中小尺寸LCD驅(qū)動(dòng)IC的背光省電技術(shù)

1、中小尺寸LCD驅(qū)動(dòng)IC的背光省電技術(shù)-LABC/CABCCPU & OtherDeviceEjBacklightDevices,Pan el, 18mW,400mW, 56%2%1 ：簡(jiǎn)介耗電的大小對(duì)攜帶型的電子產(chǎn)品，如行動(dòng)電話、 數(shù)字相機(jī)、PDA、MP4/MP3、手持游戲機(jī)等而言是 非常重要的指標(biāo)，表示了消費(fèi)者可以無(wú)拘束地使用產(chǎn) 品多久。而這些產(chǎn)品有一個(gè)共通點(diǎn)，他們都有顯示屏 幕來(lái)做人與機(jī)器之間的橋梁。為了表示足夠的信息、 提供高質(zhì)量的色彩以及支持多媒體的應(yīng)用，這個(gè)屏幕 的分辨率必須 要足夠，顏色要多，顯示的區(qū)域也是越 大越好，這些要求同時(shí)也代表著功率消耗的不斷增加。 TFT-LCD

2、作為此類(lèi)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)顯示器常常成為了功率 消耗的主要組件。圖1表示了一個(gè)有 著高分辨率 TFT-LCD的手機(jī)嵌入式系統(tǒng)的功能方塊，其中高分辨 率、高顯示顏色、大尺寸的LCD ,需要大的背光系統(tǒng)、 大的TFT-LCD面版、高運(yùn)算速度的驅(qū)動(dòng)IC,這些都 造成了高的功率消耗。Calnr TFT LCD PanelTFT LCD OriH巳I£i曹Interface BusBacklight LEDjiii nir»武 i LE D Drive r q»IC圖1.高質(zhì)量TFT-LCD顯示器手機(jī)系統(tǒng)功能方塊圖圖2則是假設(shè)以一般QVGA分辨率的顯示器手 機(jī)在正常操作下各個(gè)組件功

3、率消耗的比較?？梢钥吹?顯示系統(tǒng)因?yàn)楸彻獾年P(guān)系(通常為4個(gè)LED)，耗電量 是非常驚人的，占整支手機(jī)的功耗40%以上。說(shuō)明了 顯示屏耗電量的多寡對(duì)于手持式產(chǎn)品的使用時(shí)間有著 決定性的影響。圖2.簡(jiǎn)易手機(jī)分類(lèi)功耗圖身為專(zhuān)業(yè)的LCD驅(qū)動(dòng)IC提供廠商，矽創(chuàng)持續(xù) 的經(jīng)由研發(fā)新的電路設(shè)計(jì)或采用高集成的制程去降低 驅(qū)動(dòng)IC的功耗，如表1可以看到不管是MSTN、CSTN 還是A-TFT產(chǎn)品，在省電這一塊，矽創(chuàng)已經(jīng)竭盡所能 的將驅(qū)動(dòng)IC的功耗減少了 80%以上。功率消耗LCD Type驅(qū)動(dòng)ICBeforeNow1.5 ” MSTN2.4 mW0.45 mW1.5 ” CSTN7.5 mW1.35 mW1.8

4、” A-TFT15 mW2.7 mW表1. LCD驅(qū)動(dòng)IC節(jié)能演進(jìn)比較當(dāng)驅(qū)動(dòng)IC大幅度降低功率消耗的同時(shí)，也代表 著高耗電的背光系統(tǒng)所占的比重越來(lái)越大。與最新的 QVGA驅(qū)動(dòng)IC相比，同尺寸的背光將多了 20倍以上 的功耗，也主窄了產(chǎn)品的使用時(shí)間。因此我們把研究 省電的目標(biāo)朝向了背光模塊，提出了一種背光電流調(diào) 變技術(shù)。驅(qū)動(dòng)IC會(huì)動(dòng)態(tài)且同步的控制背光亮度與顯示 畫(huà)面，在維持視覺(jué)效果不變的前提下，去降低背光的 功耗至70%以下。相比之下，這項(xiàng)技術(shù)的成功研發(fā)與 應(yīng)用將可增加相關(guān)產(chǎn)品40%以上的使用時(shí)間。2 :手機(jī)背光省電技術(shù)在手機(jī)背光的省電技術(shù)上，目前已實(shí)際應(yīng)用較可 行的有兩種，一為環(huán)境光偵測(cè)對(duì)應(yīng)背

5、光控制(Light Adaptive Brightness Control- LABC )和內(nèi)容對(duì)應(yīng)背光控制(Content Adaptive Brightness Control- CABC ) 技術(shù)。此兩種方式相同的地方在于都屬于對(duì)應(yīng)性背光 控制技術(shù)(Adaptive Brightness Control- ABC )。圖3說(shuō)明了 ABC的動(dòng)作原理。如果LCD模塊要 顯示一個(gè)50%輝度的畫(huà)面，傳統(tǒng)的背光照明模塊亮度 維持固定，功耗為100%，藉由面板顯示50%的灰階 去達(dá)成。此種傳統(tǒng)的方式簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是提供一個(gè)大于 實(shí)際所需要的畫(huà)面亮度，再藉由LCD面版去作調(diào)節(jié)； 在顯示過(guò)亮的畫(huà)面時(shí)容易造成

6、視覺(jué)疲勞，暗畫(huà)面細(xì)節(jié) 衰退，對(duì)比不佳且造成不必要的電力浪費(fèi)。相較之下 ABC會(huì)先將照明模塊背光亮度下降50%，同時(shí)將欲顯 示的畫(huà)面轉(zhuǎn)換為100%灰階顯示，因此可維持相同的顯 示輝度但僅消耗一半的功率，達(dá)到省電也提高顯示對(duì) 比的優(yōu)點(diǎn)。藉由這個(gè)基本的概念衍生出了 LABC與 CABC兩個(gè)節(jié)省背光功耗的技術(shù)。TraditionalBacklightPanel相同墀瞳顯示唱匚節(jié)皆背光5般功耗ABC_圖3. ABC動(dòng)作原理3 : LABCLABC的L指的就是亮度傳感器(Light Sensor)， 這個(gè)概念衍生自醫(yī)學(xué)相關(guān)的研究。如圖4人類(lèi)的眼睛 對(duì)于環(huán)境光是相當(dāng)敏感的，環(huán)境光偏亮則瞳孔收縮降 低進(jìn)入視網(wǎng)

7、膜的亮度；相反的，環(huán)境光若偏暗則瞳孔 放大增加視網(wǎng)膜感受到的亮度讓人類(lèi)分辨物體。因此 我們可以利用這樣的人體機(jī)制，當(dāng)白天大太陽(yáng)下時(shí)， 由于外在光線很亮，瞳孔收縮，手機(jī)背光 必須維持 100%的亮度顯示讓眼睛辨別。但到了陰影或暗處，由 于外在環(huán)境光源降低，瞳孔放大，手機(jī)背光只要維持 70%亮度顯示眼睛即感受到相同的顯示效果。如此一 來(lái)，節(jié)省了 30%的背光功耗，這就是LABC的基本概 念。圖4. LABC基本概念LABC的技術(shù)要實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)要點(diǎn)，第一 LCD模塊 必須搭配一個(gè)光傳感器。此種光傳感器有的是獨(dú)立一 個(gè)組件放置于手機(jī)主板上，或藉由照相機(jī)模塊充當(dāng)光 傳感器，更復(fù)雜的則是TFT-LCD廠設(shè)計(jì)

8、在玻璃上。第 二就是驅(qū)動(dòng)IC必須內(nèi)含影像的補(bǔ)償計(jì)算與背光控制。 LABC基本功能方塊圖如圖5。手機(jī)的處理器會(huì)去讀取 光傳感器的數(shù)值，了解目前環(huán)境光的強(qiáng)弱。確定外界 光源后，處理器直接將數(shù)值以指令方式告訴矽創(chuàng)的 LCD驅(qū)動(dòng)IC, IC內(nèi)部將依此數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償畫(huà)面與調(diào) 整背光信號(hào)。此過(guò)程即為L(zhǎng)ABC的省電程序。圖5. LABC功能方塊圖4 : CABCCABC的C指的是內(nèi)容(Content)，也就是圖資分析。他的概念如圖6是在LCD驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)新增一個(gè)內(nèi)容分析器(Image Content Analyzer )電路，假設(shè)當(dāng)手機(jī)處理器傳送了一張圖片數(shù)據(jù)到驅(qū)動(dòng)IC,內(nèi)容分 析器會(huì)計(jì)算并統(tǒng)計(jì)圖片的數(shù)據(jù)后依

9、據(jù)設(shè)定與算法自動(dòng) 的將其灰階亮度提高30% （此時(shí)圖片變亮），再將背 光亮度降低30% （此時(shí)圖片變暗）。由于我們事先已 經(jīng)將圖片經(jīng)過(guò)分析器電路補(bǔ)償亮度，因此使用者可以 得到與原先電路相差無(wú)幾的顯示效果，但減少了 30% 的背光功耗。背光孔區(qū)冃動(dòng)謂晤如壞圖6. CABC 基本概念CABC基本功能方塊圖如圖7,圖資分析器首先 會(huì)統(tǒng)計(jì)分析欲顯示的畫(huà)面數(shù)據(jù)，取得灰階分布圖 （Histogram）。根據(jù)每個(gè)影像的統(tǒng)計(jì)圖以及CABC 相關(guān)的設(shè)定重新計(jì)算補(bǔ)償之后得到一個(gè)新的畫(huà)面數(shù)據(jù)，并同步?jīng)Q定背光省電幅度，再依此數(shù)值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)使顯示畫(huà)面失真最小卻可減少背光電流的 消耗。內(nèi)光源占了大多數(shù)，使用環(huán)境通

10、常也不會(huì)劇烈的改變。 因此為了達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間使用仍然省電的目標(biāo)，就必須靠 CABC隨時(shí)針對(duì)顯示內(nèi)容去作調(diào)變。5 : ST7783的省電技術(shù)與 應(yīng)用中小尺寸LCD單一芯片的驅(qū)動(dòng)IC本身功能方塊 是十分復(fù)雜的。必須包含門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器、源級(jí)驅(qū)動(dòng)器、 顯示數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器、時(shí)序控制器、倍壓電路、接口控制 電路等。為了導(dǎo)入背光省電技術(shù)，矽創(chuàng)嘗試整合畫(huà)面 分析電路、動(dòng)態(tài)畫(huà)質(zhì)補(bǔ)償調(diào)整器、PWM信號(hào)產(chǎn)生器與 原有電路，在ST7783中成功的實(shí)現(xiàn)了 LABC+CABC 兩種背光省電技術(shù)。單就ST7783 CABC 的省電效果，可參考表2。假設(shè)原本的背光需要20mA的電力，表中的劍圖因?yàn)?背景都為黑色，可以不需要這么亮的背光，

11、因此省電 效果幾乎可達(dá)50%。除了靜態(tài)圖片模式，ST7783也 支持動(dòng)態(tài)電影模式。一般來(lái)說(shuō)在播放電影時(shí)，畫(huà)面是 以一個(gè)非常高的速度在更新，使用者無(wú)法仔細(xì)的分辨 每一張圖的細(xì)節(jié)。只要進(jìn)入了電影模式，ST7783會(huì)自 動(dòng)的調(diào)整計(jì)算電路，在使用者無(wú)法察覺(jué)圖片失真的情 況下，加重省電的百分比。以表3的例子來(lái)說(shuō)，X-軸 是播放時(shí)間，Y-軸是背光耗電，開(kāi)啟CABC動(dòng)畫(huà)模式 的耗電流與傳統(tǒng)無(wú)省電技術(shù)的方式比較起來(lái)，播放范 例動(dòng)畫(huà)文件平均可節(jié)省45%的功耗。圖7. CABC功能方塊圖靜態(tài)圖片模式圖片電流省電效果由以上的介紹我們可以歸納出LABC和CABC的 基本背光省電原理是相同的，但判斷機(jī)制稍有不同： LA

12、BC跟隨環(huán)境光的改變，調(diào)整背光。CABC則是判 斷目前顯示的畫(huà)面隨時(shí)作省電的調(diào)整。比較實(shí)際應(yīng)用 上以及省電的功效來(lái)說(shuō)，CABC的實(shí)用性將遠(yuǎn)大于 LABC。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，一般在使用可攜式產(chǎn)品時(shí)正常的室10.588 mA11.686 mA12.314 mA47.1%-41.6%-38.4%表2. ST7783 CABC 省電效果-靜態(tài)圖片模式Architecture 1動(dòng)態(tài)電影模式22CABC Movie Mode Backlight Power Con sumption201816CABC Movie ModeCABC Off141210Average -45%8642010I-I-203040Ti

13、me (s)表3. ST7783 CABC 省電效果-動(dòng)態(tài)電影模式如果要同時(shí)運(yùn)作LABC與CABC兩種功能，ST7783內(nèi)部會(huì)先作乘法處理，如圖8圖9.手機(jī)應(yīng)用架構(gòu)1第二個(gè)架構(gòu)如圖10，LED驅(qū)動(dòng)器改由ST7783 直接控制，不管是LABC數(shù)值的設(shè)定，或是CABC內(nèi) 部的計(jì)算結(jié)果都交給LCD驅(qū)動(dòng)器即可。此架構(gòu)的好處 是CPU不用再負(fù)擔(dān)額外的處理動(dòng)作，手機(jī)軟件的更動(dòng) 也較少。Architecture 2I bl円曲| ARC ue圖8. CABC+LABC 計(jì)算方式只要主處理器根據(jù)光傳感器讀到的數(shù)值對(duì) ST7783作設(shè)定，IC即會(huì)根據(jù)此設(shè)定加上CABC自己 計(jì)算的數(shù)值統(tǒng)一的作一個(gè)考慮并節(jié)省功耗。

14、如表4。CaseLABCCABC背光強(qiáng)度省電例子185%60%51%-49%例子290%50%45%-54%例子380%70%56%-44%表4. CABC+LABC計(jì)算結(jié)果在客戶實(shí)際應(yīng)用的手機(jī)架構(gòu)上，ST7783提供了 兩種不同的架構(gòu)，第一個(gè)架構(gòu)如圖9。手機(jī)主板不用作 任何的硬件修改，仍然是由手機(jī)上的CPU控制背光驅(qū) 動(dòng)IC,當(dāng)ST7783的圖資分析器針對(duì)圖片內(nèi)容分析計(jì) 算完畢后，CPU只需要讀回我們分析的結(jié)果，之后再 根據(jù)此數(shù)值去控制LED驅(qū)動(dòng)器即可達(dá)到省電效果。以上兩種架構(gòu)提供給客戶更靈活的運(yùn)用背光省 電技術(shù)在自己的產(chǎn)品內(nèi)而不需要負(fù)擔(dān)大幅度的修正或 成本。綜合以上所述ST7783在背光省電的新技術(shù)上有 著五大特點(diǎn)；第一、不影響視效下求取最大省電效果; 第二、不增加CPU處理負(fù)擔(dān)；第三、高速的畫(huà)