显示器图框帧率变化需求殷切可变VCOM位准克服恼人闪烁

 

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。