小尺寸液晶屏驱动技术研究

2013-08-23黄泽锷

科学之友 2013年8期

黄泽锷

（广州飒特股份有限公司，广东广州 510006）

LCD显示技术是20世纪70年代的伟大发明。近年来，LCD的应用发展十分迅速。它具有工作电压低、功耗小、寿命长、易集成、便携性好，显示信息量大和电磁辐射污染小等很多优点。

TFT－LCD是目前在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器，它的性能优良、大规模生产特性好，自动化程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世纪的主流产品。在新型平板显示器行业中，TFT－LCD最具发展前景，约占整个新型平板显示器件市场的70%份额，TFT－LCD产业的年增长率超过30%，已成为世界第一大显示产业。TFT－LCD显示技术也成为人们研究开发的热点。而现在对TFT－LCD驱动技术介绍的技术文档并不多，而部分涉及到的文档都有各自的局限性。

本文总结了小尺寸液晶屏的硬件电路设计的技巧。通过对液晶屏驱动所需的各个关键信号进行说明，给出相应电路设计要求；接着介绍液晶屏参数初始化的软件编程要求。同时说明如何使用 YUV接口进行快速设计。文中以友达三寸屏A030DN05为例，该屏是320×3×240点阵的TFT－LCD屏。

1 硬件驱动电路的设计

1.1 TFT构成及原理

图1 TFT显示器基本结构图

TFT型的液晶显示器较为复杂，如图1所示，主要由偏振片、虑色器基板、液晶、TFT基板、背光源组成。在彩色滤色片和 TFT 基板封入扭曲向列型液晶（TN），构成液晶盒，彩色滤色片上制作有透明的公共电极，TFT基板上制作了矩阵式薄模晶体管，用来开关象素电极的电压信号。液晶显示器必须有背光源，现在一般是使用LED作为背光。这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。

1.2 背光电路设计

TFT LCD电信号主要由背光电路和显示电路组成。TFT LCD大都采用白光LED作为背光源，不同尺寸的液晶屏白光LED组成的数目不同。本设计所用的友达3寸屏，它的背光是由3个串连的白光LED组成，驱动电压大概10 V左右，电流25 mA左右。背光电路是一个耗电量很大的部件，背光电路的设计一般是参考屏规格书中对LED电流的要求进行设计。可使用专门的IC进行设计，如LM2733就可用作白光LED电流源。具体的应用电路可根据需要参考芯片的应用电路。图2是友达3寸屏的内部背光参考电路示例。该电路作用也是提供电流源给白光LED。

图2 A030DN05背光电路

1.3 VCOM电路设计

VCOM是屏的一个重要信号，它是指LCD公共驱动电极。在液晶显示器内，当显示电极的电压高于VCOM电极电压时，就称之为正极性；而当显示电极的电压低于VCOM电极的电压时，就称之为负极性。液晶分子具有一种特性，它不能够一直固定在某一个电压不变，不然时间久了，即使将电压取消掉，液晶分子会因为特性的破坏，而无法再根据电场的变化来转动，以形成不同的灰阶。所以当显示画面一直不动时，我们仍然可以藉由正负极性不停的交替，达到显示画面不动，同时液晶分子不被破坏掉特性的结果。也就是说可通过改变VCOM而达到翻转的目的。VCOM对显示效果有明显的影响，它在规格书里可以查到，它是一个方波，它的AC特性对显示的亮度有关系，DC特性对显示画面的抖动有关系，对于每一个PANEL都需要来调整这个参数。VCOM 电压一般的产生方法是从 Timing Controller输出VCOMAC，然后经过运算放大器放大，然后耦合上VCOMDC，最后送入屏作为VCOM信号.根据不同的液晶屏，VCOM电路的设计也不同。有些液晶屏也将VCOM电路集成到相应的揉性板上，用户不需再做这个电路。图3是友达3寸屏的VCOM参考电路示例。其中FPR是VCOM的AC输出电压，COMDC是VCOM的DC输出电压。

图3 A030DN05 VCOM电路

1.4 VGH，VGL电路设计

VGH是TFT的开启电压，VGL是TFT的关闭电压。在打开TFT时需要开启电压VGH，大概15～25 V左右，关闭TFT电压VGL大概－5～－10 V左右。一般CMOS管的打开和关闭只要几伏就够了，而 VGH和 VGL为什么需要这么大的电压呢？这是因为LCD中的TFT和芯片中的MOSFET用的材料是不一样的，LCD中用的是a－Si（非晶硅），而芯片中用的是单晶硅，这两者的主要区别是导电用的载流子迁移率相差很大，a－Si的载流子迁移率很低。迁移率低，意味着在单位面积上，充满相同电荷所用的时间更久。TFT因为TFT载流子迁移率低，而每条扫描线又只开启很短一段时间，因此，在TFT打开的这段时间内，需要有足够大的电流来对像素电容充电，不然解析度高了之后，有可能电压充不饱。

至于关闭状态，要求VGL小于TFT的截至电压，但VGL＝0V是没办法使TFT在段时间内快速截止的。并且TFT也没办法 100%关闭的，在关闭状态下会有漏电流存在，随着 VGL变化的，在某个电压下有个漏电流的最低值。

设计VGH，VGL电路时，可使用专门的IC进行设计，如LM2622就可用于提供TFT的偏置电压。具体的应用电路可根据需要参考芯片的应用电路。友达3寸屏的VGH，VGL用液晶屏内部产生，用户不需再进行设计。

1.5 液晶屏数据接口设计

液晶屏的数据接口有YUV格式和RGB格式。对于具有YUV接口的液晶屏，可使用能将复合视频转成YUV数据格式的视频解码芯片。该芯片可提供液晶屏所需行，场，时钟，数据信号。这些信号可与液晶屏接口直连，不需要考虑接口的时序设计，从而简化了屏的设计。友达3寸屏的设计框图见图4，本设计的复合视频使用CCD（电荷耦合元件）模块来提供，视频解码芯片使用TVP5150，它可将复合视频转成YUV格式的数据信号，然后输入到液晶屏。从而满足了液晶屏要求的数据接口。

图4 友达3寸屏液晶屏数据接口原理框图

1.6 液晶屏初始化的三线接口设计

一般小尺寸液晶屏大部分都需要三个信号线进行参数初始化。这三线是指片选信号，时钟信号，数据信号。其工作方式类似SPI方式，具体的工作方式根据不同液晶屏略有不同。友达3寸屏中这三个信号是指 CS，SCL，SDA。寄存器的读写时序一般根据液晶屏规格书来设计。本设计使用一个MCS－51单片机提供信号 CS，SDA，SCL。而对于部分液晶屏是不需要初始化参数的。实际应用YUV数据接口，在初始化寄存器时，容易遇到的问题是，初始化后屏显示的颜色不对，原因一是可能 YUV格式不对，只需改控制左右移的寄存器，一般该寄存器以4为一个步进单位，可在4个单位里改。即原来如果图像左移5个单位，值设为20，可改为21，22，23进行尝试，它同样是左移5个单位。原因二是可能行或场的极性颠倒了，如图5所示，可通过寄存器对行或场取反。另外，屏闪烁，可能是VCOM没调到中心点，使液晶亮度不一致，产生闪烁抖动的现像。这时可通过寄存器调VCOM 的DC端，它的作用是消抖动。