本文对这些不同的显示技术进行了比较，并分析了用于 LCD 显示器的 2T1C 像素控制器和用于 OLED 和 micro-LED 显示器的 7T1C/2C 像素控制器。.

引言
本文是关于汽车应用中TFT LCD、OLED和micro-LED显示器的两篇系列文章的第一篇。文章全面比较了TFT LCD、OLED和micro-LED显示器的特性以及不同像素驱动技术。此外，文章还讨论了用于汽车显示器的TFT技术和供电技术。
本系列的第一部分重点介绍汽车显示器的基础知识，包括发展趋势、挑战和显示架构。文章还介绍了像素驱动器，以帮助理解汽车显示器的供电技术。
本系列的第二部分探讨了汽车显示器的供电技术。文章讨论了不同的显示技术，包括侧入式和直下式背光。文章还简要介绍了mini-LED显示器的局部调光技术。

数字汽车内饰发展趋势：
近年来，汽车行业在互联、电气化、自动驾驶和共享出行等领域取得了飞速发展。这种发展也改变了汽车内饰设计，从而提升了用户体验。消费者对更大尺寸、更高分辨率和对比度的曲面屏以及新型车载显示器的需求持续增长。据 IHS Markit 汽车显示市场追踪报告显示，2018 年汽车显示面板销量达 1.615 亿块，预计到 2025 年销量将超过 2 亿块。
为了提升车内体验，现代汽车配备了多种类型的显示器：仪表盘、中央信息显示屏 (CID)、抬头显示器 (HUD)、乘客显示屏、智能后视镜显示屏、侧视镜显示屏和后排娱乐显示屏。仪表盘为驾驶员提供车速和油量等关键信息。抬头显示器 (HUD) 则将重要信息投射到挡风玻璃上。后排娱乐屏幕和乘客显示屏是信息娱乐系统的一部分，乘客可以通过它们观看电影或进行其他娱乐活动。摄像头监控系统（CMS）用两到三个摄像头取代了外后视镜，而侧后视镜显示屏和电子后视镜显示屏则增强了驾驶员对周围环境的视觉感知。
根据IHS Markit汽车显示市场追踪报告，2018年汽车显示面板订单中，10英寸面板占比为10%，预计到2025年这一比例将增长至18.4%。近年来，12.3英寸及以上的显示面板已成为仪表盘显示屏的标准尺寸。
自2017年特斯拉Model 3推出15英寸触摸屏以来，汽车显示面板的尺寸、分辨率、对比度和设计方向都趋于增大。2019年，理想ONE配备了横跨车身的显示屏，由两块分别为12.3英寸和16.2英寸的屏幕组成。 2023年，宝马3系引入了一块14.9英寸的曲面触控屏，并配备了调光技术，屏幕从驾驶员侧延伸至中控台。VISION EQXX概念车则配备了一块47.5英寸的横跨A柱的显示屏，同样采用了调光技术。汽车显示屏的发展趋势可概括为图1所示。

图 1. 客舱显示屏的发展趋势。.²

宝马Neue Klasse概念车的全挡风玻璃抬头显示器（HUD）将于2025年投入量产。这项创新的HUD技术使所有乘客都能看到覆盖整个挡风玻璃宽度的显示屏。挡风玻璃下边缘采用更高亮度和对比度的显示屏，为驾驶员和乘客提供相关信息。此外，还有一个中央自由曲面显示屏。

显示面板架构：
图 2 中的 TFT LCD 显示器、图 3 中的 OLED 显示器和图 4 中的微型 LED 显示器代表了三种截然不同的技术，它们正在革新显示技术。TFT
LCD 显示器使用夹在两层玻璃基板之间的液晶。下基板嵌入了 TFT，而上基板则用作彩色滤光片。这些液晶排列有序，通过控制流经晶体管的电流来调节穿过它们的光线的旋转，从而改变电场。每个具有不同颜色的像素都是通过以不同比例点亮彩色滤光片而生成的。

图 2. TFT LCD 屏幕的结构。.

相比之下，OLED 显示器由于其自发光特性，无需背光。OLED 的基本结构是在氧化铟锡 (ITO) 玻璃上涂覆一层有机发光层 (OLED)。该 OLED 层夹在两个低功函数金属电极之间：上阴极和下阳极。
当在阴极和阳极上施加外部电压时，电子传输层 (ETL) 和空穴传输层 (HTL) 会以可控的体积和速率将电子和空穴注入到 OLED 中。这一过程使 OLED 发光。OLED 可以使用不同的化学物质产生红光、绿光和蓝光。因此，OLED 显示器更薄、更节能，并提供更出色的色彩还原度和对比度。

图 3. OLED 屏幕的结构。.

微型LED显示屏是近年来发展起来的一项新技术，它利用微型LED阵列作为独立像素。微型LED的芯片尺寸通常小于50微米，肉眼几乎不可见。由于其尺寸小巧且采用先进的组装技术，红、绿、蓝三种光源可以集成到单个像素中，从而无需使用滤色片和液晶。
像素内的每个微型LED都能独立发光，从而实现高亮度、深邃的黑色和卓越的能效。这些技术代表了显示技术的重大进步，在结构和性能方面各具优势。微型LED显示屏适用于智能手机、电视、增强现实、可穿戴设备和车载显示器等多种应用。

图 4. 微型 LED 显示器的结构。.

鉴于TFT LCD显示屏技术相对成熟，且具有显著的经济优势，目前LCD仍是汽车行业主流的平板显示技术。然而，OLED和micro-LED显示屏正日益受到汽车制造商的关注。OLED
显示屏具有出色的视觉效果、低功耗、高柔性和超薄等优点。micro-LED显示屏作为下一代显示技术正在崛起，能够实现更高亮度和对比度的曲面屏设计，从而为车载显示设计带来更大的灵活性。
然而，OLED显示屏存在图像残留问题，即长时间静态图像显示后像素会发生退化，且其使用寿命比LCD短。micro-LED显示屏由于量产难度较大，成本较高。TFT
LCD、OLED和micro-LED显示屏之间的详细区别总结于表1。

表1. LCD、OLED和micro-LED显示器的比较³

现有的TFT液晶显示器可以通过采用迷你LED（亚毫米发光二极管）背光光源和调光技术进行升级。迷你LED是传统LED的缩小版，是通往微型LED的桥梁。尺寸小于200微米的LED被归类为迷你LED，而尺寸小于100微米的LED被归类为微型LED。⁵
虽然迷你LED主要用作液晶显示器的背光光源，但它们在提供经济高效的解决方案的同时，还能改善这些显示器的厚度和对比度性能。

像素控制器：
各种颜色是通过混合红、绿、蓝三原色合成的。这三种原色的混合形成一个像素，如图 5 所示。每个像素由三个子像素组成，这些子像素经过管理和组合后形成一个完整的像素。
由于显示技术和制造工艺的不同，TFT LCD、micro-LED 和 OLED 显示屏采用不同的方法来控制这些子像素。例如，特斯拉 Model 3 配备了一块 15.4 英寸的 TFT LCD 显示屏，分辨率为 1920 x 1200 像素，总共有 691 万个子像素。

图 5. 像素。.

在TFT液晶显示屏中，控制液晶两端电场的子像素等效电路如图6所示。它由一个晶体管、一个液晶电容器和一个存储电容器组成。栅极驱动器提供一个称为栅极高电压（VGH）的正电压来开启TFT，提供一个称为栅极低电压（VGL）的负电压来关闭TFT。图像信息被发送到源极驱动器，源极驱动器对液晶电容器（LCC）进行充电。存储电容器（SC）起到缓冲作用，防止电流从LCC泄漏。文章“提高高帧率UHD TFT-LCD像素充电率的新型驱动结构”进一步分析了TFT液晶显示器中的像素驱动器。⁴
TFT液晶显示器中的图像保持或闪烁是由于TFT栅极和漏极节点之间存在的寄生电容（CGD）造成的。当图像内容发生变化，TFT从开启状态关闭时，由于CGD和CLC||CST之间的电容分压器，CLC两端会产生电压降。为了提高面板性能的一致性，引入了主板公共电压（VCOM），并在像素转换期间将其调整到像素电压的中心值。

图 6. 传统的像素控制器。.

由于制造工艺以及TFT电路与LED集成在玻璃或聚酰亚胺基板上，micro-LED和OLED显示器中最常用的像素控制器的拓扑结构与TFT LCD显示器中的类似，但更为复杂。因此，每个像素的LED都由其自身的亮度独立控制。⁸ 如图7所示，文章“OLED显示器的驱动技术”中描述了一种名为2T1C（两个晶体管和一个存储电容）的简单像素控制器。⁵ 在该像素控制器中，来自LED的模拟发射信号被发送到TFT M1。阈值电压（VGS）随后被存储在电容（CST）中，用于控制TFT M2在饱和区工作，如图8所示。控制TFT M2通过正电压（VDD）和阴极电压（VSS）维持LED的恒定电流。与控制 TFT 的线性区操作相比，该 2T1C 像素控制器的饱和操作控制方法具有延长 LED 寿命的优点。

图 7. OLED 或微型 LED 的 2T1C 像素驱动器。.

图 8. MOS 晶体管的输出特性。.

然而，2T1C像素驱动器存在一些缺点，包括Mura问题和电偏置下的阈值电压漂移。Mura问题是指显示器亮度均匀性不均匀，主要由制造工艺的偏差引起，例如TFT层密度、LED正向电压均匀性和阈值电压。这些影响会导致图像质量问题。尽管最佳制造工艺也无法克服阈值电压漂移，但人们已经提出了采用电压反馈方法和阈值电压漂移过补偿方法来改善图像质量。
图9.6展示了文章“基于可变初始电压补偿方案的可变刷新率AMOLED显示器图像质量增强”中提出的7T1C控制方法。如图10所示，该7T1C像素电路具有三个工作阶段：初始化、补偿和发光。TFT M4用于控制TFT M3的二极管连接。在补偿阶段，源极驱动器存储在CST中的电压维持LED的发光。 TFT M1、M6 和 M7 用于防止 LED 点亮。此外，文章“一种用于可变帧率 AMOLED 显示器的高均匀亮度低闪烁像素电路及其驱动方法”中提出了一种 7T2C 像素电路。

图 9. 7T1C 像素控制器的示意图。.

图 10. 7T1C 补偿像素的控制序列：（a）初始化，（b）补偿和（c）发射。.

目前，显示器主板技术已从氢化非晶硅薄膜晶体管（a-Si:H）发展到低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS）和低温多晶氧化硅薄膜晶体管（LTPO），它们构成了消费电子产品的下一代主板技术。a-Si:H TFT的载流子迁移率较低（1 cm²/Vs），导致主板尺寸较大且功耗较高。LTPS TFT具有更高的载流子迁移率（>50 cm²/Vs），使其适用于OLED显示器。LTPS TFT通常具有较高的静态电流。然而，LTPO TFT具有较低的静态电流。因此，人们正在考虑在OLED/micro-LED显示器主板中使用结合LTPS和LTPO TFT的混合像素方案。.

结论：
车载显示屏在车内体验中扮演着日益重要的角色，消费者对可视性、安全性和用户体验等方面的期望也越来越高。车载显示屏在高分辨率、高对比度、自由曲面设计、大尺寸以及成本效益等方面面临着诸多挑战。
本文分析了TFT-LCD、OLED和micro-LED显示屏的特性。为了获得更佳的显示性能，OLED和micro-LED显示屏的像素控制器比TFT-LCD显示屏更为复杂。因此，由于大规模生产的挑战，OLED和micro-LED显示屏成本较高。采用局部调光技术的Mini-LED LCD显示屏则为micro-LED和OLED显示屏之间搭建了桥梁。
本文第二部分重点介绍车载显示屏的电源技术，包括背光驱动器、TFT偏置PMIC和局部调光功能。

参考文献
1 You Xiang Stacy Wu. “汽车显示器市场展望。” 第26届有源矩阵显示器与器件国际研讨会 (AM-FPD)，IEEE，2019年9月。
2 Robert Prange. “汽车显示器玻璃加工趋势。” Glastory，2024年12月。
3 “什么是Micro LED、Mini LED和Micro OLED？解释不同的新兴显示技术。” LEDinside，2021年8月。
4 Chih-Lung Lin、Jui-Hung Chang、Fu-Hsing Chen、Po-Cheng Lai、Yi-Chien Chen和Cheng-Han Ke. “用于提高高帧率UHD TFT-LCD显示器像素负载比的新型导电结构。” IEEE Access，第10卷，2022年8月。
5 Yojiro Matsueda. “OLED显示器的驱动技术。”有机发光二极管手册，Springer出版社，2022年
。6. Li Jin Kim、Sujin Jung、Hee Jun Kim、Bong Hwan Kim、Kyung Joon Kwon、Yong Min Ha和Hyun Jae Kim。“利用可变初始电压补偿方案提高可变刷新率AMOLED显示器的图像质量。”《科学报告》，第12卷，2022年4月。7
. Younsik Kim、Kyunghoon Chung、Jaemyung Lim和Oh-Kyong Kwon。“用于可变帧率AMOLED显示器的高均匀性、低闪烁亮度像素电路及其控制方法。”《IEEE Access》，第11卷，2023年。

作者简介：
亚德诺半导体公司的高级应用工程师，负责汽车电源产品支持和应用。他于2020年加入Maxim Integrated（现为ADI的一部分），拥有迈阿密大学（俄亥俄州）电气工程硕士学位。