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摘要
如今，汽車行業對先進顯示屏的需求空前高漲，亟需能夠實現更大尺寸、更高亮度、曲面設計、更高分辨率和更高對比度的解決方案。與此同時，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注。本文比較了這些不同的顯示技術，并討論適用于LCD顯示屏的2T1C像素驅動器，以及適用于OLED和micro-LED顯示屏的7T1C/2C像素驅動器。
簡介
汽車應用中TFT LCD、OLED和micro-LED顯示屏系列文章共有兩個部分，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，以及不同像素驅動器的技術。此外還討論了TFT技術和汽車顯示屏的電源技術。
本系列的第1部分重點介紹汽車顯示屏的基本原理，包括發展趨勢、挑戰和顯示屏結構。為幫助理解汽車顯示屏的電源技術，文章還簡要介紹了像素驅動器。
本系列的第2部分將介紹汽車顯示屏的電源技術。文章討論了不同的顯示技術，包括側光式背光和直下式背光。此外還簡要說明了mini-LED顯示屏的局部調光技術。
汽車數字座艙趨勢
近年來，車聯網、電動化、自動駕駛、共享出行等汽車領域發展迅猛。為了給用戶帶來更好的體驗，座艙的設計也隨之徹底改變。人們對于尺寸更大、曲面設計、更高分辨率和更高對比度的顯示屏以及新型車載顯示屏的需求日益強烈。根據IHS Markit汽車顯示屏市場追蹤報告，2018年汽車顯示面板出貨量為1.615億塊，預計到2025年出貨量將超過2億塊1。
為了改善座艙體驗，現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等關鍵信息。HUD用于將關鍵信息投射到擋風玻璃上。后座娛樂顯示屏和乘客顯示屏是信息娛樂系統的一部分，供乘客觀看電影或進行其他娛樂活動。數字攝像頭監視系統(CMS)利用兩到三個攝像頭取代了外部后視鏡。同時側后視鏡顯示屏和電子后視鏡顯示屏也增強了駕駛員對周圍環境的視覺感知。
根據IHS Markit汽車顯示屏市場追蹤報告，2018年，10英寸面板占汽車顯示面板出貨量的10%，預計到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、對比度更高的方向發展，形態設計自由度也越來越高。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光技術的14.9英寸曲面觸摸屏，屏幕從駕駛員側方一直延伸至中控臺。VISION EQXX概念車則搭載了采用局部調光技術的47.5英寸全座艙寬度屏幕。汽車顯示屏的趨勢總結如圖1所示。
圖1.座艙顯示屏趨勢2
寶馬概念車Neue Klasse上的全擋風玻璃HUD將于2025年投入量產。這項HUD創新技術能將信息投射至整個前擋風玻璃，所有乘客都能輕松查看。擋風玻璃下邊緣具有更高的光強度和對比度，可向駕駛員和乘客顯示相關信息。此外還有一個自由形態中央顯示屏3。
顯示面板架構
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，這些技術都推動了視覺顯示的革新。
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，電場的變化又會影響液晶分子的排列方式，進而調制光穿過液晶層時的旋轉狀態。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顯示屏結構
相比之下，OLED顯示屏具備自發光能力，所以不需要背光。OLED的基本結構包括了氧化銦錫(ITO)玻璃襯底和其上的有機發光層。有機發光層夾在兩個低功函數金屬電極之間：上方陰極和下方陽極。
在陰極和陽極上施加外部電壓時，電子傳輸層(ETL)和空穴傳輸層(HTL)將電子和空穴注入有機發光層，注入的數量和速度可以控制。這個過程讓OLED發光。在OLED中使用不同的化學材料，可以產生紅光、綠光和藍光。因此，OLED顯示屏更薄、更節能，色彩再現能力和對比度也更優越。
圖3.OLED顯示屏結構
Micro-LED顯示屏采用微型LED陣列構成每個像素，代表了顯示領域的新進展。通常，micro-LED的芯片尺寸在50 µm以內，人眼幾乎看不見。得益于其微小的尺寸和先進的組裝技術，紅光、綠光和藍光照明源可以集成到單個像素點中，因此micro-LED顯示屏無需濾色器和液晶。
像素中的每個micro-LED都能自行發光，因此畫面亮度更高、黑色更深邃且能效出色。這些技術代表了顯示創新方面的重大進步，每種技術在結構和性能方面都有獨特的優勢。micro-LED顯示屏適配于智能手機、電視到增強現實、可穿戴設備、汽車顯示等各種應用。
圖4.micro-LED顯示屏結構
TFT LCD技術相對成熟且成本優勢突出，這樣因此成為了目前汽車行業占主導地位的平板顯示技術。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、超薄等特點。micro-LED顯示屏正作為新一代顯示技術嶄露頭角，不僅支持曲面顯示設計，亮度和對比度均有增強，能夠為座艙內屏幕設計帶來更大的靈活性。
然而，OLED顯示屏存在殘影問題，長時間顯示靜態圖像后像素性能會下降，而且其使用壽命比LCD短。與此同時，micro-LED顯示屏的大規模生產商業化方面存在挑戰，成本居高不下。
表1詳細總結了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
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TFT LCD |
OLED |
micro-LED |
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方法 |
背光 |
自發光 |
自發光 |
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發光效率 |
低 |
中 |
高 |
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對比度 |
中 |
高 |
高 |
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響應時間 |
ms |
µs |
ns |
|
功耗 |
高 |
中 |
低 |
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緊湊度 |
低 |
中 |
高 |
|
壽命 |
長 |
中 |
長 |
|
視角 |
低 |
高 |
高 |
|
成本 |
低 |
中 |
高 |
現有TFT LCD顯示屏可以利用mini-LED（亞毫米發光二極管）背光源和局部調光技術進行升級。mini-LED是常規LED的微縮版本，可作為通向micro-LED的技術橋梁。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，提升對比度性能，助力實現高性價比解決方案。
像素驅動器
通過混合三原色（紅、綠、藍）可以合成各種顏色。經混合的三原色會形成一個像素，如圖5所示。每個像素由三個子像素組成，這些子像素被統一管理并組合在一個像素中。
由于顯示技術和制造工藝不同，TFT LCD、micro-LED和OLED顯示屏采用不同的方法來驅動這些子像素。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）如圖6所示。它由1T2C（一個晶體管、一個液晶電容和一個存儲電容）組成。柵極驅動器提供正電壓和負電壓。正電壓稱為柵極高電平電壓(VGH)，用來接通TFT。負電壓稱為柵極低電平電壓(VGL)，用來關斷TFT。圖像信息被傳輸到源極驅動器，后者對液晶電容(CLC)充電。存儲電容(CST)充當緩沖器，防止CLC產生漏電流。有關TFT LCD顯示屏中像素驅動器的更多論述，請參見《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的柵極節點和漏極節點之間存在的寄生電容(CGD)引起的。當畫面內容發生變化，TFT由導通狀態變為關斷狀態時，CGD和CLC||CST之間的電容分壓器會導致CLC的電壓下降。為了提高面板性能的一致性，我們在像素轉換時間內引入公共背板電壓(VCOM)，并將其調整至像素電壓的中間。
圖6.常規像素驅動器
Micro-LED和OLED顯示屏中常用像素驅動器的拓撲結構相似，但比TFT LCD顯示屏中像素驅動器的拓撲結構復雜。這是因為TFT電路的制造工藝，以及需在玻璃或聚酰亞胺襯底上集成LED。這讓每個像素中的LED都是單獨驅動，可以單獨控制其各自的亮度。
如圖7所示，《Driving Technologies for OLED Display》5一文中描述了簡單的像素驅動器2T1C，其中包含了兩個晶體管和一個存儲電容。在該像素驅動器中，LED發射的模擬信號被發送到TFT M1。隨后，閾值電壓(VGS)存儲在電容(CST)中，用于驅動飽和區中的TFT M2，如圖8所示。由于對TFT M2的驅動，正電壓(VDD)和陰極電壓(VSS)使LED維持恒定電流。這種2T1C像素驅動器的飽和操作驅動方法與驅動TFT的線性區域操作相比，具有延長LED壽命的優勢。
圖7.OLED或micro-LED的2T1C像素驅動器
圖8.MOS晶體管輸出特性
然而，2T1C像素驅動器也存在一些缺點，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，這會進而導致畫質問題。雖然出色的制造工藝也無法克服閾值電壓漂移挑戰，但業界提出了采用電壓反饋方法和閾值電壓偏移過補償方法的像素電路來提高圖像質量。
《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像素電路有三個操作階段：初始化、補償和發光，如圖10所示。TFT M4用于驅動TFT M3的二極管連接。在補償期間，來自源極驅動器且存儲在CST中的電壓維持LED發光。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像素驅動器原理圖
圖10.7T1C補償像素的驅動序列：(a)初始化，(b)補償，和(c)發光。
目前，顯示背板技術已從氫化非晶硅(a-Si:H) TFT發展到低溫多晶硅(LTPS) TFF，而低溫多晶硅與氧化物(LTPO) TFT有望成為消費電子產品的新一代背板技術。a-Si:H TFT的載流子遷移率較低(1 cm2/Vs)，導致背板尺寸較大，功耗也較高。LTPS TFT具有優異的載流子遷移率(>50 cm2/Vs)，因而被應用于OLED顯示屏。LTPS TFT通常具有較高的關斷電流。然而，LTPO TFT的關斷電流較低。因此，業界考慮為OLED/micro-LED顯示背板應用結合了LTPS和LTPO TFT二者優勢的混合像素方案。
總結
隨著消費者對可視性、安全性、用戶體驗等的期望越來越高，車載顯示屏在提升座艙體驗方面的重要性也日益突出。為了實現高畫質、高分辨率、高對比度、自由形態、大尺寸、高性價比的汽車顯示屏解決方案，目前仍有一些重大挑戰需要克服。
本文討論了TFT-LCD、OLED和micro-LED顯示屏的特點。為了實現更好的顯示性能，與TFT-LCD顯示屏相比，OLED和micro-LED顯示屏的像素驅動變得更加復雜。與此同時，OLED和micro-LED顯示屏的大規模生產商業化方面存在挑戰，價格較為昂貴。采用局部調光技術的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部分將重點介紹汽車顯示屏的電源技術，包括背光驅動器、TFT偏置PMIC和局部調光功能。
參考文獻
1 You Xiang Stacy Wu。“Automotive Display Market Outlook”。2019 26th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and Devices (AM-FPD)，IEEE，2019年9月。
2 Robert Prange。“Trends 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。“New 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。“Driving 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。“A 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。
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作者簡介
Yujie Bai是ADI公司的高級應用工程師，負責汽車電源產品的支持和應用。Yujie于2020年加入Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分），擁有美國邁阿密大學（俄亥俄州）電氣工程碩士學位。
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