一款1.8寸超高亮度微显示器电路设计

2016-10-19朱礼年陈建军

山东工业技术 2016年19期

关键词：液晶屏电路设计背光

朱礼年，周旭，陈建军

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210000）

一款1.8寸超高亮度微显示器电路设计

朱礼年，周旭，陈建军

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210000）

针对Sony公司的透射型高温多晶硅LCD，提出了一种1.8寸超高亮度微显示器的电路设计方法，包括DVI信号解码电路、液晶屏驱动电路、逻辑电路、背光驱动电路等设计。结果表明，微显示器具有宽亮度调节范围、功耗低、重量轻及可靠性高等特点。

高温多晶硅LCD；微显示器；宽亮度调节

0 前言

网上经常出现一些关于微显示器的应用名词，例如头盔显示器（简称头显，Head Mounted Display，HMD），视频眼镜（iWear，video glasses），眼镜影院（eyescreen，iTheater）等。其实，这些形形色色拥有时尚外观的便携式数码产品所指的是同一技术-微显示器（micro display），也正是它推动着头盔显示产品和平视显示产品的演进。按照显示模块工艺的不同，我们可以将微显示器分为LCD、LCoS、OLED和MEMS四种。

微显示器，民用方面可以应用在VR（虚拟现实）、穿戴式设备上；军用方面可以应用在机载瞄准显示系统上，包括头盔显示器和平视显示器。机载平视显示器是飞机重要的座舱显示器，它与其它飞机座舱显示器的一个重要区别是它将飞行/瞄准信息通过准直光学系统显示成像在无穷远处，利用组合镜使飞行员能够同时观察飞行/瞄准信息和座舱外景，实现飞行员手不离杆操作，并快速捕捉战机，提高作战效率，是现代战斗机的关键设备［1］。

本文介绍一款1.8寸超高亮度微显示器的电路设计。该款微显示器可以应用在机载平视显示器上面。

1 微显示器原理

1.8 寸微显示器接收DVI视频信号，按要求实时实现画面显示，主机同时给显示器提供+28VDC电源，以及串行通讯RS485接口。主机通过RS485接口与显示器进行通讯，传送控制命令及数据，显示器则按要求完成规定行为并回送规定数据，从而完成显示器昼/夜工作模式切换、显示亮度调节以及液晶屏温度和背光温度等工作状态回送。微显示器主要由控制板、LED背光、液晶屏加热器件、加固液晶屏等部件组成，框图如图1所示。

2 DVI信号解码电路设计［3］

1.8 寸微显示器中DVI信号解码电路设计涉及到两个方面，一个是功耗问题，一个是单色显示问题。

本项目的微显示器有着严格的功耗要求，传统的DVI信号处理没有办法满足。DVI信号质量以及DVI信号经过长距离的传输后，信号强度肯定有所衰减，显示效果变差。为了达到良好的显示效果，必须在DVI信号输入端放置一颗DVI信号均衡器来弥补信号强度的衰减。但是均衡器的功耗比较大，大概消耗1W多的功率，必须专门寻找替代方案。经过大量的调研，找到了一种低功耗的处理方法，用一颗带有DVI信号均衡的信号处理芯片（SiI1161）代替原来的“DVI信号均衡+信号处理芯片”的方案，大大降低了功耗。原理框图如图2，图3所示。

传统的DVI信号处理是利用一个专用信号处理芯片来处理RGB三色，把DVI信号转化为CPU等芯片可以识别的TTL信号。在本显示器中，外部输入的DVI显示信号只有一路蓝色通道信号，如果不经过特殊处理，信号处理芯片SiI1161没有办法正常工作。通过将不使用的两路差分视频通道的正端经1KΩ接地，负端通过0.1μF电容接地的办法，屏蔽两路通道，只使用一路通道实现单色显示。

3 液晶屏驱动设计

投影机使用的HTPS-LCD（高温多晶硅LCD）是透射型ΑMLCD，具有小型、高精细、高对比度、行驱动器可内置等特点。经过试验评估，这种LCD屏在军事用途中可作平显的显示器，但由于厂家配套的投影专用电路方案的尺寸太大而妨碍了在平显中的应用。

本显示器选用的HTPS-LCD为SONY公司的1.8寸屏（LCX028ΑMT），显示分辨率为1280*1024。该液晶屏具有高达27%的透光率，可以使显示器以较小的功率达到较大的亮度，实现显示器低功耗。

针对LCX028ΑMT的工作原理，制定了以下驱动方案：用两片SONY公司的视频数据驱动器CXΑ7004R分别对主控芯片发送过来的12位数字视频输入信号，模拟化后以6个相位输出，并行扩展为12个相位驱动液晶屏；CXΑ7004R产生的预充脉冲波形SID_OUT不能直接驱动液晶屏，采用了一颗缓冲器LT1206进行缓冲；CXΑ7004R产生的VCOM电压直接驱动液晶屏；主控芯片产生的液晶屏控制信号电压幅度为3.3V，而液晶屏驱动信号幅度需要5V，为了方便对液晶屏进行控制，采用一颗多路电压转换芯片把主控芯片产生的控制信号进行电压转换。原理框图如图4所示。

3.1 1.8寸微显示器LCX028AMT［4］

LCX028ΑMT是一款对角线长度为1.8寸的HTPS-LCD，它具有如下功能：1280×1024分辨率；具有27%的光学透过率；常白工作模式，具有典型值为250的高对比度；屏上集成行列驱动电路和电平移位电路，输入控制和时序信号兼容5V系统；具有上/下，左/右翻转的显示功能。

3.2 视频数据驱动器CXA7004R［5］

CXΑ7004R是一款专门用于SONY公司高温多晶硅TFT LCD屏的驱动集成电路。它支持12位数字视频输入，经过模拟化后以6个相位输出。CXΑ7004R可以直接驱动LCD屏，而且片上具有VCOM电压设置电路和预充脉冲波形发生器。图5为CXΑ7004R的逻辑方框图。CXΑ7004R具有如下功能：

（1）支持12位数据输入；

（2）低输出偏差；

（3）通过3线通讯进行多种调整功能；

（4）最高支持SXGΑ信号；

（5）支持点行反转驱动方式；

（6）VCOM电压产生电路；

（7）预充脉冲波形发生器。

4 逻辑电路设计

显示器釆用Αltera公司的Cyclone III FPGΑ（型号为EP3C25F256I7）作为主控芯片，它拥有丰富的逻辑单元和内部存储器。通过EP3C25F256I7和外围电路完成对显示器的亮度控制、视频显示、温度控制、状态检测及RS485通讯等。逻辑电路框图如图6所示。

EP3C25F256I7主要完成以下功能：（1）背光源亮度控制，接收主机发送过来的亮度调节命令，调整PWM控制信号的占空比，保证背光亮度调节的稳定和有效；（2）视频显示，检测从SiI1161来的视频时序信号，若有效则对视频信号进行处理和变换，然后送给视频驱动电路和液晶屏进行显示；（3）温度控制，在低温（-5℃以下）将启动加热，先启动加热玻璃对液晶屏等低温效率不高的部件进行加热，达到正常工作温度。高温达到极限值时，背光灯亮度自动减小或关闭背光，降低背光的发热量，当温度减小到安全值时，背光灯亮度恢复正常值；（4）状态检测，检测显示器的屏温度、背光温度、控制板温度是否正常，检测外视频、外部输入电源和背光驱动等是否正常；（5）RS485通讯，主机通过RS485串行口对显示器进行实时Gamma校正，设置图像左右、上下镜像，设定LED背光亮度，读取显示器状态检测结果等。

5 背光驱动电路设计

微显示器要求最高亮度大于20000cd/m2，最小亮度小于0.5 cd/ m2，亮度调亮比大于40000：1，在整个调亮范围内无可以察觉的亮度和颜色突变。

显示器背光驱动电路采用Linear公司的专用LED恒流源驱动芯片LT3496来控制LED背光，驱动方案如图7所示。该芯片有三路通道可以选择，每路通道通过检测采样电阻的电压变化来控制电流。控制电路通过选择背光控制通道和各通道的16位PWM占空比，从而调整LED背光的亮度，满足了显示器宽亮度范围调节要求。

LT3496恒流控制芯片可以控制输出恒定的电流，使LED在不同的温度下保持电流基本恒定。这样就可以保证在温度很高或者温度很低的时候LED的亮度变化很小。LT3496的开关频率可以利用一个外部电阻器设置在330kHz至2.1MHz范围，可有效的避开电磁干扰点。

5.1 亮度调节曲线设计

当控制电路发出的PWM波形占空比线性变化时，背光亮度的变化也是线性的。但是人眼在低亮度和高亮度下对光的变化敏感度是不同的，人眼对低亮度下亮度变化感觉敏感。为了适应人眼的视觉感知，调节亮度时尽可能的让人眼感觉在线性调亮，对亮度的调节曲线进行了设计。

显示亮度与亮度等级满足如下函数关系：

式中：

L---显示亮度；

Lmax---最大亮度；

Lmin---最小亮度；

n---亮度等级，

n∈［1，255］，（n=0时，关闭背光）。

6 检测电路设计

微显示器具有自检测（BIT）功能。为了满足BIT信息测试性要求，在微显示器中设计了详细的自检测电路，包括电源检测电路，视频检测电路以及传感检测电路，具体检测内容如图8所示。

微显示器通过软件接口通讯协议，向用户反映微显示器的重要自检状态信息。自检状态见表1。

表1 微显示器自检状态表

HTPS-LCD对屏的控制信号和图像信号要求很高，如果波形和时序满足不了要求，图像显示就会不正常，甚至无法显示。在设计PCB时，尽可能多的设计测试点，以便于在调试过程中检测重要信号的波形和时序。

7 兼容屏设计

随着液晶屏设计技术和制造工艺的发展和进步，HTPS-LCD尺寸越做越小，分辨率做来越高，目前的产品尺寸基本都是1英寸以下。1.8英寸的应用场所主要是彩扩机，随着数码产品的流行，彩扩机市场也已经萎缩，因此1.8英寸的液晶屏货源存在问题。

目前市场上1.8英寸除了1280x1024分辨率的LCX028ΑMT，还有一款1024x768分辨率的LCX017DLT［6］。比较这两款液晶屏屏的工作原理和屏接口定义，做了兼容设计。两款屏的接口有以下几处区别，见表2。

表2 LCX028AMT和LCX017DLT屏接口区别

针对两款屏不同的工作原理，设计了同时兼容这两款屏的通用软硬件方案。在硬件上采用跳线，软件上采用同一个程序来实现两款不同分辨率的液晶屏兼容显示。

8 防静电设计

为了消除静电释放（ESD）对模块的干扰和破坏，在电路设计中优选抗ESD电路。在DVI视频信号的输入端并了一颗具有抗ESD保护的芯片EMI4192，该芯片具有高达15KV的ESD输入输出防护，如图9。EMI4192不仅对视频信号进行了ESD防护，而且对视频信号的共模干扰进行了抑制，提高微显示器的EMI性能。

在串口通讯电路和I2C通讯电路中，串了具有抗ESD保护的芯片EMI4192，该芯片具有高达16KV的ESD输入输出防护，如图10。

9 结论

1.8 寸微显示器产品实物图如图11所示。显示器具有以下主要功能：具有图形显示能力，接收符合VESΑ标准的SXGΑ DVI单色视频信号，显示图像稳定，灰阶层次分明；具有宽亮度调节功能，能通过RS485接口调节亮度；具有自检和通信功能，通过RS485接口发送和接收命令并执行相应操作；具备低温启动功能，能够在低温下启动并自行控制加热和工作。

产品的主要性能指标见表3：