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，OLED和micro-LED顯示屏也逐漸吸引了市場的廣泛關(guān)注。為了適應(yīng)不同的顯示技術(shù)，我們需要開發(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顯示屏在智能手機中更為常見，而面向汽車的OLED和mirco-LED顯示屏仍在開發(fā)中。本文全面介紹了汽車顯示系統(tǒng)及電源技術(shù)。

簡介

隨著汽車電氣化的推進，消費者希望汽車在安全性、便利性、娛樂體驗、生產(chǎn)力、舒適性和可持續(xù)性等方面實現(xiàn)全面提升。為了滿足這一需求，OEM和一級供應(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，功耗問題也日益凸顯。在設(shè)計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為一個簡化的汽車顯示系統(tǒng)，其中包括主機、顯示面板以及屏蔽雙絞線(STP)或同軸電纜。其中，汽車主機，常被稱為信息娛樂系統(tǒng)，是車輛中音頻、娛樂、導(dǎo)航和連接功能的中心控制樞紐。在現(xiàn)代汽車中，先進的人機交互界面已成為標(biāo)配，如準(zhǔn)確的語音識別、反應(yīng)迅速且觸感流暢的觸摸屏，以及復(fù)雜多變的手勢控制等。

在顯示面板內(nèi)部，時序控制器(TCON)充當(dāng)視頻或圖像流與顯示模式之間的橋梁。信息娛樂系統(tǒng)與TCON之間的高效連接，依賴于一對串行器(SER)和解串器(DES)芯片，支持通過長達10米的屏蔽STP或15米同軸電纜進行高速芯片間通信。對于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比高、結(jié)構(gòu)簡單且可擴展的SERDES技術(shù)。

汽車TFT-LCD顯示屏電源架構(gòu)

圖2為TFT-LCD顯示面板示例。整個顯示面板系統(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，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mini-LED的亮度均可獨立動態(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，直下式背光可以關(guān)閉深色圖像分區(qū)的LED，同時還能減輕顯示深色內(nèi)容圖像時的漏光現(xiàn)象。

對于側(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。而對于直下式背光，則通過LED分區(qū)控制實現(xiàn)對顯示面板的大尺寸、高分辨率和高對比度需求。圖5為兩個LED并聯(lián)后串聯(lián)一個LED的配置(1S2P)。背光驅(qū)動和光學(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)動器。矩陣LED驅(qū)動器采用分時復(fù)用技術(shù)。如圖6a所示，四個LED共享一個電流源，并通過四個PMOS進行控制。直驅(qū)LED驅(qū)動器中的LED由同一VLED和單獨的電流源供電，如圖6b所示。相比矩陣LED驅(qū)動器，直驅(qū)LED驅(qū)動器具有更高的電流驅(qū)動能力。驅(qū)動相同數(shù)量的LED時，矩陣LED驅(qū)動器的使用數(shù)量通常少于直驅(qū)LED驅(qū)動器。

圖6.局部調(diào)光LED驅(qū)動器：(a)矩陣LED驅(qū)動器，(b)直接驅(qū)動LED驅(qū)動器。

MAX2550x是一款集成PMOS的矩陣LED驅(qū)動器，VLED工作電壓可達14 V。因此能夠支持單個分區(qū)中最多串聯(lián)四個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。如果VLED在整個工作溫度范圍內(nèi)變化不定，VSINK電壓將升高，這會導(dǎo)致功耗提高，溫度低于85℃時這種狀況尤為突出。反饋控制功能通過調(diào)整VLED來優(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，MAX2550x背光驅(qū)動器中的FB會吸收電流IFB并提高VLED。

圖7.MAX2550x與MAX25660/MAX20048的反饋控制配置。

矩陣LED驅(qū)動器MAX2550x和直接驅(qū)動LED驅(qū)動器MAX21610均配備了點校正功能。LED點校準(zhǔn)是針對LED背光顯示屏的逐像素校正技術(shù)，會校準(zhǔn)各個LED輸出，以確保輸出相同的亮度。為了實現(xiàn)顯示色彩和亮度的一致性，MAX2550x有兩種方法來設(shè)置各LED電流：每個LED分區(qū)均可通過獨立的5位電流設(shè)置和17位PWM設(shè)置進行調(diào)整。5位電流設(shè)置可用于校準(zhǔn)每個LED的亮度。當(dāng)所有LED分區(qū)的亮度設(shè)置均相同時，17位PWM設(shè)置可通過全局設(shè)置實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)節(jié)。

此外，MAX2550x能夠?qū)崿F(xiàn)信號裝置功能，通過增強發(fā)光符號亮度指示故障或系統(tǒng)運行狀態(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寄存器進一步配置。

TFT偏置

對于6英寸以上且分辨率較高的顯示面板，需要為TFT偏置提供外部電源電路。對于較小的顯示面板，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)動器（也稱為列驅(qū)動器）供電。柵極驅(qū)動器（也稱為行驅(qū)動器）由兩個獨立電荷泵產(chǎn)生的VGH和VGL供電。此外，該電路還集成了VCOM和VCOM溫度補償。

列驅(qū)動器、行驅(qū)動器、VCOM的目標(biāo)電壓和電源開/關(guān)序列均可通過編程設(shè)置，并存儲在非易失性存儲器中。這一功能確保了TFT LCD的參考背板電壓能夠針對不同面板進行調(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，還集成了兩個升壓轉(zhuǎn)換器和一個反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。適用于汽車OLED/micro-LED顯示屏的電源PMIC仍在開發(fā)中。相比消費電子產(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)，正推動顯示技術(shù)飛速發(fā)展。為了實現(xiàn)最佳性能，這些新型顯示系統(tǒng)需要更先進的像素驅(qū)動器和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)動器將能夠更好地滿足新型顯示技術(shù)的需求。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. 是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

作者簡介

白玉杰是ADI公司的高級應(yīng)用工程師，負責(zé)汽車電源產(chǎn)品的支持和應(yīng)用。他于2020年加入Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司的一部分），擁有美國邁阿密大學(xué)（俄亥俄州）電氣工程碩士學(xué)位。