Màn hình ô tô Phần 2: Kỹ thuật cấp nguồn cho màn hình TFT LCD, OLED và Micro-LED 

TÁC GIẢ YUJIE BAI

Tóm tắt

Trong hệ thống hiển thị ô tô, màn hình TFT LCD chiếm ưu thế. Hơn nữa, màn hình OLED và micro-LED đang ngày càng thu hút sự chú ý trên thị trường. Các kỹ thuật tiết kiệm điện năng cần được phát triển cho các công nghệ hiển thị khác nhau. Đèn nền chiếu sáng cạnh và đèn nền chiếu sáng trực tiếp thường được sử dụng trong màn hình TFT LCD. Công nghệ làm mờ cục bộ dựa trên đèn nền chiếu sáng trực tiếp với đèn LED mini được phát triển để cải thiện hiệu suất hiển thị. Mặc dù màn hình OLED phổ biến hơn trên điện thoại thông minh, nhưng màn hình OLED và micro-LED ô tô vẫn đang trong quá trình phát triển. Bài viết này mô tả toàn diện về hệ thống hiển thị và các kỹ thuật tiết kiệm điện năng trong ngành sản xuất ô tô hiện nay.

Giới thiệu

Với việc điện khí hóa xe cộ, khách hàng mong đợi xe sẽ cung cấp nhiều tính năng hơn về an toàn, tiện lợi, giải trí, năng suất, sự thoải mái và tính bền vững. Đáp ứng nhu cầu này sẽ đòi hỏi mọi giải pháp mới từ các OEM và nhà cung cấp Cấp 1. Một trong những thách thức là mức tiêu thụ điện năng tăng lên khi tích hợp nhiều phần cứng hơn vào xe. Một giải pháp hợp lý là chủ động xem xét khả năng quản lý điện năng ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu. Bài viết này mô tả các kỹ thuật tiết kiệm điện năng cho hệ thống hiển thị ô tô.

Hệ thống Hiển thị

Hình 1 minh họa cho thấy một hệ thống hiển thị ô tô đơn giản, bao gồm một đầu phát, bảng hiển thị và cáp xoắn đôi có vỏ bọc (STP) hoặc cáp đồng trục. Đầu phát ô tô, còn được gọi là hệ thống thông tin giải trí, là giao diện điều khiển trung tâm cho các tính năng âm thanh, giải trí, bản đồ dẫn đường và kết nối trên xe. Giao diện người-máy tiên tiến, chẳng hạn như nhận dạng giọng nói chính xác, màn hình cảm ứng mượt mà và phản hồi nhanh, cùng với điều khiển cử chỉ tinh vi, đã trở thành những tính năng phổ biến trên các phương tiện hiện đại.

Hình 1. Giải pháp Liên kết Nối tiếp Đa phương tiện Gigabit (GMSL™) của Analog Devices là công nghệ SERDES tiết kiệm chi phí, đơn giản và có khả năng mở rộng.

Bên trong bảng hiển thị, bộ điều khiển thời gian (TCON) đóng vai trò là giao diện giữa luồng video hoặc hình ảnh và mẫu hiển thị. Kết nối giữa đầu phát và TCON được thiết lập bởi một cặp chip serializer (SER) và deserializer (DES), cho phép giao tiếp tốc độ cao giữa các chip thông qua cáp STP có vỏ bọc dài tới 10 mét hoặc cáp đồng trục dài 15 mét. Đối với màn hình trụ-trụ từ 45 inch đến 60 inch, độ phân giải 7680 × 2160 pixel, việc truyền dữ liệu cần có tải trọng lên tới 28 Gbps.

Cấp nguồn cho Màn hình TFT-LCD Ô tô

Trong hình 2 sẽ minh họa bảng hiển thị TFT-LCD. Toàn bộ hệ thống bảng hiển thị bao gồm một TCON, vi điều khiển (MCU), bảng LED (đèn nền) và PMIC phân cực TFT.

Hình 2. Sơ đồ khối của hệ thống màn hình LCD.

Đèn nền

Các kỹ thuật cấp nguồn cho đèn nền có thể được phân loại thành hai loại phổ biến: đèn nền chiếu cạnh và đèn nền chiếu trực tiếp, như thể hiện minh họa trong Hình 3. Đèn nền chiếu cạnh là phương pháp thông thường để cấp nguồn cho đèn nền, phân bổ các đèn LED ở rìa của tấm nền hiển thị. Thông thường, bốn đến tám chuỗi đèn LED được sử dụng trong đèn nền chiếu cạnh. Phương pháp điều khiển độ sáng của chuỗi đèn LED được gọi là làm mờ toàn cục (global dimming), trong đó toàn bộ đèn nền hoặc một chuỗi đèn LED cụ thể được làm mờ. Như thể hiện minh họa trong Hình 4, các chuỗi đèn LED được cấp nguồn bởi bộ chuyển đổi tăng cường. Chức năng làm mờ có thể được thực hiện bởi PWM bên ngoài hoặc thanh ghi 18 bit bên trong T_ON. MAX25512 cũng hỗ trợ làm mờ lai, kết hợp làm mờ tương tự và làm mờ PWM. Tỷ lệ làm mờ với tần số làm mờ 200 Hz là 16.667:1. Với làm mờ lai, tỷ lệ này có thể tăng gấp đôi lên 33.333:1.

Hình 3. Kỹ thuật sử dụng nguồn sáng nền: chiếu sáng cạnh và chiếu sáng trực tiếp.

Hình 4. Bộ điều khiển đèn nền MAX25512.

Như thể hiện minh họa trong Hình 3, các mini-LED được phân bổ đồng đều tại ma trận LED, nằm ngay phía sau tấm nền LCD. Độ sáng của mỗi mini-LED có thể được điều khiển riêng lẻ và linh hoạt để phù hợp với nội dung hình ảnh. Phương pháp làm mờ này được gọi là làm mờ cục bộ, giúp cải thiện tỷ lệ tương phản. So với màn hình chiếu sáng cạnh, đèn nền chiếu sáng trực tiếp có mức tiêu thụ điện năng thấp. Khi hiển thị nội dung tối trong hình ảnh, đèn nền chiếu sáng trực tiếp có thể tắt các đèn LED ở vùng hình ảnh tối. Nó cũng có thể giảm thiểu rò rỉ ánh sáng khi hiển thị nội dung tối.

Kích thước, độ phân giải và độ sáng của màn hình phụ thuộc vào số lượng chuỗi đèn LED và số đèn LED trên mỗi chuỗi trong đèn nền chiếu sáng cạnh. Trong đèn nền chiếu sáng trực tiếp, kích thước lớn, độ phân giải cao và tỷ lệ tương phản của tấm nền hiển thị đạt được nhờ các vùng đèn LED. Hình minh họa 5 cho thấy cấu hình của một đèn LED nối tiếp và hai đèn LED song song (1S2P). Trình điều khiển đèn nền và yêu cầu về đèn nền quyết định cấu hình LED, chẳng hạn như 1S2P hoặc 2S1P. VLED được cung cấp cho điện áp thuận của LED và VSINK là điện áp để duy trì dòng điện không đổi mong muốn cho LED.

Hình 5. Vùng LED 1S2P.

Hai loại trình điều khiển LED làm mờ cục bộ khác nhau được thể hiện trong Hình minh họa 6. Trình điều khiển LED ma trận sử dụng công nghệ ghép kênh chia sẻ thời gian. Như thể hiện trong Hình minh họa 6a, bốn đèn LED chia sẻ cùng một nguồn dòng với bốn PMOS. Các đèn LED trong trình điều khiển LED truyền động trực tiếp được cấp nguồn bởi cùng một VLED và nguồn dòng riêng như thể hiện trong Hình minh họa 6b. Trình điều khiển LED truyền động trực tiếp có thể có khả năng điều khiển dòng điện cao hơn trình điều khiển LED ma trận. Có thể sử dụng ít trình điều khiển LED ma trận hơn để điều khiển cùng số lượng vùng LED so với trình điều khiển LED truyền động trực tiếp.

Hình 6. Trình điều khiển LED làm mờ cục bộ: (a) trình điều khiển LED ma trận, và (b) trình điều khiển LED truyền động trực tiếp.

MAX2550x là trình điều khiển LED ma trận tích hợp PMOS, và VLED có thể hoạt động ở 14 V. Do đó, nó có thể hỗ trợ tối đa bốn đèn LED nối tiếp (4S1P) trong một vùng. PMOS bên trong cải thiện vòng lặp dòng điện để có hiệu suất EMI tốt hơn và loại bỏ hiện tượng ảnh bóng mờ. Hơn nữa, nó làm giảm độ phức tạp và kích thước hệ thống nhờ khả năng điều khiển nội bộ của PMOS.

MAX2550x cũng được trang bị chức năng điều khiển phản hồi. Điện áp thuận của các đèn LED giảm đơn điệu khi nhiệt độ mối nối tăng. Nếu VLED thay đổi trong toàn bộ dải nhiệt độ hoạt động, điện áp VSINK sẽ tăng lên, dẫn đến công suất tiêu tán cao hơn, đặc biệt là dưới 85°C. Chức năng điều khiển phản hồi tối ưu hóa điện áp VSINK bằng cách điều chỉnh VLED. Lý tưởng nhất, VLED là tổng của điện áp thuận của đèn LED và VSINK. Như thể hiện trong Hình minh họa 7, FB trong trình điều khiển đèn nền MAX2550x sẽ tiêu thụ dòng điện và tăng VLED khi điện áp VSINK ở mức điện áp thấp hơn.

Hình 7. Cấu hình điều khiển phản hồi MAX2550x với MAX25660/MAX20048.

Cả trình điều khiển LED ma trận MAX2550x và trình điều khiển LED truyền động trực tiếp MAX21610 đều được trang bị chức năng hiệu chỉnh điểm. Hiệu chỉnh điểm LED là công nghệ hiệu chỉnh từng điểm ảnh cho màn hình đèn nền LED. Nó hiệu chỉnh các đầu ra LED riêng lẻ để có cùng độ sáng. Để đạt được hiệu suất hiển thị đồng đều với cùng màu sắc và độ sáng, MAX2550x có hai phương pháp để thiết lập dòng điện LED riêng lẻ: mỗi vùng LED có cài đặt dòng điện 5 bit riêng và cài đặt PWM 17 bit riêng. Cài đặt dòng điện 5 bit có thể được sử dụng cho mỗi lần hiệu chỉnh độ sáng LED và cài đặt PWM 17 bit có thể được sử dụng với cài đặt chung khi tất cả các vùng LED có cùng cài đặt độ sáng.

Hơn nữa, MAX2550x có thể đạt được chỉ báo báo hiệu, cho biết sự cố hoặc hệ thống đang hoạt động bằng một biểu tượng phát sáng, chẳng hạn như nhiên liệu/điện tích thấp. Với các thiết lập dòng điện và PWM cụ thể, dòng điện cực đại của MAX2550x có thể được tăng cường bởi các thanh ghi SCALE_SEL.

Độ lệch TFT

Mạch nguồn bên ngoài cho độ lệch TFT là cần thiết cho các tấm nền hiển thị lớn hơn 6 inch với độ phân giải cao hơn. Đối với các tấm nền hiển thị nhỏ hơn, mạch nguồn được tích hợp vào kính. Thông thường, điện áp cung cấp là 3,3 V và 5 V. Hơn nữa, đường 5 V chủ yếu được sử dụng trong các tấm nền hiển thị ô tô để đảm bảo tuổi thọ đáng tin cậy và bền bỉ.

Như thể hiện trong Hình minh họa 8, một mạch nguồn TFT tích hợp (MAX25221) cấp nguồn cho bộ điều khiển nguồn (còn gọi là bộ điều khiển cột) với AVDD và NAVDD, được cung cấp bởi bộ chuyển đổi tăng áp. Bộ điều khiển cổng (còn gọi là bộ điều khiển hàng) được cấp nguồn bởi VGH và VGL, được tạo ra bởi hai bơm điện tích riêng biệt. Mạch này cũng tích hợp VCOM và bù nhiệt độ VCOM.

Hình 8. Bộ nguồn phân cực TFT với VCOM.

Điện áp mục tiêu cho trình điều khiển cột, trình điều khiển hàng, VCOM và trình tự BẬT/TẮT nguồn có thể được lập trình và lưu trữ trong bộ nhớ không bay hơi. Chức năng này đảm bảo điện áp tham chiếu cho màn hình LCD TFT, có thể được điều chỉnh cho các tấm nền khác nhau, giúp giảm quang sai hiển thị và cải thiện độ bền của hệ thống.

Trình điều khiển OLED/Micro-LED

So với màn hình OLED/micro-LED và LCD, mạch nguồn tương tự nhau, bao gồm PMIC phân cực TFT và bộ nguồn OLED/micro-LED. Hiện tại, công nghệ màn hình OLED trong thiết bị điện tử tiêu dùng đã hoàn thiện hơn. PMIC định mức 5 V, kết hợp nguồn phân cực TFT và nguồn OLED/micro-LED, tích hợp với hai bộ chuyển đổi tăng áp và một bộ chuyển đổi buck-boost đảo ngược, thường được sử dụng để cấp nguồn cho màn hình OLED. Đối với màn hình OLED/micro-LED trên ô tô, PMIC công suất vẫn đang được phát triển. Dòng điện cung cấp cần thiết cho OLED/micro-LED trong màn hình ô tô cao hơn so với trong thiết bị điện tử tiêu dùng do kích thước lớn. Ngoài ra, cần có điện áp tham chiếu cao hơn cho PMIC phân cực TFT.

Kết luận

Công nghệ màn hình đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các loại màn hình mới, chẳng hạn như OLED và micro-LED. Các loại màn hình mới này đòi hỏi trình điều khiển điểm ảnh và PMIC phân cực TFT tiên tiến hơn để đạt được hiệu suất tối ưu. Khi trình điều khiển LED và PMIC TFT trở nên hiệu quả hơn, hoạt động tốt hơn, thông minh hơn và mát hơn, chúng có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu của các công nghệ màn hình mới này.

Giới thiệu về tác giả

Yujie Bai là kỹ sư ứng dụng cao cấp tại Analog Devices và chịu trách nhiệm hỗ trợ và ứng dụng các sản phẩm điện ô tô. Yujie gia nhập Maxim Integrated (hiện là một công ty thành viên của Analog Devices) vào năm 2020.