通過可變幀率優(yōu)化顯示圖像質(zhì)量和功耗　

摘要：動(dòng)態(tài)改變平板顯示屏的刷新速率可以幫助平衡圖像清晰度與用電量之間的沖突性需求。然而，頻率變化時(shí)還需要特殊的電路來提供針對(duì)像素公共電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以確保可接受的無閃爍圖像質(zhì)量，并維持顯示壽命。

　　基于液晶或有機(jī)LED技術(shù)的平板顯示屏目前采用介于30Hz到240Hz之間的固定幀率。如果該幀率在低端，則功耗降低，但是快速運(yùn)動(dòng)的圖像會(huì)出現(xiàn)圖像拖尾和顯示質(zhì)量損失。出于這個(gè)原因，高端電視機(jī)出現(xiàn)了每秒240幀(fps)的更高幀率趨勢(shì)，這消除了各種殘留圖像，例如跑壘員溜進(jìn)二壘位置或飛行中的高爾夫球的多個(gè)圖像。

　　然而，高幀率的缺點(diǎn)是增加了功耗，因?yàn)轱@示面板必須在與較慢速率下的單個(gè)刷新周期相同的時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行多個(gè)刷新圖像生成周期。這些更高的幀率將對(duì)移動(dòng)平臺(tái)(例如筆記本PC)上的運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)生重大影響。

　　這兩個(gè)低幀率/低功耗和高幀率/高功耗的極值之間存在替代選擇。未來的顯示面板將采用一種技術(shù)，它會(huì)根據(jù)正在顯示的內(nèi)容和所需圖像自適應(yīng)地調(diào)節(jié)幀率。對(duì)于電子表格和文字處理，低于30Hz的幀刷新速率已經(jīng)足夠快，而顯示快速運(yùn)動(dòng)的游戲場(chǎng)景時(shí)，同一顯示面板可能會(huì)設(shè)置為以240Hz幀率運(yùn)行。

　　但是，與增加典型液晶或有機(jī)顯示屏(LCD或OLED)面板幀率相關(guān)存在實(shí)際問題，由于它們的技術(shù)和制造問題的物理性質(zhì)，它們的最佳電氣工作點(diǎn)可能會(huì)隨著幀率的變化而變化。這些顯示屏使用薄膜晶體管(TFT)背板來控制每個(gè)像素，圖1為TFT LCD像素元件的簡(jiǎn)化示意圖。TFT 柵電壓施加到具體面板行，從而允許來自相關(guān)列的源電壓電流，以便通過調(diào)節(jié)光透明度級(jí)別來構(gòu)造像素圖像。

　　這通過使用銦錫氧化物(ITO)電極調(diào)節(jié)穿過電容器的電勢(shì)來實(shí)現(xiàn)，它是顯示屏的半透明金屬層。由于這些晶體管陣列由薄膜沉積技術(shù)沉積，晶體管(其充當(dāng)開關(guān))的質(zhì)量和一致性很不理想。

　　在典型的電視TFT面板中，尺寸跨度為30至80英寸，源極電壓的范圍為0到24V。隨著面板尺寸的增加，最大源電壓也必須隨著驅(qū)動(dòng)電流需求的增加而增加。像素的底部通常連接至背板，該節(jié)點(diǎn)電壓稱為公共電壓或V_COM，并且應(yīng)該在整個(gè)面板區(qū)域內(nèi)保持單個(gè)電勢(shì)。另外，要延長(zhǎng)面板的壽命而沒有閃爍問題，V_COM通常設(shè)定在介于零和最大電源電壓之間約中點(diǎn)位置，約為模擬電源A_VDD的一半。(注：公共電壓V_COM是真正的“公共電壓”而不是“接地電壓”。)

鮮為人知的TFT特性是關(guān)鍵

　　由于TFT背板由大區(qū)域薄膜沉積制成，V_COM電壓的最佳值將由于制造偏差而因面板而異，即使在單個(gè)生產(chǎn)線中也是如此。如果面板的尺寸足夠大，它也可能會(huì)在單個(gè)面板內(nèi)變化。因此，面板模塊組件的最后一個(gè)檢查點(diǎn)旨在執(zhí)行顯示品質(zhì)測(cè)試，它涉及每個(gè)面板的最佳V_COM電壓設(shè)置的工廠校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)。

　　對(duì)于這些面板，像素信息更改時(shí)，設(shè)法使VCOM在面板間以及整個(gè)過渡周期中一致非常重要。在大多數(shù)面板中，通過使用運(yùn)算放大器(通常稱為V_COM緩沖器)的1至12個(gè)信道完成，它連接到用于存儲(chǔ)工廠設(shè)置電壓電平的數(shù)字電位計(jì)的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出。如圖2所示，現(xiàn)在使用典型V_COM發(fā)生器由非易失性存儲(chǔ)器、DAC和緩沖放大器組成。

　　V_COM電壓在有圖像不斷變化的信號(hào)擾動(dòng)時(shí)，其設(shè)定電壓會(huì)發(fā)生變化。然后，V_COM緩沖放大器將輸出或吸入輸出節(jié)點(diǎn)電流，以便該電壓返回到由數(shù)字電位計(jì)所存儲(chǔ)的設(shè)定電平。恢復(fù)V_COM輸出節(jié)點(diǎn)所需的能量總量取決于由瞬態(tài)以及電源電壓產(chǎn)生的偏移程度(以給定幀率)，其通常介于V_DD和接地之間。該操作假定固定幀率。

　　隨著許多應(yīng)用中的顯示屏朝著可變幀率(刷新速率)發(fā)展，這種情況很可能會(huì)變得更加復(fù)雜。在這種情況下，個(gè)人計(jì)算機(jī)會(huì)以較慢的(30幀/秒)速率顯示電子表格或文字處理應(yīng)用程序的圖像，而針對(duì)高端游戲快速移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)圖像則需要切換到更高的速率(高達(dá)250幀/秒)。

可變幀率實(shí)施對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)

　　新的“自適應(yīng)同步”格式理念需要從獨(dú)立顯示器或筆記本電腦顯示屏讀取各種可變幀率。可變幀率需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)V_COM，以避免幀率內(nèi)的理想V_COM電平變化時(shí)因不理想的初始V_COM設(shè)置引起閃爍。

　　在傳統(tǒng)面板中，可以接受使用單個(gè)固定的V_COM值管理并最小化閃爍水平，因?yàn)閬碜訥PU(圖形處理單元)的垂直頻率的范圍相對(duì)較窄。因此，面板具有單個(gè)優(yōu)化的V_COM電平設(shè)置足以，并且在發(fā)貨時(shí)預(yù)設(shè)該值。由于僅具有針對(duì)面板工作的中心幀率進(jìn)行校準(zhǔn)的一個(gè)固定的VCOM電平，因此，奇偶幀之間的平均電壓不會(huì)出現(xiàn)很大的不同，如圖3所示。

　　對(duì)于具有自由同步或自適應(yīng)同步的可變幀率面板而言，很難通過單個(gè)固定的V_COM值優(yōu)化閃爍水平，因?yàn)榇怪鳖l率的可變范圍比傳統(tǒng)固定幀率更廣。如果預(yù)設(shè)并固定V_COM電壓，放電時(shí)間跨度中的變化將非常高，而這將加劇閃爍問題。

　　如圖4所示，區(qū)域A與區(qū)域B的比率將隨著刷新時(shí)間期間在原始幀率的基礎(chǔ)上顯著變化而變得非常不同。隨著刷新周期變得更長(zhǎng)，最佳V_COM電平將從V_COM1更改為新值V_COM2。如果不相應(yīng)調(diào)節(jié)V_COM電平，區(qū)域A’和區(qū)域B’的比率會(huì)隨著放電時(shí)間的增加偏離其約1.0的正常值。

可變V_COM電平發(fā)生器(VVLG)方法

　　傳統(tǒng)V_COM發(fā)生器由數(shù)字參考電壓(DVR)塊、I²C接口、EEPROM和運(yùn)算放大器組成，如圖2所示。V_COM電平使用I²C接口設(shè)置，并存儲(chǔ)在EEPROM中。用戶寫入新的V_COM值前該電平不會(huì)改變。憑借該配置，幀率變化(例如從30Hz到90Hz)時(shí)“即時(shí)”執(zhí)行V_COM電平更改不切合實(shí)際。

　　解決方案是可變V_COM參考，它可以在不同的幀率施加到面板上時(shí)調(diào)節(jié)其值，具體由顯示的圖像要求確定。實(shí)施這種新方法的C是Exar公司的IML7918可變V_COM電平發(fā)生器(VVLG)，如圖5所示。

　　VVLG的理念是提供可變VCOM電平，其通過針對(duì)不同垂直頻率自適應(yīng)或通過外部控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)。這最大限度地減少了感知到的閃爍水平，因?yàn)樽赃m應(yīng)地更改VCOM電平會(huì)盡量減小區(qū)域A和區(qū)域B之間的差異。GPU會(huì)生成不同的垂直頻率，還將調(diào)整并更改VCOM電平以保持區(qū)域的平衡(區(qū)域A=區(qū)域B)。

　　為解決自適應(yīng)同步顯示面板的V_COM電平調(diào)節(jié)需求，需要具有對(duì)應(yīng)于不同面板幀率值的多個(gè)寄存器和非易失性存儲(chǔ)(NVM)體的V_COM發(fā)生器。工廠可以為面板的各種幀率設(shè)置最佳V_COM值，該器件會(huì)生成計(jì)時(shí)控制器芯片需要的V_COM輸出。例如，它們可以是針對(duì)20Hz、40Hz和更高的預(yù)設(shè)值，高達(dá)240Hz的刷新速率。

　　調(diào)節(jié)輸出V_COM電平的另一種方式是通過使用內(nèi)置在IC中的頻率檢測(cè)器調(diào)節(jié)。計(jì)數(shù)器通過監(jiān)視垂直啟動(dòng)(STV)信號(hào)并將V_COM輸出調(diào)節(jié)到正確的電平測(cè)量幀率。八個(gè)不同V_COM值可以存儲(chǔ)在器件中，在它確定頻率后，IC將自動(dòng)產(chǎn)生最適合使區(qū)域A’和區(qū)域B’相等的V_COM值，從而最大限度地減少閃爍。為準(zhǔn)確檢測(cè)和測(cè)量STV，該器件包括一個(gè)準(zhǔn)確修整的振蕩器。

　　圖6顯示幀率變化時(shí)V_COM輸出電平中的變化如何由來自計(jì)時(shí)控制器的STV信號(hào)的IC監(jiān)測(cè)進(jìn)行感測(cè)。示波器圖像底部的區(qū)域1差異表示幀率變化，而跡線則顯示V_COM輸出電平。在圖6(a)中，該功能禁用，而圖6(b)則顯示由啟用該感應(yīng)功能所形成的V_COM的受控變化。不同幀率的各種V_COM電平在工廠進(jìn)行校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)高性能顯示面板。

　　調(diào)節(jié)最佳V_COM電平的另一種方法是通過I²C端口直接向器件提供控制信號(hào)，如圖7所示。由范圍通道1和通道4提供I²C控制信號(hào)，通道3V_COM電平針對(duì)給定幀率調(diào)節(jié)為所需值。

結(jié)論

　　下一代顯示屏及其控制器將具有靈活處理不同顯示圖像質(zhì)量要求的能力。這些顯示屏面板稱為“自由同步”或“自適應(yīng)同步”單元，將具有調(diào)節(jié)它們的幀率以與圖像要求相匹配的能力。因此，有必要針對(duì)給定幀率調(diào)節(jié)并優(yōu)化面板的VCOM電壓電平。否則，無法避免的惱人閃爍噪聲將出現(xiàn)在這樣的顯示屏上。

　　目前沒有一個(gè)面板供應(yīng)商能夠提供具有強(qiáng)大幀率變化能力的顯示屏。雖然某些專家表示，較高的幀率不明顯提供真正的優(yōu)勢(shì)，而真正的顯示屏用戶(例如游戲玩家)可以看出差別，很有可能某些顯示屏廠商將盡力支持他們的需求。建議的可變V_COM生成器將實(shí)現(xiàn)該升級(jí)，因?yàn)樗鼤?huì)在幀率轉(zhuǎn)換期間通過調(diào)節(jié)V_COM電平消除閃爍噪聲。

本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第70頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。