仪表显示屏工作原理与常见故障分析

包　刚，杨轶贇（上汽大众汽车有限公司质量保证部，上海　201805）



仪表显示屏工作原理与常见故障分析

包刚，杨轶贇
（上汽大众汽车有限公司质量保证部，上海201805）

摘要：随着汽车电子技术的发展，组合仪表显示屏所包含的信息也愈发丰富。本文简要介绍车载显示屏的工作原理并对其进行分类，在此基础上，探讨组合仪表常见的显示缺陷及其整改方向。

关键词：段码式液晶显示器；点阵式液晶显示器；驱动信号；软膜焊接；柔性电路软线束

随着汽车电子电器技术的发展，越来越多的信息需要通过仪表显示屏告知用户，以满足用户更直观清晰了解车辆当前状态的需求。一般组合仪表显示屏上可以显示的信息包括：车速转速、瞬时油耗、平均油耗、平均车速、剩余行驶里程、温度、保养信息、收音机频道、CD曲目等，还可以通过显示屏对车辆的舒适性功能进行设置。

本文首先对目前组合仪表常用的液晶显示器（Liquid Crystal Display，简称LCD）进行分类汇总，介绍其基本工作原理，并重点分析组合仪表显示屏常见故障，通过典型案例，研究组合仪表显示不良问题的优化方案。

1　LCD的工作原理

1.1结构

液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料-胶框 （一般为环氧树脂）密封，盒的两个外侧贴有偏光片。如图1所示。液晶盒中上下玻璃片之间的间隔，即通常所说的盒厚，一般为几个微米。上下玻璃片内侧，对应显示图形部分，镀有透明的氧化铟-氧化锡 （Indium Tin Oxides，简称ITO）导电薄膜，即显示电极。电极的作用主要是使外部电信号通过其加到液晶上去。

图1LCD显示屏结构

液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区覆盖着一层取向层 （PI）。取向层的作用是使液晶分子按特定的方向排列，这个取向层通常是一薄层高分子有机物，并经摩擦处理；也可以通过在玻璃表面以一定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备。

1.2背光源

液晶显示是一种被动的显示，它不能发光，只能使用周围环境的光，因此，使用背光源作为其光线来源。

常用的背光源有3种：发光二极管 （简称LED）、电致发光片 （Electroluminescence，简称EL）、冷阴极荧 光 灯（ColdCathodeFluorescentLamp，简 称CCFL）。目前，上海大众常用LED作为仪表显示屏背光源，与LCD的底色搭配后有白色、绿色2种背光。LED背光优点是寿命长 （大于5万h），LED背光缺点是功耗略大 （达到15mA／灯）。

1.3正显与负显 （图2）

正显TN-LCD（白底黑字），当未加电压到电极时，LCD处于OFF态，光能透过LCD呈白态；当在电极上加上电压时，LCD处于ON态，液晶分子长轴方向沿电场方向排列，光不能透过LCD，呈黑态。

反之则称只为负显TN-LCD（黑底白字）。

图2LCD示意图

目前上海大众仪表使用的LCD以白色背光负显LCD为主，也少量使用绿色背光的正显LCD。

2　LCD的基本分类

按显示内容的不同，目前主流的组合仪表主要采用的LCD，可分为段码式LCD、点阵式LCD、TFTLCD彩屏。低线仪表往往采用段码式LCD；中线仪表则采用点阵式LCD；而高端仪表采用TFT-LCD彩屏。

2.1段码式LCD

段码液晶屏提供简单快捷的显示效果，反应速度快，对比度高，成本低。它由7个笔段组成，用于显示数字0～9，显示内容一般均为数字，也较简单。段码式LCD常见的故障现象包括缺笔画等。

2.2点阵式LCD

屏幕上文字的显示，即由一个个小点组成的阵，又称之为像素，通常点越多其像素越高，由多点数排列。由许多点阵方格构成的，点越多，分辨率越高，也越清晰。点阵式LCD常见的故障现象包括显示抖动、显示偏暗等。

2.3TFT-LCD彩屏

TFT-LCD即薄膜场效应晶体管LCD，由多层迭加而成，两面的最外层是透明度极高的玻璃层，在玻璃层中间是薄膜电容以及液晶层，薄膜电容用以生成红、蓝、绿三原色所必要的色彩滤镜。对于采用TFTLCD彩屏的组合仪表，常见的故障模式包括显示偏色、黑屏等。

3　LCD常见缺陷模式及整改方向

目前组合仪表常见的显示缺陷包括屏幕抖动、显示缺笔画、花屏、显示偏色、黑屏等。而造成这些缺陷的原因主要有以下4大类：由于设计问题引起的缺陷、由于生产过程不稳定引起的缺陷、由于来料问题引起的缺陷、由于外部因素引起的缺陷。

3.1设计问题引起的缺陷

3.1.1由于驱动问题引起的显示抖动

部分上海大众2012年款途观车型在低温-25℃以下起动时，组合仪表显示屏有抖动现象，如图3所示。经过一段时间行驶后，当车内温度恢复到正常温度后，显示恢复正常。

显示屏驱动信号为方波信号，为考虑仪表的EMC电磁兼容表现，往往设计时在驱动信号上叠加一定的振铃效应，如图4所示。

图3　显示抖动

图4　显示屏驱动信号

在高速信号通道中振铃效应是由RLC属性共振引起的，其幅度必须满足显示屏的设计规范。试验发现，在低温下该驱动信号振铃效应被放大，导致信号上升或下降沿后的第1个振铃振幅超出显示屏的容错要求，如图5所示。

图5　低温下放大后的振铃效应 （-30℃）

为解决问题，从设计角度制定了纠正措施，通过修正相关驱动电路，去掉可能导致驱动信号振铃的电容，优化了驱动波形。修正后，EMC试验可以通过，并且驱动信号上的振铃也同时消除，如图6所示。

图6　修正后的驱动波形

3.1.2由于软件问题引起的屏幕闪烁

部分上海大众2010年款帕萨特新领驭车型组合仪表在10℃附近出现屏幕闪烁。为保证较大温度跨度下的显示效果，LCD驱动芯片存在上下温区2种工作模式，其切换的临界点定义在10℃。当检测到环境温度在其模式切换的临界点上下浮动时，将不断地进行工作模式的切换；驱动程序算法上在其切换临界点没有进行平顺过渡的处理，此时将表现为显示屏闪烁。

因此，解决该问题的改进方案为修改组合仪表软件，在显示屏工作模式切换温度的临界点增加滞环控制，将切换时对显示屏的供电电压进行平缓处理，以避免显示出现闪烁现象。

3.2由于生产过程引起的缺陷

3.2.1Heat Sealing工艺相关缺陷

在上海大众低端车型中 （如波罗、晶锐等），低线组合仪表 （段码式LCD）内部主要采用Heat Sealing工艺，将LCD显示屏与电路板相连接，如图7所示，该焊接过程由Heat Sealing设备完成。

图7　电路板与LCD的软膜焊接

相对于传统Pin脚排插式的锡焊，Heat Sealing技术具有明显的优点，见表1。

但是，由于Heat Sealing技术对工艺和设备要求较高，组合仪表面临显示屏缺笔画问题的风险也较大。

根据统计，与Heat Sealing相关的品质缺陷主要分为3类：一是软膜焊接断线；二是软膜边沿撕裂；三为焊接偏斜。各种缺陷所占比例及形成原因见表2。

表1　Heat Sealing与Pin脚锡焊技术比较

图8　软膜焊接断线

图10　焊接偏斜

针对不同原因，应采用不同的整改措施。对于软膜焊接断线，需优化焊接设备结构，以保证设备在焊接时的稳定性及可靠性；对于软膜边沿撕裂，需要对焊接完毕后的翻转夹具进行优化；对于焊接偏斜，一般应采用金属结构的焊接带导轨，而避免使用塑料材质导轨。

3.2.2操作问题造成的缺陷

在上海大众高端车型中 （如途观、新帕萨特等），高线组合仪表线路板与显示屏的连接往往采用柔性电路 （Flexible Printed Circuit，简称FPC）软线束，连接方式为插接式。操作工安装过程插接不到位，可能导致LCD与电路板接触不良，如图11所示。

针对这类问题，应优化插接件结构，并增加在线自动检测摄像装置，在软线束插接歪斜时自动报警提示。

3.3由于LCD本身问题引起的缺陷

显示屏本身的生产过程也可能存在异物进入的风险，造成的故障模式往往为显示缺笔画。一般情况下，需要对异物作化学元素成分分析，根据分析发现的异物成分制定相应措施。大多情况下成分中都存在金属物质，因此，需要对显示屏生产过程中的金属材料特别留意，尽量采用非金属材料，以避免金属磨损产生的颗粒进入显示屏内部。

ITO腐蚀问题同样会引起的显示缺笔画。一般ITO腐蚀会导致显示屏内部开路，也需要对腐蚀点做电化学分析，确认相应成分后制定相应措施，如成分中含氯离子，则多为操作工汗液污染。需严格规范操作工操作，优化清洗工艺过程，避免清洗液二次污染；并增加自动化传动带以减少人手直接触摸半成品的风险。

另外，显示屏封胶材质也可能引发在低温下显示偏暗的缺陷。某些材质的导电银胶在低温下电气连接阻抗会增大，使LCD驱动芯片的输出信号减弱，导致显示偏暗。要解决这一问题，应在显示屏设计之初，明确定义允许使用的银胶材质。

图11FPC软线束安装不到位

4　结语

随着车载显示技术的发展，越来越丰富的内容将会通过组合仪表展示给汽车用户，以便为用户创造更舒适的驾乘体验。因此，保证组合仪表的显示品质也愈发重要。本文从显示屏的工作原理入手，并对组合仪表常用的显示屏进行分类，最后从设计、生产及显示屏自身工艺三方面探讨了各种显示屏常见的缺陷模式及整改方向。

参考文献：

［1］马群刚.TFT-LCD原理与设计［M］.北京：电子工业出版社.2011.

［2］张新强.点阵LCD驱动显控原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社.2010.

［3］范志新.液晶器件工艺基础［M］.北京：北京邮电大学出版社.2000.

（编辑杨景）

中图分类号：U463.7

文献标识码：B

文章编号：1003－8639（2016）05－0055－04

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-03

作者简介：包刚 （1976-）男，硕士，从事电子电器零件的品质分析工作；杨轶贇 （1984-）男，硕士，从事电子电器零件的品质分析工作。

Vehicle Dashboard Working Principal and Common Defect Analysis

BAO Gang，YANG Yi-yun
（Quality Assurance Department，Shanghai Volkswagen Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

Abstract：With the development of automobile electrical technology，the information on dashboard is increasingly rich.The article briefly introduces vehicle dashboard working principal and makes classification on it，accordingly，common defect of combined dashboard is discussed and improvement direction is provided.

Key words：segment code LCD；dot-matrix LCD；driving signal；soft soldering；flexible printed circuit