LVDS车载应用传输质量分析

摘要：介绍了高速视频信号低压差分信号（low voltage differential signaling，LVDS）在薄膜晶体管（thin filmtransistor，TFT）液晶显示屏（liquid crystal display，LCD）模组中受到的影响因素及改善方向。基于车载显示屏中的印刷电路板（printed circuit board，PCB）及柔性电路板（flexible printed circuit，FPC）信号传输线进行阻抗匹配，分析LVDS 在PCB 到FPC 跨介质传输后，FPC 长度对LVDS 造成失真畸变，其原因为寄生电容变化导致容性反射，进而引起信号非单调性。在FPC 长度较长且电磁兼容性（electro magneticcompatibility，EMC）需求较高的情况下，将LVDS 从L 型走线改为T 型走线，可改善LVDS 眼图的质量。

关键词：TFT LCD 面板；低压差分信号（LVDS）；柔性电路板（FPC）；印刷电路板（PCB）；信号传输

中图分类号：TN919.8；TN27 文献标识码：A

0 引言

车载薄膜晶体管（thin film transistor，TFT）液晶显示屏（liquid crystal display，LCD）的主流接收信号为低压差分信号（low voltage differential signaling，LVDS）[1]。在处理高分辨率显示时，对面板显示集成电路（integrated circuit，IC）数量的需求增加，导致LVDS 需要级联拓扑，目前L 型拓扑为主流架构。

LVDS 在TFT LCD 模组中的路径为从低压差分信号连接器（LVDS connector）进入，经印刷电路板（printed circuit board，PCB） 到柔性电路板（flexible printed circuit，FPC）再到玻璃（GLASS）及IC，实现跨介质传输。跨介质传输需要进行阻抗匹配，最佳方案是将FPC 与PCB 进行阻抗管控来保持阻抗值相同，减少信号反射。

L 型拓扑架构非一对一传输信号，终端匹配电阻仅设置在主接收端（master RX），如图1 所示。支路走线对信号完整性影响较大，且跨介质交界处的阻抗难以管控，导致LVDS 眼图质量较差，并且master RX 和从接收端（slave RX）存在眼图差异明显等问题。

本文对PCB 到FPC 跨介质传输后的LVDS 眼图质量进行探究，设计应用于尺寸为15 in （1 in ≈2.54 cm）以下的全高清（full high definition，FHD）显示屏（分辨率为1 920×1 080 像素），LVDS 数据传输速率为500 ～ 800 Mb/s，需要拓扑级联的车载TFT LCD。本文验证了FPC 长度对眼图的影响，即使实现了阻抗匹配，FPC 寄生电容仍会导致信号质量变差，分析并证明寄生电容的影响，并给出LVDS T 型拓扑的改善方案。

1 FPC长度对眼图效果的影响

PCB 采用L 型走线，PCB 在固定LVDS 走线长度及两个IC 拓扑架构下，信号传输速率为600 Mb/s，LVDS L 型架构仿真模型如图2 所示。

仿真设定FPC 和PCB 传输线阻抗均管控为100 Ω，master RX 处终端匹配电阻为100 Ω；FPC的长度分别为10 mm、20 mm、30 mm。结果显示，master RX 眼图受拓扑结构及FPC 长度影响较大，甚至无法达成产品对于眼图0.6 个单位时间间隔（unit interval，UI）180 mV 的规格要求。

从时域展开对master RX 眼图波形分析，波形上升沿和下降沿均出现了非单调性，并且FPC 长度越长，非单调性现象越严重。

2 FPC对眼图的关键影响因素

2.1 跨介质对眼图的影响因素

从PCB 到FPC 存在跨介质现象，跨介质影响信号的因素包括：①阻抗不匹配；②介质不匹配；③跨介质引入额外的延迟；④介质改变出现衰减损耗等。

跨介质交界处因显示屏制程原因，PCB 主体和PCB 上的金手指连接时同一组传输线的线宽、线距不同，并且由异方性导电胶膜（anisotropicconductive film，ACF）完成PCB 与FPC 的绑定贴合制程都会导致阻抗不匹配。此外，FPC 在设计时存在单双层选择，网格铜、实心铜会影响阻抗，进而产生信号参考面多样化、不连续等问题，导致FPC 阻抗不连续。但是，最突出的现象是信号出现非单调性的回勾，而非简单的过冲下凹信号反射现象和信号延迟现象。

2.2 非单调性影响因素

信号呈现非单调性，通常指的是信号在上升沿或下降沿出现不单调的行为，如存在回沟、台阶或其他不规则形状。信号边沿非单调性通常是由于信号传输路径过长、寄生电容过大、阻抗不连续等直接原因以及反射、多负载反射、驱动输出阻抗较大（同时驱动过小）等间接原因，导致接收信号过缓而引起的行为[2]。

跨介质传输导致的阻抗不连续及多负载反射无法有效规避，因此容性负载导致的反射对非单调性影响较大。

2.3 寄生电容对传输线的影响

容性反射通常出现在电容充电初期，其产生的阻抗较小，小于走线的特性阻抗。信号在电容处发生负反射，这个负电压信号和原信号叠加，使得发射端的信号产生下冲，引起发射端信号的非单调性。

对于接收端，信号到达接收端后发生正反射，反射回来的信号到达电容位置并且发生负反射，反射回接收端的负反射电压同样会使接收端的信号产生下冲现象。

FPC 与PCB 使用的基板材料不同， 相较于PCB，FPC 线间距和层间距往往更小，这意味着其具有更大的寄生电容。通过参考PCB 估算寄生电容公式，计算传输线与参考层产生的电容。计算可得，PCB 的每1 mil（1 mil ≈ 0.025 4 mm）走线与参考层产生的电容为0.000 8 pF；相较于PCB，FPC 的走线较细，每1 mil 走线与参考层产生的电容为0.001 2 pF。理论上，FPC 具有较大的寄生电容，考虑到其具有柔性，以及制作工艺和材料特性等因素，FPC 需要弯折与背光模组（back light unit，BLU）金属层相邻，因此大大增加了其寄生电容。

由图3 可知，每隔1 mil 都有较大的寄生电容参与到走线中，引起容性反射，而且传输线长度越长参与电容越多，造成的影响也越大[3]。

2.4 寄生电容对传输线的影响

将长度为10 mm 的FPC 加入并联电容，进行FPC 寄生电容模拟，如图4 所示。

通过分析寄生电容分别为0.5 pF 与1 pF 的信号波形图，10 mm FPC 出现明显上升沿和下降沿的回勾，且随寄生电容的增大而增大。实验结果证实了FPC 存在寄生电容影响，并且传输线长度越长，寄生电容越大，对眼图质量的影响也越明显。

在现有的FPC 应用中，传输线参考层使用网格铜比实心铜具备更好的传输质量，眼图质量也更佳[4]。网格铜减小了有效的寄生电容面积，但考虑到电磁兼容性（electro magnetic compatibility，EMC）屏蔽性能要求，实心铜的EMC 屏蔽性能更好，具有不可替代性，因此实际使用时需对网格铜、实心铜进行抉择。

3 T型与L型走线比较

3.1 传统T 型与L 型走线比较

PCB 采用T 型走线，两个IC 拓扑架构下PCBLVDS 走线传输到master RX 和slave RX 的距离相同，信号传输速率为600 Mb/s，FPC 和PCB 传输线阻抗均管控为100 Ω，master RX 和slave RX 处均配置终端匹配电阻100 Ω，如图5 和图6 所示。

在FPC 长度同为30 mm 的条件下，相较于L型走线，T 型走线虽然在拓扑后会产生分流分压效果，但因master RX 和slave RX 均有匹配电阻，整体的反射现象得到较好抑制，信号完整性更佳。虽然T 型走线眼图的幅值小，但相较于L 型走线眼图的眼型塌陷，T 型走线眼图的睁眼效果更好，能达到产品对于眼图0.6 UI 180 mV 的规格要求，且master RX 和slave RX 眼图基本一致。

基于当前T 型走线拓扑架构，可适当调节PCB阻抗至120 Ω，增加终端匹配电阻至150 Ω，从而改善T 型走线拓扑分流分压效果，使得眼图效果更佳。

3.2 新型T 型架构

传统T 型走线拓扑需要保持PCB LVDS 走线传输至master RX 和slave RX 的线路长度相等，所以占用PCB 板面积较大。当PCB 尺寸较小时，传统T 型走线拓扑的应用受限。故采用L 型拓扑走线，master RX 和slave RX 端均接入终端匹配电阻架构，此架构依旧会产生分流分压效果，但整体的反射得到较好的抑制，信号完整性也更佳。

相较于传统T 型架构，新型T 型架构masterRX 和slave RX 因走线不同，眼图无法保持基本一致，但高速信号线占用板面积与L 型架构相当。

4 实际显示屏T型与L型走线眼图验证

本文对3 种PCB 走线眼图进行验证，分别采用传统L 型走线拓扑、传统T 型走线拓扑及新型T型走线拓扑，信号传输速率为600 Mb/s，FPC 采用长度为30 mm 的设计。

如图7 所示，实测波形与仿真结论保持一致，传统L 型走线拓扑架构眼图塌陷严重，无法满足0.6 UI180 mV 的规格要求；传统T 型走线拓扑架构反射最小，新型T 型走线拓扑因走线架构原因存在轻微反射，但二者均能满足0.6 UI 180 mV 的规格要求。

5 结论

本文分析了PCB 因背折需求所导致的FPC 较长、车载显示屏LVDS 信号较差的原因，探究了FPC 阻抗匹配后仍有反射的原因，确认了RX 接收端传输线信号较差是因为传输线上仍存在反射现象，进而导致信号发生非单调性。该反射现象存在的主要原因是FPC 的寄生电容产生的容性反射较大。此外，本文还验证了FPC 长度越长，其寄生电容产生的影响越大，证明了容性反射的真实性。

对需要较长FPC 的车载显示屏，提出了LVDS 使用T 型走线拓扑架构的改善方法。通过实际测量与仿真，验证了FPC 的长度相同时，T 型眼图的质量较L 型更好，基于T 型拓扑型双端匹配的优势提出了新型T 型架构。结果表明，对于FPC 模组架构，PCB 使用双终端电阻匹配架构能兼顾LVDS 信号质量与EMC 需求。

参考文献

[1] 廖燕平，宋勇志，邵喜斌，等. 薄膜晶体管液晶显示器显示原理与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2016：207-213.

[2] BOGATIN E. 信号完整性与电源完整性分析：第三版[M]. 李玉山，刘洋，初秀琴，等译. 北京：电子工业出版社，2019：170-175.

[3] 布鲁克斯. PCB 电流与信号完整性设计[M]. 丁扣宝，韩雁，译. 北京：机械工业出版社， 2015：126-130.

[4] PAUL C R. 电磁兼容导论：第2 版[M]. 闻映红，等译. 北京：人民邮电出版社， 2007：523.