中小尺寸LCD驱动IC的背光省电技术-LABC／CABC-2019年精选文档

1、中小尺寸L C D驱动I C的背光省电技术一LABC/CAB C1 简介耗电的大小对携带型的电子产品，如行动电话、数字相机、PDA MP4/MP3手持游戏机等而言是非常重要的指标，表示了消费者可以无拘束地使用产品多久。而这些产品有一个共通点，他们都由显示屏幕来做人与机器之间的桥梁。 为了表示足够的信息、提供高质量的色彩以及支持多媒体的应用，这个屏幕的分辨率必须要足够，颜色要多，显示的区域也是越大越好，这些要求同时也代表着功率消耗的不断增加。TFT-LCD乍为此类产品的标准显示器常常成为了功率消耗的主要组件。图1表示了一个有着高分辨率 TFT-LCD的手机嵌入式系 统的功能方块，其中高分辨率、高

2、显示颜色、大尺寸的LCD需要大的背光系统、大的TFT-LCD 面板、高运算速度的驱动IC，这些都造成了高的功率消耗。图2则是假设以一般QVG粉辨率的显示器手机在正常操作下各个组件功率消耗的比较。可以看到显示系统因为背光的关系（通常为4个LED）,耗电量是非常惊人的，占整支手机的功耗40%以上。说明了显示屏耗电量的多寡对于手持式产品的使用时 间有着决定性的影响。身为专业的LCD 驱动IC 提供厂商，矽创持续的经由研发新的电路设计或采用高集成的制程去降低驱动IC 的功耗，如表1可以看到不管是 MSTN CSTNS是A-TFT产品，在省电这一块,矽创已经竭尽所能的将驱动IC 的功耗减少了80%以上。

3、当驱动 IC 大幅度降低功率消耗的同时，也代表着高耗电的背光系统所占的功耗比重越来越大。 与最新的QVG躯动IC相比，同尺寸的背光将多了20 倍以上的功耗，也主宰了产品的使用时间。 因此我们把研究省电的目标朝向了背光模块，提出了一种背光电流调变技术。驱动IC 会动态且同步的控制背光亮度与补偿显示画面，在维持视觉效果不变的前提下，去降低背光的功耗至70%以下。相比之下，这项技术的成功研发与应用将可增加相关产品40%以上的使用时间。2 手机背光省电技术在手机背光的省电技术上，目前已实际应用较可行的有两种， 一为环境光侦测对应背光控制和内容对应背光控制技术。此两种方式相同的地方在都属于对应性背光控制

4、技术。图3说明了 ABC的动作原理。如果LC曲块要显示一个50%辉度的画面，传统的背光照明模块亮度维持固定，功耗为100%，藉由面板显示50%的灰阶去达成。此种传统的方式简单来说就是提供一个大于实际所需要的画面亮度，再藉由LCD面版去作调节； 在显示过亮的画面时容易造成视觉疲劳，暗画面则细节衰退，对比不佳更造成不必要的电力浪费。相较之下ABC会先将照明模块背光亮度下降50%，同时将欲显示的画面转换为100%灰阶显示， 可维持相同的显示辉度但仅消耗一半的功率，达到省电也提高显示对比的优点。藉由这个基本的概念衍生出了LABCt CABC两个节省背光功耗的技术。3 LABCLABC的L指的就是亮度传

5、感器(Light Sensor ),这个概念衍生自医学相关的研究。如图4 人类的眼睛对于环境光是相当敏感的，环境光偏亮则瞳孔收缩降低进入视网膜的亮度；相反的， 环境光若偏暗则瞳孔放大增加视网膜感受到的亮度让人类分辨物体。 因此我们可以利用这样的人体机制，当白天大太阳下时，由于外在光线很亮，瞳孔收缩，手机背光必须维持100%的亮度显示让眼睛辨别。但到了阴影或暗处，由于外在环境光源降低，瞳孔放大，手机背光只要维持70%亮度显示眼睛即感受到相同的显示效果。如此一来，节省了 30%勺背光功耗，这就是 LABC的 基本概念。LABC的技术要实现有两个要点：第一，LCD模块必须搭配一个光传感器。此种光传感

6、器有的是独立一个组件放置于手机主板上，或藉由照相机模块充当光传感器，更复杂的则是TFT-LCD厂设计在玻璃上。第二，就是驱动IC 必须内含影像的补偿计算与背光控制。LABC基本功能方块图如图5。手机的处理器会去读取光传感器的数值，了解目前环境光的强弱。确定外界光源后，处理器直接将数值以指令方式告诉矽的 LCD驱动IC, IC内部将依 此数据动态的补偿画面与调整背光信号。此过程即为 LABC的省 电程序。4 CABCCABC的C指的是内容（Content ）,也就是图资分析。他 的概念如图6是在LCD驱动IC内新增一个内容分析器电路，假 设当手机处理器传送了一张图片数据到驱动IC,内容分析器会计

7、算并统计图片的数据后依据设定与算法自动的将其灰阶亮度 提高30%（此时图片变亮），再将背光亮度降低30%（此时图片变暗）。由于我们事先已经将图片经过分析器电路补偿亮度，因 此使用者可以得到与原先电路相差无几的显示效果，但减少了 30%的背光功耗。CABC基本功能方块图如图7,图资分析器首先会统计分析欲显示的画面数据，取得灰阶分布图（Histogram ）。根据每个影像的统计图以及CABG目关的设定重新计算补偿之后得到一个 新的画面数据，并同步决定背光省电幅度，再依此数值动态调节PWM&号使显示画面失真最小却可减少背光电流的消耗。由以上的介绍我们可以归纳出 LABa口 CABC勺基本背光

8、省 电原理是相同的，但判断机制稍有不同：LABC艮随环境光的改变，调整背光。CAB®U是判断目前显示的画面随时作省电的调 整。比较实际应用上以及省电的功效来说，CABC勺实用性将远大于LABC经过统计，一般在使用可携式产品时正常的室内光 源占了大多数，使用环境通常也不会剧烈的改变。因此为了达到长时间使用仍然省电的目标，就必须靠CABCS时针对显示内容去作调变。5矽创ST7783的省电技术与应用中小尺寸LCDH一芯片的驱动IC本身功能方块是十分复杂的。必须包含门级驱动器、源级驱动器、显示数据储存器、时序控制器、倍压电路、接口控制电路等。为了导入背光省电技术，矽尝试整合画面分析电路、动态

9、画质补偿调整器、PWMF号产生器与原有电路，在 ST7783中成功的实现了 LABC+CABC种背光 省电技术。单就ST7783 CABC勺省电效果，可参考表 2。假设原本的背光需要20mA勺电力，表中的剑图因为背景都为黑色， 可以不需要这么亮的背光，因此省电效果几乎可达50%。除了静态图片模式，ST7783也支持动态电影模式。一般来说在 播放电影时，画面是以一个非常高的速度在更新，使用者无法仔细的分辨每一张图的细节。只要进入了电影模式，ST7783会自动的调整计算电路，在使用者无法察觉图片失真的情况下，加重省电的百分比。以表3的例子来说，X-轴是播放时间，Y-轴是背 光耗电，开启CABCJ画

10、模式的耗电流与传统无省电技术的方式 比较起来，播放范例动画文件平均可节省45%的功耗。如果要同时运作LABd CABCM种功能，ST7783内部会先作乘法处理，如图8。只要主处理器根据光传感器读到的数值对ST7783作设定，IC即会根据此设定加上CABB己计算的数值统一的作一个考虑 并节省功耗。如表4。在客户实际应用的手机架构上，ST7783提供了两种不同的架构，第一个架构如图9。手机主板不用作任何的硬件修改，仍然是由手机上的CPU空制背光驱动IC,当ST7783的图资分析器 针对图片内容分析计算完毕后，CPLR需要读回我们分析的结果， 之后再根据此数值去控制 LED驱动器即可达到省电效果。第

11、二个架构如图10, LED驱动器改由ST7783直接控制，不 管是LABCB值的设定，或是CABCft部的计算2果都交给 LCD驱 动器即可。此架构的好处是CP必用再负担额外的处理动作，手 机软件的更动也较少。以上两种架构提供给客户更灵活的运用背光省电技术在自己的产品内而不需要负担大幅度的修正或成本。综合以上所述ST7783在背光省电的新技术上有着五大特点；第一、不影响视效下求取最大省电效果；第二、不增加CPU处理负担；第三、 高速的画面数据分析电路可同步处理高速动画与背光控制；第四、可减少一半以上的背光消耗；第五、现行CPUS区动IC的接口不需要改变。6 总结本篇介绍了可携式产品上主要耗电的组件为LCD背光系统、如何改善并延长使用时间、LABC CABC?运作原理以及矽最新的驱动IC ST7783省电的效果与应用架构等。利用这项技术， 我们希望带给消费者更长的使用时间、更满足的使用经验。这样 的节能概念与技术相信将会是未来所有人类持续关注与努力不 懈的目标