Как выбрать TFT-дисплей? Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Как выбрать TFT-дисплей?

Святослав БЕлов

belov.s@mtgroup.ru

Б связи с бурным развитием проектов с применением TFT-дисплеев все чаще встает вопрос грамотного их выбора. Почему иногда похожие с виду дисплеи разнятся по цене в два раза? Какой дисплей, как и по каким параметрам подобрать под конкретное применение? Статья имеет своей целью помочь разобраться с основными критериями выбора TFT.

Введение

TFT-дисплеи активно вошли в нашу жизнь в последние годы. Их можно встретить везде: в автомобиле, аудио-, видео- и телевизионной технике, в навигационной аппаратуре, измерительных и медицинских приборах, информационных панелях, в промышленной электронике и т. д. Это неудивительно, ведь TFT дает ряд преимуществ: высокая яркость, контрастность, быстрое время обновления, возможность воспроизводить полноцветную графику, вплоть до потока видео. Кроме того, если говорить о малогабаритных TFT-дисплеях, то по цене они вплотную приблизились к стандартным пассивным ЖКИ.

В мире TFT-дисплеи выпускаются огромными количествами; основные производители, такие как Samsung, AUO, CMI, LG, имеют многомиллиардные обороты (в основном на производстве и продаже дисплеев для TV, мониторов, мобильных телефонов и планшетных компьютеров), технологии совершенствуются с каждым годом: больше задач — больше вариантов их решений.

Однако российский рынок TFT очень мал по сравнению с европейским, американским и уж тем более азиатским. Во-первых, это связано с тем, что в России практически не производят ни планшетники, ни мобильные телефоны, ни бытовую технику, где применяются TFT. Единственная область, где российские производители играют какую-то роль, — индустриальные применения (сюда можно с определенной оговоркой включить автомобильные, медицинские приборы, а также рынок кассовых аппаратов и систем безопасности). Среди производителей индустриальных TFT выделяются все те же гиганты: AUO и CMI, а также Hitachi, Sharp, NEC (хотя NEC продал свой бизнес по TFT-дисплеям китайскому производителю Tianma, до этого специализировавшемуся на телевизионных дисплеях, поэтому трудно судить, какие изменения ждут текущую линейку NEC).

Собственно, из-за того, что российский рынок еще не так широко и не столь давно потребляет TFT, у разработчиков зачастую возникают сложности с выбором дисплея для конечного устройства. В данной статье мы подробно

рассмотрим вопрос выбора TFT-дисплея для различных применений. Ведь, в конце концов, экран — это «лицо» устройства.

Классы TFT-дисплеев

Часто от разработчиков, выбирающих дисплей, можно слышать вопрос: почему дисплеи одной диагонали и приблизительно схожие по параметрам столь сильно различаются по цене? Здесь мы подходим к одному из основополагающих понятий при выборе TFT — классу дисплея (общепринятое деление производителей TFT-дисплеев, таких как Hitachi, AUO, CMI и др.). Давайте рассмотрим эту классификацию по порядку.

Мобильные TFT (mobile) Особенности:

• размер экрана 0,8-3,5";

• разрешение от 96x64 до 640x480;

• интерфейс Digital RGB/MCU;

• диапазон рабочих температур 0.. .+50 °C;

• очень низкая цена;

• срок производства — от трех месяцев до одного года;

• очень нестабильные поставки. Данный тип TFT применяется в мобильных устройствах, производимых в Азии (сотовые телефоны, наладонники, другие малогабаритные устройства, выпускаемые миллионами). Для российского рынка эти дисплеи практически недоступны ввиду очень малых сроков нахождения в производстве, крайне нестабильных поставок и цен (зачастую многие модели вообще не доступны для заказа). Поэтому не стоит соблазняться их низкой ценой и разнообразием: достать, а тем более успеть разработать устройство и наладить массовое производство на таких дисплеях практически невозможно.

Основные производители mobile TFT — CMI, AUO, HannStar.

^nsumer TFT Особенности:

• размер экрана 2,2-10,4";

• разрешение от 320x240 до 800x600;

• интерфейс Digital RGB/TTL/CMOS/LVDS;

• диапазон рабочих температур -20.. .+80 °C;

• низкая цена;

• гарантированный срок производства —

один год;

• не всегда стабильные поставки.

В данный класс входят TFT-дисплеи, изначально предназначенные для массовых продуктов рынка потребительских товаров — аудио-видеоустройств, бытовой техники и т. д. Отсюда, собственно, и их название — consumer.

Этот тип дисплеев достаточно распространен на российском рынке ввиду низкой стоимости. Однако есть целый ряд недостатков, которые могут быть критичными для многих потребителей. Основной из них — малый гарантированный срок производства, ведь зачастую только на разработку требуется до полугода, а от начала разработки до старта массового производства требуется до года. За это время может измениться версия дисплея (тип интерфейса, оптические характеристики, расположение шлейфа и т. д.), и уже разработанное и отлаженное устройство придется переделывать. Также стоит отметить, что в применениях, где требуется стабильный расширенный температурный диапазон, хорошие оптические характеристики, длительное время жизни подсветки, надежность по качеству и стабильность поставок, такие дисплеи также могут создать определенные проблемы. Там же, где достаточно средних показателей, проект не является долгосрочным, а главный критерий — цена, вполне допустимо применение потребительского класса TFT.

Еще один момент, который стоит отметить, когда речь идет о данном типе дисплеев, заключается в том, что основные производители consumer TFT (AUO, CMI, LG-Philips, HannStar) также делают стекла (TFT glass), которые азиатские OEM закупают, чтобы выпускать на их базе свои дисплеи. Самые распространенные OEM на российском рынке — Winstar, Ampire, Microtips, OSD, Formike, Bolymin. С одной стороны, они предоставляют широкую линейку различных consumer TFT, с другой — не могут дать никаких гарантий дальнейшего производства и поставок, так как оно зависит не от них, а от производителей стекол.

дисплеи

13

Автомобильные TFT (automotive) Особенности:

• размер экрана 4,3-10,2";

• разрешение от 480x272 до 1024x600;

• интерфейс Digital RGB/TTL/LVDS;

• диапазон рабочих температур -30.. .+85 °C;

• относительно низкая цена;

• гарантированный срок нахождения в производстве — один-два года;

• всегда широкий формат (16:9);

• ограниченная линейка продукции;

• не всегда стабильные поставки. Автомобильные TFT отличаются расширенным температурным диапазоном (хранение при -40.. .+95 °C). В то же время ассортимент диагоналей ограничен: 4,3"/5"/6,2"/7"/8"/ 9"/10,2" (причем дисплеи широкоформатные, что обусловлено особенностями применения). Этот класс дисплеев является промежуточным между потребительскими и индустриальными как по стоимости, так и по гарантии и стабильности поставок.

Основные производители automotive TFT — CMI, AUO, Hitachi, Varitronix.

Индустриальные TFT (industrial) Особенности:

• размер экрана 3,5-21,3";

• разрешение от 320x240 до 1600x1200;

• интерфейсы Digital RGB/CMOS/TTL/LVDS;

• диапазон рабочих температур -30.. .+85 °C;

• средняя или высокая цена;

• гарантированный срок производства 3-5 лет;

• широкий модельный ряд;

• высокие качество и стабильность поставок. Индустриальные TFT являются самыми

популярными на российском рынке, что вполне объяснимо, ведь большинство проектов, где они применяются, это промышленные контроллеры, регистраторы, кассовое оборудование, транспорт, измерительные приборы, оборудование для нефтегазовой промышленности и т. д. За разумные деньги в данном диапазоне можно получить дисплеи с расширенным температурным диапазоном, отличными оптическими характеристиками (яркость до 1000 кд/м2, контрастность до 1500:1). Широкий выбор интерфейсов позволяет подключать TFT-дисплей к промышленным одноплатным компьютерам, системам на ARM9 и др., а длительный срок гарантированного производства дает возможность и время для разработки нового устройства и массового производства в течение длительного времени. Кроме того, в данном сегменте выделяются дисплеи премиум-класса, например Hitachi, которые обладают технологией IPS-Pro (широчайшие углы обзора без потери контрастности и цветопередачи), сроком жизни LED-подсветки до 70 000 ч, гарантией на дисплеи 2,5 года и гарантированным сроком производства 5-7 лет. Можно отметить дисплеи Sharp и NEC, в линейке которых есть уникальные модели, имеющие высокое разрешение (XGA) на дисплеях средних диагоналей (6,5"/8,4").

Основные производители industrial TFT — Hitachi, AUO, CMI, Sharp, NEC.

TFT для ноутбуков (notebook) Особенности:

• размер экрана 7-19";

• разрешение от 1200x800 до 1920x1080;

• интерфейс Digital RGB/LVDS;

• широкий формат (16:9);

• гарантированный срок нахождения в производстве 6-12 месяцев;

• крайняя нестабильность поставок и цен;

• низкая цена;

• диапазон рабочих температур 0.+50 °C. По сути, данные дисплеи имеют те же проблемы, что и мобильные, даже в большей степени. Дело в том, что основные производители TFT-дисплеев этого класса поставляют их главным производителям ноутбуков — Acer, HP, Sony, BenQ и др. На свободный рынок попадает лишь излишек таких дисплеев, если он образуется. С этим связана полная нестабильность цен и поставок, что делает применение данных дисплеев крайне рискованным.

Основные производители notebook TFT — AUO, CMI, Samsung, HannStar.

Мониторные TFT (monitor) Особенности:

• размер экрана 17-26";

• разрешение от 1366x768 до 1900x1200;

• интерфейс LVDS;

• гарантированный срок производства — один год;

• диапазон рабочих температур 0.+50 °C. Ситуация с мониторными TFT во многом

схожа с предыдущей по тем же причинам, правда, срок производства несколько больше, чем у дисплеев для ноутбуков, что позволяет в определенных проектах их применять.

Основные производители monitor TFT — HannStar, Samsung, AUO, CMI, LG-Philips.

Телевизионные TFT (TV) Особенности:

• размер экрана 26-82";

• разрешение от 1366x768 до 1920x1080;

• интерфейс LVDS;

• подсветка LED и CCFL;

• диапазон рабочих температур 0.+50 °C. Говорить о применении телевизионных

TFT имеет смысл только в двух случаях: производство непосредственно телевизоров или информационных дисплеев. Выбор дисплеев такого класса велик и зависит исключительно от требований в проекте. Сейчас многие модели все еще производятся с CCFL-подсветкой, однако все чаще они заменяются на LED.

Основные производители TV TFT — Samsung, AUO, CMI, LG-Philips, Tianma.

В итоге получается, что в подавляющем большинстве проектов на российском рынке выбор идет между consumer и industrial TFT. Причем если применение ответственное, а проект долгосрочный, то предпочтительнее применять индустриальные, а если в проекте

определяющей является цена и есть возможность либо перерабатывать устройство под новые версии дисплеев, либо закупать сразу большие партии на склад, то можно закладываться на consumer.

И все же мы сделаем акцент именно на индустриальных дисплеях, так как большинство серьезных разработок в промышленности идет именно на них. Определившись с классом TFT-дисплея под конкретное применение, следует перейти к изучению основных параметров.

Параметры

Размер и разрешение

Начнем с самого простого — размера TFT-дисплея, который определяется исходя из применения и внешнего вида изделия. Здесь стоит заметить, что существует ряд стандартных размеров и разрешений, которых нужно придерживаться, так как они есть в линейке практически всех производителей:

• Очень малые размеры 1,8"/2,4"/2,8"/3" w (wide, широкоформатный дисплей с соотношением сторон 16:9). Индустриальных дисплеев в этой линейке практически нет, обычно это мобильные или потребительские дисплеи с разрешением 128x160/ 240x320/240x400.

• Малые размеры 3,5"/5"/5,7"/6,5". В этом диапазоне выбор индустриальных TFT чрезвычайно велик: используется стандартное разрешение 320x240 и 640x480, присутствует широчайший выбор интерфейсов, оптических характеристик и т. п.

• Малые размеры (16:9) 4,3"/5"/7"/8"/9". Здесь также можно видеть многообразие дисплеев различных производителей. Для 4,3" характерно разрешение 480x272, для остальных — 800x480. Заметим, что все эти размеры активно применяются в автомобильных проектах.

• Средние размеры 8,4"/10,4"/12,1"/15"/17"/ 19". Они также являются стандартными для индустриальных дисплеев, разрешение варьируется от 640x480 до 1024x768.

• Большие размеры вплоть до 82", с разрешением до Full HD. Они относятся к телевизионному классу TFT и информационным панелям.

Яркость/контрастность

Несмотря на кажущуюся очевидность понятия «чем ярче, тем лучше», это не всегда так. Большая яркость (>800 кд/м2), как правило, требуется в уличных и специальных применениях, где велико влияние прямого солнечного света. В стандартных применениях вполне достаточно яркости 300-600 кд/м2, особенно при условии хорошей контрастности. Кроме того, не стоит забывать, что большая яркость — это повышенное энергопотребление и теплоотдача, для борьбы с которыми требуются дополнительные технические решения.

Рисунок. Основные технологии изготовления TFT-дисплеев

Углы обзора

На данный момент, в общем, можно выделить три основные технологии, по которым делаются TFT-дисплеи (рисунок): TN, MVA, IPS. Разница между ними заключается в различном управлении жидкими кристаллами, в результате чего можно выделить следующие особенности:

• TN — лучше ведет себя при низких температурах, но малые углы обзора.

• VA — хорошие углы обзора, но инерционность при низких температурах.

• IPS — отличные углы обзора при стабильной работе на низких температурах.

Температура

Если устройство будет использоваться при комнатной температуре, то никаких проблем нет: при 0.. .+50 °C работают абсолютно все TFT. Если же требуется рабочая температура -20 или -30 °C, то здесь возникают некоторые нюансы:

• Практически у всех consumer-дисплеев в документации прописан диапазон рабочих температур -20...+70 °C, а условия хранения--30.. .+80 °C. Однако если внимательно вчитаться в документацию, мы увидим, что часто -20 °C указывается как «surface», то есть температура выживания, а не работы. Индустриальные же дисплеи гарантируют работу при -20 или -30 °C без каких-либо ограничений.

• Можно провести тесты в холодильной камере и увидеть, что некоторые из consumer-дисплеев работают и при -30 °C. Однако их использование в проекте при таких температурах опасно, так как вся электроника, включая контроллер, различные микросхемы, емкости, светодиоды подсветки и т. д., не рассчитана на такой «минус» и может при эксплуатации выйти из строя. Поэтому, если применение действительно предполагает широкий температурный диапазон, необходимо использовать индустриальный или автомобильный класс дисплеев.

Интерфейс

Выбор интерфейса TFT чаще всего зависит от ресурсов системы, к которой он будет подключаться, а также от разрешения дисплея:

• MCU-интерфейс. Стандартный восьмибитный параллельный (или последовательный) интерфейс, по которому можно подключать TFT к простому контроллеру, иногда даже вместо пассивного ЖКИ. При таком исполнении речь идет о модуле (стандартный TFT-дисплей + встроенная или отдельная плата с преобразованием интерфейса в MCU и встроенной видеопамятью). Поддерживает разрешения до 640x480, отличается простотой подключения и разработки. Минусы: есть «потолок» разрешения из-за малой скорости и цена (обычно MCU-интерфейс прибавляет к стандартному TFT $20-40).

• Digital RGB/TTL/CMOS. Один из самых распространенных типов TFT-интерфейса, поддерживаемый многими современными микроконтроллерами ARM9 и выше. К сожалению, здесь нет определенного стандарта, поэтому можно встретить дисплеи с 33/40/45/50/60 пинами, с тайминг-контроллером и без, с гамма-коррекцией и без и т. д. Однако среди всех можно выделить относительно стандартный 40-pin CMOS интерфейс, который немного добавляет к стоимости дисплея, зато позволяет избежать множества трудностей на этапе разработки.

• LVDS (low-voltage differential signaling) является стандартизованным интерфейсом. Он присутствует практических на всех дисплеях с разрешением 800x600 и выше, так как позволяет передавать большие объемы данных. Также очень популярны дисплеи размером от 5" и разрешением от 640x480 во всех проектах, где используется одноплатный компьютер, имеющий LVDS на борту.

Подсветка

Говоря о дисплеях до 22", следует смело забыть про существование CCFL-подсветки, инверторах высокого напряжения и обо всем, что с этим связано. Сейчас все TFT-дисплеи в данном диапазоне (а в ближайшем будущем это коснется всех TFT-дисплеев вообще) делаются с LED-подсветкой. Она обладает рядом преимуществ:

• меньшее потребление;

• более равномерное свечение;

• срок жизни подсветки до 70 000 ч;

• меньшая толщина и вес дисплея.

При этом LED-подсветки также можно разделить на два основных класса:

• Normal LED. Используются стандартные светодиоды. Преимущества — низкая цена, меньшее энергопотребление, меньшие габариты, возможность увеличивать яркость повышением напряжения. Недостатки — максимальный срок жизни 40 000 ч, могут возникнуть определенные проблемы при работе на низких температурах.

• MidPower LED. Используются светодио-ды средней мощности, более габаритные. Преимущества — срок жизни увеличивается до 70 000 ч, яркость до 1000 кд/м2, стабильная работа на низких температурах, широкий диапазон димминга. Недостатки — высокая цена, большая толщина экрана, более высокое энергопотребление.

То есть снова все зависит от применения. Если нужен дисплей, который используется в тяжелых условиях, или 24 ч/сутки в течение длительного времени, или с повышенной яркостью, или с необходимостью дополнительной гарантии стабильной работы, лучше подойдут TFT с MidPower LED. Если же применение менее ответственное или очень чувствительное к цене, то стоит рассматривать подсветку на обычных светодиодах.

Итак, выбор TFT-дисплея — совсем не простое дело, и он не ограничивается простым попаданием в требуемый размер. Всегда нужно учитывать множество факторов: где будет применяться дисплей; как долго будет идти проект; сколько времени будет вестись разработка; какие параметры важны в данном конкретном проекте. Если заранее продумать весь спектр возможных вариантов, то с большей степенью вероятности получится подобрать TFT-дисплей, полностью удовлетворяющий всем требованиям.

Заключение

Рынок TFT-дисплеев активно развивается. Сами дисплеи и технологии совершенствуются, при этом выбор растет. TFT еще долго будут законодателем мод на индустриальном рынке, так как проблемы с OLED и AMOLED до сих пор не решены (в первую очередь, на рынке OLED до сих пор наблюдается сильный дефицит материала, поставки не стабильны, и по-настоящему индустриальные OLED, отвечающие всем соответствующим требованиям и стандартам, ожидаются только через 3-5 лет). Переход с более простых видов индикаторов (TN ЖКИ, светодиодные и проч.) на TFT-дисплеи — достаточно трудоемкий процесс, но при грамотном подходе это обеспечивает почти неограниченные возможности по отображению всех видов информации, не говоря о том, что это даст огромные маркетинговые преимущества: ведь TFT — это еще и красиво! ■