超高帶寬液晶顯示邏輯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文 博， 魏 偉， 賈慶生， 張楷龍

(南京熊貓電子制造有限公司，江蘇 南京 210046)

顯示技術(shù)發(fā)展至今，從早期的CRT(Cathode Ray Tube)顯示技術(shù)發(fā)展到今天的液晶LCD顯示技術(shù)，直至當(dāng)下的新型顯示技術(shù)，包括OLED(Organic Light-Emitting Diode)、Micro-LED、量子點(diǎn)QLED(Quantum Dot Light Emitting Diodes)顯示技術(shù)和激光顯示技術(shù)，體現(xiàn)了消費(fèi)者對(duì)追求極致顯示的需求[1-2]。目前基于金屬氧化物技術(shù)由于自身的高電子遷移率、高開(kāi)口率、低功耗和低成本的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于超高清超高刷新率領(lǐng)域[3]。本文主要針對(duì)目前主流的超高帶寬8K×4K金屬氧化物面板顯示技術(shù)的驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行研究，著重解決了超高帶寬的數(shù)據(jù)量傳輸以及數(shù)據(jù)和信號(hào)同步方式的問(wèn)題，從而完成了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)面板的驅(qū)動(dòng)和顯示。目前顯示技術(shù)不斷突破原有的顯示標(biāo)準(zhǔn)，從FHD(Full High Definition)、UHD(Ultra High Definition)到今天的8K×4K顯示，目前本領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)方案都是以單芯片的方案實(shí)現(xiàn)面板邏輯驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，對(duì)于超高分辨率和刷新率的面板來(lái)說(shuō)，成本十分高昂，并且驅(qū)動(dòng)方案復(fù)雜[4]。本文研究了超高帶寬的液晶面板的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)采用分區(qū)獨(dú)立控制的思路，實(shí)現(xiàn)分區(qū)數(shù)據(jù)和信號(hào)的同步，并通過(guò)配合各外圍電路模塊的設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)8K×4K面板驅(qū)動(dòng)的功能。該技術(shù)方案可以降低現(xiàn)有技術(shù)方案的成本，復(fù)雜程度較低，同時(shí)也為以后的更高帶寬的液晶顯示技術(shù)驅(qū)動(dòng)方案提供了一個(gè)具有參考價(jià)值的控制驅(qū)動(dòng)思路和操作方式。

1 面板驅(qū)動(dòng)方案

本文的總體功能方案設(shè)計(jì)采用100 in GOA液晶面板作為驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，開(kāi)展功能模塊設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作，完成面板的顯示和控制功能。如圖1所示，功能模塊設(shè)計(jì)包括高速信號(hào)輸入輸出接口模塊、核心時(shí)序邏輯控制模塊、可編程電源管理模塊、GOA面板特有的信號(hào)電平移位模塊和可編程灰階伽馬電壓模塊。高速信號(hào)輸入輸出接口模塊接收外部的高速串行信號(hào)，通過(guò)核心時(shí)序邏輯控制模塊的處理和轉(zhuǎn)換，成為面板接收端的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)輸出端口發(fā)送到液晶面板。核心時(shí)序邏輯控制模塊針對(duì)輸入高速信號(hào)進(jìn)行解串和編碼工作，完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和面板端控制信號(hào)的輸出。可編程電源管理模塊將輸入的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生核心邏輯控制模塊的核心工作電壓和I/O接口電平以及GOA面板工作的控制電平。信號(hào)電平移位模塊用于接收核心邏輯控制模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)，產(chǎn)生多路相位不同的面板驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，用以實(shí)現(xiàn)面板內(nèi)部像素單元柵極開(kāi)關(guān)電平的時(shí)序控制?？删幊袒译A伽馬電壓模塊接收電源管理模塊產(chǎn)生的灰階參考輸入電壓，并將輸入?yún)⒖茧妷恨D(zhuǎn)換成多路伽馬參考電壓作為面板的像素灰階的參考電壓，并且配合邏輯控制模塊的控制信號(hào)通過(guò)面板源極驅(qū)動(dòng)部分的DA(數(shù)模)轉(zhuǎn)換成液晶面板的像素灰階電壓，實(shí)現(xiàn)面板的顯示和控制。

圖1 面板驅(qū)動(dòng)方案總體框架示意圖

(1) 液晶面板邏輯控制系統(tǒng)的總體方案。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)了100 in 8K@120 Hz超高分辨率液晶面板的驅(qū)動(dòng)控制，由于尺寸較大，帶寬較高，目前行業(yè)內(nèi)沒(méi)有單芯片的解決方案，主要是由于大尺寸超高帶寬的傳輸對(duì)單芯片的工作頻率要求較高，相對(duì)于雙芯片的解決方案?jìng)鬏斖瑯拥臄?shù)據(jù)帶寬，單芯片的頻率需要提高一倍，也就是說(shuō)，在相同的工作頻率下，雙芯片的解決方案可以提高一倍的數(shù)據(jù)量。同時(shí)，即使存在這樣的高規(guī)格單芯片，成本也遠(yuǎn)高于雙芯片的方案。本文通過(guò)技術(shù)論證和方案的設(shè)計(jì)研討，確立了雙通道進(jìn)行分區(qū)獨(dú)立控制的設(shè)計(jì)思路，最終在數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的同步下，完成了整個(gè)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。如圖2所示，本系統(tǒng)主要通過(guò)輸入接口模塊接收高速的V-BY-ONE信號(hào)輸入到液晶主邏輯時(shí)序控制模塊完成數(shù)據(jù)信號(hào)的處理、轉(zhuǎn)換和控制信號(hào)的產(chǎn)生，并將控制信號(hào)輸出到電平移位模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)GOA面板內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)部分的控制，通過(guò)電源管理模塊和可編程伽馬電壓模塊提供的系統(tǒng)工作電壓和像素的灰階參考電壓輸出到面板，實(shí)現(xiàn)面板顯示和控制。

(2) 核心時(shí)序邏輯控制模塊設(shè)計(jì)。

本文的核心時(shí)序邏輯控制模塊采用8K時(shí)序控制器專(zhuān)用的TCON IC芯片作為主控芯片，基于該芯片完成核心時(shí)序邏輯控制模塊的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作，該芯片接口資源豐富，內(nèi)置8051中央處理器，功能強(qiáng)大，性能可靠，適合超高帶寬數(shù)據(jù)處理和傳輸。輸入最大支持32 lane V-BY-ONE高速數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)速率達(dá)3.4(Gbit/s)/lane；輸出最大支持P2P格式的48對(duì)USI-T協(xié)議的面板數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，數(shù)據(jù)速率達(dá)3.1(Gbit/s)/lane；單芯片支持最高為8K(7680像素×4320像素)@60 Hz數(shù)據(jù)帶寬。背光調(diào)節(jié)方面，支持48×48的區(qū)域動(dòng)態(tài)背光調(diào)節(jié)功能，配合區(qū)域背光模組實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)光的功能。同時(shí)，支持雙芯片數(shù)據(jù)同步級(jí)聯(lián)功能實(shí)現(xiàn)更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。本文采用雙芯片的解決方案，實(shí)現(xiàn)了8K@120 Hz的面板驅(qū)動(dòng)顯示功能。時(shí)序邏輯控制模塊框圖如圖3所示，具體內(nèi)容包括：核心控制器外圍的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)(晶振、復(fù)位和存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì))、雙芯片信號(hào)同步方案以及控制信號(hào)設(shè)計(jì)。本文研究和實(shí)現(xiàn)100 in的驅(qū)動(dòng)方案，由于面板尺寸較大，數(shù)據(jù)帶寬容量較大，因此采用了區(qū)域分屏雙邊驅(qū)動(dòng)的方式，主芯片負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)面板的左半部分，輔芯片負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)面板的右半部分。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)屏幕畫(huà)面的顯示，需要控制雙芯片數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)序信號(hào)同步的工作，本系統(tǒng)選用的專(zhuān)用IC芯片具有雙芯片級(jí)聯(lián)的同步功能控制引腳，將該功能引腳的數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘控制信號(hào)級(jí)聯(lián)，并通過(guò)阻抗匹配，在同步算法的控制下，最終完成信號(hào)的同步，實(shí)現(xiàn)了面板左右部分顯示畫(huà)面的整體融合?？刂菩盘?hào)模塊的設(shè)計(jì)主要是產(chǎn)生信號(hào)電平移位模塊所需的控制信號(hào)(STV、CPV、LC和CLR等信號(hào))和面板源極驅(qū)動(dòng)模塊的控制信號(hào)(TP、POL等信號(hào))，通過(guò)電平移位模塊產(chǎn)生移位控制信號(hào)輸出到GOA面板實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制。本系統(tǒng)的時(shí)序邏輯控制模塊完成了輸入到輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生控制信號(hào)到電平移位模塊，在電平移位控制信號(hào)輸出控制信號(hào)和源極驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)作用下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和顯示功能。如圖4所示，主要針對(duì)時(shí)序邏輯模塊控制部分的電路進(jìn)行了方案的設(shè)計(jì)。

圖2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)框圖

(3) 高速信號(hào)輸入輸出接口模設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)8K@120 Hz GOA面板的顯示，每秒鐘需驅(qū)動(dòng)7840×4320×3×120個(gè)像素點(diǎn)，傳統(tǒng)的LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)低壓差分信號(hào)無(wú)法傳輸如此龐大的數(shù)據(jù)量的信號(hào)[5]，因此，本系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)考慮可以傳輸更高數(shù)據(jù)速率和帶寬的V-BY-ONE接口，該信號(hào)接口無(wú)專(zhuān)用的時(shí)鐘通道，Source端的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通過(guò)編碼成特定格式(時(shí)鐘嵌入在數(shù)據(jù)之中)的信號(hào)在接口數(shù)據(jù)通道上進(jìn)行傳輸，sink端通過(guò)CDR(Clock Data Recovery)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)功能完成數(shù)據(jù)的解碼，并且只需要8 lane(傳統(tǒng)的lvds信號(hào)需要48對(duì)差分線)即可實(shí)現(xiàn)4K的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)較少的數(shù)據(jù)線完成了高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，并且抗干擾能力極強(qiáng)[6]。針對(duì)本系統(tǒng)的超高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，輸入信號(hào)共采用了4通道V-BY-ONE接口，每通道接口傳輸16 lane數(shù)據(jù)，共64 lane數(shù)據(jù)傳輸?shù)綍r(shí)序邏輯控制模塊的V-BY-ONE控制器。時(shí)序邏輯驅(qū)動(dòng)器通過(guò)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)將接收到的高速串行信號(hào)解碼成低速的并行信號(hào)，并將解碼后的信號(hào)通過(guò)主控IC進(jìn)行圖像算法的處理和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換輸出面板需要的96對(duì)USI-T協(xié)議格式的信號(hào)和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)面板的驅(qū)動(dòng)和顯示。

圖3 時(shí)序邏輯控制模塊框圖

(4) GOA信號(hào)電平移位模塊。

本系統(tǒng)針對(duì)目前主流的GOA面板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，由于GOA面板上無(wú)外部的柵極驅(qū)動(dòng)IC，可實(shí)現(xiàn)窄邊框甚至無(wú)邊框的顯示效果，并且可以降低系統(tǒng)總體成本，已廣泛應(yīng)用于液晶顯示的終端設(shè)備[7-8]。如圖5所示，本文選用的超大尺寸GOA面板內(nèi)部集成了柵極驅(qū)動(dòng)IC，通過(guò)設(shè)計(jì)信號(hào)電平移位模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)GOA面板內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)和信號(hào)的控制。該模塊設(shè)計(jì)時(shí)考慮接收時(shí)序邏輯的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)(STC、CPV、CLR、LC、CK等信號(hào))和電源管理模塊輸出的像素開(kāi)關(guān)電平信號(hào)(VGH和VGL信號(hào))，從而輸出電平移位后的控制信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)。GOA面板集成柵極驅(qū)動(dòng)部分，配合源極驅(qū)動(dòng)模塊的像素?cái)?shù)據(jù)寫(xiě)入，完成圖像的顯示。針對(duì)這一功能需求，本設(shè)計(jì)選用的是立琦科技的集成型電平移位(Level Shifter)芯片RT8946，該芯片為寬電源范圍供電，可在-18～40 V電壓下工作，該模塊接收時(shí)序信號(hào)和像素開(kāi)關(guān)電平信號(hào)，輸出8路不同相位的柵極電平移位控制信號(hào)(CK1,CK2，…，CK8)并配合像素開(kāi)關(guān)電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)每8行為一循環(huán)周期的柵極掃描驅(qū)動(dòng)方式。在本設(shè)計(jì)中，場(chǎng)頻為120 Hz,共有4320行，故每一個(gè)行的掃描時(shí)間為1.93 μs,每個(gè)循環(huán)掃描的周期為15.4 μs,每個(gè)移位控制信號(hào)的相位相差為45°。圖5為電平移位芯片輸入控制信號(hào)和信號(hào)電平與輸出的CK信號(hào)之間的需要滿(mǎn)足的時(shí)序關(guān)系。

圖4 時(shí)序邏輯控制模塊部分電路設(shè)計(jì)方案

(5) 可編程電源管理模塊設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)的電源模塊的設(shè)計(jì)在充分考慮了主控制器IC所需的核供電電壓和普通I/O口的電壓之外，還需要提供給各功能模塊工作電壓以及面板像素單元所需的開(kāi)啟和關(guān)閉電壓。針對(duì)本文具體的設(shè)計(jì)而言，整個(gè)邏輯控制系統(tǒng)所需的電壓包括主控制芯片IC的普通I/O口電壓VCCIO(3.3 V)、內(nèi)核供電電壓Vcore(1.2 V)、IC內(nèi)部的DRAM(Dynamic Random Access Memory)接口電壓VDR(1.5 V)、可編程灰階電壓模塊的工作電壓AVDD(15.6 V)、GOA面板內(nèi)部像素單元的開(kāi)啟電壓VGH(25 V)和關(guān)閉電壓VGL(-6.1 V)。針對(duì)這一需求，選用了致新科技的PMU電源管理芯片G2510S并配合DC-DC BUCK降壓芯片來(lái)完成系統(tǒng)所需的多路電源管理管理模塊的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作。本系統(tǒng)的電源模塊依然采用雙芯片的獨(dú)立控制方案分別為雙主控制芯片進(jìn)行獨(dú)立的供電工作,圖6和圖7為單通道電源管理方案。

圖5 控制信號(hào)輸入輸出時(shí)序邏輯示意圖

(6) 可編程灰階電壓模塊設(shè)計(jì)。

自然界的灰階是連續(xù)的,但是在顯示器重現(xiàn)圖像的時(shí)候,卻無(wú)法做到完全連續(xù),只能從最亮和最暗的范圍內(nèi)增加區(qū)分的層級(jí),也就是減少亮暗區(qū)分的級(jí)距來(lái)增加灰階的數(shù)目[9]。區(qū)分灰階的數(shù)目為2n。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，人眼感覺(jué)與亮度之間的關(guān)系式為

y=AxΓ

(1)

式中，A為常數(shù);上述表達(dá)式標(biāo)明的關(guān)系曲線即為Γ曲線;人腦的Γ介于2.2和2.5之間，由式(1)可得:

圖6 單路電源管理模塊框圖

x=(y/A)1/Γ

(2)

式中0.4≤1/Γ≤0.45，式(2)表明的意義是要讓大腦感覺(jué)x線性增加，必須使亮度y按照1/Γ次方變化[10]。由于影像信號(hào)要表達(dá)的是人腦的感覺(jué)，需要依據(jù)亮度與大腦感覺(jué)的Γ曲線進(jìn)行校正，使大腦感覺(jué)與影像信號(hào)成正比[11]。因此，人腦感覺(jué)與顯示器的亮度有關(guān)。因此，在TFT-LCD中，將電壓-透過(guò)率曲線作為GAMMA校正的參考。為了滿(mǎn)足顯示產(chǎn)品的規(guī)范，通常選擇γ=2.2[12-13]。灰階電壓與透過(guò)率的對(duì)應(yīng)的GAMMA曲線如圖8所示。

圖8 灰階電壓與透過(guò)率的對(duì)應(yīng)的GAMMA曲線

如圖9所示，本系統(tǒng)10 bit位寬的GOA液晶面板顯示的灰階達(dá)到1024，因此通過(guò)聯(lián)詠科技50115B芯片的A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生4路數(shù)字參考電壓為(VH0,VH1024,VL0,VL1024)作為面板源極像素的灰階參考電壓。并且，考慮到超大尺寸液晶面板的自身的特點(diǎn)以及驅(qū)動(dòng)能力的問(wèn)題，采用致新科技公司的G1583運(yùn)放芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)公共參考，VCOM電壓的放大提升了對(duì)面板的驅(qū)動(dòng)能力，確保了負(fù)載端公共電壓的穩(wěn)定，改善了顯示質(zhì)量。在面板關(guān)機(jī)掉電中，為了解決面板關(guān)機(jī)殘影的問(wèn)題，本系統(tǒng)通過(guò)將放大后的VCOM通過(guò)放電回路電壓快速釋放，從而有效地消除了關(guān)機(jī)殘影的現(xiàn)象。由于本系統(tǒng)為分區(qū)控制，故選用了2塊501115B芯片進(jìn)行了雙模塊的設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)分區(qū)的顯示和控制。圖10為面板VCOM掉電控制的具體設(shè)計(jì)原理方案。

圖9 單路伽馬電壓模塊電路框圖

圖10 面板VCOM掉電控制方案

2 設(shè)計(jì)結(jié)果及功能測(cè)試

本文最終使用設(shè)計(jì)的超高帶寬液晶顯示邏輯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)100 in 8K×4K GOA面板，通過(guò)信號(hào)源端輸出的V-BY-ONE信號(hào)輸入到控制模塊，最終輸出高清的P2P屏端數(shù)據(jù)信號(hào)完成液晶面板的驅(qū)動(dòng)和顯示，如圖11所示。如圖12所示，本系統(tǒng)充分考慮了產(chǎn)品的兼容性測(cè)試的要求，通過(guò)系統(tǒng)的展頻方案的結(jié)果測(cè)試，確保系統(tǒng)的產(chǎn)品滿(mǎn)足EMI的標(biāo)準(zhǔn)和要求。最終，通過(guò)該控制系統(tǒng)和8K×4K液晶面板的一體化整合對(duì)整個(gè)顯示系統(tǒng)進(jìn)行光電性能測(cè)試，相關(guān)性能參數(shù)滿(mǎn)足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，如表1所示。

圖11 面板驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊PCB效果圖

圖12 面板驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路的展頻實(shí)測(cè)圖

表1 主要光電參數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

基于專(zhuān)用的高端時(shí)序邏輯控制芯片，針對(duì)中大尺寸超高帶寬GOA液晶面板采用雙分區(qū)同步控制的雙芯片的設(shè)計(jì)思路，突破了傳統(tǒng)單芯片設(shè)計(jì)方案和思路，結(jié)合輸入輸出接口模塊，可編程電源管理模塊、GOA信號(hào)電平移位模塊、可編程灰階電壓模塊，完成了100 in 8K@120 Hz液晶顯示邏輯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體功能。本方案主要針對(duì)高端液晶面板市場(chǎng)，滿(mǎn)足了超高清視頻信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用需求，有效地切合了未來(lái)液晶顯示的發(fā)展趨勢(shì)和方向。本文設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相對(duì)于單芯片方案具有低成本、低時(shí)延、驅(qū)動(dòng)方案簡(jiǎn)單、功耗小等優(yōu)勢(shì)。目前，本文開(kāi)發(fā)的邏輯驅(qū)動(dòng)控制模塊已通過(guò)產(chǎn)品級(jí)的功能和性能測(cè)試，性能穩(wěn)定可靠，綠色環(huán)保，符合相關(guān)電氣和輻射國(guó)標(biāo)安全認(rèn)證要求，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，同時(shí)為更高帶寬的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。