汽車顯示屏——第1部分：TFT LCD、OLED和micro-LED顯示屏基本原理

作者：白玉杰，高級(jí)應(yīng)用工程師

如今，汽車行業(yè)對(duì)先進(jìn)顯示屏的需求空前高漲，亟需能夠?qū)崿F(xiàn)更大尺寸、更高亮度、曲面設(shè)計(jì)、更高分辨率和更高對(duì)比度的解決方案。與此同時(shí)，各類新型車載顯示屏也日益受到青睞。目前，TFT LCD是汽車平板顯示技術(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，正逐漸贏得汽車制造商的關(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(qū)動(dòng)器，以及適用于OLED和micro-LED顯示屏的7T1C/2C像素驅(qū)動(dòng)器。

汽車應(yīng)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(qū)動(dòng)器的技術(shù)。此外還討論了TFT技術(shù)和汽車顯示屏的電源技術(shù)。

本系列的第1部分重點(diǎn)介紹汽車顯示屏的基本原理，包括發(fā)展趨勢(shì)、挑戰(zhàn)和顯示屏結(jié)構(gòu)。為幫助理解汽車顯示屏的電源技術(shù)，文章還簡要介紹了像素驅(qū)動(dòng)器。

本系列的第2部分將介紹汽車顯示屏的電源技術(shù)。文章討論了不同的顯示技術(shù)，包括側(cè)光式背光和直下式背光。此外還簡要說明了mini-LED顯示屏的局部調(diào)光技術(shù)。

汽車數(shù)字座艙趨勢(shì)

近年來，車聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)化、自動(dòng)駕駛、共享出行等汽車領(lǐng)域發(fā)展迅猛。為了給用戶帶來更好的體驗(yàn)，座艙的設(shè)計(jì)也隨之徹底改變。人們對(duì)于尺寸更大、曲面設(shè)計(jì)、更高分辨率和更高對(duì)比度的顯示屏以及新型車載顯示屏的需求日益強(qiáng)烈。根據(jù)IHS Markit汽車顯示屏市場(chǎng)追蹤報(bào)告，2018年汽車顯示面板出貨量為1.615億塊，預(yù)計(jì)到2025年出貨量將超過2億塊1。

為了改善座艙體驗(yàn)，現(xiàn)代汽車配備了多種類型的顯示屏：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(cè)后視鏡顯示屏和后部娛樂顯示屏。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。后座娛樂顯示屏和乘客顯示屏是信息娛樂系統(tǒng)的一部分，供乘客觀看電影或進(jìn)行其他娛樂活動(dòng)。數(shù)字攝像頭監(jiān)視系統(tǒng)(CMS)利用兩到三個(gè)攝像頭取代了外部后視鏡。同時(shí)側(cè)后視鏡顯示屏和電子后視鏡顯示屏也增強(qiáng)了駕駛員對(duì)周圍環(huán)境的視覺感知。

根據(jù)IHS Markit汽車顯示屏市場(chǎng)追蹤報(bào)告，2018年，10英寸面板占汽車顯示面板出貨量的10%，預(yù)計(jì)到2025年這一比例將增長至18.4%1。近年來，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，汽車顯示面板就朝著尺寸更大、分辨率更高、對(duì)比度更高的方向發(fā)展，形態(tài)設(shè)計(jì)自由度也越來越高。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(diào)光技術(shù)的14.9英寸曲面觸摸屏，屏幕從駕駛員側(cè)方一直延伸至中控臺(tái)。VISION EQXX概念車則搭載了采用局部調(diào)光技術(shù)的47.5英寸全座艙寬度屏幕。汽車顯示屏的趨勢(shì)總結(jié)如圖1所示。

圖1.座艙顯示屏趨勢(shì)2

寶馬概念車Neue Klasse上的全擋風(fēng)玻璃HUD將于2025年投入量產(chǎn)。這項(xiàng)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(qiáng)度和對(duì)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(gòu)

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)了視覺顯示的革新。

TFT LCD利用夾在兩層玻璃襯底之間的液晶來顯示圖像。下方襯底嵌入了TFT，而上方襯底用作濾色器。通過控制流過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(diào)制光穿過液晶層時(shí)的旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)包括了氧化銦錫(ITO)玻璃襯底和其上的有機(jī)發(fā)光層。有機(jī)發(fā)光層夾在兩個(gè)低功函數(shù)金屬電極之間：上方陰極和下方陽極。

在陰極和陽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(jī)發(fā)光層，注入的數(shù)量和速度可以控制。這個(gè)過程讓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(lán)光。因此，OLED顯示屏更薄、更節(jié)能，色彩再現(xiàn)能力和對(duì)比度也更優(yōu)越。

圖3.OLED顯示屏結(jié)構(gòu)

Micro-LED顯示屏采用微型LED陣列構(gòu)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以內(nèi)，人眼幾乎看不見。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(lán)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(jié)構(gòu)和性能方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。micro-LED顯示屏適配于智能手機(jī)、電視到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、可穿戴設(shè)備、汽車顯示等各種應(yīng)用。

圖4.micro-LED顯示屏結(jié)構(gòu)

TFT LCD技術(shù)相對(duì)成熟且成本優(yōu)勢(shì)突出，這樣因此成為了目前汽車行業(yè)占主導(dǎo)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越多的汽車制造商注意。

OLED顯示屏兼具顯示效果出色、能耗低、柔韌性強(qiáng)、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(shè)計(jì)，亮度和對(duì)比度均有增強(qiáng)，能夠?yàn)樽搩?nèi)屏幕設(shè)計(jì)帶來更大的靈活性。

然而，OLED顯示屏存在殘影問題，長時(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(guī)模生產(chǎn)商業(yè)化方面存在挑戰(zhàn)，成本居高不下。

表1詳細(xì)總結(jié)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(xiàn)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(diào)光技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。mini-LED是常規(guī)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被歸類為mini-LED，而尺寸小于100微米的LED被歸類為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(duì)比度性能，助力實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比解決方案。

通過混合三原色（紅、綠、藍(lán)）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(tǒng)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驅(qū)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(chǔ)電容）組成。柵極驅(qū)動(dòng)器提供正電壓和負(fù)電壓。正電壓稱為柵極高電平電壓(VGH)，用來接通TFT。負(fù)電壓稱為柵極低電平電壓(VGL)，用來關(guān)斷TFT。圖像信息被傳輸?shù)皆礃O驅(qū)動(dòng)器，后者對(duì)液晶電容(CLC)充電。存儲(chǔ)電容(CST)充當(dāng)緩沖器，防止CLC產(chǎn)生漏電流。有關(guān)TFT LCD顯示屏中像素驅(qū)動(dòng)器的更多論述，請(qǐng)參見《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(jié)點(diǎn)和漏極節(jié)點(diǎn)之間存在的寄生電容(CGD)引起的。當(dāng)畫面內(nèi)容發(fā)生變化，TFT由導(dǎo)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(dǎo)致CLC的電壓下降。為了提高面板性能的一致性，我們?cè)谙袼剞D(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)引入公共背板電壓(VCOM)，并將其調(diào)整至像素電壓的中間。

圖6.常規(guī)像素驅(qū)動(dòng)器

Micro-LED和OLED顯示屏中常用像素驅(qū)動(dòng)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似，但比TFT LCD顯示屏中像素驅(qū)動(dòng)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。這是因?yàn)門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(dú)驅(qū)動(dòng)，可以單獨(dú)控制其各自的亮度。

如圖7所示，《Driving Technologies for OLED Display》5一文中描述了簡單的像素驅(qū)動(dòng)器2T1C，其中包含了兩個(gè)晶體管和一個(gè)存儲(chǔ)電容。在該像素驅(qū)動(dòng)器中，LED發(fā)射的模擬信號(hào)被發(fā)送到TFT M1。隨后，閾值電壓(VGS)存儲(chǔ)在電容(CST)中，用于驅(qū)動(dòng)飽和區(qū)中的TFT M2，如圖8所示。由于對(duì)TFT M2的驅(qū)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(qū)動(dòng)器的飽和操作驅(qū)動(dòng)方法與驅(qū)動(dòng)TFT的線性區(qū)域操作相比，具有延長LED壽命的優(yōu)勢(shì)。

圖7.OLED或micro-LED的2T1C像素驅(qū)動(dòng)器

圖8.MOS晶體管輸出特性

然而，2T1C像素驅(qū)動(dòng)器也存在一些缺點(diǎn)，包括Mura問題和電偏置下的閾值電壓偏移等。Mura問題是指顯示屏亮度不均勻，其主要原因是制造過程中的差異，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(dǎo)致畫質(zhì)問題。雖然出色的制造工藝也無法克服閾值電壓漂移挑戰(zhàn)，但業(yè)界提出了采用電壓反饋方法和閾值電壓偏移過補(bǔ)償方法的像素電路來提高圖像質(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(bǔ)償和發(fā)光，如圖10所示。TFT M4用于驅(qū)動(dòng)TFT M3的二極管連接。在補(bǔ)償期間，來自源極驅(qū)動(dòng)器且存儲(chǔ)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(qū)動(dòng)器原理圖

圖10.7T1C補(bǔ)償像素的驅(qū)動(dòng)序列：(a)初始化，(b)補(bǔ)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(fèi)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)用結(jié)合了LTPS和LTPO TFT二者優(yōu)勢(shì)的混合像素方案。

隨著消費(fèi)者對(duì)可視性、安全性、用戶體驗(yàn)等的期望越來越高，車載顯示屏在提升座艙體驗(yàn)方面的重要性也日益突出。為了實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)、高分辨率、高對(duì)比度、自由形態(tài)、大尺寸、高性價(jià)比的汽車顯示屏解決方案，目前仍有一些重大挑戰(zhàn)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(xiàn)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(qū)動(dòng)變得更加復(fù)雜。與此同時(shí)，OLED和micro-LED顯示屏的大規(guī)模生產(chǎn)商業(yè)化方面存在挑戰(zhàn)，價(jià)格較為昂貴。采用局部調(diào)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)介紹汽車顯示屏的電源技術(shù)，包括背光驅(qū)動(dòng)器、TFT偏置PMIC和局部調(diào)光功能。

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。“Image 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。