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技术前沿DDIC触控显示驱动芯片 [复制链接]

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驱动IC是控制液晶面板及AMOLED面板开关及显示方式的集成电路芯片。随着面板显示分辨率及数据传输速度的提高,其对驱动芯片的要求也不断提高。显示驱动芯片(DisplayDriverIC,简称“DDIC”)是面板的主要控制元件之一,也被称为面板的“大脑”,主要功能是以电信号的形式向显示面板发送驱动信号和数据,通过对屏幕亮度和色彩的控制,使得诸如字母、图片等图像信息得以在屏幕上呈现。

什么是OLEDDDIC

显示驱动芯片(DisplayDriverIntegratedCircuit,简称DDIC)的主要功能是控制OLED显示面板。它需要配合OLED显示屏实现轻薄、弹性和可折叠,并提供广色域和高保真的显示信号。同时,OLED要求实现比LCD更低的功耗,以实现更高续航。

DDIC通过电信号驱动显示面板,传递视频数据。DDIC的位置根据PMOLED或AMOLED有所区分(PM和AM的区分见下文详述):

如果是PMOLED,DDIC同时向面板的水平端口和垂直端口输入电流,像素点会在电流激励下点亮,且可通过控制电流大小来控制亮度。

至于AMOLED,每一个像素对应着TFT层(ThinFilmTransistor)和数据存储电容,其可以控制每一个像素的灰度,这种方式实现了低功耗和延长寿命。DDIC通过TFT来控制每一个像素。每一个像素由多个子像素组成,来代表RGB三原色(R红色,G绿色,B蓝色)。

TFT上面的一个一个的像素的电压的值(或者是On状态的时间占空比),以扫描的方式按照一定的时间节奏一个一个的传输。

负责扫描的些芯片就是DDIC,有负责横向的,也有负责纵向的。负责横向工作的叫做GateIC(也叫RowIC),负责纵向工作的叫做SourceIC(也叫ColumnIC)。

下图是三星电视的主DDI芯片。

OLED的DDI和LCD的还不一样,尤其是大屏电视的OLEDDDIC。因为LTPS(LowTemperaturePoly-Silicon,简称为p-Si)材质的不均一,屏幕越大,信号到达TFT各个角落的时间的差异就越大,那么画面就会出现意想不到的撕裂的现象。所以先进的OLEDDDI里面可以储存一张自己驱动的TFT的不均一性的照片,然后根据具体的不均一性的情况来对信号进行调整。

另外还需要有一个负责分配任务给它们的芯片,叫做TimingController,简称T-CON。一般情况下,T-CON是显示器里面最复杂的芯片,也可以看做是显示器的“CPU"。它主要负责分析从主机传来的信号,并拆解、转化为Source/GateIC可以理解的信号,再分配给Source/Gate去执行,T-CON具有这种功能是因为T-CON具有Source/Gate没有的控制时间节奏的能力,所以叫TimingController。越来越高的分辨率、刷新率和色深都对T-CON的处理能力以及前后各种接口的信息传输能力提出了挑战。

PMOLED和AMOLED

DDI通过扫描的方式驱动显示屏。从上图可以看到,给相应的行和列加上电压就可以点亮相应的像素了。但是问题来了,如果我们想同时点亮2B和5E,给2列、5列以及B行、E行同时加电压的话,会发现连5B和2E也被无辜点亮。为了防止这种情况的发生,我们必须在时间上给予各条线先后顺序的区分。

目前选择的是每次处理一条X轴的线,每次只给一条横线加电压,然后再扫描所有Y轴上的值,然后再迅速处理下一条线,只要我们切换的速度够快,因为视觉残留现象,是可以展现出一幅完整的画面的。这种方式叫做PassiveMatrix。

然后这样的方式的最大的缺点就是,除非我们每条线切换的速度超级无地块,否则,实际上每条线可以分到的有电压的时间是非常短的,一旦电压移到下一条线上,原来这条线上的像素就全都暗下去了,整体画面给人的感觉是非常暗淡,不明亮的。

还有一个问题就是,如果某个像素不该点亮,但是因为它旁边的像素该被点亮,所以相应的X轴被加上了电压,这个像素也会受到旁边像素的一丢丢影响,被点亮一丢丢,结果就是图像的清晰度很不好,图像的边缘会模糊。

怎么解决这两个问题呢?

像上图右侧这样,在每一个像素上都加一个开关和一个晶体管电容。

一旦加上电压,首先这个电容是可以保存能量的,在电压再次回到这一条线的像素上之前,电容会释放自己保存的电压来保持像素的亮度。这样,整体的亮度就会得到大幅提升。其次,每个像素的开关起到一个门槛的作用,这样,如果一个像素被加上电压点亮,给相邻的像素带来一丢丢影响,因为门槛的存在,这一丢丢的影响是不能点亮相邻的像素的。

这种方式就做做ActiveMatrix(AMOLED的AM就是ActiveMatrix的缩写)。

AM的好处当然是大大的,但是这样的成本就是TFT的结构变得更加复杂,P的分辨率就不仅仅是多万个电气元件了,像OLED那种每个像素需要至少五、六个晶体管的,岂不是最少也要多万个晶体管?如果是4K分辨率呢?

DDIC的封装形式

自从三星在年首次推出曲面屏(CurvedDisplay),柔性显示屏技术迅速发展。大体上,显示屏分两类,即硬质显示屏和柔性显示屏。硬质显示屏使用硬质玻璃作为基板,而柔性屏使用一种塑料(polyimide,聚酰亚胺,简称PI,有机高分子材料)作为基板,具有可弯曲、可折叠、可卷曲的性能。一些高端智能手机在屏幕边缘弯折,提升了质感,就是归功于这种材料。

客观来说,COG、COF、COP是当下屏幕显示驱动芯片的3种不同封装技术,在广大媒体传导下也被称为“屏幕封装”。三者主要的应用是实现手机或电视系统对其屏幕(LCD,OLED)的驱动控制,以及与其它系统例如主板FPCB、部件等的信号链接。

COG(ChipOnGlass)是将手机屏幕显示驱动芯片(DisplayDriverIC,DDIC)直接粘合链接到在玻璃材质为主的刚性玻璃基板上(GlassSubstrate),之后由FPCB链接至手机其余PCB或部件。通常用于刚性显示屏,例如LCD。

图一:COG切面示意图

COF(ChipOnFilm),是将DDIC间接通过粘合薄膜(AdhesiveThinFilm)粘合在柔性塑料基板(PlasticSubstrate)以实现柔性显示屏,例如OLED。

图二:COF切面示意图

COP(ChipOnPlastic)是将DDIC直接固定在柔性塑料基板上(PlasticSubstrate)。

图三:COP切面示意图

随着柔性屏发展,为了提高屏占比(screentobodyratio),DDIC的COF(chiponfilm)封装技术应运而生。

传统的LCD液晶显示模组的结构图如下图所示:

图中,红色虚线之间的区域就是我们所说的显示区域,也就是屏幕发亮的区域,红色虚线之外的部分就是我们常说的上border(额头)和下border(下巴)以及左右边框(图中未体现)。其中,上border和左右边框的预留宽度主要用于整个液晶显示模组与手机前壳贴合部分的点胶,这个宽度大概在2-3mm左右。但是,下border部分除了给点胶预留的宽度外,还有我们屏幕的驱动IC和FPC排线(FPC排线通过bonding和TFTArray连接),驱动IC主要用于控制液晶层的电压,从而控制屏幕每一个pixel的亮度,而FPC主要就是将液晶显示模组和手机主板连接起来。这个部分决定了手机的下巴有多厚。

上图显示的液晶显示模组采用的封装技术就是我们说的COG封装。TFT薄膜晶体电路是有一个TFTsubstrate作为基材的,在COG封装中,这个基材通常是玻璃材料,不可弯折的,这也就是COG封装的LCM模组下巴厚的原因。

那么在COF封装中,TFT薄膜晶体电路的基材也是玻璃,但是与COG不一样的是,驱动电路集成到了FPC软板上,所以下border部分只需要预留出一个bonding的区域给FPC和TFT连接,这样能将下border的厚度减少1.5mm左右,如下图所示。目前,各大厂商的非旗舰安卓机基本都是采用COF封装形式。

而对于COP封装,只能采用OLED屏幕,因为在OLED屏幕中,ITO的基材可以是玻璃,也可以是一种可弯折塑料。如果基材是塑料的话,可以将连接FPC和驱动IC的基材部分实现弯折,从而只需要预留出点胶区域的宽度就行,这种情况下,下border能做到更薄,这也就是为什么IPhoneX的下巴可以做到那么窄。COP封装在OLED屏幕中实现的原理如下图所示:

AMOLEDDDIC进阶——集成触摸控制器IC和显示驱动器ICTDDI

将触控传感器集成到显示屏叠层中

在触控屏中集成触控检测和显示更新功能涉及两个方面:显示面板叠层;控制触控和显示这两种功能的IC。

图1触控传感器可以作为一个独立层添加到合式面板的显示屏之上,也可直接集成到显示屏叠层中的任一现有层

如图1所示,在一个典型的触控屏中,显示屏叠层和显示面板中有很多层。以前常见的做法是,将触控传感器作为一个单独或独立的层,覆盖到叠层式层压显示面板中的显示屏之上。采用这种设计方法时,触控传感器或者添加到玻璃盖板(CG)上,或者放在一个专用的传感器层中,这个专用传感器层通常由塑料制成。

将传感器整合在玻璃盖板上的方法有时又叫“盖板外嵌式传感器(Sensor-on-Lens,简称SoL)”或“盖板集成式解决方案(OneGlassSolution,简称OGS),因为这种方法无需增加一个单独的传感器层,仅利用玻璃盖板即可。采用单独传感器层的设计方法称为玻璃-薄膜(Glass-Film,简称GF)或玻璃-薄膜-薄膜(Glass-Film-Film,简称GFF),视触控发送和接收功能在传感器薄膜的一层还是两层上实现而定。所有这些设计方法都称为“分离式”的,以强调触控功能作为显示屏上的覆盖层而单独存在这一事实。

增加分离式触控传感器覆盖层的优势是,技术成熟、风险低、产品上市快。甚至在采用最新显示和触控技术时,也会采用分离式设计,在这种情况下,常常在后续设计环节将分离式设计集成进去。有些LCD模组厂商也很重视能否利用工厂中现有制造系统及设备的问题。不过,分离式设计的劣势是,显示面板较厚、显示屏较暗且成本较高。

由于最近的技术进步,LCD模组厂商能够将触控传感器直接集成到显示屏叠层中的一层或多层上。这种集成可以在显示屏中的基本单元之上或基本单元之内实现,即外嵌式(On-Cell)集成或内嵌式(In-Cell)集成。

将触控传感器矩阵放到滤色玻璃之上的方法称为外嵌式集成,因为传感器位于显示屏基本单元之上。传感器发送和接收网格(即菱形或条纹形网格)可以与跨接线电气隔离,也可以采用特殊布局,以使这些网格无需架桥就能实现。后一种设计称为单层多点外嵌式(Single-Layer-On-Cell,简称SLOC),这种设计很常见的,因为成本较低、良率较高。

用外嵌式技术给显示屏增加触控功能简单、可靠,而且这种方法对于有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示屏而言,常常是最佳选择。对于较大型显示屏以及曲面或柔性显示屏而言,以外嵌方式集成无跨接线的金属网状传感器也是很好的选择。

如图1所示,显示屏中的基本单元从薄膜晶体管(TFT)玻璃的底部延伸至滤色玻璃的顶部,包括TFT电路、液晶材料和滤色片。在内嵌式集成中,传感器利用显示屏中的现有层构建触控传感器矩阵,一般是在公用电极(或VCOM层)上放置触控传感器矩阵,通过金属层与矩阵互连。就如今的平面转换(IPS)面板而言,这些层都位于TFT玻璃上。

另一种内嵌式集成属于混合式设计,其中触控传感器的发送层内嵌在TFT玻璃中,而接收层则外嵌到滤色玻璃上。这种方式称为混合多点内嵌式(HybridIn-Cell)设计。为了避免混淆,术语“全面多点内嵌式(FullIn-Cell)”指的是,发送和接收触控传感器层均位于基本单元之内。这两种内嵌式设计如图2所示。

图2触控传感器发送层和接受层所处位置决定内嵌式集成的类型

集成触摸控制器IC和显示驱动器IC

控制触控功能和显示功能的IC以前分别由不同的供应商提供。尽管使用独立的叠层式显示面板和外嵌式显示屏时,这两种独立的IC可以集成到一起,但是好处有限,工作比较复杂,因为涉及到多家供应商。相比之下,采用内嵌式集成时,将触摸控制器和显示驱动器集成到单个IC中更容易实现,而且好处也显著增多。

现有智能手机和平板电脑的显示功能可能是由单一显示驱动器IC(DDIC)控制的,而触控功能则可能由独立的触摸控制器IC控制。在采用外嵌式显示屏的设计中,DDIC总是位于TFT玻璃上,这种方式称为(Chip-On-Glass,简称COG),而触摸控制器IC通常位于柔性印刷电路板(FPC或flex)上,这种方式称为柔性印刷电路板外嵌芯片(Chip-On-Flex,简称COF)。在这类设计中,在主机和显示面板之间通常有两块FPC:一个用于TFT玻璃上的DDIC;另一个用于触摸控制器。

采用全面多点内嵌式显示屏设计的智能手机和平板电脑仅需要一个FPC,就可以连接显示屏和触控传感器,如图3所示。既然可以仅用一个FPC,那么将触摸控制器和显示驱动器集成到一个IC中,也就十分合理了,这种仅用一个IC的方式称为触控与显示驱动器集成(TDDI)。因为该IC本身有一个CPU(用于触控信号处理),而且该IC安装在TFT玻璃上,所以这种集成式解决方案有时又称为TDDI助力的“智能显示屏”。

图3采用全面多点内嵌式设计时,仅需要一块柔性印刷电路板(FPC)

请注意,TDDI还可用于混合多点内嵌式解决方案。在这种解决方案中,通常会采用第二块FPC,以将(TFT玻璃上的TDDI芯片的)接收器引脚连至滤色玻璃上的接收器电极,如图3所示。这第二块FPC仅含有信号选路电路,其上没有任何有源组件。

TDDI解决方案的架构设计和实现绝非微不足道。为了提高显示噪声管理和电容检测性能,现在的最新设计在触控检测功能和显示更新功能之间实现了协调和同步。这样的设计不再像独立的叠层式显示面板和外嵌式显示屏那样受到诸多限制,后者的触控功能和显示功能通常是相互独立运行的。

显示集成解决方案的优势

在内嵌式显示屏和IC层面集成触控和显示功能,可以产生一些显著优势。这些优势可以划分成两类:有利于工程、制造和支持工作的优势;提升智能手机或平板电脑设计品质的优势。

工程、制造和支持方面的优势

在显示屏叠层和IC层面集成触控功能和显示功能,可简化设计工作,有助于加速新设备上市,这在快速变化的市场上,可为设备制造商带来显著的竞争优势。

由于所需组件减少,供应链效率提高,因此制造成本最大限度地降低了。在全面多点内嵌式集成中,少用了一块FPC,还少用了一个IC。LCD制造商交付的显示面板具备全面集成的触控功能,因此由分离式传感器贴合过程导致的产量损失问题实际上不复存在了。随着组件和供应商减少,组装步骤也减少了,相应地组装中可能出现的问题也减少了,而且设备停留于在制过程的时间也减少了。图4比较了不同叠层式显示面板的价格,其中全面多点内嵌式/TDDI设计的价格是最低的。

图4与分离式GFF参考设计相比,显示集成技术可显著降低成本。

全面多点内嵌式集成与TDDI相结合,构成了目前成本最低的解决方案。由一个供应商负责提供触控屏显示面板从左到右、从上到下的所有组件,就可实现简化的“一站购齐”式供应链,这有益于工程、制造,尤其是持续不断的支持服务。由单一供应商全面负责提供触控和显示功能,还可简化故障排除工作。

设备设计方面的优势

同时在显示屏和IC层面集成触控和显示功能,可实现优美简洁的设计,使设备线条更加流畅,功能更加丰富。与分离式设计相比,采用全面多点内嵌式显示屏,显示面板更薄。显示屏的边框也更窄,因为无需在显示面板侧边或顶面增加布线空间。显示面板更薄,就可以实现更薄的设备,或者为其他功能提供更多空间,例如增加内存或电池容量。同时显示屏边框较窄,玻璃镶嵌凹槽就可以更窄,而这正是从设备的全尺寸无边框显示屏所需要的。

内嵌式技术与TDDI相结合,还提高了性能,因为能够隔离和同步显示更新功能与触控检测功能,因此显示屏可以更快地响应触控。此外,由于触控和显示功能同步,所以基本消除了干扰触控检测的显示屏噪声。这种噪声问题如果未得到适当解决,就有可能引起功能问题。如图5所示,由于没有独立的触控传感器层衰减光线,所以内嵌式显示屏亮度提高大约10%,或者换一种说法,内嵌式显示屏可以用较弱的背光照明提供同样的亮度,从而延长了电池寿命。

图5将触控传感器直接集成到显示屏叠层中,可以实现更薄、更亮的显示屏,还能简化供应链。

最后,因为触控与显示功能集成简化了设备的设计和制造,所以这种集成还提高了设备的总体可靠性,因为无需贴合多个功能层,减少了可能产生的故障或失效情况。相比之下,在贴合分离式叠层显示面板中,当出现设计本身的问题时,由于需要涉及多家供应商,因此难以及时解决问题。

TDDI的发展历史与展望

TDDI最早有显示触控芯片厂商Synaptics提出,该方案一经提出就得到了广大触控厂商和显示厂商的认可,Synaptics也于年3月推出针对手机和平板电脑的TDDI量产解决方案。

不过,虽然与传统驱动IC和触控IC分离的方案相比,TDDI因为减少了传统外挂式触控方案模组的组件数量及工艺步骤,而具有成本较低、供应链简化的优势,但实际上,在推出初期,TDDI芯片的价格并不比两颗芯片分离的时候更低,而且触控功能也不够流畅,因此市场占有率较低。

随着主流市场对全面屏技术和低成本的不断追求,TDDI芯片的成本、支持分辨率、触控流畅度等问题逐步得到解决和改善,出货量逐年攀升,数据显示,年全球TDDI出货量仅为万颗,年升至万颗,年达到4.14亿颗,年5.15亿颗。台湾大厂联咏此前不久表示,年TDDI市场规模将成长至6.5亿颗,年增加18%。

目前全球TDDI玩家主要有中国台湾地区的联咏、敦泰、奇景、谱瑞等,韩国三星、SiliconWorks等原驱动IC厂商也加码TDDI市场,中国大陆推出TDDI芯片产品的厂商主要为集创北方、晶门科技,不过随着随年4月韦尔股份完成对SynapticsTDDI(显示触控驱动集成)业务的收购,中国大陆也就多了一家重量级的TDDI芯片厂商。

联咏科技是中国台湾领先的驱动IC厂商,年下半年进入TDDI市场,年第四季度单季出货量就达万套,年第二季起出货量更是达到每月万套。随着TDDI产品打入中国大陆前五大品牌OPPO、Vivo、小米等厂商的旗舰机种,以及进入华为供应链,联咏逐渐占据较大的TDDI市场份额。

奇景光电则于年4月宣布旗下TDDI芯片在中国智能型手机客户端验证成功,开始量产出货。年1月公司宣布,旗下TDDI芯片成功导入韩国一线智能型手机品牌厂、车用显示器及其他应用产品,其中大多数客户在年出货,奇景光电也因此预估年营收与市占率较上一年成倍数增长。

敦泰年随着公司推出TDDI芯片,下半年几乎吃下中国大陆及日韩厂商过半手机订单,获得较大市场份额,敦泰董事长胡正大在年11月13日财报会上表示,除华为、中兴、小米手机及百度、LG、亚马逊等既有客户,Facebook的PortalMini也加入采用敦泰IDC(市场普遍称TDDI)。

谱瑞进场较晚,年9月宣布推出应用在智能手机的TDDI芯片TC,并与面板厂群创携手打造内嵌式(in-cell)解决方案。据谱瑞介绍,公司推出的产品采用55纳米制程,且相较竞争产品功耗减少29%。谱瑞在几年前就受够了国际半导体大厂赛普拉斯(Cypress)触控部门,这使得公司在触控技术上如虎添翼,也使得公司有机会顺利进入TDDI市场,并抢占一席之地。

相比之下,中国大陆TDDI技术略有逊色,目前推出产品的主要有集创北方和晶门科技。集创北方是一家显示控制芯片整体解决方案提供商,据

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