TFT LCD驅動電壓紋波與畫質相關性研究

張騰 張秀琴 梁利生 許益禎

摘 要：為了實現對TFT LCD RGB屏的畫質評價，建立了TFT LCD RGB屏驅動電壓紋波對畫質影響的測試，對TFT LCD RGB屏的電源系統所采用驅動電壓的紋波以及測試畫面畫質等進行研究。首先，根據TFT LCD RGB屏的驅動電壓介紹了電壓調適流程以及要求。接著，以主要的測試畫面： 輕載以及重載畫面為例分析了典型的驅動電壓調適法，以32HD TFT LCD RGB屏為基礎進行驅動電壓紋波調適。然后，在分析比較光學的基礎上，說明了以驅動電壓紋波的控管方法來進行畫質評價的優勢。最后，介紹了TFT LCD RGB屏的驅動電壓的紋波校正法。實驗結果表明通過驅動電壓紋波的控管方法來管控TFT LCD RGB屏的畫質是可行的。基本滿足TFT LCD RGB屏可以經過控管驅動電壓紋波的方法來進行管控畫質的要求。

關鍵詞：TFT LCD RGB屏；驅動電壓紋波；電壓紋波管控

中圖分類號：TM923.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0007-05

Abstract： In order to evaluate the image quality of the TFT LCD RGB screen， the influence of the driving voltage ripple of the TFT LCD RGB screen on the image quality is established， and the ripples of the driving voltage used in the power supply system of the TFT LCD RGB screen and the picture quality of the test screen are studied. First of all， according to the driving voltage of the TFT LCD RGB screen， the voltage adjustment process and requirements are introduced. Then， taking the main test pictures： light load and heavy load picture as an example， the typical driving voltage adjustment method is analyzed， and the driving voltage ripple adjustment is carried out based on 32HD TFT LCD RGB screen. Then， based on the analysis and comparison of optics， the advantages of the control method of driving voltage ripples for image quality evaluation are explained. Finally， the ripple correction method of driving voltage of TFT LCD RGB screen is introduced. The experimental results show that the control method of driving voltage ripples to control the image quality of TFT LCD RGB screen is feasible. It basically meets the requirements that the TFT LCD RGB screen can control the image quality by the method of controlling the driving voltage ripples.

Keywords： TFT LCD RGB screen； drive voltage ripple； voltage ripple control

1 概述

隨著TFT LCD產品的大型化且高分辨率化，對TFT LCD RGB產品驅動電壓調試的準確度和驅動電壓紋波檢測的正確性要求越來越高。驅動電壓紋波由管控驅動電壓的電壓紋波振幅值來評估畫質，此驅動電壓紋波的計量方式一直是驅動電源電路的主要評估點，但不論如何管控驅動電壓的電壓紋波均需滿足畫質要求。

本文在TFT LCD RGB屏驅動電路系統應用于工業產品的基礎上來建立驅動電壓的紋波管控，并可以滿足系統算法來管控TFT LCD RGB屏的畫質需求。現證明將TFT LCD RGB屏的驅動電壓紋波管控方法應用于工業產品的光學及畫質領域，在保證光學測量要求的同時，可以達成對TFT LCD RGB屏的驅動電壓紋波進行定量管控等特點。

2 TFT LCD RGB屏驅動電源系統構成及其工作原理

2.1 TFT LCD RGB屏驅動電源系統的硬件構成

圖1為TFT LCD RGB屏驅動電源系統的硬件構成。它主要由：a.邏輯驅動電源子系統；b.Panel柵極驅動電源

子系統以及；c.模擬電源驅動子系統等組成。邏輯驅動電源子系統由邏輯驅動電源生成部，Panel驅動IC邏輯電源需求部，Panel像素計算IC邏輯電源需求部等構成。模擬電源驅動子系統由模擬電源生成部以及Panel模擬電源需求部，Panel參考電壓電源需求部等組成。具體運行方式為：1.系統輸入電源，進入邏輯以及模擬電源生成子系統，生成各路邏輯電源電壓，以及各路模擬電源電壓。2.依據Panel驅動IC以及其他IC的需求制定的電壓生成順序依次產生所有驅動電源電壓來驅動整體TFT LCD RGB屏系統。

2.2 TFT LCD RGB屏驅動電源系統的工作原理

TFT LCD RGB屏的驅動電源系統的基本工作原理為：

（1）驅動TFT LCD Device的開關所使用的高壓（打開Device）以及低壓（關閉Device）。

（2）對TFT LCD中的像素電容充電來驅動液晶所需要的驅動電壓，其中包含一個全壓仿真電壓和一個半壓仿真電壓、用來當作DAC（數模轉換電路）所需要的Gamma電壓以及驅動像素電極時所需要的參考電壓。

（3）TFT LCD RGB屏驅動電路中的各IC芯片上所需要使用的驅動電壓，其中包含時序控制IC、內存IC以及TFT LCD 源極驅動芯片等所需要的驅動電壓（包含了所有的邏輯電壓以及核心驅動電壓）。

首先，將輸入電源輸入驅動電源系統之后，分出邏輯電源電壓（所有的邏輯電壓以及核心驅動電壓）并產生一階的仿真電源電壓（全壓仿真電壓和半壓仿真電壓）。

其次，產生二階的模擬電壓，開關所使用的高壓（打開Device）和低壓（關閉Device），以及像素電極的參考電壓。

最后，產生Gamma電壓使之可以達到精確的光學特性。

由圖2可知，由電源產生設備和圖像產生設備作為信號源，通過電壓測量設備獲取待測TFT LCD屏的各路電壓，通過校正最終可以完成TFT LCD屏的電壓產生確認。

3 TFT LCD RGB Panel驅動電源系統電壓紋波的評估

3.1 驅動電壓紋波的產生

TFT LCD電源信號輸入后，作用于TFT LCD Panel電子電路之中的實體轉換電路，根據目前實際應用可以列出至少兩種轉換的電子電路，分別是：

第一種由Boost升壓電路系統為橋梁，建立TFT LCD Panel電路驅動關系，電路拓撲及等效圖如圖3（a）、圖3（b）所示。

Boost升壓電路的算式如下：

（1）

（2）

令（1）=（2），得：

（3）

（4）

（5）

（6）

可以由Duty（占空比）來設置輸出電壓。

第二種為Buck降壓電路系統，通過直接降壓方式來定TFT LCD Panel電路的驅動關系，電路拓撲及等效圖如圖4（a）、圖4（b）所示。

Buck降壓電路的算式如下：

（7）

（8）

令（7）=（8），得：

（9）

（10）

（11）

可以由Duty（占空比）來設置輸出電壓。

在開關電源中，一般輸出電壓都會產生紋波，這是由于開關電源中的開關管在運行過程中不斷地導通和關斷，導致電路中電感電流在輸出電流的有效值上下波動，因此電路產生的輸出電壓也會產生一個與開關管同頻率的電壓紋波。

當開關電源的輸出電壓紋波過大時，會對電路后端負載的正常工作帶來不利影響，因此我們一般會在電路的輸出端增加電容來減小輸出電壓的紋波。圖5表示了開關電路中電感電流隨時間的變化關系，根據式（12）可以計算出電路輸出端的電容值，電路輸出端的電容值與輸出電壓紋波的控制可由此來設置。

（12）

3.2 驅動電壓紋波的調整與畫質相關性

本文基于32HD TFT LCD RGB屏的各種測試畫面來驗證驅動電壓紋波和顯示畫質的相關性。應用于實際光學調整時，各電壓會呈現出不同的負載需求進而呈現于驅動電流波形之上，在此狀態之下進行TFT LCD RGB屏的電壓電流紋波校正，且可同時對光學校正進行確認。具體操作為由圖像產生設備輸出測試畫面，當屏上畫面顯示后確認各路驅動電壓電流紋波并進行校正，待紋波滿足規格要求并確認畫面正常時，在此狀態下進行光學校正。

本文針對32HD TFT LCD RGB屏常見的測試畫面，采用相應的測量方式進行了輸入變化測試、負載變化測試，具體步驟為：

3.2.1 輸入電壓變化時各路驅動電壓的確認

一般輸入電壓變動范圍為：0.9Vin<=Vin<=1.1Vin，當輸入電壓在此范圍內變化時，輸出電壓的線性調節范圍可由式（13）表示，圖6表示了輸入電壓變化對輸出電壓的影響。

輸入變化測試下，驅動電壓紋波數值分析結果如表1所示。

當輸入電壓分別在最大值、典型值、最小值時，各路輸出電壓的紋波對比圖分別如圖7、圖8、圖9所示。

3.2.2 負載變化時各路驅動電壓的確認

TFT LCD RGB屏（常黑模式）一般負載的變動范圍為：黑畫面（輕載）<=Load（負載）<=白畫面（重載），當負載在此范圍內變化時，輸出電壓的線性調節范圍可由式（14）表示，圖10表示了負載變化對輸出電壓的影響。

在12V電源輸入時，負載變化測試下，驅動電壓紋波數值分析結果如表2所示。

當負載分別為黑畫面（輕載）和白畫面（重載）時，各路輸出電壓的紋波對比圖分別如圖11、圖12所示。

4 TFT LCD RGB屏驅動電壓紋波與畫質相關性測量實驗與結果

4.1 Gamma校正結果

當輸入電壓滿足Vin（MIN）<=Vin<=Vin（MAX）時，Gamma滿足2.0<=Gamma<=2.4，灰階Gray level在40～240區間的Gamma value一致。圖13、14、15分別是校正后的Gamma指數曲線、對數曲線以及誤差率曲線。

4.2 對比度校正結果

當輸入電壓滿足VMIN<=Vin<=VMAX時，黑畫面（輕載）和白畫面（重載）亮度及對比度均合乎規格，列表對比如表3所示：

表3 不同輸入電源下的亮度及對比度

5 結論

本文根據現代工業要求，提出了驅動電壓的紋波校正法，并介紹了調適原理以及測試標準。然后以各種測試畫面為例分析了典型的驅動電壓調適方法。最后通過畫質評價方法對TFT LCD RGB屏的電壓紋波誤差補正方法進行了驗證。結果證明：經過此方法調整電壓紋波到3%之內時，能滿足光學以及畫質的要求。

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