小尺寸液晶屏驅動技術研究

黃澤鍔

（廣州颯特股份有限公司，廣東 廣州 510006）

LCD顯示技術是20世紀70年代的偉大發(fā)明。近年來，LCD的應用發(fā)展十分迅速。它具有工作電壓低、功耗小、壽命長、易集成、便攜性好，顯示信息量大和電磁輻射污染小等很多優(yōu)點。

TFT－LCD是目前在亮度、對比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過CRT的顯示器，它的性能優(yōu)良、大規(guī)模生產特性好，自動化程度高，原材料成本低廉，發(fā)展空間廣闊，將迅速成為新世紀的主流產品。在新型平板顯示器行業(yè)中，TFT－LCD最具發(fā)展前景，約占整個新型平板顯示器件市場的70%份額，TFT－LCD產業(yè)的年增長率超過30%，已成為世界第一大顯示產業(yè)。TFT－LCD顯示技術也成為人們研究開發(fā)的熱點。而現(xiàn)在對TFT－LCD驅動技術介紹的技術文檔并不多，而部分涉及到的文檔都有各自的局限性。

本文總結了小尺寸液晶屏的硬件電路設計的技巧。通過對液晶屏驅動所需的各個關鍵信號進行說明，給出相應電路設計要求；接著介紹液晶屏參數(shù)初始化的軟件編程要求。同時說明如何使用 YUV接口進行快速設計。文中以友達三寸屏A030DN05為例，該屏是320×3×240點陣的TFT－LCD屏。

1 硬件驅動電路的設計

1.1 TFT構成及原理

圖1 TFT顯示器基本結構圖

TFT型的液晶顯示器較為復雜，如圖1所示，主要由偏振片、慮色器基板、液晶、TFT基板、背光源組成。在彩色濾色片和 TFT 基板封入扭曲向列型液晶（TN），構成液晶盒，彩色濾色片上制作有透明的公共電極，TFT基板上制作了矩陣式薄模晶體管，用來開關象素電極的電壓信號。液晶顯示器必須有背光源，現(xiàn)在一般是使用LED作為背光。這些光源會先經(jīng)過一個偏光板然后再經(jīng)過液晶，這時液晶分子的排列方式進而改變穿透液晶的光線角度。然后這些光線接下來還必須經(jīng)過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強度與色彩，并進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。

1.2 背光電路設計

TFT LCD電信號主要由背光電路和顯示電路組成。TFT LCD大都采用白光LED作為背光源，不同尺寸的液晶屏白光LED組成的數(shù)目不同。本設計所用的友達3寸屏，它的背光是由3個串連的白光LED組成，驅動電壓大概10 V左右，電流25 mA左右。背光電路是一個耗電量很大的部件，背光電路的設計一般是參考屏規(guī)格書中對LED電流的要求進行設計?？墒褂脤ｉT的IC進行設計，如LM2733就可用作白光LED電流源。具體的應用電路可根據(jù)需要參考芯片的應用電路。圖2是友達3寸屏的內部背光參考電路示例。該電路作用也是提供電流源給白光LED。

圖2 A030DN05背光電路

1.3 VCOM電路設計

VCOM是屏的一個重要信號，它是指LCD公共驅動電極。在液晶顯示器內，當顯示電極的電壓高于VCOM電極電壓時，就稱之為正極性；而當顯示電極的電壓低于VCOM電極的電壓時，就稱之為負極性。液晶分子具有一種特性，它不能夠一直固定在某一個電壓不變，不然時間久了，即使將電壓取消掉，液晶分子會因為特性的破壞，而無法再根據(jù)電場的變化來轉動，以形成不同的灰階。所以當顯示畫面一直不動時，我們仍然可以藉由正負極性不停的交替，達到顯示畫面不動，同時液晶分子不被破壞掉特性的結果。也就是說可通過改變VCOM而達到翻轉的目的。VCOM對顯示效果有明顯的影響，它在規(guī)格書里可以查到，它是一個方波，它的AC特性對顯示的亮度有關系，DC特性對顯示畫面的抖動有關系，對于每一個PANEL都需要來調整這個參數(shù)。VCOM 電壓一般的產生方法是從 Timing Controller輸出VCOMAC，然后經(jīng)過運算放大器放大，然后耦合上VCOMDC，最后送入屏作為VCOM信號.根據(jù)不同的液晶屏，VCOM電路的設計也不同。有些液晶屏也將VCOM電路集成到相應的揉性板上，用戶不需再做這個電路。圖3是友達3寸屏的VCOM參考電路示例。其中FPR是VCOM的AC輸出電壓，COMDC是VCOM的DC輸出電壓。

圖3 A030DN05 VCOM電路

1.4 VGH，VGL電路設計

VGH是TFT的開啟電壓，VGL是TFT的關閉電壓。在打開TFT時需要開啟電壓VGH，大概15～25 V左右，關閉TFT電壓VGL大概－5～－10 V左右。一般CMOS管的打開和關閉只要幾伏就夠了，而 VGH和 VGL為什么需要這么大的電壓呢？這是因為LCD中的TFT和芯片中的MOSFET用的材料是不一樣的，LCD中用的是a－Si（非晶硅），而芯片中用的是單晶硅，這兩者的主要區(qū)別是導電用的載流子遷移率相差很大，a－Si的載流子遷移率很低。遷移率低，意味著在單位面積上，充滿相同電荷所用的時間更久。TFT因為TFT載流子遷移率低，而每條掃描線又只開啟很短一段時間，因此，在TFT打開的這段時間內，需要有足夠大的電流來對像素電容充電，不然解析度高了之后，有可能電壓充不飽。

至于關閉狀態(tài)，要求VGL小于TFT的截至電壓，但VGL＝0V是沒辦法使TFT在段時間內快速截止的。并且TFT也沒辦法 100%關閉的，在關閉狀態(tài)下會有漏電流存在，隨著 VGL變化的，在某個電壓下有個漏電流的最低值。

設計VGH，VGL電路時，可使用專門的IC進行設計，如LM2622就可用于提供TFT的偏置電壓。具體的應用電路可根據(jù)需要參考芯片的應用電路。友達3寸屏的VGH，VGL用液晶屏內部產生，用戶不需再進行設計。

1.5 液晶屏數(shù)據(jù)接口設計

液晶屏的數(shù)據(jù)接口有YUV格式和RGB格式。對于具有YUV接口的液晶屏，可使用能將復合視頻轉成YUV數(shù)據(jù)格式的視頻解碼芯片。該芯片可提供液晶屏所需行，場，時鐘，數(shù)據(jù)信號。這些信號可與液晶屏接口直連，不需要考慮接口的時序設計，從而簡化了屏的設計。友達3寸屏的設計框圖見圖4，本設計的復合視頻使用CCD（電荷耦合元件）模塊來提供，視頻解碼芯片使用TVP5150，它可將復合視頻轉成YUV格式的數(shù)據(jù)信號，然后輸入到液晶屏。從而滿足了液晶屏要求的數(shù)據(jù)接口。

圖4 友達3寸屏液晶屏數(shù)據(jù)接口原理框圖

1.6 液晶屏初始化的三線接口設計

一般小尺寸液晶屏大部分都需要三個信號線進行參數(shù)初始化。這三線是指片選信號，時鐘信號，數(shù)據(jù)信號。其工作方式類似SPI方式，具體的工作方式根據(jù)不同液晶屏略有不同。友達3寸屏中這三個信號是指 CS，SCL，SDA。寄存器的讀寫時序一般根據(jù)液晶屏規(guī)格書來設計。本設計使用一個MCS－51單片機提供信號 CS，SDA，SCL。而對于部分液晶屏是不需要初始化參數(shù)的。實際應用YUV數(shù)據(jù)接口，在初始化寄存器時，容易遇到的問題是，初始化后屏顯示的顏色不對，原因一是可能 YUV格式不對，只需改控制左右移的寄存器，一般該寄存器以4為一個步進單位，可在4個單位里改。即原來如果圖像左移5個單位，值設為20，可改為21，22，23進行嘗試，它同樣是左移5個單位。原因二是可能行或場的極性顛倒了，如圖5所示，可通過寄存器對行或場取反。另外，屏閃爍，可能是VCOM沒調到中心點，使液晶亮度不一致，產生閃爍抖動的現(xiàn)像。這時可通過寄存器調VCOM 的DC端，它的作用是消抖動。

圖5 行或場極性顛倒

2 硬件實驗結果

通過對TFT－LCD的相關信號詳細了解后，使用上述方法進行設計，成功將友達三寸屏點亮，顯示效果見圖6，顯示效果較好。應用上述的方法，本人已成功完成多塊液晶屏的驅動，并在相關的手持設備中應用。

圖6 友達3寸屏行正常顯示效果

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