转大型液晶电视的IC技术-家电-数据之家

以往液晶显示器主要用途大多集中在笔记型电脑与Monitor两大领域，不过最近几年大尺寸液晶电视却以惊人的速度成长。液晶显示器的应用技术会因用途与尺寸的不同出现明显的差异，例如主动(active type)与被动(passive type)、视角(view angle)、反应时间(response time)、辉度(brightness)、对比(contrast)、解析度(resolution)等等，其中又以电路控制IC的差异最具代表性，有鉴于此接着本文将深入探讨National Semiconductor公司的液晶显示器电源管理IC，日本飞力浦公司的影像信号处理IC，以及NEC的大型液晶电视驱动IC技术特征与今后发展动向。电源管理系统的技术动向对可携式电子产品的电源管理系统而言，最终目的就是延长电池的使用时间，它的具体方法分别是提高变频器(converter)的效率，并设法降低shut down电流。然而实际上基于轻巧小型化等考量，提升动作效率与减少动动作电流的对策，往往会受到某种程度的牺牲，造成动作频率超过1MHz的DC-DC变频器(converter)必需改成外置方式。此外switching频率低于2MHz的场合，虽然线圈(coil)与电容器(condenser)就可胜任，不过为了实现低耗电高效率的要求，因此必需将高频作crank down。一般而言液晶面板(pan el)通常具备数位化3.3V低电压电源，接着再将3.3V升电压升压变成高电压，以便作colu mn drive与row drive。随着液晶显示器解析度的提高，DC-DC变频器必需提供更大的电流，加上液晶显示器大型化，使得各画素变成容量性负载，进而造成液晶显示器的等价电容(capacitance)增加，换句话说液晶显示器变大后，column drive与row drive的电流与偏压(bias)电源电流都必需随着加大，同时Vcom 与Gamma Buffer供的source /sink电流也变大，所幸的是电源管理系统(power management system)与封装(package)技术的进步，使得TFT-LCD大型化与成本都获得极大的正面效益。适合TFT-LCD使用的半导体技术可分为具备耐高电压与高电流的lateral DMOS、vert ical DMOS元件(device)，以及整合MOS/Bipolar的BiCMOS process family两种，基本上只需利用该技术便可轻易设计低/高电压或是低/高电流device。有关封装技术基于小型、低热阻等要求，die size与package footprint比率最佳化的TSSOP、Micro SMD与ILP等全新solution的发展动向，则成为相关业者嘱目的焦点。随着液晶显示器专用IC高度积体化的发展趋势，因此National Semiconductor公司陆续推出LM2702、LM2710L M2711、LM2715等综合DC-DC升压变频器(Converter)、Gamma Buffer与Vcom增幅器功能的IC。由于上述IC除了具备LM2622升压变频器、Gamma Buffer、Vcom增幅器功能之外，同时还将soft start、电源sequence用switch，以及其它支援性功能同时纳入积体电路内，使得TFT-LCD电路板使用的元件数量与基板面积大幅减少，进而构成所谓的超薄型液晶面板(图1)。

如上所述一般TFT-LCD平面显示器都会内建数种电路Block，其中一个是由两组disk lead charge pump电路所构成，它包含可产生正负偏压(bias)之面板电源用DC-DC升压Regulator，一个以上的Buffer、Column driver电源控制用switch，以便控制common以及Back Plan(Vcom)演算增幅器(Operation Amplifier)与Column driver。National Semiconductor公司基于简化元件数量等考量，因此将上述所有功能都纳入液晶显示器电源管理IC内，藉此达成轻巧多功能等目的。表1是该公司TFT Switcher IC的特性摘要。

表1 National Semiconductor公司的TFT Switcher IC的特性摘要由表1列示的资料可知LM2710与LM2711内建有利用1.6A switch，与电流模式动作的脉冲宽变调(PWM)DC-DC升压Regulator，该升压Regulator可使锂电池的电压上升至大型显示器需求的8V。由于switching频率高达600kHz甚至1.25MHz，因此该元件必需采用外置方式。此外由于该IC利用外部补偿电路，因此可使用低ESR(等价串联电阻)的陶瓷电容作为输出电容；电流mode电路则具备TFT电源必备的高速过渡反应特性。由于该IC内建有soft start功能，所以可藉由option的soft start pin控制start up时间，进而可以有效抑制电源ON时的突入电流。Column Drive内建有四个Gamma Buffer(LM2711只有三个)。除此之外LM2710还具备common back plan用的Vcom Buffer，各Buffer可作full swing振幅、大through rate，以及50mA的电流source/sink，所以非常适合TFT-LCD使用。图2是使用8V结构的LM2710 IC的电路图。

图2 LM2710的8V电源结构 LM2702IC内建有电流动作模式、600kHz脉冲宽变调(PWM)DC-DC升压变频器、2.0A swit ch与soft start功能，该IC可提供8V或是10V的电源，它与上述LM2710/2711一样具备高速过渡反应特性与外部补偿功能，必要时还可利用soft start功能设定start up时间。图2是使用10V结构的LM2702 IC的电路图。此外LM2702IC还内建有Gamma Buffer、back plan用Vcom增幅器，以及Column drive电压站立控制用P-ch MOSFET(PMOS) switch，所以当Switching Regulator的电源流入后，delay pin会控制延迟，直到PMOS的switch变成turn on状态为止。　

图3 LM2702的10V电源结构影像信号处理IC 接着要介绍日本飞力浦公司的SAA7154影像信号处理IC。一般而言平面显示器(FPD: Fl at Panel Display)内部的影像都是用数位技术处理，随着数位化光碟片的普及化，未来480p(D2)以上的影像信号势必变成主流，换句话说平面显示器基于倍频扫描(progre ssive scan)与交错扫描(Interlace scan)两者本质上的差异，未来平面显示器都必需具备I/P转换IC，有鉴于此日本飞力浦公司推出如图4所示的SAA7154影像信号处理IC，该IC具有以下特殊功能: ‧可支援HDTV的sampling作高解析ADC。 ‧具备COM Filter。 ‧具备辉度(Brightness)、对比(Contrast)、饱和度(Saturation)等BSC画质调整功能。 ‧All in One的I/P转换功能。 ‧利用黑、白扩张与肤色补正作画质改善。 ‧可攫取VBI影像资讯。 ‧可支援影像再生设备的智产权保护措施。由于SAA7154影像信号处理IC在类比input阶段，设有4ch 10Bit ADC的Noise Shaper功能，所以该IC可作复数CVBS、Y/C，以及Component信号的input。SAA7154除了可支援NTSC、PAL、SECAM等传统交错(Interlace)扫描信号之外，还可以利54MHz的over sampling支援HD 0。该IC还内建有可调整滤波器(filter)频宽特性之高性能二次元滤波器，它可有效改善CVBS输入时Y/C分离现象。此外影像整体不只可利用BSC调整画质，日本飞利浦公司同时还预期今后消费者会对影像细腻度、色彩层次感提出更高的需求，因此除了扩充SAA7154 IC黑、白色强调绿色之外，同时还设有肤色补正电路。　

图4 大型液晶电视的系统方块图数位化的Y、Cr、Cb信号虽然可以利用backend，使交错方式转换成倍频方式，不过SAA7154 IC不仅可输出8/16bit的Y、U、G，还可以输出可实现高解析度的10bit ITU656，同时还内建有I/P转换功能，换句话说SAA7154可利用R、G、B的输出，直接input至液晶模组内(module)。由于上述de-Interlace功能系内建于译码器(decoder)内，所以SAA7 154 IC可使平面显示器的电路成本大幅降低。有关VBI功能它可利用I2C在blanking期间，将频繁出现的影像资料与closed caption抽离。随着DVD播放机与可录式DVD快速普及化，今后有关智产权势必更加强化，虽然目前平面显示器与可录式DVD分别属于两个不同领域，然而未来两者一体化以及数位影像recorder普及化，已经成为无法阻挡的时代趋势，因此影像信号处理IC必需随时能反应macro vision问题，同时严格遵循copy prote ction。接着要介绍日本飞力浦公司另一颗可cover SXGA等级的影像信号处理IC SAA6714。SAA 6714单晶片TFT-LCD控制IC的input，具备类比高速3ch-ADC、平行(parallel)YUV( CCIR6 56)与数位影像I/F的DVI1.0。SAA6714若与SAA7154电视信号处理device搭配使用，更可获得高解析的LCD应用效果。SAA6714晶片的基本功能与scaling处理、I/P转换特性如下: 【基本功能】 ‧内建160MHz8bit解析度的3ch-ADC(Clamp、Gain Control) 。 ‧内建165Mhzsimgle link DVI接收器(Receiver)(内建HDCP电路)。 ‧具备ITU介面(Interface)。 ‧支援1280×1024 SXGA的解析度。 ‧支援合成(Composite)、sink on green。 ‧支援Gamma补偿与SRGB。 ‧具备I/P转换与Frame Rate转换功能。 ‧Scale Up/Down使用可程式(Programmable)Filter结构。 ‧内建Dynamic Noise Reduction电路。 ‧内建垂直梯形补偿功能。 ‧具备16:9 Panoramic Screen用Nonlinear Scaling功能。 ‧具备Picture In Picture功能。 ‧可针对6/8bit LCD面板进行10bit解析度的Sampling处理。 ‧多采可程式(Programmable)的OSD(Logo、Bitmap、Cursor等等)。 ‧内建可直接驱动Row/Column Driver之Timing Controller。 ‧具备DDR SDRAM/SGRAM memory interface电路。 ‧采用HBGA292封装方式。【画质调整功能】 ①Scaling SAA6714 IC的Scaling例如使用96Tap可程式(programmable)Filter，除了可以有效抑制斜线影像经常发生的锯齿状之外，还可以利用可程式方式的nonlinear，进行大画面不可或缺的4:3与16:9的转换。具体方法是缩小画面中央比例的同时，扩大画面横向的比例。此外SAA6714 IC还可利用内部电阻的设定值，轻易的调整画素(pixel)的比率，进而获得投影机必备的梯形补正效果。 ②IP转换 SAA6714 IC提供Nonlinear与Linear两种方式进行IP转换，一般的IP转换大多是使用Field Memory，不过SAA6714 IC也可直接使用内部的Line Buffer进行倍频(progressive)处理，而不需使用Field Memory。Linear方式是利用Field纵向资料制作成所谓的「Spatial Deinterlacing」。基本上它是藉由前方或是后续field，沿用相同位置(position)的资料，构成Temporal Deinterlacing；相较之下Nonlinear则采取Modified Median与Majority Selection方式，基本上它是利用与前方Field data相同Field，而且是临接的data内容，进行de-interlace。由于它是属于动态适应型Filter，所以制作新资料时不同于传统的资料延用方式或是重叠、添加方式。图5是SAA6714 IC晶片的方块图。

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③Dynamic noise reduction 如果利用field memory启动noise reduction时，可它使进入已呈劣化状的VCR source与TV信号内的random noise，因滤波器的频率特性而获得大幅减缓。 ④MOVIE Detection 利用24Hz影像source（一般是progressive）制作交错式（Interlace）的PAL与NTSC field时，通常是用一个frame的影像构成（odd、Even field）PAL的2:2 Pull Down，或是利用一个frame的影像交互构成NTSC 3:2 pull down。而MOVIE Detection主要功能就是检测后续的field并作比较，若结果超过RGB资料差决定的最大值时，field会判断成类似值，接着进行效率性的变换，使得MOVIE Pull Down与IP转换可顺利完成。图6是SAA6714 IC晶片的MOVIE Detection动作机制。为了使SAA6714与SAA7154达成高度积体化的目标，因此日本飞力浦公司特别将微控器（micro controller）积体化（integrated），此外基于IC整体的EMI考量，所以在输出I/F进行RSDS I/F。除此之外该公司还计划不久的将来推出内建LVDS/mini-LVDS的multi I/F IC。

图6 SAA6714 IC的MOVIE Detection动作原理大型液晶电视驱动IC 随着液晶显示器用途、解析度与显示尺寸不断的扩展提升，使得驱动电路中的驱动IC越来越重要，因此接着要探讨20寸以上液晶电视驱动IC面临的问题与解决对策。事实上TFT-LCD是利用设于各画素内（pixel）的薄膜电晶体（TFT: Thin Film Transistor）进行影像信号的写入、keep，并获得高对比、高速反应等影像特性。如图7所示monitor与大型液晶电视，通常会将6bit或是6bit数位化RGB信号input至驱动器内，再将信号转换成驱动液晶所需要的类类比电压，此外为了控制TFT的On/Off，所以需有Gate driver，一般而言驱动TFT Gate必需输出二值电压，不过随着驱动方式与面板（panel）的不同，Gate driver经常需输出三值电压甚至四值电压。

图7 TFT-LCD驱动电路的方块图 TFT-LCD的驱动过程是先将one line的资料输入至source driver内，接着利用gate driver将欲写入的扫描线的电晶体全部打开，再从source driver概括输出影像资料，换句话说它是利用各line扫描gate，再将影像资料输入至画面，形成如图8所示的线序扫描技术。　 one line的资料转送至source driver，接着施加STB脉冲便可使one line的资料输出至与output连接的drain line Dn，此时若能使内部TFT在one line期间，变成ON状并将脉冲output至gate Gn，影像资料就会被载入TFT面板内开始display，亦即依序从gate line上方朝下方扫描、载入完整的画面资料，并完成display作业。

图8 TFT-LCD的线序扫描技术如图9所示source driver为了要从外部载入数位化RGB信号，因此设有I/F单元与可将数位信号转换成类比信号的D/A转换（converter）单元、可缓冲D/A转换器的output类比单元。由于I/F单元为可处理30～200MHz clock rate的高速电路，所以设计规范（rule）仍以0.35μm制程为主。

图9 384ch、8bit source driver的方块图由于D/A与类比增幅单元可将6bit或是8bit的数位信号转换成振幅为10～16V的类比信号，所以该单元的设计规范（rule）为混载1.0μm以上耐高压制程。如图10所示Gate driver是由可与外部作I/F的单元、可将逻辑电压在TFT的Gate作ON、OFF电压转换的level shifter的单元，以及CMOS的输出Buffer所构成。Gate driver I/F单元的clock rate水平同步频率为数十KHz，因此逻辑单元的设计规范（rule）一般是采用1.0μm左右的制程，不过必需注意的是它的输出振幅为30～42V，所以是属于高耐压电晶体混载制程。

图10 263/256ch Gate driver的方块图以往笔记型电脑、Monitor、电视用液晶显示器的驱动IC，由于具备许多共通性因此并未作严谨的区隔，进而形成许多共用IC的案例，不过最近几年陆续出现20寸甚至50寸大型液晶电视，基于画质的考量与市场的需求，因此必需改用液晶显示器专用IC，一般而言大型液晶电视的驱动IC必需具备下列三大要件: 大画面驱动能力（可驱动大容量负载）如图11所示随着画面大型化，source drive负载容量也越来越大，所以必需使用增幅器才能使大容量负载作高速驱动，一般认为30寸以上液晶电视的增幅器，必需使200～500pF的负载作μs等级的充放电。　

图11 画面大小与负载容量的关系图12是100pF～200pF容量负载（相当于25寸～40寸等级）与画面尺寸的互动关系，由图可知假设电视的解析度为1280×760，理论上图中列示的容量负载时定数都可使用，如果容量负载超过200pF，不但会对驱动能力产生困扰，而且对驱动IC也会形成负担上的损失。设若容量负载为200pF，驱动IC负担的损失（转换成热能）大约是400mW，虽然IC的温升会随着封装形状与封装方式而改变，不过长度为48mm的Tape，利用8pF左右的COF方式封装，它的热阻抗约为 1000C/W，junction的温升则为40 0C。由于一般大型液晶电视与Monitor都是使用直下型背光照明模组，即使是室温环境下，驱动IC附近的温度高达50~600C ，junction的温度则变成900C ，距离1250C 的上限几乎毫无裕度可言。有监于此容量负载超过200pF时，通通常会采用双线（two line）方式进行液晶的交流化，藉此使负载损失减半。负载超过200pF以上时则需改采上下两侧驱动方式。

图12 NEC的μPD160010大容量负载驱动能力模拟分析结果多阶化（10位元化）基于画质的需求大部分的D/A转换器都是6位元或是8位元，然而6位元或是8位元在低灰阶领域并无法充分发挥灰阶特性，此外在RGB之间辉度与灰阶特性γ会出现微妙的偏差，如果未适时补正它的色泽度就无法与CRT相抗衡。由图13可知液晶电视的D/A转换器必需是10位元才能符合实际需求。有关D/A转换器10位元化的方法，除了驱动IC之外controller也可获得相同效果，基本上它是利用frame control进行面积变调与dither pattern的面积灰阶化，不过实际上面积变调方式若提高反应速度，极易造成闪烁（Flicker）现象；而dither pattern方式则会产生解析度劣化，与特异pattern的waiving问题。

图13 10位元化的需求原因封装问题与介面所谓的封装问题事实上是指coast up后的对策而言。例如膝上型电脑常用的15寸液晶面板，连接source driver的基板长度为300mm，封装时通常是利用热压着方式将TCP或是COF固定，不过20寸以上液晶面板的基板长度超过400mm，如果还是利用热压着方式，基板会发生延长现象，而且为数众多的驱动IC单靠fine pitch封装，实际上有其困难，因此一般是将基板切割成复数块，或是改用低膨胀系数的特殊基板，然而基板切割成复数块会造成封装的工程数大幅增加，而且基板之间必需额外增加连接用cable connector；改用低膨胀系数的特殊基板则会造成制作成本大幅上升，换句话说面板的制作成本与画面尺寸具有密不可分的依存性（图14）。有关封装问题如果基板的热膨胀量与输入pin的间距（pitch）比较时，基板的热膨胀量反而成为无法忽视的问题，除此之外pin的间距与I/F方式以及灰阶位元数则有密切的互动关系。表2是NEC的大型液晶电视用驱动IC特性摘要，由表2列示的资料可知传统的CMOS与RSDS，pin数会随着位元数的增加大幅成长，相较之下mini-LVDS则可削减30%以上的pin数，这意味着设计者可利用输入pin数的扩充与基板的热膨胀特性，取得更大的容许偏差量与基板材料的选择空间。　

图14 液晶显示器大型化后的封装问题与介面型号 Pin数灰阶化液晶驱动电压（MAX）介面适用液晶mode μPD160040 384 8位元 15.5V CMOS TN、MVA、IPS μPD160010 384/360 8位元 16.5V mini-LVDS TN、MVA、IPS μPD160012 480 8位元 16.5V mini-LVDS TN、MVA、IPS μPD160083 480 8位元 13.5V RSDS TN、MVA μPD16707A 263/256 2值Gate 42V CMOS TN、MVA、IPS μPD160702 200/240/256/263 2值Gate 42V CMOS TN、MVA、IPS μPD160703 300 2值Gate 42V CMOS TN、MVA、IPS 表2 NEC的大型液晶电视用驱动IC特性摘要　结语由于新世代LCD生产设备陆续进入量产阶段，加上家庭影剧风潮的引领下，平面显示器的需求出现空前热络，价格大众化隐然成为平面显示器普及化重要因素之一，在此环境下更促成液晶显示器朝电视应用领域方向发展。然而液晶显示器往往因用途与尺寸的不同出现明显的技术差异，其中又以电源管理IC、影像信号处理IC，以及驱动IC的差异最具代表性，因此国外相关业者相继推出大尺寸液晶显示器专用IC，试图解决目前泛用IC造成的画质瑕疵等困扰，相信未来由于市场的需求，大型液晶电视会因各界的努力，使得影像画质更瑧完美。

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