計帶來(lái)更大的靈活性。 然而，OLED顯示屏存在殘影問(wèn)題，長(cháng)時(shí)間顯示靜態(tài)圖像后像素性能會(huì )下降，而且其使用壽命比LCD短。與此同時(shí)，micro-LED顯示屏的大規模生產(chǎn)商業(yè)化方面存在挑戰，成本居高不下。 表1詳細總結了TFT LCD、OLED和micro-LED顯示屏之間的差異。 表1.LCD、OLED和micro-LED顯示屏的比較3
現有TFT LCD顯示屏可以利用mini-LED（亞毫米發(fā)光二極管）背光源和局部調光技術(shù)進(jìn)行升級。mini-LED是常規LED的微縮版本，可作為通向micro-LED的技術(shù)橋梁。尺寸小于200微米的LED被歸類(lèi)為mini-LED，而尺寸小于100微米的LED被歸類(lèi)為micro-LED5。 雖然mini-LED主要用作LCD顯示屏的背光源，但它能夠減小LCD顯示屏的厚度，提升對比度性能，助力實(shí)現高性?xún)r(jià)比解決方案。 像素驅動(dòng)器 通過(guò)混合三原色（紅、綠、藍）可以合成各種顏色。經(jīng)混合的三原色會(huì )形成一個(gè)像素，如圖5所示。每個(gè)像素由三個(gè)子像素組成，這些子像素被統一管理并組合在一個(gè)像素中。 由于顯示技術(shù)和制造工藝不同，TFT LCD、micro-LED和OLED顯示屏采用不同的方法來(lái)驅動(dòng)這些子像素。例如，特斯拉Model 3搭載15.4英寸TFT LCD顯示屏，分辨率為1920 x 1200像素，因此總共有691萬(wàn)個(gè)子像素。
圖5.像素 TFT LCD顯示屏中子像素的等效電路（控制液晶上的電場(chǎng)）如圖6所示。它由1T2C（一個(gè)晶體管、一個(gè)液晶電容和一個(gè)存儲電容）組成。柵極驅動(dòng)器提供正電壓和負電壓。正電壓稱(chēng)為柵極高電平電壓(VGH)，用來(lái)接通TFT。負電壓稱(chēng)為柵極低電平電壓(VGL)，用來(lái)關(guān)斷TFT。圖像信息被傳輸到源極驅動(dòng)器，后者對液晶電容(CLC)充電。存儲電容(CST)充當緩沖器，防止CLC產(chǎn)生漏電流。有關(guān)TFT LCD顯示屏中像素驅動(dòng)器的更多論述，請參見(jiàn)《New Driving Structure to Increase Pixel Charging Ratio for UHD TFT-LCDs With High Frame Rate》4。 TFT LCD中的殘影或閃爍是由TFT的柵極節點(diǎn)和漏極節點(diǎn)之間存在的寄生電容(CGD)引起的。當畫(huà)面內容發(fā)生變化，TFT由導通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)時(shí)，CGD和CLC||CST之間的電容分壓器會(huì )導致CLC的電壓下降。為了提高面板性能的一致性，我們在像素轉換時(shí)間內引入公共背板電壓(VCOM)，并將其調整至像素電壓的中間。
圖6.常規像素驅動(dòng)器 Micro-LED和OLED顯示屏中常用像素驅動(dòng)器的拓撲結構相似，但比TFT LCD顯示屏中像素驅動(dòng)器的拓撲結構復雜。這是因為T(mén)FT電路的制造工藝，以及需在玻璃或聚酰亞胺襯底上集成LED。這讓每個(gè)像素中的LED都是單獨驅動(dòng)，可以單獨控制其各自的亮度。 如圖7所示，《Driving Technologies for OLED Display》5一文中描述了簡(jiǎn)單的像素驅動(dòng)器2T1C，其中包含了兩個(gè)晶體管和一個(gè)存儲電容。在該像素驅動(dòng)器中，LED發(fā)射的模擬信號被發(fā)送到TFT M1。隨后，閾值電壓(VGS)存儲在電容(CST)中，用于驅動(dòng)飽和區中的TFT M2，如圖8所示。由于對TFT M2的驅動(dòng)，正電壓(VDD)和陰極電壓(VSS)使LED維持恒定電流。這種2T1C像素驅動(dòng)器的飽和操作驅動(dòng)方法與驅動(dòng)TFT的線(xiàn)性區域操作相比，具有延長(cháng)LED壽命的優(yōu)勢。
圖7.OLED或micro-LED的2T1C像素驅動(dòng)器
圖8.MOS晶體管輸出特性 然而，2T1C像素驅動(dòng)器也存在一些缺點(diǎn)，包括Mura問(wèn)題和電偏置下的閾值電壓偏移等。Mura問(wèn)題是指顯示屏亮度不均勻，其主要原因是制造過(guò)程中的差異，例如TFT層的密度、LED正向電壓與閾值電壓的均勻性等，這會(huì )進(jìn)而導致畫(huà)質(zhì)問(wèn)題。雖然出色的制造工藝也無(wú)法克服閾值電壓漂移挑戰，但業(yè)界提出了采用電壓反饋方法和閾值電壓偏移過(guò)補償方法的像素電路來(lái)提高圖像質(zhì)量。 《Image Quality Enhancement in Variable-Refresh-Rate AMOLED Displays Using a Variable Initial Voltage Compensation Scheme》6中提出了7T1C方法，如圖9所示。這種7T1C像素電路有三個(gè)操作階段：初始化、補償和發(fā)光，如圖10所示。TFT M4用于驅動(dòng)TFT M3的二極管連接。在補償期間，來(lái)自源極驅動(dòng)器且存儲在CST中的電壓維持LED發(fā)光。TFT M1、M6、M7用于阻止LED亮起。此外，《A Highly Uniform Luminance and Low-Flicker Pixel Circuit and Its Driving Methods for Variable Frame Rate AMOLED Displays》7中提出了一種7T2C像素電路。
圖9.7T1C像素驅動(dòng)器原理圖
圖10.7T1C補償像素的驅動(dòng)序列：(a)初始化，(b)補償，和(c)發(fā)光。 目前，顯示背板技術(shù)已從氫化非晶硅(a-Si:H) TFT發(fā)展到低溫多晶硅(LTPS) TFF，而低溫多晶硅與氧化物(LTPO) TFT有望成為消費電子產(chǎn)品的新一代背板技術(shù)。a-Si:H TFT的載流子遷移率較低(1 cm2/Vs)，導致背板尺寸較大，功耗也較高。LTPS TFT具有優(yōu)異的載流子遷移率(>50 cm2/Vs)，因而被應用于OLED顯示屏。LTPS TFT通常具有較高的關(guān)斷電流。然而，LTPO TFT的關(guān)斷電流較低。因此，業(yè)界考慮為OLED/micro-LED顯示背板應用結合了LTPS和LTPO TFT二者優(yōu)勢的混合像素方案。 總結 隨著(zhù)消費者對可視性、安全性、用戶(hù)體驗等的期望越來(lái)越高，車(chē)載顯示屏在提升座艙體驗方面的重要性也日益突出。為了實(shí)現高畫(huà)質(zhì)、高分辨率、高對比度、自由形態(tài)、大尺寸、高性?xún)r(jià)比的汽車(chē)顯示屏解決方案，目前仍有一些重大挑戰需要克服。 本文討論了TFT-LCD、OLED和micro-LED顯示屏的特點(diǎn)。為了實(shí)現更好的顯示性能，與TFT-LCD顯示屏相比，OLED和micro-LED顯示屏的像素驅動(dòng)變得更加復雜。與此同時(shí)，OLED和micro-LED顯示屏的大規模生產(chǎn)商業(yè)化方面存在挑戰，價(jià)格較為昂貴。采用局部調光技術(shù)的mini-LED LCD顯示屏是通向micro-LED和OLED顯示屏的橋梁。 本系列文章的第2部分將重點(diǎn)介紹汽車(chē)顯示屏的電源技術(shù)，包括背光驅動(dòng)器、TFT偏置PMIC和局部調光功能。 參考文獻 1 You Xiang Stacy Wu�！癆utomotive Display Market Outlook”。2019 26th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and Devices (AM-FPD)，IEEE，2019年9月。 2 Robert Prange�！癟rends in Automotive Display Glass Processing”。Glastory，2024年12月。 3 “What Are Micro LED, Mini LED, and Micro OLED?Different Emerging Display Technologies Explained”。LEDinside，2021年8月。 4 Chih-Lung Lin、Jui-Hung Chang、Fu-Hsing Chen、Po-Cheng Lai、Yi-Chien Chen和Cheng-Han Ke�！癗ew Driving Structure to Increase Pixel Charging Ratio for UHD TFT-LCDs With High Frame Rate”。IEEE Access，第10卷，2022年8月。 5 Yojiro Matsueda�！癉riving Technologies for OLED Display”。Handbook of Organic Light-Emitting Diodes，Springer，2022年。 6 Li Jin Kim、Sujin Jung、Hee Jun Kim、Bong Hwan Kim、Kyung Joon Kwon、Yong Min Ha和Hyun Jae Kim�！癐mage Quality Enhancement in Variable-Refresh-Rate AMOLED Displays Using a Variable Initial Voltage Compensation Scheme”。Scientific Reports，第12卷，2022年4月。 7 Younsik KIM、Kyunghoon Chung、Jaemyung Lim和Oh-Kyong Kwon�！癆 Highly Uniform Luminance and Low-Flicker Pixel Circuit and Its Driving Methods for Variable Frame Rate AMOLED Displays”。IEEE Access，第11卷，2023年。 作者簡(jiǎn)介 Yujie Bai是ADI公司的高級應用工程師，負責汽車(chē)電源產(chǎn)品的支持和應用。Yujie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(xué)（俄亥俄州）電氣工程碩士學(xué)位。 |
