1 引 言

按照国家十四五发展纲要，我国将在新能源汽车领域加大发展力度，从而实现从汽车大国向汽车强国的转变，车载液晶显示作为人车交互中的一个核心组成部分必将迎来前所未有的增长。从上世纪90年代开始，车载显示屏从5.1 cm的笔段式TN屏幕，逐步发展到2000年7.6 cm左右的图形式CSTN屏幕，再到2010年前后17.8 cm视频式的a⁃Si TFT屏幕，以及到2020年25.4 cm以上的LTPS TFT屏幕^[1]，车载显示屏幕除了追求更好的显示效果外，大尺寸化也成为了市场的主流趋势，如图1所示。根据权威机构预测，随着新能源汽车的进一步发展，25.4 cm以上尺寸的车载屏幕需求将持续增加，预计在2025年将占据接近50%左右的市场份额。

图 1. 大屏车载显示应用

Fig. 1. Large screen vehicle display application

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同时，为了实现更好的人机交互体验，车载显示屏幕在2010年左右经历了从传统的按键式向触控显示的转变，通过简单的手势操作便可以完成屏幕功能的操控 ^[2-3]。触控显示按照技术类型可以分为电阻式、电容式、红外式等多种类型，其中电阻屏曾一度占领绝大部分市场，但因为其不能实现多点控制、功耗高及寿命短等问题，目前已被电容式触摸屏幕所替代^[4]。然而，当前的车载电容式触控显示屏幕主要采用外挂式触摸屏结构，即触摸屏与LCD显示屏是分开的，需要对其进行组装来形成显示装置，这种技术的缺点显而易见，比如体积大、成本高、光学性能差、易损伤等^[5-6]。如图2所示，目前国内外各大车载屏幕显示制造公司均在着手开发一种真正意义上的集成触控显示装置，将触控和显示整合在一起，既可以省去一层触控基板让显示器件更加轻薄且提升光学性能，又可以提升耐腐蚀和防止水汽干扰等可靠性能^[7]。

图 2. 外挂式LCD触摸屏与集成LCD触摸屏对比

Fig. 2. Comparison of externally mounted LCD touch screen and integrated LCD touch screen

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在传统的显示屏幕内部集成触控技术并且实现大屏显示，难度非常大，不仅要克服集成触控技术因工艺复杂度上升而影响良率的问题，还要解决大屏幕使用多颗芯片运算时的信号同步问题。文中研究提出了一套基于触控in⁃cell面板技术的多芯片级联解决方案，通过优化集成触控芯片功能与显示模组外围电路，确保芯片间级联后的正常通信，最终通过实现多颗芯片级联而满足车载显示屏幕向更大尺寸转变的市场需求。

1 Touch in⁃cell显示面板及其TDDI驱动电路方案

Touch in⁃cell显示面板是将触控的感应sensor置于显示面板内部，实现显示面板和触控面板的集成，其驱动集成电路TDDI（Touch and Display Driver Integration）集成了显示与触控驱动器^[8]。如图3，显示面板内的公共层comment电极被分割成一定大小的矩阵块，每一矩阵块都是由像素为单位的整倍数组成，其既作为显示的comment电极，又作为触控感知的电容sensor单元。驱动上采用分时共用的方式，即显示和触控分时轮用comment电极。显示扫描时，矩阵块作为VCOM电极，触控扫描时，矩阵块作为sensor电极^[9]。TDDI的输出pad有sensor驱动通道和source驱动通道，分别连接到Touch in⁃cell面板对应的sensor和source走线上，进行自电容的检测和像素电容的电荷充放。

图 3. In-cell触控架构及驱动方式

Fig. 3. In-cell touch architecture and drive mode

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2 TDDI驱动方案及其多颗芯片级联的结构及原理

TDDI内部功能框图如图4所示，其外部端口主要有：sensor电容检测端口，source电荷注入端口，gate驱动时序端口，级联通讯端口，输入信号端口。内部集成单元主要有：触控控制单元MCU，电容检测单元AFE，显示时序控制单元TCON，source电荷单元OP，存储单元，DC⁃DC电源转化单元等。

图 4. TDDI驱动IC及框架

Fig. 4. TDDI driver IC and framework

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此框架的TDDI内置了显示的核心控制单元timing controller以及触控的运算核心单元MCU，这两个核心模块就是TDDI的“大脑”，分别负责显示和触控工作的协调，控制source电荷输出电路对像素电容的充放电时序，控制sensor的AFE检测电路对电容值的模数转换以及数字量化后的坐标运算，而级联通讯端口可以在为两颗或三颗TDDI做级联应用时，实现主IC对从IC的控制和数据通讯。

单颗集成触控芯片TDDI的电容Sensor检测通道数以及液晶像素驱动通道数是有限的，对于市场需求的25.4 cm以上高分辨率的屏幕明显已无法适应。为了解决未来更高分辨率以及更大尺寸的显示面板驱动需求，TDDI增加了级联通信模块以通过级联的方式来扩展source通道数去满足大尺寸高分辨率的需求。图5所示是两颗TDDI级联方案，source和sensor驱动通道变成两倍，可驱动支持的像素分辨率更高，sensor单元数也更多。从图中可见，两个TDDI的级联端口连在一起以实现主IC对从属IC的级联控制，并协调两个IC的工作。

图 5. TDDI两颗级联方案框架

Fig. 5. Framework of two TDDI cascading schemes

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在这种级联应用方案中，主控IC中的核心单元操控从属IC来实现同步。对于触控来说，从属IC的电容sensor检测数据都是要通过级联端口通讯传输给主IC，由主IC内的MCU完成整个panel坐标的计算，并由主IC的MCU将坐标数据上报给Host系统。

与TCON内置的纯显示驱动IC的级联应用不同，TDDI的级联方式有两个特别之处：一是最多只能做三颗IC的级联，二是主IC只能在中间位置，从属IC置于两边来分别同时传输数据给主IC。这是由于触控数据传输量大，分开很容易出现传输延时，带来触控与显示的不同步问题，如图6是三颗TDDI级联方案框架图，这也是TDDI级联应用方案的极限。

图 6. TDDI三颗级联方案框架

Fig. 6. Framework of three TDDI cascading scheme

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TDDI级联应用中的主要瓶颈由三点决定：一是TDDI级联架构，因从属IC要传输给主控IC的触控数据量大，且级联bus端口数有限制，所以两颗从属IC只能并行传输给主控IC，串行传输会造成数据延时而导致触控与显示的不同步；二是更多TDDI置于panel上其所承受的负载会因电源转换产生的热量而超出模组在高温工作时的要求；三是TDDI数量更多会带来成本上升的问题。

3 “星型”驱动方案及其多颗级联的结构及原理

从车载市场的需求来看，如上所述的三颗TDDI级联方案所能支持的分辨率将成为其应用的限制，无法满足车载对未来更高分辨率、更大尺寸的显示集成触控面板的需求。研究给出了基于Touch in⁃cell面板的另一种显示集成触控的驱动IC架构，如图7。此框架的IC与目前TDDI相比较，只集成了电容sensor检测单元以及source输出电路单元，不再集成touch运算单元MCU和display控制单元TCON，即面板上的驱动IC全部只作为从属IC来受控驱动sensor和source。

图 7. 只集成触控检测电路和显示驱动电路的IC框架

Fig. 7. IC frame with integrated touch detection circuit and display drive circuit

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触控的运算单元MCU放置在外部作为主控单元，panel上的集成触控驱动IC只做电容检测，在完成电容检测得到的数字量rawdata后，将其传输给外部的MCU来进行触控坐标的运算处理，同时显示控制单元timing controller也放置于外部，并与MCU进行整合，形成完整的SOC方案，如图8中方案b，实现MCU和TCON的通讯，协调sensor扫描检测和source扫描驱动两者间分时复用的工作，这也是与外挂方案c这种分离驱动及独立控制所不同的地方。

图 8. 三种框架的驱动IC驱动方案

Fig. 8. Three kinds of drive IC drive schemes

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此“星型”架构方案的级联应用中，由于主控IC置于panel外部，panel内全为从属IC，可有效提高从属IC级联的个数，增强其级联的扩展性。如图9所示，①是目前TDDI的“串型”级联方案，②是“星型”级联方案。同时使用此架构的驱动IC做级联方案，可通过扩展外部主控MCU的数据接收端口来增加数据吞吐量，打破TDDI在panel内最大只能有三颗级联的瓶颈，实现支持更多从属IC级联来扩展sensor矩阵块的数量和支持更高分辨率。

图 9. “星型”级联方案

Fig. 9. "Star" cascading scheme

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且在这种级联方案下，也可有效地解决多颗IC负载都集中在panel上的问题，即降低单颗IC的负载，将panel 负载分散到各个IC上以及转移到panel外部的IC上，来降低IC负载较高的问题。如图10，这种方案框架将是未来更高分辨率更大尺寸显示集成触控总成的主要应用驱动方案。

图 10. “星型”方案下多颗级联集成方案框架

Fig. 10. Framework of multiple cascade integration scheme of "star" scheme

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在时序控制上，一帧的显示时间里（帧频60 Hz为16.7 ms），显示要完成所有像素行的扫描工作，触控检测工作将会分为三部分，sensor扫描检测，sensor数据传输，触控坐标运算^[6]。sensor检测时间t₁与其扫描频率相关，面板驱动IC通常在约1 ms完成此工作。检测得到的rawdata传输给外部主控IC所需时间t₂要依据总线数决定，32位的rawdata以8或16位数据线进行传输，再通过调整接收时钟频率，将t₂控制在3 ms内。主控IC在得到所有rawdata后，以32位RISC MCU来评估，t₃约在3 ms内可完成2D坐标的运算，以此来满足客户对触控响应时间MAX值为24 ms的规格要求（触控帧频+触控响应时间MIN值）。图11是sensor在一帧时间里完成触控扫描和像素扫描工作的驱动时序。

图 11. 扫描检测时序图

Fig. 11. Diagram of scanning detection sequence

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4 多颗驱动IC级联应用中触控运算的同步问题

Touch in⁃cell面板驱动IC的电容检测电路会将sensor的电容值转换为对应的电压值，此电压值又被模数转化ADC电路转为数字量rawdata给MCU进行运算，MCU通过各种算法处理rawdata的变化量来识别是否有触摸及被触摸的位置，如图12。ADC通常为13位或更高精度的模数转换电路，一个sensor单元在检测转换后得到的数字量rawdata用一个word大小的变量来存储，一颗驱动IC要扫描一组sensor矩阵群，其数量一般用m*n来表示。

图 12. 触控检测原理框图

Fig. 12. Block diagram of touch detection principle

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Touch in⁃cell面板在一帧的显示时间里（帧频60 Hz为16.7 ms），显示和触控进行分时共用的扫描驱动工作，如图13中comment电极在显示扫描时输出直流VCOM电压，在触控检测时输出电容检测信号，此检测信号根据具体应用做调节，或为方波，或梯形波，或正弦波等，且一次检测需n个pulse来完成，算法上取其平均值。而触控检测要在一帧的时间里完成电容检测、数据传输和数据运算及上报坐标的工作。这样在级联应用中，sensor数量的增加带来传输数据量的增加，其主从的同步问题就越显重要，否则时序就会因协调问题而混乱。

图 13. 级联同步中数据与控制

Fig. 13. Data and control in cascading synchronization

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触控坐标的计算要通过相邻的4个及以上sensor单元的rawdata值来完成，在早前的级联应用中，从属IC将其驱动的sensor矩阵群所得到的全部rawdata值通过级联串口端直接传输给主控IC，由主控IC来进行整个panel的坐标计算，这样的方式可解决发生在各驱动IC所驱的sensor矩阵群间交界处的触控坐标的计算，如图14中交界位置。但随着级联IC数的增加，所驱sensor数量的增多，这种“粗暴”的传输方式给主控IC在一显示帧内完成大量rawdata数据的接收以及大量rawdata数据的运算处理带来了压力，甚至于有无法完成的瓶颈限制。文中将提出新的控制及处理方案，解决这个瓶颈限制的问题。

图 14. 级联同步中数据与控制

Fig. 14. Data and control in cascading synchronization

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本论述方案要充分利用从属IC的资源，不只是简单的将其所驱的所有rawdata传输给主控IC去处理，而是分情况处理，即从属IC要判断被触所发生的位置，按照如下方式区分不同的情况与主控IC要传输的数据类型，承担rawdata数据分析和坐标计算的工作，方式如下：

a.当从属IC识别到无被触位置发生在其所驱sensor矩阵群内时，则从属IC不去传输任何rawdata数据给主控IC，而只是发送一个无被触的命令告知主控IC；

b.当从属IC识别到有被触位置发生在其所驱sensor矩阵群的非边缘的范围内时，则从属IC自己运算出被触位置的坐标值，再将此坐标值传输给主控IC；

c.当从属IC识别到有被触位置发生在其所驱sensor矩阵群的边缘时，则从属IC只传输被触的边缘位置相邻的几个sensor的rawdata值给主控IC去处理。

如图15所示，这样可大幅提高触控坐标的运算速度，减少级联主从IC间传输的数据量。

图 15. 从属IC的控制与传输数据类型

Fig. 15. Control and transmission data types of the attached IC

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5 结 论

研究完成了三颗芯片级联车载in⁃cell触控显示装置设计，提出了两种驱动IC框架及各自的应用方案，分析了应用范围、优缺点以及发展方向，同时也讨论了新的级联控制通讯方式，改善级联应用中的传输数据量大等瓶颈问题。

随着两颗和三颗TDDI级联的车载显示模组的开发验证，满足车载需求的相关技术越来越成熟，三颗TDDI级联方案最大可实现73.7 cm HD（5K）项目。为满足车载市场对更大尺寸显示模组的需求，“星型”框架的驱动方案有望进入开发验证阶段，推进显示面板技术和驱动集成电路技术的发展成熟。