近年來LED顯示器朝著更小間距的應用發展已成為顯學，產品設計因載板面積有限，必然會使用掃描器設計，在高階產品上亦會導入高整合驅動晶片，以降低元件數量、節省布板面積。
近幾年驅動晶片的發展，產品最高支援掃描數一直停留在32掃，雖然市場不斷期待高掃描產品問世，但技術上的挑戰，來自於提升掃描數時會使顯示品質下降。
不過，近日驅動晶片可支援的掃描數已提升至64掃，並在不犧牲顯示效果、驅動晶片的使用數量和顯示器模組的功耗上，取得較佳的平衡點，能因應顯示器點間距微縮至1mm以下的趨勢。本文將探討高掃顯示器在技術上面臨的挑戰，透過實際設計案例，引導讀者了解高掃描數驅動晶片技術。
高掃顯示器面臨雙挑戰
・掃數增加造成LED亮度不足
當採用掃描器設計時，LED顯示器是以逐行掃描的方式顯示。圖1是在一幀時間之內，掃描數對應導通時間的示意圖；以支援32掃驅動晶片為例，每次掃描1行，32行為一個掃描週期，所以當提升所支持的掃描數至64掃時，64行則為一個掃描週期。
所以在一幀時間(TFrame)內，隨著掃描數(scan)的提升，為保持相同灰階輸出解析度(Grayscale output)，顯示器的灰階顯示時間(TGCLK)需下降，因而造成亮度不足的問題。
・不犧牲顯示效果
在小間距顯示器產品中常見七大顯示問題包含：一行暗線、鬼影、漸層暗線、LED壞點十字架、低灰色偏、低灰不均與高對比干擾，其中因提升掃描數而直接關聯的顯示問題為高對比干擾。 高對比干擾問題的根本原因來自LED的寄生電容，在通道與通道之間，LED的寄生電容會形成迴路，當高灰顯示的LED導通，同時改變高灰通道(VOUT1)，故擾動訊號會經由LED寄生電容回路影響低灰通道的電壓(VOUT0)，使低灰顯示的LED亮度會改變。
新型高掃驅動晶片優勢
上文已說明64掃驅動晶片方案可解決高掃架構下所帶來的挑戰，接下來將以MBI5253/27掃(16通道/最高支持32掃的驅動晶片)與MBI5254/54掃(16通道/最高支持64掃的驅動晶片)的實際載板案例，說明廠商如聚積科技之高掃驅動晶片方案，在驅動晶片數量、模組功耗以及資料傳輸上的優勢。
・有效降低驅動晶片數量
如表1所示，由載板的垂直解析度與水平解析度可計算出，MBI5253/27掃的載板方案需要使用72顆驅動晶片；而MBI5254/54掃載板方案只需使用36顆驅動晶片。所以一旦提高使用驅動晶片所支援的掃描數，可有效降低載板的驅動晶片數量。
・模組功耗差異
功耗問題是目前終端使用者關注的焦點，除了增加用電成本外，亦會使顯示器箱體溫度上升，造成顯示畫面出現色偏和色衰等問題。模組總功耗由以下四部份組成，包括：行掃開關損耗(Psw)、LED導通損耗(PLED)、轉捩點電壓功耗(Pknee)、以及載板上總驅動晶片功耗(PICs)。以使用MBI5253/27掃與MBI5254/54掃的載板方案比較功耗差異，設定兩載板均須達到亮度800nits，且色溫在(0.31,0.31)的白平衡。
經由在系統上LED導通路徑所流過的電流，可依序計算出：行掃開關損耗、LED導通損耗與轉捩點電壓功耗。再者，依據顯示規格的灰階輸出解析度與刷新率條件下，可得到驅動晶片的工作電流與工作電壓，由驅動晶片數量可計算出載板上總驅動晶片功耗。
如表2所示，MBI5254方案載板總功耗較MBI5253方案低2.3%，主要是因載板上總驅動晶片功耗總共下降40.6%。透過模組功耗圓形圖，如圖2所示，可發現MBI5254方案整體功耗組成中的總驅動晶片功耗與轉捩點電壓功耗，相較MBI5253方案下降，其餘系統上的功耗都是上升；造成這樣的現象是因為提高掃描數的同時，為了維持相同亮度，必須提高LED導通電流造成功耗增加。
LED顯示器步入室內高畫質(4k/8k)，點間距更進一步微縮至1mm時，驅動晶片在相同尺寸的載板上的使用量勢必會上升，代表總驅動晶片的功耗影響會很可觀；所以當總驅動晶片功耗占總模組功耗的比例上升時，透過使用支援高掃的驅動晶片，將有助於下降模組總功耗，展現節能優勢。
・確保資料傳輸完整性/低EMI
透過圖3公式計算，若27掃驅動晶片方案使用單緣觸發技術時，DCLK＝2.5MHz；當掃描數提升至54掃的時候，DCLK則需提升至5MHz，才能保持相同的資料傳輸速度，但隨著DCLK頻率升高，會造成系統上的EMI問題，對於客戶來說可能需要增加破解EMI的方案，如低通濾波器，亦容易造成資料訊號因濾波電路而失真的風險。
因此廠商如聚積科技的驅動晶片方案，將原先DCLK單緣觸發功能升級成雙緣觸發功能，突破資料判斷從只能在DCLK正緣觸發的限制，進化到可在DCLK的正負緣同時判斷，故當驅動晶片擁有雙緣觸發技術，即使掃描數提升至54掃，DCLK也只需要2.5MHz，可同時確保資料的傳輸完整性與較低的EMI，如表3所示。
高掃驅動晶片兼顧顯示效果/功耗
高掃驅動晶片可大幅減少顯示器元件使用的數量與成本，兼顧顯示效果並降低模組的總功耗。新一代64掃驅動晶片解決方案，加入雙緣觸發功能確保資料完整傳輸及降低EMI，展現高掃顯示器的優勢並克服相對應的困難，讓開發者的產品更具成本效益。
(本文作者皆為聚積科技技術市場部LED顯示晶片產品經理)
