芯耀
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作者：白玉杰，高級(jí)應(yīng)用工程師
摘要
在汽車顯示系統(tǒng)領(lǐng)域，TFT LCD顯示屏目前是車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(yīng)不同的顯示技術(shù)，我們需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的電源技術(shù)。TFT LCD顯示屏通常使用側(cè)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(diào)光技術(shù)。OLED顯示屏在智能手機(jī)中更為常見(jiàn)，而面向汽車的OLED和mirco-LED顯示屏仍在開(kāi)發(fā)中。本文全面介紹了汽車顯示系統(tǒng)及電源技術(shù)。
簡(jiǎn)介
隨著汽車電氣化的推進(jìn)，消費(fèi)者希望汽車在安全性、便利性、娛樂(lè)體驗(yàn)、生產(chǎn)力、舒適性和可持續(xù)性等方面實(shí)現(xiàn)全面提升。為了滿足這一需求，OEM和一級(jí)供應(yīng)商需要尋找新的解決方案。然而，隨著車載硬件的不斷增加，功耗問(wèn)題也日益凸顯。在設(shè)計(jì)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(duì)此，本文將深入探討汽車顯示系統(tǒng)的電源技術(shù)。
汽車顯示系統(tǒng)
圖1為一個(gè)簡(jiǎn)化的汽車顯示系統(tǒng)，其中包括主機(jī)、顯示面板以及屏蔽雙絞線(STP)或同軸電纜。其中，汽車主機(jī)，常被稱為信息娛樂(lè)系統(tǒng)，是車輛中音頻、娛樂(lè)、導(dǎo)航和連接功能的中心控制樞紐。在現(xiàn)代汽車中，先進(jìn)的人機(jī)交互界面已成為標(biāo)配，如準(zhǔn)確的語(yǔ)音識(shí)別、反應(yīng)迅速且觸感流暢的觸摸屏，以及復(fù)雜多變的手勢(shì)控制等。
在顯示面板內(nèi)部，時(shí)序控制器(TCON)充當(dāng)視頻或圖像流與顯示模式之間的橋梁。信息娛樂(lè)系統(tǒng)與TCON之間的高效連接，依賴于一對(duì)串行器(SER)和解串器(DES)芯片，支持通過(guò)長(zhǎng)達(dá)10米的屏蔽STP或15米同軸電纜進(jìn)行高速芯片間通信。對(duì)于45英寸到60英寸、7680 × 2160像素的全座艙寬度顯示屏，數(shù)據(jù)傳輸速度需要達(dá)到28 Gbps。
圖1.ADI公司的千兆多媒體串行鏈路(GMSL?)解決方案是一種性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的SERDES技術(shù)。
汽車TFT-LCD顯示屏電源架構(gòu)
圖2為T(mén)FT-LCD顯示面板示例。整個(gè)顯示面板系統(tǒng)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(tǒng)功能框圖。
背光
背光電源技術(shù)可分為兩種常見(jiàn)類型：側(cè)光式和直下式，如圖3所示。側(cè)光式背光是傳統(tǒng)的背光供電方法，它將LED布置在顯示面板的邊緣。通常，側(cè)光式背光使用四到八個(gè)LED燈串?？刂芁ED燈串亮度的方法稱為全局調(diào)光，即調(diào)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(zhuǎn)換器供電。調(diào)光功能可由外部PWM或內(nèi)部18位寄存器T_ON執(zhí)行。MAX25512還支持混合調(diào)光，即綜合采用模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。在200 Hz調(diào)光頻率下，調(diào)光比為16,667:1。采用混合調(diào)光時(shí)，調(diào)光比可翻倍至33,333:1。
圖3.背光電源技術(shù)：側(cè)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(dú)立動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)圖像內(nèi)容的變化。這種調(diào)光方法稱為局部調(diào)光，能夠大大提高對(duì)比度。與側(cè)光式顯示屏相比，直下式背光的功耗較低。當(dāng)顯示圖像中的深色內(nèi)容時(shí)，直下式背光可以關(guān)閉深色圖像分區(qū)的LED，同時(shí)還能減輕顯示深色內(nèi)容圖像時(shí)的漏光現(xiàn)象。
對(duì)于側(cè)光式背光，顯示屏尺寸、分辨率和亮度取決于LED燈串?dāng)?shù)量和每串的LED數(shù)量。而對(duì)于直下式背光，則通過(guò)LED分區(qū)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示面板的大尺寸、高分辨率和高對(duì)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(qū)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(qū)動(dòng)器。
圖5.1S2P LED分區(qū)。
圖6為兩種不同類型的局部調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器。矩陣LED驅(qū)動(dòng)器采用分時(shí)復(fù)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(qū)LED驅(qū)動(dòng)器中的LED由同一VLED和單獨(dú)的電流源供電，如圖6b所示。相比矩陣LED驅(qū)動(dòng)器，直驅(qū)LED驅(qū)動(dòng)器具有更高的電流驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)相同數(shù)量的LED時(shí)，矩陣LED驅(qū)動(dòng)器的使用數(shù)量通常少于直驅(qū)LED驅(qū)動(dòng)器。
圖6.局部調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器：(a)矩陣LED驅(qū)動(dòng)器，(b)直接驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器。
MAX2550x是一款集成PMOS的矩陣LED驅(qū)動(dòng)器，VLED工作電壓可達(dá)14 V。因此能夠支持單個(gè)分區(qū)中最多串聯(lián)四個(gè)LED (4S1P)。內(nèi)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(nèi)部控制，系統(tǒng)復(fù)雜性和尺寸也得以減小。
MAX2550x還具備反饋控制功能。隨著結(jié)溫升高，LED的正向電壓呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢(shì)。如果VLED在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)變化不定，VSINK電壓將升高，這會(huì)導(dǎo)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(diào)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(dāng)VSINK電壓較低時(shí)，MAX2550x背光驅(qū)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(qū)動(dòng)器MAX2550x和直接驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器MAX21610均配備了點(diǎn)校正功能。LED點(diǎn)校準(zhǔn)是針對(duì)LED背光顯示屏的逐像素校正技術(shù)，會(huì)校準(zhǔn)各個(gè)LED輸出，以確保輸出相同的亮度。為了實(shí)現(xiàn)顯示色彩和亮度的一致性，MAX2550x有兩種方法來(lái)設(shè)置各LED電流：每個(gè)LED分區(qū)均可通過(guò)獨(dú)立的5位電流設(shè)置和17位PWM設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。5位電流設(shè)置可用于校準(zhǔn)每個(gè)LED的亮度。當(dāng)所有LED分區(qū)的亮度設(shè)置均相同時(shí)，17位PWM設(shè)置可通過(guò)全局設(shè)置實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)節(jié)。
此外，MAX2550x能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)裝置功能，通過(guò)增強(qiáng)發(fā)光符號(hào)亮度指示故障或系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，例如低油量/電量。采用特定的電流設(shè)置和PWM設(shè)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(duì)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(duì)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(yīng)用于汽車顯示面板中。
如圖8所示，集成TFT電源電路(MAX25221)利用升壓轉(zhuǎn)換器提供的AVDD和NAVDD，為源驅(qū)動(dòng)器（也稱為列驅(qū)動(dòng)器）供電。柵極驅(qū)動(dòng)器（也稱為行驅(qū)動(dòng)器）由兩個(gè)獨(dú)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(bǔ)償。
列驅(qū)動(dòng)器、行驅(qū)動(dòng)器、VCOM的目標(biāo)電壓和電源開(kāi)/關(guān)序列均可通過(guò)編程設(shè)置，并存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。這一功能確保了TFT LCD的參考背板電壓能夠針對(duì)不同面板進(jìn)行調(diào)整，從而有助于降低顯示像差并提高系統(tǒng)穩(wěn)健性。
圖8.集成VCOM的TFT偏置電源。
OLED/Micro-LED驅(qū)動(dòng)器
OLED/micro-LED與LCD顯示屏相比，電源電路類似，包括TFT偏置PMIC和OLED/micro-LED電源。目前，消費(fèi)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(jié)合在一起，還集成了兩個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。適用于汽車OLED/micro-LED顯示屏的電源PMIC仍在開(kāi)發(fā)中。相比消費(fèi)電子產(chǎn)品，汽車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(jié)論
OLED和micro-LED等新型顯示技術(shù)的出現(xiàn)，正推動(dòng)顯示技術(shù)飛速發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，這些新型顯示系統(tǒng)需要更先進(jìn)的像素驅(qū)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(qū)動(dòng)器將能夠更好地滿足新型顯示技術(shù)的需求。
