显示器图框帧率变化需求殷切可变VCOM位准克服恼人闪烁

2016-07-30 08:41:35来源: 新电子
    即时调整平面显示器的刷新速率,可帮助设计人员在图像清晰度功耗之间达到平衡。然而,调整刷新频率时,要同步对画素共同电压(VCOM)进行即时调节,否则显示器将出现恼人的闪烁杂讯。目前已有可变VCOM位准技术,可以实现这项特性。
 
平面显示器的刷新速率可帮助设计人员在图像清晰度与功耗之间达到平衡。然而,随着频率变化,要对画素共同电压进行即时调节,还需要一个专门的电路,否则显示器将出现恼人的闪烁杂讯。可惜的是,此电路的实现一直没有重大进展。尽管如此,借助在图框帧率变化的过渡期间调整VCOM位准,可以有效消除闪烁杂讯,确保无闪烁的图像品质及保护显示器寿命。若面板供应商能采差异化策略,推出有调节图框帧率以匹配图像要求的面板,将能突破重围。  
目前的LCD或OLED平面显示器图框帧率(即刷新频率)是固定的,典型值介于30∼240Hz之间。若图框帧率降低,则功耗降低,但代价是影像拖尾以及快速运动图像的显示品质较差。为此,高阶电视多半倾向采用240Hz的图框帧率。这种速度在观看运动节目时可以带来很大的使用者体验差异,例如跑垒员滑入二垒,或飞行中的高尔夫球影像都不会有残影出现。  
 
然而,较高图框帧率会增加功耗,因为显示面板须在相同的时间执行更多次刷新的动作,而每一次刷新动作的功耗是相同的。较高的图框帧率将对笔记型电脑PC等行动平台会造成重大影响。  
 
在低图框帧率/低功耗与高图框帧率/高功耗这两个极端之间,存在一个替代选择。未来的显示面板将采用一种可基于所显示内容以及图像需求,对图框帧率进行适应性调节的技术。对于电子表格或文字处理,低于30Hz的图框帧刷新速率已经够快,而在显示快速运动或游戏场景时,同一显示面板可在240Hz的图框帧率下运行。  
 
然而,要在典型的LCD或OLED面板上增加这种功能,还有许多问题有待克服。其中最主要的关卡在于物理学及面板制造环节,因为最佳电气工作点会随着图框帧率变化而变化。不管是LCD还是OLED,都使用薄膜电晶体(TFT)背板来控制每个画素(图1)。TFT闸极电压施加至面板的特定列,使得来自电源电压的电流流经相关行,以便藉由调节透光位置来构建像素影像。  
 
图1 TFT LCD画素元件的简化示意图
 
这是藉由使用氧化铟锡(ITO)电极调节相关电容器上的电位来完成,该电极是显示屏的半透明金属层。由于这些电晶体阵列是藉由薄膜沉积技术来沉积,电晶体开关的品质及一致性与理想状态有较大差距。  
 
典型的电视TFT面板尺寸在30∼80英吋之间,电源电压范围在0∼24V。随着面板尺寸增加,最大电源电压亦必须随着驱动电流要求的增加而增加。画素的底部通常连接至背板;该节点电压称为共同电压(VCOM),且在整个面板区域上应维持在单一电位。  
 
另外,为延长面板寿命以及消除闪烁问题,VCOM通常建立在零与最大电源电压位准的中间点附近,等同于类比电压(AVDD)的一半左右。请注意,共同电压VCOM是真正的「共同」,而非「接地」。  
 
鲜为人知的TFT特征是关键  
 
由于TFT背板是藉由大面积薄膜沉积制造,VCOM电压的最佳值因制造变化而不同,即使同一生产线内的面板亦如此。若面板尺寸够大,该值在单一面板内亦会变化。因此,面板模组总成的最后检查要点是进行显示品质测试,测试涉及每个面板的工厂校准以及最佳VCOM电压设定的调整。  
 
对于这些面板,重要的是使VCOM在面板上以及画素资讯变更的过渡期均匀一致。在大多数面板中,是藉由使用常称作VCOM缓冲器的1∼12个运算放大器通道来完成,缓冲器连结至用于储存电压位准出厂设定的数位电位计数位/类比转换器(DAC )输出,当VCOM电压受到图像变化讯号扰动时,则会自设置的电压位准变化。VCOM缓冲放大器会输出一个输出节点电流或吸收电流,使得电压返回至数位电位计储存的设置位准。恢复VCOM输出节点所需的能量,取决于特定图框帧率下过渡产生的偏移程度以及电源电压位准,其通常介于AVDD与接地之间。该操作假设固定的图框帧率。  
 
然而,随着显示屏倾向于适用于众多应用的可变图框帧率,该情形可能变得更复杂。举例来说,当PC在做文书处理时,显示器会以每秒30图框帧的速度显示电子表格或文字处理应用程式的图像,而在显示高阶游戏或快速运动图像时,转换至每秒240图框帧的速率。  
 
可变图框帧率对标准设计带来挑战  
 
新的「适应性同步」格式概念的需求是,独立显示器或笔记型电脑显示器能具有范围广泛的可变图框帧率。可变图框帧率需要即时调整,避免启动时所造成的闪烁。该闪烁的主要原因来自于VCOM无法随着帧率即时变化。  
 
在传统面板中,藉由固定VCOM值来管理和最小化闪烁位准是可接受的,因为绘图处理器(GPU)的垂直频率范围相对较窄。因此,让面板使用单一最佳化的VCOM位准设定,并在出厂时将其设定为预设值,对大多数情境下已经足矣。藉由针对面板的中间图框帧率进行校准所取得的固定VCOM位准,在奇偶图框帧之间的平均电压位准不会出现较大差异(图3)。  
 
图3 固定刷新速率和放电时间提供单一VCOM位准管理的奇偶图框帧的电位
 
然而,对于采用自由同步或适应性同步的可变图框帧率面板,难以藉由单一固定的VCOM值达到最佳化位准来避免闪烁,因为垂直频率的变化范围,远宽于传统固定图框帧率的频率变化范围。放电时间、长度变化将较高,若VCOM电压为预设的固定值,则这一点将加重闪烁问题。
 
例如,随着刷新时段自最初的图框帧率发生大幅变化,面积A与面积B的比例将变得极为不同。随着刷新时段变长,最佳的VCOM值将从VCOM1变成另一个新值,即VCOM2。在未调节VCOM位准的情况下,随着放电时间增加,面积A与面积B的比例会偏离其约1.0的常​​见值,如图4。  
 
图4 未将VCOM位准调节至另一位准的情况下,会导致不平衡。
 
可变VCOM位准产生器满足可变帧率要求  
 
图2的传统VCOM产生器包含一个数位电压参考(DVR)块、一个I2C介面、一个EEPROM及一个运算放大器。VCOM位准是使用一个I2C介面来设置,且储存在EEPROM中的。除非使用者写入一个新VCOM值,该位准不会发生变化。  
 
图2 目前的典型VCOM产生器。内含一个非挥发性记忆体、DAC及缓冲放大器。
 
解决方案是改用可变VCOM参考电位,其可在不同的图框帧率变化时调整数值,其变化量具体由所显示的图像来确定。其功能方块图如图5 。  
 
图5 可依据图框帧率调整VCOM位准的可变VCOM产生器IML7918
 
VVLG的概念是提供可变VCOM位准,藉由针对不同的垂直频率自我适应完成或者藉由外部控制讯号完成。此方式减少了视觉感受的闪烁位准,因为适应性变化的VCOM位准减少了面积A与面积B的差。当GPU生成不同的垂直频率时,VCOM位准亦将进行调节和变化以维持平衡的面积(面积A=面积B)。  
 
为满足适应性同步显示面板的VCOM位准调节要求,面板厂须采用新型的VCOM产生器。  
 
这种产生器具备多个暂存器及非挥发性记忆体(NVM),可对应面板图框帧率变化所需要的多个VCOM值,让面板厂可针对面板的各个图框帧率设定最佳VCOM且产生定时控制器晶片(TCon)所需的VCOM输出。举例而言,这些可以是20Hz、40Hz,以及高达240Hz刷新速率的预设值。  
 
另一种调节输出VCOM位准的方式是藉由IC内建的频率侦测器。该计数器藉由监视垂直启动(STV)讯号以及将VCOM输出调节至正确位准来测量图框帧率。该装置中可储存八个不同的VCOM值,在其确定频率后,该IC将自动产生最适合的设定,使得面积A与面积B相等,且最小化闪烁的VCOM值。为准确地侦测和测量STV,该装置包含一个准确修剪的振荡器。  
 
图6显示当图框帧率变化时,如何藉由IC监视来自定时控制器的STV讯号,来感测VCOM输出位准的变化。示波器图像底部的方块表示图框帧率变化,上方的迹线则显示VCOM输出位准。在图6a中,该功能被关闭,而图6b显示启用该感测功能所产生的VCOM变化。高效能显示面板在不同图框帧率的各种VCOM位准,会在工厂进行校准。  
 
图6 固定VCOM(左)以及使用适应性同步VCOM调节(右)的示波器量测结果。下方方形区域的密度差异指示刷新速率变化,上方线条是晶片产生的VCOM输出。
 
另一种调节最佳VCOM位准的方式,是经由I2C埠直接向该装置供应控制讯号,图7随着示波器通道1及通道4提供I2C控制讯号,通道3 VCOM位准调节至特定图框帧率的设定值。  
 
图7 以I2C控制VCOM位准的变化:第一条线第二条线(从下方数起)的底部两个通道分别是I2C SDA及SCL,第3条线的通道3是进行相应调节的VCOM输出位准变化。
 
下一代显示屏及其控制器,将具有满足不同显示图像品质要求的灵活能力。这些显示面板称作「自由同步」或「适应性同步」单元,有调节其图框帧率以匹配图像要求的功能。也就是说针对特定图框帧率调节面板的VCOM电压位准,须能最佳化影像的品质,否则,此类显示屏将出现不可避免的闪烁杂讯。  
 
目前,没有面板供应商,提供具备稳健图框帧率变化能力的显示屏。虽然某些专家说较高的图框帧率不值得注意,且因此无法提供真正的益处,但严肃认真的显示屏使用者(如游戏玩家),仍会注意到差异,某些显示器供应商,极有可能会努力达成这样的需求。所提议的可变VCOM产生器,将使得这种升级成为可能,因为借助在图框帧率变化过渡期间的调节,VCOM位准消除了闪烁杂讯。  

关键字:VCOM

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/article_2016073056111.html
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