中文引用格式：范学仕, 王祖锦, 唐茂洁, 彭杰. 一种柔性透明屏LED驱动芯片的设计与实现[J]. 电子与封装,2021，21（7）：070101.

编者按

      柔性透明屏具有高分辨细腻、色彩自然、可绕性好、美观轻薄、能贴附在任意曲面或不规则物，在智慧城市、智能网联汽车、智能穿戴以及虚拟显示等新型显示领域具有广泛的应用前景。编辑部特邀中科芯集成电路有限公司南京分公司显示驱动团队撰写《一种柔性透明屏LED驱动芯片设计与实现》技术论文，介绍了一款高端柔性透明屏核心显示驱动芯片的设计与实现。

1.  背景介绍

      随着显示驱动行业的不断发展，具有寿命长、功耗低、体积小、成本低、绿色无污染以及高效安全等优点的新型LED半导体照明材料，在智慧城市、智能网联汽车、智能穿戴以及虚拟显示等新型显示领域得到更广泛的应用。2019年全球LED市场突破500亿，近5年复合增长率达到15%以上。与此同时，市场对LED显示提出了画面清晰细腻、色彩自然真实、流畅无闪烁等更高的要求。

      在科技时尚的商业应用中，对于可绕性好、美观轻薄、能贴附在任意曲面或不规则物体表面的柔性器件的需求日益增多。OLED虽可以制成具有可弯曲特性的器件，但与LED相比仍有一些不足，特别是在潮湿环境中与LED相比，OLED的寿命短、稳定性差。随着科学技术的进步，可以实现高分辨、明亮持久且轻薄并能应用在柔性透明屏中的LED驱动芯片已成为研究热点。相对于常规LED软屏，LED柔性透明屏更轻薄，而且具有极佳通透性和可绕性。

图1  柔性透明屏的应用

2.  柔性透明屏驱动芯片的设计

      作为柔性透明屏的核心驱动芯片，为解决现有市面产品的功能单一和性能不足等问题，在设计中创新地提出下图的芯片整体架构。整个芯片包括时钟复位电路、控制电路和PWM电路三个部分。时钟复位电路根据内部振荡器产生的时钟和上电信号，进行时钟分频和复位信号处理，输出分频时钟信号、整形时钟信号、上电复位信号和换帧复位信号。控制电路根据输入的归零码（RZ码）DI1和DI2，完成译码、坏点检测、状态控制，将相应的数据传送至配置寄存器、PWM显示的数据寄存器和测试寄存器中，级联数据通过DO1和DO2传递到后续级联芯片中。PWM电路根据控制电路的RGB数据，通过PWM算法和低灰优化算法，将相应的RGB数据转化为PWM输出到相应的驱动模块。

图2  驱动芯片整体架构框图

      时钟复位电路包括时钟分频电路和复位处理电路两个部分。时钟分频电路内置32 MHz振荡器可以保证芯片的16 bit高灰阶数据，弥补现有产品灰度等级低等问题。分频产生的时钟根据可配置分频信号，通过一个多路选择器，选择产生相应的分频时钟为振荡器产生的32 MHz时钟的整形输出，屏蔽复位期间的时钟，避免产生时钟毛刺。

       复位处理电路采用两级寄存器结构，完成异步复位，同步释放操作，避免系统出现亚稳态。采用相同结构进行处理，在每次数据换帧时产生，通过计数低电平时间，当低电平计数器记满之后，产生换帧复位信号，用于同步所有级联芯片。

      芯片采用灯芯合封的方式，要求体积小、引脚数目少。芯片采用只需单线传输的RZ方式进行传输，可以最大限度地节省面积和引脚数，配合高精度内置32 MHz时钟，可以准确地进行数据传输译码，传输速率为500 ns~8 μs。

图3  RZ码数据格式

      在柔性透明屏的芯片应用中，通过级联方式进行连接，一旦其中某一颗芯片出现异常，会导致整个系统瘫痪，故采用特殊级联拓扑结构，配合内置的换点检测电路，可以有效地保证整个系统稳定可靠的工作。坏点检测电路通过计数DI1和DI2不相等的个数来判断是否出现坏点，当主数据输入口DI1出现问题时（始终为1或者0），被判断为坏点，舍弃当前一帧的数据，切换到备用数据口DI2输入。此特殊的级联结构和坏点检测电路的设计，可以精准判断任何一种开路状态，并完成检测，避免系统瘫痪，有效地增加了系统的稳定性。

图4  芯片工作级联拓扑结构

       芯片单线传输结构对于多种数据类型及状态控制提出了更高的要求，为解决这一问题，设计了状态控制电路完成串并转换、帧识别、状态跳转和整形输出处理。由于该芯片应用的级联拓扑结构，级联数据的输出需要屏蔽掉当前芯片接收的一帧数据，经过屏蔽整形后将后续级联数据输出。

      越高的灰阶bit数对应的显示画面越细腻，芯片设计的SPWM算法电路可以实现16 bit（即65536种变化）。芯片采用SPWM打散算法对数据进行处理。将灰度数据划分为高位数据和低位数据，将高位数据和低位数据与内部定义的打散计数器进行比较，再通过反向计数的均匀分布方式，实现PWM打散。低灰优化电路，在低灰度时，可通过将PWM打散之后的几个不同周期的数据合并到一个周期显示，提升低灰显示效果。将打散优化后RGB的PWM信号，输送到驱动电路，实现LED的亮暗。

      为降低功耗，芯片增加低功耗设计，通过控制位选中是否使能低功耗模式，当使能低功耗模式时，检测到R/G/B/灰度数据全部为0时，芯片进入低功耗模式，此时，仅有振荡器、电流偏置、译码电路和控制电路工作，其余电路全部处于standby模式，整体电流不超过0.5 mA。在实际应用中，极大地降低了整个系统的功耗，延长使用寿命。

3.  柔性透明屏驱动芯片的应用

      柔性透明屏驱动芯片的主要特性如下所示，是一款三通道16 bit灰度等级的LED恒流驱动控制芯片。芯片面积小，适合灯驱合一方案。三色驱动电流独立设定且16级可调，内置32 MHz高精度RC振荡器，支持1/2/4/8/16分频，使得最终的频率在2~32 MHz之间。芯片采用RZ码通讯，支持待机低功耗模式。

• 供电电压：3.3~5.5 V

• R/G/B三通道恒流输出

• 采用SPWM控制LED亮度，最大分辨率16 bit

• 电流范围：0.6~15 mA@VDD≥4 V，0.6~5 mA@VDD=3.3 V

• 电流精度(>2 mA)：通道间±2%（最大值），芯片间±2%（最大值）

• 电流增益：全局3.94%~100%，三色11.76%~100%

• 内置32 MHz高精度RC振荡器，支持1/2/4/8/16分频

• RZ码通信（500 ns~8 μs），支持坏点检测

• 支持待机低功耗模式

• ESD：8 kV（HBM）

• 工作温度：-40~85 °C

可广泛应用于：

• LED幻彩器件、LED显示器件、LED照明器件

• 柔性灯条/灯带、透明屏、异型屏

• 景观亮化照明、装饰照明

• 舞台装饰灯、建筑物外墙亮化、山水效果渲染等。

图5  芯片典型应用链路说明

4.  总结与展望

       随着半导体行业的飞速发展，显示驱动也迈入一个新的发展时期，“5G+8K”、柔性屏、透明屏、裸眼3D等多种富有高科技和时尚感的新技术为用户带了强烈视觉冲击和极致的用户体验。智慧城市、智能网联汽车、智能穿戴以及虚拟显示等新型显示对于驱动芯片的要求也越来越高，虽然在柔性透明屏领域显示驱动芯片取得了一些进展，但距离正在的市场化还具有一定的距离。其中，传统的灯芯合封技术已逐渐无法满足市场需求，新一代的灯芯合封技术亟待开发。相信通过研究人员深入地研究能够将柔性透过屏推向更大的市场。

显示驱动团队介绍

      中科芯集成电路有限公司南京分公司显示驱动团队，立足高端显示驱动芯片的研发，旨在为客户提供高端完整的系统显示驱动方案，打造拥有自主知识产权的企业品牌。目前已成功量产近10款业内领先的显示驱动芯片，同步在研近10款型号产品，产品涵盖显示驱动列芯片、显示驱动行开关、行列集成、灯驱合一等显示驱动全领域，主要用户遍布行业领军企业。在小间距高密度屏、mini屏、曲面屏、柔性透明等形态多样化的创新领域，实现关键技术突破和产业化布局。拥有显示驱动核心技术专利近20项，申请中30余项。相关产品成功入选江苏省高新技术产品库。

并在此基础之上建立了一支专业素养过硬、人员结构完整的市场和研发应用团队。团队目前共有人员50余名，毕业于清华大学、香港大学等知名高校，核心设计开发成员30余名，全部拥有硕士及以上学历，承担多项国家级重点科研项目。

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