傳採用LTPO顯示器 iPhone 13可望更省電

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

供應鏈消息幾乎確認,今年的iPhone 13 (或iPhone 12s)會採用LTPO螢幕,以降低今年即將推出的iPhone功耗。LTPO究竟是什麼高新科技?

蘋果(Apple)作為一家不製造顯示面板的企業,自iPhone初代問世之日,就對顯示器產業產生了很大的影響。手機普遍還在用MSTN、CSTN或者半透反射式a-Si TFT顯示器的時候,iPhone初代就開始用傳送式TFT了。再比如,蘋果率先在消費性電子產品中採用FFS (Fringing Field) IPS顯示器,實現更低功耗和更好的可視角度。

畢竟蘋果不製造螢幕,這些技術的研發主力也並非蘋果,但現在很多電子產品中已經普及的技術,不少還是存在著蘋果的身影。這兩年,蘋果對面板產業最大的影響,應該就是一種名為LTPO的技術了——而且它可能在未來兩年內會一統市場。

 

 

Apple Watch Series 4的顯示器最早採用了這項技術:早年的Apple Watch還無法做到螢幕常亮,這是功耗限制決定的;但近幾代的Apple Watch藉由LTPO技術,是真正做到了錶盤顯示時間的常亮,但續航不受影響;今年的iPhone 13幾乎也被分析師認定,會採用這類面板。

而且LTPO技術的確是來自蘋果,起初由LG Display借助蘋果的技術和IP製造這種顯示器。有關蘋果採用LTPO螢幕的傳言最早出現在2018年,IHS Markit當時提到iPhone很有可能會在未來長期內採用一種名為LTPO的螢幕,蘋果還為此申請了3項很重要的專利。

本文嘗試從市場和技術兩方面來談談LTPO顯示面板。

降低螢幕功耗是重點

LTPO實際上是一種TFT backplane技術,主要脫胎自現在應用相當廣泛的低溫多晶矽(LTPS),不過其驅動TFT電晶體換用了銦鎵鋅氧化物(IGZO)材料。

 

 

早年IHS Markit的一份資料顯示,LTPO比現在廣泛採用的LTPS面板,能節約5~15%的功耗。這應該也是LTPO為當代顯示裝置帶來最大的價值。上圖雖然解析度不太夠,但它大致能夠總結LTPO是怎麼回事,以及帶來了什麼價值。

LTPO結合了LTPS與IGZO兩者的優勢,LTPS電子遷移率高,就用於operating (驅動TFT);IGZO漏電低,用於switching (開關TFT)。所以LTPO的全稱就是內建有機TFT電晶體的LTPS (LTPS with Oxide TFT,或Low-Temperature Polycrystalline Oxid低溫多晶氧化物)。上圖的柱狀圖標注了switching部分功耗下降5~15% (operating部分不變),就是這個意思。不過IGZO TFT電晶體尺寸比較大,顯示器的畫素密度會受到一定的影響,所以LTPO的TFT尺寸會比LTPS略大;且LTPO製造成本會高於LTPS。

 

 

不管這些說法可不可信,近代Apple Watch續航表現的提升是實實在在的。截至目前為止,已經採用了LTPO面板的智慧型手機至少有6款,包括Galaxy S21 Ultra、一加9 Pro等。

三星(Samsung)實際上也開發了自有專利的LTPO,名為HOP (Hybrid-oxide and Polycrystalline),這是LTPO技術普及的基礎。看名字就知道,HOP和LTPO應該是同一種東西。國外媒體tom’s guide評價已經使用這種技術的Galaxy S21 Ultra在功耗表現上做到了更進一步,OLED顯示器功耗比Galaxy Note 20 (最早採用LTPO的三星手機)低了16%,使Galaxy S21 Ultra螢幕在6.8英吋3,200 × 1,400解析度、1,300nit峰值亮度的情況下,手機依然有著不錯的續航表現。

2023年將統治市場的LTPO

LTPO可做到功耗降低,主要靠的是「可變刷新率」。宣傳中的LTPO是可以做到螢幕刷新率在1Hz-120Hz之間的任意、平滑切換。比較典型的是Apple Watch,在日常顯示時間時,其螢幕刷新率降到了1Hz,即畫面一秒才刷新一次。

一般像手機、PC這樣的電子裝置,螢幕刷新率是恆定在60Hz的:即每秒刷新60次。這兩年高刷新率的螢幕越來越夯,現在一般高階手機的螢幕刷新率已經達到了90Hz、120Hz。高刷新率螢幕給使用者帶來的價值在於動態畫面更流暢的觀感,包括只是上下滑動微博這樣的操作,也能覺察到比60Hz更流暢的體驗。

 

 

諮詢機構DSCC預計,2021年第二季面板採購比重中,46%會是高解析度面板(以採購量計)。在三星的AMOLED智慧型手機中,92%的營收預計全部都來自高刷新率螢幕的智慧型手機——去年第二季這個值還只有22%。

去年發佈的iPhone 12還在用60Hz刷新率的螢幕,被認為是這代iPhone的重大問題。但高刷新率也需以更高的功耗為代價,去年華為消費者業務CEO餘承東在Mate 40系列發佈會上提到,選擇90Hz刷新率是基於對功耗和體驗的權衡。

LTPO的可變刷新率特性,恰好是解決高刷新率螢幕功耗高這一問題的關鍵。基於並非所有使用場景都需要高刷新率這一特點,例如在用手機看小說時,並不需要高刷新率;在手機上看視訊,串流網站視訊普遍也只有60fps的影格率,螢幕因此匹配60Hz刷新率才更為合理;唯有遊戲、關乎操作流暢度的過渡動畫播放,才需要高刷新率,這也是「可變刷新率」實現省電的關鍵。

供應鏈消息幾乎確認,今年的iPhone 13 (或iPhone 12s)會採用LTPO螢幕。DSCC最近發佈消息稱,到2023年底美國智慧型手機市場,單就OLED螢幕而言,LTPO螢幕手機市佔會超過LTPS。LTPO可實現低功耗的特性,也很大程度推升了高刷新率螢幕的應用。另外,由於晶片缺貨大環境的影響,LTPO作為高階產品會優先發展,加上蘋果iPhone 13推動LTPO的採用,預計到今年第四季,LTPO智慧型手機的銷售額會達到市場25%。

與此同時,三星會將部分原LTPS TFT OLED產線轉往針對iPhone 13的LTPO OLED顯示面板生產。

 

(來源:DSCC)

 

LTPO電路結構簡談

如果你對LTPO這項技術感興趣,可以繼續往下看。前文已經大致提到了LTPO的原理。LTPO屬於整個顯示面板上TFT層的技術,這一層上的電路,用於控制每個畫素,所以TFT就像畫素的明暗開關。無論LCD還是OLED,都需要TFT做畫素控制。從這個意義上來說,LCD和OLED都能採用LTPO技術。

 

 

當代大部分手機OLED面板TFT層基於LTPS。LTPS的特點就是電子遷移率高,遠高於最傳統的a-Si,因此驅動電壓要求不高,也就不需要佔太大空間,可用於高解析度的螢幕,當然成本也比a-Si之類的方案要高很多。

電視這種大面板常見IGZO,其電子遷移率會顯著低於LTPS,但比a-Si還是高出不少。相對而言,IGZO在成本方面比LTPS有著更大的優勢;但因為電子遷移率低一些,電路佔位面積會大點,可實現的畫素密度就無法做到LTPS的程度。

這是一般人對於LTPS和IGZO的瞭解。事實上LTPS還有一個比較顯著的問題,那就是其off-state關斷狀態的漏電流先天比較高——為了讓顯示畫面更穩定,LTPS螢幕需要將刷新率維持在至少60Hz。有了高刷新率,漏電流對畫面的影響就無所謂了,當然我們知道,現在大部分顯示器基本都在60Hz的刷新率,所以一般並不會認為這是個問題。

而且因為消費性電子產品普遍在追求高刷新率,LTPS有著比較出色的電子遷移速度,所以相較其他主流的TFT方案,LTPS在同樣高刷新率(及其他同等條件)時一般是更省電。但必須維持至少60Hz刷新率這一點,也就讓LTPS無緣於下探更低的刷新率了。如前所述,現在的可變刷新率螢幕,刷新率能下探到1Hz——這對LTPS而言是沒戲可唱的。

 

 

而像IGZO這樣的金屬氧化物半導體,就有著很低的off-state漏電流(如上圖),所以IGZO可應用低刷新率。但如前所述,IGZO的電子遷移率低很多,這就要求採用更大尺寸的GIP (Gate Integrated Peripheral)電路,以及更高的驅動電壓。

所以蘋果想到將金屬氧化TFT,也就是IGZO放到LTPS背板上,算是結合了兩者的優勢:針對LTPS的畫素電路,採用IGZO開關TFT。開關TFT通常在畫面的每一影格都開啟一次,即IGZO在此負責開關。前文提到,其關斷狀態下漏電流比較小,也就能夠讓畫素亮更久,以實現更低的刷新率。

來看看Apple Watch Series 4的LTPO TFT螢幕電路:

 

(來源:Ting-Kuo Chang et al., “LTPO TFT Technology for AMOLEDS”, 2019 The Society for Information Display, Volume 50, Issue 1, June 2019, https://doi.org/10.1002/sdtp.12978)

 

圖中電路顯示,1個IGZO TFT作為開關電晶體(T3),另外5個都是LTPS TFT (T1、T2、T4、T5、T6),以及一個儲存電容CST。其中T2是驅動電晶體,它負責產生電流來驅動OLED——N2節點處是已經程式設計過的資料電壓;T3則是控制N2節點程式設計的開關電晶體;T4、T5主要控制發射階段(圖中(b)的E階段);T6執行CST的初始化,以及N1節點處的OLED電容。

此電路用到2個電源訊號VDD和VSS,1個資料訊號VDATA,一個初始化訊號VINI,4個控制訊號VEM1、VEM2、VSCAN1、VSCAN2——分別用於發射和掃描。

這是個6T1C (6個電晶體、1個電容)的畫素電路,其中的開關電晶體換用了IGZO。上圖(b)是控制訊號時序圖,I是初始化階段,P為程式設計與閾值電壓補償階段,E為發射階段,詳細可參見蘋果發表的報告。

為了獲得很低的刷新率,必須以夠長的時間,維持住CST儲存電容中的電,以保持N2節點的電壓。如果做不到這一點,最終畫面就可能面臨閃爍問題了,可以考慮把CST電容做大,但這樣一來畫素也會跟著變大,會影響到畫素密度;而且還需要更多的畫素程式設計時間,影響到顯示表現。

所以透過T3減少CST釋放出的漏電流,就成為不錯的選擇。因此T3以IGZO的方式存在,替換掉原本的LTPS開關電晶體。在發射階段(此階段會關閉T1、T3、T6),VDD到VSS,電流通往OLED——T3處於關閉狀態,能夠確保最小的漏電流。

以上是LTPO的大致原理。實際上這其中還涉及到一些具體的問題,是需要在實做過程中解決的。比如說,在1Hz這樣的低刷新率之下,驅動電晶體T2滯後問題會凸顯出來,可能存在畫面殘留或閃爍的問題。

而且LTPS TFT和金屬氧化TFT製程其實是不相容的:LTPS TFT需要大量氫原子來鈍化多晶矽內,以及多晶矽與閘極絕緣層之間的懸掛鍵(dangling bonds)和缺陷。而過量的氫最終會導致IGZO閾值電壓產生偏移,在較低的顯示驅動頻率下,這個問題還會尤為顯著。不過,這些問題在蘋果的報告中也都得到了解決。

 

IHS Markit繪製的6T1C畫素LTPO剖面圖,應該是Buttom-Gate結構。(來源:IHS Markit)

 

最後值得一提的是,LTPO誕生之初,有關這種結構是否真的能夠有效降低功耗的質疑始終存在。包括5~15%的功耗下降似乎是僅限TFT背板自身,而非整個面板。不過我們認為,LTPO可讓面板刷新率降低,其帶來的功耗紅利是系統性的、相關具體使用場景的,Apple Watch就是最好的例子。如果一直拿手機來玩遊戲,顯然LTPO並不會帶來什麼續航的提升,因為這無法凸顯其可變刷新率的價值。

但即便是這樣,LTPO也仍然有價值。一加9 Pro引入了一種名為「遊戲超頻回應」的機制:由於遊戲畫面的影格率(即GPU進行圖形運算輸出的影格率)是動態變化的,在螢幕刷新率固定的年代,遊戲影格率與螢幕刷新率的不一致會帶來畫面撕裂的問題(垂直同步則會造成影格的延遲)。在螢幕刷新率可變的情況下,螢幕刷新率就可以與遊戲畫面影格率同步變化了,這也算是LTPO一個不錯的附加價值,或許未來還有更多有潛力的應用場景存在。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

 

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