LTPO技术科普:手机屏幕的下一个行业标杆

2021-04-06 11:12:49 12点赞 12收藏 2评论

创作立场声明:一文科普最近很火的LTPO屏幕技术,帮助各位值友了解智能手机的前沿技术,希望大家多多讨论交流。

大家好,我是埃尔南德斯,今天的这篇文章,主要想和大家聊一聊最近比较火的LTPO屏幕。

一季度发布的OPPO Find X3系列和一加9 Pro都将LTPO屏幕作为最大亮点之一进行了重点宣传,而供应链方面关于苹果将在新一代iPhone上采用LTPO屏幕的传言也是愈演愈烈。

实际上LTPO并不是才出现的全新技术,早在2018年9月发布的Apple Watch Series 4上,LTPO屏幕就首次实现了量产化应用,有效地改善了Apple Watch的续航能力。但当时受限于制造工艺上的技术难题,LTPO短期内仍无法实现更大规模的量产,不能应用到手机屏幕这样更大的面板上。直到去年,在OLED屏幕上一直笑傲群雄的三星实现了关键性突破,第一次将LTPO屏幕带到了自家旗舰S20 Ultra上。

Apple Watch Series 4上首次量产的LTPO屏幕Apple Watch Series 4上首次量产的LTPO屏幕

Apple Watch Series 4上首次量产的LTPO屏幕

而在2021年1月的时候,三星又发布了LTPO技术加持的第二代动态AMOLED屏幕:这块屏幕不仅拥有全色域覆盖,1500尼特的峰值亮度,3000000:1的对比度、HDR10+显示技术,还带来了对2K高分辨率和120Hz高刷新率的同步支持。不仅如此,新一代屏幕在发光效率上也有着显著的提升,在性能大幅提升的基础上,同等亮度下的功耗反而降低了约16%,从而在一定程度上保证了设备的续航能力。这块顶级的A屏由三星全新的旗舰S21 Ultra首发搭载,LTPO屏幕也由此更广泛地进入到公众的视野之中。

三星Galaxy S21 Ultra首发搭载了LTPO技术加持的第二代动态AMOLED屏幕三星Galaxy S21 Ultra首发搭载了LTPO技术加持的第二代动态AMOLED屏幕

三星Galaxy S21 Ultra首发搭载了LTPO技术加持的第二代动态AMOLED屏幕

LTPO的全称是“ Low Temperature Polycrystalline Oxide”,翻译成中文是“低温多晶氧化物”。实际上,LTPO只是一种驱动方式,是OLED屏幕上TFT背板的一种技术解决方案,它并不是一种全新的屏幕类型,而是对OLED屏幕驱动技术的改良。

因此,我们必须先简单地了解OLED屏幕的工作原理:

1)OLED屏幕是一种自发光屏幕,不同于LCD的背板发光,其发光原理是在屏幕发光单元的正负两级加载电压,发光材料在电流激发下自主发光,每个独立的发光单元成为一个屏幕像素。OLED的亮度由电流来决定,所以要想维持发光亮度,通电的电流必须非常稳定。

2)但OLED在工作过程中并不是一直打开的,而是不断地点亮和关闭,这就有了帧的概念,比如120Hz刷新率屏幕,就是1s内会打开和关闭120次。因此,OLED的驱动电路既负责打开和关闭像素,也要很好地控制发光的强度,在一帧内给 OLED 提供稳定的电流。而这整个过程,是由驱动电路来控制的,这种用于屏幕像素点显示控制的驱动电路开关都是薄膜晶体管(Thin Film Transistor)结构,这就是我们前面提到的TFT背板。

3)在OLED的TFT背板中,负责开关的 TFT 会在每一帧开启一次,在开启过程中数据电压 Vdata 给电容Cst 充电;当 Cst 两端电压大于负责驱动的 TFT 的阈值电压之后,驱动 TFT 导通 OLED 开始发光;Vselect 变为高电压,开关 TFT 关闭,此时完全依靠电容 Cst 的电压来继续维持驱动 TFT 输出稳定的电流,让 OLED 在一帧内保持稳定发光。

OLED TFT背板的工作原理OLED TFT背板的工作原理

OLED TFT背板的工作原理

4)所以,OLED 面板的功耗可以被分为两大类:刷新功耗和点亮功耗。刷新功耗与刷新率,电容,还有开关 TFT 电压差平方成正比,而点亮功耗与发光效率,驱动 TFT 电压成正比。它们都与TFT有直接关系,而对于TFT背板而言,有两个参数至关重要:一个是载流子迁移率,一个是开关比。载流子迁移率越高,驱动电压也就越低,所以能降低功耗,而开关比越大,关闭状态的漏电就越小,也就能支撑像素点亮更久。

综上所述,OLED的功耗与TFT技术的优劣有着直接关系,而目前比较成熟的TFT技术大概有以下三种:

1)非晶硅(a-Si)

多年使用的成熟技术,但是由于迁移率较低,只有 0.3-1 cm²/V·S, 就需要占用很多空间,所以不适合高分辨率显示屏,但制造工艺相对简单,生产成本低,最常用于 LCD。

2)低温多晶硅(LTPS)

低温多晶硅最大的优势就是超高迁移率,它可以做到>100 cm²/V·S 的迁移率,所以能降低驱动电压,刷新率越高它相对于其他技术的省电效果就更明显,而且响应速度很快。高迁移率还能够让晶体管做得更小,每个像素点的体积也就越小,因此只需要很小的空间,从而实现更高分辨率,最适合用于高刷新率高 PPI 的屏幕。

3)铟镓锌氧化物 (IGZO)

LTPS 的迁移率性能非常不错,但是也很贵,如果想要做大尺寸的 LTPS, 那么成本上升得也会非常快,所以产业选择了 IZGO, 它的迁移率能达到 10-25 cm²/V·S, 不如 LTPS 但是远比比 a-Si 高。重要的是,它的开关比会比 LTPS 更大,也就意味着漏电更少,能保证低刷新率的稳定性,也可以搭配更小的电容,经常用于大尺寸的产品。

三种传统OLED TFT技术的对比三种传统OLED TFT技术的对比

三种传统OLED TFT技术的对比

从上述三种技术方案不同的特性表现上我们就可以看出:目前OLED手机屏幕绝大多数采用的都是LTPS技术,能够实现所需的高像素和高刷新率,但存在问题就是开关比较高,漏电较大,低频显示时功耗较大。我们的手机并不总是维持在120Hz这样的高刷新率上,当显示频率降低时,由于LTPS漏电大的特性,功耗也会随之增大。

那么如何来解决这个问题呢?从上述OLED TFT的原理和几种技术方案的特性上我们就可以得到答案:开关 TFT 大部分时间都关闭,所以需要较低的漏电,驱动 TFT 大部分时间都开启,所以需要更高的迁移率。所以,让 LTPS 用于驱动,就能实现更小的驱动电流和更低的驱动电压,而让 IGZO 负责开关,较小的漏电就能让像素保持更长时间开启,实现更低的刷新率。这就是理论层面 LTPO 的由来,它让 OLED 的可用刷新率范围变得非常广。

当屏幕处在高刷新率工作态下,控制电路不断开启和闭合,会损耗部分电能,LTPS本身开关比低导致的漏电也会损失部分电能。而且屏幕刷新率越高,处理器需要付出的渲染算力越高,这部分也同样会带来功耗的增加。 而对于手机来说,我们只是在屏幕动效,高帧率游戏等高动态场景下才需要高刷新率,而在诸如阅读等场景下并不需要。而LTPO OLED通过硬件改良和功能算法实现了高刷新率屏幕上的自适应分辨率技术,在我们不需要高刷新率的时候,把屏幕分辨率降下来,进而达到省电的目的。

Find X3系列搭载LTPO OLED技术从而实现了1-120Hz的智能动态帧率Find X3系列搭载LTPO OLED技术从而实现了1-120Hz的智能动态帧率

Find X3系列搭载LTPO OLED技术从而实现了1-120Hz的智能动态帧率

智能动态帧率演示智能动态帧率演示

智能动态帧率演示

那么,LTPO OLED究竟能够为智能手机的续航带来多大的帮助呢?

目前公开研究的数据表明,LTPO能够带来5%-15%能耗降低,而根据OPPO官方提供的数据,与上一代120Hz屏幕的功耗相比,应用了LTPO技术的Find X3系列通过1Hz-120Hz的动态刷新率无感切换,功耗最高优化可达50%,在2K与120Hz刷新率同时开启的情况下,Find X3 Pro(电池为4500mAh)的亮屏时间比上一代Find X2 Pro(电池为4260mAh)的6小时延长了1.5个小时(5.6%的电池容量提升,续航则提升了25%)。

LTPO能为AMOLED屏幕带来5%-15%能耗降低LTPO能为AMOLED屏幕带来5%-15%能耗降低

LTPO能为AMOLED屏幕带来5%-15%能耗降低

而我自己使用的三星S21 Ultra更为明显,原来的三星旗舰给人的感觉就是2K加持下续航尿崩的有些严重,我自用的Note 9之前也很难维持一天的续航,使用久了之后因为电池损耗更夸张到要一天两充的程度,但S21Ultra我在2K和120Hz同时开启,中度使用的情况下,维持一天的续航完全是没有问题的。

如今,在大尺寸、高分辨率、高刷新率屏幕成为旗舰手机标配,5G能耗又有所增加的情况下,如何在性能和续航之间取得一个较为满意的平衡成为了手机厂商不得不去考虑的问题,一方面,电池容量的加大以及高功率快充的普及能在一定程度上缓解用户的焦虑,另一方面,LTPO屏幕技术的引入更是在节流上打开了续航新思路。目前,受限于成本的问题,仍然只有部分品牌的旗舰机型才搭载了LTPO OLED屏幕,但根据供应链的传闻来判断,如今在创新方面一向谨小慎微的苹果很快也将会加入到LTPO阵营中来,那么以苹果的影响力,在成本允许的情况下,LTPO势必会成为手机产商追捧的下一个技术亮点。

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