超高帶寬液晶顯示邏輯驅動控制系統設計與實現

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)

顯示技術發展至今，從早期的CRT(Cathode Ray Tube)顯示技術發展到今天的液晶LCD顯示技術，直至當下的新型顯示技術，包括OLED(Organic Light-Emitting Diode)、Micro-LED、量子點QLED(Quantum Dot Light Emitting Diodes)顯示技術和激光顯示技術，體現了消費者對追求極致顯示的需求[1-2]。目前基于金屬氧化物技術由于自身的高電子遷移率、高開口率、低功耗和低成本的特點，廣泛應用于超高清超高刷新率領域[3]。本文主要針對目前主流的超高帶寬8K×4K金屬氧化物面板顯示技術的驅動方案進行研究，著重解決了超高帶寬的數據量傳輸以及數據和信號同步方式的問題，從而完成了系統方案設計，實現面板的驅動和顯示。目前顯示技術不斷突破原有的顯示標準，從FHD(Full High Definition)、UHD(Ultra High Definition)到今天的8K×4K顯示，目前本領域的驅動方案都是以單芯片的方案實現面板邏輯驅動器設計，對于超高分辨率和刷新率的面板來說，成本十分高昂，并且驅動方案復雜[4]。本文研究了超高帶寬的液晶面板的驅動方式，通過采用分區獨立控制的思路，實現分區數據和信號的同步，并通過配合各外圍電路模塊的設計從而實現8K×4K面板驅動的功能。該技術方案可以降低現有技術方案的成本，復雜程度較低，同時也為以后的更高帶寬的液晶顯示技術驅動方案提供了一個具有參考價值的控制驅動思路和操作方式。

1 面板驅動方案

本文的總體功能方案設計采用100 in GOA液晶面板作為驅動控制對象，開展功能模塊設計和開發工作，完成面板的顯示和控制功能。如圖1所示，功能模塊設計包括高速信號輸入輸出接口模塊、核心時序邏輯控制模塊、可編程電源管理模塊、GOA面板特有的信號電平移位模塊和可編程灰階伽馬電壓模塊。高速信號輸入輸出接口模塊接收外部的高速串行信號，通過核心時序邏輯控制模塊的處理和轉換，成為面板接收端的控制和數據信號，通過輸出端口發送到液晶面板。核心時序邏輯控制模塊針對輸入高速信號進行解串和編碼工作，完成數據格式的轉換和面板端控制信號的輸出。可編程電源管理模塊將輸入的電壓進行轉換，產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。信號電平移位模塊用于接收核心邏輯控制模塊產生的時鐘信號和控制信號，產生多路相位不同的面板驅動時鐘，用以實現面板內部像素單元柵極開關電平的時序控制。可編程灰階伽馬電壓模塊接收電源管理模塊產生的灰階參考輸入電壓，并將輸入參考電壓轉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通過面板源極驅動部分的DA(數模)轉換成液晶面板的像素灰階電壓，實現面板的顯示和控制。

圖1 面板驅動方案總體框架示意圖

(1) 液晶面板邏輯控制系統的總體方案。

本文設計的系統方案實現了100 in 8K@120 Hz超高分辨率液晶面板的驅動控制，由于尺寸較大，帶寬較高，目前行業內沒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單芯片的工作頻率要求較高，相對于雙芯片的解決方案傳輸同樣的數據帶寬，單芯片的頻率需要提高一倍，也就是說，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據量。同時，即使存在這樣的高規格單芯片，成本也遠高于雙芯片的方案。本文通過技術論證和方案的設計研討，確立了雙通道進行分區獨立控制的設計思路，最終在數據信號和控制信號的同步下，完成了整個系統的功能設計。如圖2所示，本系統主要通過輸入接口模塊接收高速的V-BY-ONE信號輸入到液晶主邏輯時序控制模塊完成數據信號的處理、轉換和控制信號的產生，并將控制信號輸出到電平移位模塊實現了對GOA面板內部柵極驅動部分的控制，通過電源管理模塊和可編程伽馬電壓模塊提供的系統工作電壓和像素的灰階參考電壓輸出到面板，實現面板顯示和控制。

(2) 核心時序邏輯控制模塊設計。

本文的核心時序邏輯控制模塊采用8K時序控制器專用的TCON IC芯片作為主控芯片，基于該芯片完成核心時序邏輯控制模塊的設計和開發工作，該芯片接口資源豐富，內置8051中央處理器，功能強大，性能可靠，適合超高帶寬數據處理和傳輸。輸入最大支持32 lane V-BY-ONE高速數據信號，數據速率達3.4(Gbit/s)/lane；輸出最大支持P2P格式的48對USI-T協議的面板數據驅動信號，數據速率達3.1(Gbit/s)/lane；單芯片支持最高為8K(7680像素×4320像素)@60 Hz數據帶寬。背光調節方面，支持48×48的區域動態背光調節功能，配合區域背光模組實現分區調光的功能。同時，支持雙芯片數據同步級聯功能實現更高帶寬的數據傳輸。本文采用雙芯片的解決方案，實現了8K@120 Hz的面板驅動顯示功能。時序邏輯控制模塊框圖如圖3所示，具體內容包括：核心控制器外圍的最小系統設計(晶振、復位和存儲模塊設計)、雙芯片信號同步方案以及控制信號設計。本文研究和實現100 in的驅動方案，由于面板尺寸較大，數據帶寬容量較大，因此采用了區域分屏雙邊驅動的方式，主芯片負責驅動面板的左半部分，輔芯片負責驅動面板的右半部分。為了實現整個屏幕畫面的顯示，需要控制雙芯片數據信號和時序信號同步的工作，本系統選用的專用IC芯片具有雙芯片級聯的同步功能控制引腳，將該功能引腳的數據信號和時鐘控制信號級聯，并通過阻抗匹配，在同步算法的控制下，最終完成信號的同步，實現了面板左右部分顯示畫面的整體融合。控制信號模塊的設計主要是產生信號電平移位模塊所需的控制信號(STV、CPV、LC和CLR等信號)和面板源極驅動模塊的控制信號(TP、POL等信號)，通過電平移位模塊產生移位控制信號輸出到GOA面板實現時序控制。本系統的時序邏輯控制模塊完成了輸入到輸出信號的數據轉換，并產生控制信號到電平移位模塊，在電平移位控制信號輸出控制信號和源極驅動控制信號作用下實現數據的傳輸和顯示功能。如圖4所示，主要針對時序邏輯模塊控制部分的電路進行了方案的設計。

圖2 驅動控制系統總體方案系統框圖

(3) 高速信號輸入輸出接口模設計。

本系統為了實現8K@120 Hz GOA面板的顯示，每秒鐘需驅動7840×4320×3×120個像素點，傳統的LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)低壓差分信號無法傳輸如此龐大的數據量的信號[5]，因此，本系統的接口設計考慮可以傳輸更高數據速率和帶寬的V-BY-ONE接口，該信號接口無專用的時鐘通道，Source端的時鐘和數據通過編碼成特定格式(時鐘嵌入在數據之中)的信號在接口數據通道上進行傳輸，sink端通過CDR(Clock Data Recovery)時鐘和數據恢復功能完成數據的解碼，并且只需要8 lane(傳統的lvds信號需要48對差分線)即可實現4K的數據傳輸，從而實現較少的數據線完成了高帶寬的數據傳輸，并且抗干擾能力極強[6]。針對本系統的超高帶寬數據傳輸，輸入信號共采用了4通道V-BY-ONE接口，每通道接口傳輸16 lane數據，共64 lane數據傳輸到時序邏輯控制模塊的V-BY-ONE控制器。時序邏輯驅動器通過時鐘和數據恢復將接收到的高速串行信號解碼成低速的并行信號，并將解碼后的信號通過主控IC進行圖像算法的處理和數據格式的轉換輸出面板需要的96對USI-T協議格式的信號和控制信號，實現面板的驅動和顯示。

圖3 時序邏輯控制模塊框圖

(4) GOA信號電平移位模塊。

本系統針對目前主流的GOA面板進行驅動控制系統的設計工作，由于GOA面板上無外部的柵極驅動IC，可實現窄邊框甚至無邊框的顯示效果，并且可以降低系統總體成本，已廣泛應用于液晶顯示的終端設備[7-8]。如圖5所示，本文選用的超大尺寸GOA面板內部集成了柵極驅動IC，通過設計信號電平移位模塊，實現對GOA面板內部柵極驅動的開關和信號的控制。該模塊設計時考慮接收時序邏輯的時序驅動信號(STC、CPV、CLR、LC、CK等信號)和電源管理模塊輸出的像素開關電平信號(VGH和VGL信號)，從而輸出電平移位后的控制信號和開關信號。GOA面板集成柵極驅動部分，配合源極驅動模塊的像素數據寫入，完成圖像的顯示。針對這一功能需求，本設計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，該模塊接收時序信號和像素開關電平信號，輸出8路不同相位的柵極電平移位控制信號(CK1,CK2，…，CK8)并配合像素開關電平信號，實現每8行為一循環周期的柵極掃描驅動方式。在本設計中，場頻為120 Hz,共有4320行，故每一個行的掃描時間為1.93 μs,每個循環掃描的周期為15.4 μs,每個移位控制信號的相位相差為45°。圖5為電平移位芯片輸入控制信號和信號電平與輸出的CK信號之間的需要滿足的時序關系。

圖4 時序邏輯控制模塊部分電路設計方案

(5) 可編程電源管理模塊設計。

本系統的電源模塊的設計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啟和關閉電壓。針對本文具體的設計而言，整個邏輯控制系統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)、內核供電電壓Vcore(1.2 V)、IC內部的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面板內部像素單元的開啟電壓VGH(25 V)和關閉電壓VGL(-6.1 V)。針對這一需求，選用了致新科技的PMU電源管理芯片G2510S并配合DC-DC BUCK降壓芯片來完成系統所需的多路電源管理管理模塊的設計和開發工作。本系統的電源模塊依然采用雙芯片的獨立控制方案分別為雙主控制芯片進行獨立的供電工作,圖6和圖7為單通道電源管理方案。

圖5 控制信號輸入輸出時序邏輯示意圖

(6) 可編程灰階電壓模塊設計。

自然界的灰階是連續的,但是在顯示器重現圖像的時候,卻無法做到完全連續,只能從最亮和最暗的范圍內增加區分的層級,也就是減少亮暗區分的級距來增加灰階的數目[9]。區分灰階的數目為2n。經過試驗，人眼感覺與亮度之間的關系式為

y=AxΓ

(1)

式中，A為常數;上述表達式標明的關系曲線即為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]。由于影像信號要表達的是人腦的感覺，需要依據亮度與大腦感覺的Γ曲線進行校正，使大腦感覺與影像信號成正比[11]。因此，人腦感覺與顯示器的亮度有關。因此，在TFT-LCD中，將電壓-透過率曲線作為GAMMA校正的參考。為了滿足顯示產品的規范，通常選擇γ=2.2[12-13]。灰階電壓與透過率的對應的GAMMA曲線如圖8所示。

圖8 灰階電壓與透過率的對應的GAMMA曲線

如圖9所示，本系統10 bit位寬的GOA液晶面板顯示的灰階達到1024，因此通過聯詠科技50115B芯片的A/D轉換產生4路數字參考電壓為(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以及驅動能力的問題，采用致新科技公司的G1583運放芯片來實現公共參考，VCOM電壓的放大提升了對面板的驅動能力，確保了負載端公共電壓的穩定，改善了顯示質量。在面板關機掉電中，為了解決面板關機殘影的問題，本系統通過將放大后的VCOM通過放電回路電壓快速釋放，從而有效地消除了關機殘影的現象。由于本系統為分區控制，故選用了2塊501115B芯片進行了雙模塊的設計從而實現分區的顯示和控制。圖10為面板VCOM掉電控制的具體設計原理方案。

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 設計結果及功能測試

本文最終使用設計的超高帶寬液晶顯示邏輯驅動控制系統模塊來驅動100 in 8K×4K GOA面板，通過信號源端輸出的V-BY-ONE信號輸入到控制模塊，最終輸出高清的P2P屏端數據信號完成液晶面板的驅動和顯示，如圖11所示。如圖12所示，本系統充分考慮了產品的兼容性測試的要求，通過系統的展頻方案的結果測試，確保系統的產品滿足EMI的標準和要求。最終，通過該控制系統和8K×4K液晶面板的一體化整合對整個顯示系統進行光電性能測試，相關性能參數滿足產品的設計要求，如表1所示。

圖11 面板驅動系統模塊PCB效果圖

圖12 面板驅動系統時序驅動電路的展頻實測圖

表1 主要光電參數

3 結束語

基于專用的高端時序邏輯控制芯片，針對中大尺寸超高帶寬GOA液晶面板采用雙分區同步控制的雙芯片的設計思路，突破了傳統單芯片設計方案和思路，結合輸入輸出接口模塊，可編程電源管理模塊、GOA信號電平移位模塊、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的設計，實現了驅動控制系統的總體功能。本方案主要針對高端液晶面板市場，滿足了超高清視頻信號傳輸的應用需求，有效地切合了未來液晶顯示的發展趨勢和方向。本文設計驅動控制系統相對于單芯片方案具有低成本、低時延、驅動方案簡單、功耗小等優勢。目前，本文開發的邏輯驅動控制模塊已通過產品級的功能和性能測試，性能穩定可靠，綠色環保，符合相關電氣和輻射國標安全認證要求，市場應用前景廣闊，同時為更高帶寬的驅動系統方案設計提供了一個新的思路。