使用負型液晶的電源電路優化方案

張秀琴 許益禎 邵正坤 閔泰燁 劉毅

摘? 要：文章基于使用負性液晶的顯示屏，為實現TFT LCD的電路設計優化，對系統電源電路簡化方面進行相關研究。首先，根據TFT LCD電路驅動原理介紹了目前常用的電源驅動架構。進而，以正性液晶為例分析了典型的電源電路設計，即常規Source Driver IC驅動的電源電路設計以及常態的TCON IC IO電壓輸出級電源電路。其次，介紹了使用負性液晶基礎上的電源電路并對TFT LCD電源驅動進行簡化電路設計，說明了采用該電源電路設計的優勢。最后，對使用負性液晶的電源電路優化方案進行了總結。可以表明：文章提出的使用負型液晶的電源電路優化方案，能夠滿足TFT LCD電源電路系統的穩定、可靠及精度高等要求。

關鍵詞：負型液晶;電源驅動;電路優化

中圖分類號：TM923.5? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0113-03

Abstract： In order to realize the circuit system design optimization of TFT LCD with negative type liquid crystal， and the research of power supply circuit simplification is studied. First of all， according to the TFT LCD circuit driving theory， the typical drive circuit architecture is introduced. Then， the normal power circuit design is analyzed with positive liquid crystal as an example， i.e. the analog power circuit design of Source Driver IC and the normal TCON IC logic voltage output power circuit design. Furthermore， the simplified power supply circuit design based on negative type liquid crystal is proposed， and the advantages of using this power circuit design are illustrated. Finally， the designed power circuit system structure with negative type liquid crystal are concluded. It can be shown that the power circuit optimization scheme of negative type liquid crystal can meet the requirements of stability， reliability and high precision of TFT LCD power circuit system.

Keywords： negative type liquid crystal; power driving; circuit optimization

1 概述

液晶（Liquid Crystal Material）作為TFT LCD（thin film transistor Liquid Crystal Display）顯示屏主要組成部分，一直是業界為提升顯示性能的重要研究對象。液晶在LCD中起到一種類似光閥的作用，可以控制透射光的明暗，從而取得信息顯示的效果。液晶的種類主要分為正型液晶和負型液晶，針對不同類型液晶，電路驅動方案也需進行相應調整。

TFT LCD顯示屏的電源驅動電路可在原有正型液晶驅動電路基礎上增加負型液晶驅動電路，利用負型液晶的電源種類需求對TFT LCD整體的電源電路進行優化以及整并，從而使其在邏輯電源和模擬電源電路方面呈現更緊湊的架構且可以降低成本。但是，由于加入負型液晶的驅動電源電路后，原有的應用于正型液晶中的電源架構以及柵極驅動IC（Source Driver IC）架構需要進行優化即為本文所提。

TFT LCD驅動電路是以數字和模擬電路為基礎，融合信息處理、光電子學等科學為一體的電子電路設計技術。隨著TFT LCD產品的大型且高分辨率化，對TFT LCD產品光學標準的要求也越來越高。

TFT LCD高分辨率產品對透過率要求較高（如5%至8%）時可能需要使用負型液晶。因此，對TFT LCD負型液晶屏的電源電路驅動技術以及電路優化方法進行研究，能夠提高其顯示質量，促進TFT LCD面板的電學以及光學規格的提升。

鑒于此，本文對TFT LCD UHD（3820×2160像素）分辨率產品的電源電路系統進行研究，建立應用于工業產品的UHD等大尺寸的負型液晶屏的電源電路驅動優化系統，通過對工業UHD負型液晶屏產品進行電源電路驅動系統優化，說明本文所建立的針對UHD負型液晶屏產品的電源電路驅動優化系統可以在保證系統驅動要求的同時達成簡化系統以及降低生產成本的特點。

2 TFT LCD顯示屏電路驅動構成及工作原理

2.1 TFT LCD顯示屏電路驅動系統的硬件構成

TFT LCD顯示屏電路驅動系統的硬件構成如圖1。其主要由TFT LCD子畫素訊號分析子系統、圖像生成子系統等數字信號部分以及驅動電源電路生成子系統等模擬信號部分組成。TFT LCD子畫素訊號分析子系統主要包括用于分析系統端傳送過來的TFT LCD子畫素信號的receiver，并將其轉換為圖像生成子系統可接受的信號;圖像產生子系統由輸出連結到Source driver IC的圖像信號產生器transistor等組成，用于向TFT LCD屏傳遞標準子畫素傳輸信號;source driver IC可將傳遞來的子畫素數據信號進行處理轉化成實際TFT LCD屏內子畫素的充電電壓。驅動電源電路生成子系統產生TFT LCD電路系統上所需的各路電壓以及承載電流，以確保所有畫面下均能夠正常輸出。

2.2 TFT LCD顯示屏模擬電路驅動

TFT LCD顯示屏模擬電路驅動的工作原理為：對于以下各子系統進行驅動電壓電流的承載以及對于TFT LCD實際子畫素充電進行承載。由TFT LCD子畫素訊號分析子系統分析系統端傳送過來的TFT LCD子畫素信號，完成RGB等子畫素信號轉換之后傳遞給圖像產生子系統，并由圖像產生子系統轉換成連結source driver IC的標準子畫素傳輸信號，以及控制TFT LCD子畫素開關的同步信號，source driver IC可對傳遞來的子畫素數據進行處理轉化成實際TFT LCD屏內子畫素的充電電壓。

具體步驟為：

（1）TFT LCD電路系統開機時由模擬電路產生系統所需的邏輯電源以及模擬電源。

（2）利用邏輯電源以及模擬電源生成的先后次序對各子系統以及TFT LCD子畫素進行重啟動作。

（3）提供數字電路系統正常工作所需的電壓電流承載以及TFT LCD子畫素充放電時的電壓電流承載。

由圖2可知，通過TFT LCD顯示屏模擬電路，經上述三個步驟最終可以完成TFT LCD顯示屏的驅動。

3 TFT LCD顯示屏使用負型液晶的電源電路驅動

3.1 正型液晶的電源電路驅動

針對液晶各向介電異性，平行介電常數ε∥大于垂直介電常數ε⊥時，稱為正性液晶，如式（1）所示。

Δε=（（ε∥）-（ε⊥））>0? ? ? ? ? （1）

由于信號源中數字信號僅包含有RGB三個色素的信息，若想在TFT LCD顯示屏上正確顯示圖片/視頻信息，在進行光學校正時需要保證灰階（gray level）40～240之間，RGB各個子像素均能滿足液晶屏透過率在Gamma=2.4和Gamma=2.0之間，如式（2）所示。

式中：L為液晶屏的顯示亮度，其為灰階水平G的函數;G為灰階水平，范圍為0～255;Gmax為液晶屏的灰階水平最大值，Gmax=255。

為了顯示不同灰階的亮度，圖片/視頻數字信號需要通過源極驅動芯片Source driver IC將其轉換成可驅動液晶翻轉的模擬驅動電壓，以控制每個色素所顯示的亮度、灰階和色彩。其中Source driver IC為實現G0～255不同灰階對應的電壓，內部對于gamma的各綁點模擬電壓均設置為0V～AVDD（IC正常工作需要的模擬電源）之間，且為降低IC功耗，還需要引入HAVDD（1/2 AVDD）電壓減小工作時的驅動電流。亦即source driver IC需要AVDD， HAVDD， GND等三個模擬電壓。

3.2 負型液晶的電源電路驅動

針對液晶各向介電異性，平行介電常數ε∥小于垂直介電常數ε⊥時，稱為負性液晶，如式（3）所示。

Δε=（（ε∥）-（ε⊥））<0? ? ? ? ? （3）

基于負型液晶應用于實際光學調試時，亦需要保證灰階gray level 40～240，RGB各個子像素均能滿足液晶屏透過率在Gamma = 2.4和Gamma = 2.0之間。

由于負型液晶的方向性與正型液晶相反，所以其中Source driver IC內部對于gamma的綁點電壓可設置為NAVDD～PAVDD之間，中間使用0V（GND）作為工作模擬半壓，以達到同樣降低IC功耗的作用。亦即source driver IC需要PAVDD， NAVDD， GND等三個模擬電壓。采用新電壓范圍的負性液晶V-T曲線如圖3所示。

3.3 負性液晶的整體電源電路整并方式

針對使用負型液晶時source driver IC的綁點電壓需求，可將整體電源電路進行進一步優化，使驅動電路結構更加緊湊，且可進一步降低生產成本，具體描述如下。

3.3.1 source driver IC 模擬電壓優化

正性液晶驅動電路中，source driver IC需要的模擬電源主要為AVDD， HAVDD=VCOM（數據信號的基準電壓）， GND。使用負性液晶時，驅動電路中的source driver IC工作模擬電壓可優化為PAVDD， NAVDD， MAVDD=GND=VCOM。因此可以將模擬電壓由4路整合為3路。

3.3.2 邏輯電源電路整并

目前TFT LCD顯示屏電路系統中主要使用2種邏輯電源電壓，時序控制器TCON IC 使用DVDD1/DVDD，Source driver IC 使用DVDD，存儲器FLASH IC使用DVDD1等。為進一步簡化驅動電源電路，根據現有工藝技術，可對電路設計進行優化，將TCON IC中DVDD1邏輯I/O模塊用DVDD電壓替代進行控制，Flash IC的邏輯控制電壓也可由DVDD1變為DVDD，由此可使整個電路的邏輯電壓源均為DVDD。輸出電源種類減少后，電源產生電路模塊的外圍電路可大大簡化，進而可降低生產成本。

4 簡化的負型液晶TFT LCD 顯示屏電路驅動方案

利用上述優化電源電路方法對使用負型液晶TFT LCD顯示屏進行電路設計，并對結果進行分析。

4.1 模擬電源輸出結果

Source driver IC對于內部OP運放電路輸出級進行IP的電路設計，將其原有的GND，HAVDD，AVDD的電路需求修改為PAVDD，GND，NAVDD的電路需求，如此可以整并模擬電路模塊。

4.2 邏輯電源輸出結果

TCON IC，source driver IC，falsh IC，level shift IC等相關會使用邏輯電源的IC，經Power IC產生DVDD電源當作各IC內部邏輯工作電壓，可以整并邏輯電路模塊。

4.3 簡化的整體電源電路設計

經過模擬電路模塊和邏輯電路模塊的整并之后，用于負型液晶的整體電路結構設計如圖4所示。

5 結束語

文章根據現代工業要求，提出了TFT LCD顯示屏應用于負型液晶下的驅動電源電路系統優化方法。首先介紹了目前常用的電源系統架構。然后基于TFT LCD驅動原理對使用負性液晶條件下的電源電路系統優化進行研究。最后，介紹了TFT LCD顯示屏應用于負型液晶下優化后的整體電源系統架構。結果證明：本文在滿足TFT LCD顯示屏要求下，針對應用于負型液晶時可對驅動電路系統進行優化，并可降低生產成本。

參考文獻：

[1]戴亞翔.TFT-LCD面板的驅動與設計[M].2006：4.

[2]邱關源，羅先覺.電路（第5版）[M].2006：05.

[3]陳文明.大屏幕TFT-LCD驅動電路設計[J].光電技術應用，2019，34（01）：35-40.

[4]陳瀟.負性液晶材料電壓保持率的研究[J].液晶與顯示，2018，33（09）：743-749.

[5]戴亞雨，高林，等.外加電壓頻率對液晶介電各向異性的影響[J].液晶與顯示，2018，33（03）：175-181.

[6]葉強.TFT-LCD低功耗多輸出電源管理芯片的研究與實現[D].西安電子科技大學，2009.