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作者：白玉杰，ADI公司高級應用工程師 摘要 在汽車(chē)顯示系統領(lǐng)域，TFT LCD顯示屏目前是車(chē)載顯示面板的主流選擇。與此同時(shí)，OLED和micro-LED顯示屏也逐漸吸引了市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。為了適應不同的顯示技術(shù)，我們需要開(kāi)發(fā)相應的電源技術(shù)。TFT LCD顯示屏通常使用側光式背光和直下式背光。為了提高顯示性能，業(yè)界開(kāi)發(fā)了基于mini-LED的直下式背光的局部調光技術(shù)。OLED顯示屏在智能手機中更為常見(jiàn)，而面向汽車(chē)的OLED和mirco-LED顯示屏仍在開(kāi)發(fā)中。本文全面介紹了汽車(chē)顯示系統及電源技術(shù)。 簡(jiǎn)介 隨著(zhù)汽車(chē)電氣化的推進(jìn)，消費者希望汽車(chē)在安全性、便利性、娛樂(lè )體驗、生產(chǎn)力、舒適性和可持續性等方面實(shí)現全面提升。為了滿(mǎn)足這一需求，OEM和一級供應商需要尋找新的解決方案。然而，隨著(zhù)車(chē)載硬件的不斷增加，功耗問(wèn)題也日益凸顯。在設計的初期階段就充分考慮電源管理功能，成為了解決這一難題的關(guān)鍵。對此，本文將深入探討汽車(chē)顯示系統的電源技術(shù)。 汽車(chē)顯示系統 圖1為一個(gè)簡(jiǎn)化的汽車(chē)顯示系統，其中包括主機、顯示面板以及屏蔽雙絞線(xiàn)(STP)或同軸電纜。其中，汽車(chē)主機，常被稱(chēng)為信息娛樂(lè )系統，是車(chē)輛中音頻、娛樂(lè )、導航和連接功能的中心控制樞紐。在現代汽車(chē)中，先進(jìn)的人機交互界面已成為標配，如準確的語(yǔ)音識別、反應迅速且觸感流暢的觸摸屏，以及復雜多變的手勢控制等。 在顯示面板內部，時(shí)序控制器(TCON)充當視頻或圖像流與顯示模式之間的橋梁。信息娛樂(lè )系統與TCON之間的高效連接，依賴(lài)于一對串行器(SER)和解串器(DES)芯片，支持通過(guò)長(cháng)達10米的屏蔽STP或15米同軸電纜進(jìn)行高速芯片間通信。對于45英寸到60英寸、7680 × 2160像素的全座艙寬度顯示屏，數據傳輸速度需要達到28 Gbps。 
圖1.ADI公司的千兆多媒體串行鏈路(GMSL™)解決方案是一種性?xún)r(jià)比高、結構簡(jiǎn)單且可擴展的SERDES技術(shù)。 汽車(chē)TFT-LCD顯示屏電源架構 圖2為T(mén)FT-LCD顯示面板示例。整個(gè)顯示面板系統由TCON、微控制器(MCU)、LED面板（背光）和TFT偏置PMIC組成。
圖2.LCD顯示系統功能框圖。 背光 背光電源技術(shù)可分為兩種常見(jiàn)類(lèi)型：側光式和直下式，如圖3所示。側光式背光是傳統的背光供電方法，它將LED布置在顯示面板的邊緣。通常，側光式背光使用四到八個(gè)LED燈串�？刂芁ED燈串亮度的方法稱(chēng)為全局調光，即調整整個(gè)背光或特定LED燈串的亮度。如圖4所示，LED燈串由升壓轉換器供電。調光功能可由外部PWM或內部18位寄存器T_ON執行。MAX25512還支持混合調光，即綜合采用模擬調光和PWM調光。在200 Hz調光頻率下，調光比為16,667:1。采用混合調光時(shí)，調光比可翻倍至33,333:1。
圖3.背光電源技術(shù)：側光式和直下式。 如圖3所示，mini-LED以矩陣形式均勻分布，位于LCD面板的正下方。每個(gè)mini-LED的亮度均可獨立動(dòng)態(tài)調節，以適應圖像內容的變化。這種調光方法稱(chēng)為局部調光，能夠大大提高對比度。與側光式顯示屏相比，直下式背光的功耗較低。當顯示圖像中的深色內容時(shí)，直下式背光可以關(guān)閉深色圖像分區的LED，同時(shí)還能減輕顯示深色內容圖像時(shí)的漏光現象。 對于側光式背光，顯示屏尺寸、分辨率和亮度取決于LED燈串數量和每串的LED數量。而對于直下式背光，則通過(guò)LED分區控制實(shí)現對顯示面板的大尺寸、高分辨率和高對比度需求。圖5為兩個(gè)LED并聯(lián)后串聯(lián)一個(gè)LED的配置(1S2P)。背光驅動(dòng)和光學(xué)要求共同決定了LED配置，例如1S2P或2S1P。其中，VLED用于提供LED正向電壓，而VSINK是維持LED所需恒定電流的電壓。
圖4.MAX25512背光驅動(dòng)器。
圖5.1S2P LED分區。 圖6為兩種不同類(lèi)型的局部調光LED驅動(dòng)器。矩陣LED驅動(dòng)器采用分時(shí)復用技術(shù)。如圖6a所示，四個(gè)LED共享一個(gè)電流源，并通過(guò)四個(gè)PMOS進(jìn)行控制。直驅LED驅動(dòng)器中的LED由同一VLED和單獨的電流源供電，如圖6b所示。相比矩陣LED驅動(dòng)器，直驅LED驅動(dòng)器具有更高的電流驅動(dòng)能力。驅動(dòng)相同數量的LED時(shí)，矩陣LED驅動(dòng)器的使用數量通常少于直驅LED驅動(dòng)器。
圖6.局部調光LED驅動(dòng)器：(a)矩陣LED驅動(dòng)器，(b)直接驅動(dòng)LED驅動(dòng)器。 MAX2550x是一款集成PMOS的矩陣LED驅動(dòng)器，VLED工作電壓可達14 V。因此能夠支持單個(gè)分區中最多串聯(lián)四個(gè)LED (4S1P)。內部PMOS優(yōu)化了電流環(huán)路，從而改善了EMI性能并消除了鬼影。此外，得益于PMOS的內部控制，系統復雜性和尺寸也得以減小。 MAX2550x還具備反饋控制功能。隨著(zhù)結溫升高，LED的正向電壓呈現單調下降趨勢。如果VLED在整個(gè)工作溫度范圍內變化不定，VSINK電壓將升高，這會(huì )導致功耗提高，溫度低于85℃時(shí)這種狀況尤為突出。反饋控制功能通過(guò)調整VLED來(lái)優(yōu)化VSINK電壓。理想情況下，VLED是LED正向電壓與VSINK的和。如圖7所示，當VSINK電壓較低時(shí)，MAX2550x背光驅動(dòng)器中的FB會(huì )吸收電流IFB并提高VLED。
圖7.MAX2550x與MAX25660/MAX20048的反饋控制配置。 矩陣LED驅動(dòng)器MAX2550x和直接驅動(dòng)LED驅動(dòng)器MAX21610均配備了點(diǎn)校正功能。LED點(diǎn)校準是針對LED背光顯示屏的逐像素校正技術(shù)，會(huì )校準各個(gè)LED輸出，以確保輸出相同的亮度。為了實(shí)現顯示色彩和亮度的一致性，MAX2550x有兩種方法來(lái)設置各LED電流：每個(gè)LED分區均可通過(guò)獨立的5位電流設置和17位PWM設置進(jìn)行調整。5位電流設置可用于校準每個(gè)LED的亮度。當所有LED分區的亮度設置均相同時(shí)，17位PWM設置可通過(guò)全局設置實(shí)現統一調節。 此外，MAX2550x能夠實(shí)現信號裝置功能，通過(guò)增強發(fā)光符號亮度指示故障或系統運行狀態(tài)，例如低油量/電量。采用特定的電流設置和PWM設置，MAX2550x的峰值電流還可以借助SCALE_SEL寄存器進(jìn)一步配置。 TFT偏置 對于6英寸以上且分辨率較高的顯示面板，需要為T(mén)FT偏置提供外部電源電路。對于較小的顯示面板，電源電路則直接集成在玻璃中。通常，電源電壓為3.3 V和5 V。此外，5 V供電軌因其更高的可靠性，廣泛應用于汽車(chē)顯示面板中。 如圖8所示，集成TFT電源電路(MAX25221)利用升壓轉換器提供的AVDD和NAVDD，為源驅動(dòng)器（也稱(chēng)為列驅動(dòng)器）供電。柵極驅動(dòng)器（也稱(chēng)為行驅動(dòng)器）由兩個(gè)獨立電荷泵產(chǎn)生的VGH和VGL供電。此外，該電路還集成了VCOM和VCOM溫度補償。 列驅動(dòng)器、行驅動(dòng)器、VCOM的目標電壓和電源開(kāi)/關(guān)序列均可通過(guò)編程設置，并存儲在非易失性存儲器中。這一功能確保了TFT LCD的參考背板電壓能夠針對不同面板進(jìn)行調整，從而有助于降低顯示像差并提高系統穩健性。
圖8.集成VCOM的TFT偏置電源。 OLED/Micro-LED驅動(dòng)器 OLED/micro-LED與LCD顯示屏相比，電源電路類(lèi)似，包括TFT偏置PMIC和OLED/micro-LED電源。目前，消費電子領(lǐng)域的OLED顯示屏技術(shù)日漸成熟。為OLED顯示屏供電的PMIC通常使用5 V額定電壓，既將TFT偏置電源和OLED/micro-LED電源結合在一起，還集成了兩個(gè)升壓轉換器和一個(gè)反向降壓-升壓轉換器。適用于汽車(chē)OLED/micro-LED顯示屏的電源PMIC仍在開(kāi)發(fā)中。相比消費電子產(chǎn)品，汽車(chē)OLED/micro-LED顯示屏的尺寸更大，因此所需的電源電流也更高。此外，TFT偏置PMIC可能需要能夠提供參考電壓。 結論 OLED和micro-LED等新型顯示技術(shù)的出現，正推動(dòng)顯示技術(shù)飛速發(fā)展。為了實(shí)現最佳性能，這些新型顯示系統需要更先進(jìn)的像素驅動(dòng)器和TFT偏置PMIC。得益于TFT PMIC在效率、性能、智能化和散熱方面的不斷提升，LED驅動(dòng)器將能夠更好地滿(mǎn)足新型顯示技術(shù)的需求。 作者簡(jiǎn)介 白玉杰是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。他于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。 |
