使用負(fù)型液晶的電源電路優(yōu)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(fù)性液晶的顯示屏，為實(shí)現(xiàn)TFT LCD的電路設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)系統(tǒng)電源電路簡(jiǎn)化方面進(jìn)行相關(guān)研究。首先，根據(jù)TFT LCD電路驅(qū)動(dòng)原理介紹了目前常用的電源驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。進(jìn)而，以正性液晶為例分析了典型的電源電路設(shè)計(jì)，即常規(guī)Source Driver IC驅(qū)動(dòng)的電源電路設(shè)計(jì)以及常態(tài)的TCON IC IO電壓輸出級(jí)電源電路。其次，介紹了使用負(fù)性液晶基礎(chǔ)上的電源電路并對(duì)TFT LCD電源驅(qū)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，說(shuō)明了采用該電源電路設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。最后，對(duì)使用負(fù)性液晶的電源電路優(yōu)化方案進(jìn)行了總結(jié)。可以表明：文章提出的使用負(fù)型液晶的電源電路優(yōu)化方案，能夠滿足TFT LCD電源電路系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠及精度高等要求。

關(guān)鍵詞：負(fù)型液晶;電源驅(qū)動(dòng);電路優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM923.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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T(mén)FT LCD（thin film transistor Liquid Crystal Display）顯示屏主要組成部分，一直是業(yè)界為提升顯示性能的重要研究對(duì)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(fù)型液晶，針對(duì)不同類型液晶，電路驅(qū)動(dòng)方案也需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

TFT LCD顯示屏的電源驅(qū)動(dòng)電路可在原有正型液晶驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上增加負(fù)型液晶驅(qū)動(dòng)電路，利用負(fù)型液晶的電源種類需求對(duì)TFT LCD整體的電源電路進(jìn)行優(yōu)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(xiàn)更緊湊的架構(gòu)且可以降低成本。但是，由于加入負(fù)型液晶的驅(qū)動(dòng)電源電路后，原有的應(yīng)用于正型液晶中的電源架構(gòu)以及柵極驅(qū)動(dòng)IC（Source Driver IC）架構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化即為本文所提。

TFT LCD驅(qū)動(dòng)電路是以數(shù)字和模擬電路為基礎(chǔ)，融合信息處理、光電子學(xué)等科學(xué)為一體的電子電路設(shè)計(jì)技術(shù)。隨著TFT LCD產(chǎn)品的大型且高分辨率化，對(duì)TFT LCD產(chǎn)品光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的要求也越來(lái)越高。

TFT LCD高分辨率產(chǎn)品對(duì)透過(guò)率要求較高（如5%至8%）時(shí)可能需要使用負(fù)型液晶。因此，對(duì)TFT LCD負(fù)型液晶屏的電源電路驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及電路優(yōu)化方法進(jìn)行研究，能夠提高其顯示質(zhì)量，促進(jìn)TFT LCD面板的電學(xué)以及光學(xué)規(guī)格的提升。

鑒于此，本文對(duì)TFT LCD UHD（3820×2160像素）分辨率產(chǎn)品的電源電路系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的UHD等大尺寸的負(fù)型液晶屏的電源電路驅(qū)動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)工業(yè)UHD負(fù)型液晶屏產(chǎn)品進(jìn)行電源電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化，說(shuō)明本文所建立的針對(duì)UHD負(fù)型液晶屏產(chǎn)品的電源電路驅(qū)動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要求的同時(shí)達(dá)成簡(jiǎn)化系統(tǒng)以及降低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。

2 TFT LCD顯示屏電路驅(qū)動(dòng)構(gòu)成及工作原理

2.1 TFT LCD顯示屏電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

TFT LCD顯示屏電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1。其主要由TFT LCD子畫(huà)素訊號(hào)分析子系統(tǒng)、圖像生成子系統(tǒng)等數(shù)字信號(hào)部分以及驅(qū)動(dòng)電源電路生成子系統(tǒng)等模擬信號(hào)部分組成。TFT LCD子畫(huà)素訊號(hào)分析子系統(tǒng)主要包括用于分析系統(tǒng)端傳送過(guò)來(lái)的TFT LCD子畫(huà)素信號(hào)的receiver，并將其轉(zhuǎn)換為圖像生成子系統(tǒng)可接受的信號(hào);圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)由輸出連結(jié)到Source driver IC的圖像信號(hào)產(chǎn)生器transistor等組成，用于向TFT LCD屏傳遞標(biāo)準(zhǔn)子畫(huà)素傳輸信號(hào);source driver IC可將傳遞來(lái)的子畫(huà)素?cái)?shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化成實(shí)際TFT LCD屏內(nèi)子畫(huà)素的充電電壓。驅(qū)動(dòng)電源電路生成子系統(tǒng)產(chǎn)生TFT LCD電路系統(tǒng)上所需的各路電壓以及承載電流，以確保所有畫(huà)面下均能夠正常輸出。

2.2 TFT LCD顯示屏模擬電路驅(qū)動(dòng)

TFT LCD顯示屏模擬電路驅(qū)動(dòng)的工作原理為：對(duì)于以下各子系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電壓電流的承載以及對(duì)于TFT LCD實(shí)際子畫(huà)素充電進(jìn)行承載。由TFT LCD子畫(huà)素訊號(hào)分析子系統(tǒng)分析系統(tǒng)端傳送過(guò)來(lái)的TFT LCD子畫(huà)素信號(hào)，完成RGB等子畫(huà)素信號(hào)轉(zhuǎn)換之后傳遞給圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)，并由圖像產(chǎn)生子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成連結(jié)source driver IC的標(biāo)準(zhǔn)子畫(huà)素傳輸信號(hào)，以及控制TFT LCD子畫(huà)素開(kāi)關(guān)的同步信號(hào)，source driver IC可對(duì)傳遞來(lái)的子畫(huà)素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化成實(shí)際TFT LCD屏內(nèi)子畫(huà)素的充電電壓。

具體步驟為：

（1）TFT LCD電路系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)由模擬電路產(chǎn)生系統(tǒng)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?qū)Ω髯酉到y(tǒng)以及TFT LCD子畫(huà)素進(jìn)行重啟動(dòng)作。

（3）提供數(shù)字電路系統(tǒng)正常工作所需的電壓電流承載以及TFT LCD子畫(huà)素充放電時(shí)的電壓電流承載。

由圖2可知，通過(guò)TFT LCD顯示屏模擬電路，經(jīng)上述三個(gè)步驟最終可以完成TFT LCD顯示屏的驅(qū)動(dòng)。

3 TFT LCD顯示屏使用負(fù)型液晶的電源電路驅(qū)動(dòng)

3.1 正型液晶的電源電路驅(qū)動(dòng)

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

Δε=（（ε∥）-（ε⊥））>0? ? ? ? ? （1）

由于信號(hào)源中數(shù)字信號(hào)僅包含有RGB三個(gè)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(jìn)行光學(xué)校正時(shí)需要保證灰階（gray level）40～240之間，RGB各個(gè)子像素均能滿足液晶屏透過(guò)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(shù);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(shù)字信號(hào)需要通過(guò)源極驅(qū)動(dòng)芯片Source driver IC將其轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動(dòng)液晶翻轉(zhuǎn)的模擬驅(qū)動(dòng)電壓，以控制每個(gè)色素所顯示的亮度、灰階和色彩。其中Source driver IC為實(shí)現(xiàn)G0～255不同灰階對(duì)應(yīng)的電壓，內(nèi)部對(duì)于gamma的各綁點(diǎn)模擬電壓均設(shè)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(shí)的驅(qū)動(dòng)電流。亦即source driver IC需要AVDD， HAVDD， GND等三個(gè)模擬電壓。

3.2 負(fù)型液晶的電源電路驅(qū)動(dòng)

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

Δε=（（ε∥）-（ε⊥））<0? ? ? ? ? （3）

基于負(fù)型液晶應(yīng)用于實(shí)際光學(xué)調(diào)試時(shí)，亦需要保證灰階gray level 40～240，RGB各個(gè)子像素均能滿足液晶屏透過(guò)率在Gamma = 2.4和Gamma = 2.0之間。

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

3.3 負(fù)性液晶的整體電源電路整并方式

針對(duì)使用負(fù)型液晶時(shí)source driver IC的綁點(diǎn)電壓需求，可將整體電源電路進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)更加緊湊，且可進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，具體描述如下。

3.3.1 source driver IC 模擬電壓優(yōu)化

正性液晶驅(qū)動(dòng)電路中，source driver IC需要的模擬電源主要為AVDD， HAVDD=VCOM（數(shù)據(jù)信號(hào)的基準(zhǔn)電壓）， GND。使用負(fù)性液晶時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路中的source driver IC工作模擬電壓可優(yōu)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(tǒng)中主要使用2種邏輯電源電壓，時(shí)序控制器TCON IC 使用DVDD1/DVDD，Source driver IC 使用DVDD，存儲(chǔ)器FLASH IC使用DVDD1等。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電源電路，根據(jù)現(xiàn)有工藝技術(shù)，可對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，將TCON IC中DVDD1邏輯I/O模塊用DVDD電壓替代進(jìn)行控制，F(xiàn)lash IC的邏輯控制電壓也可由DVDD1變?yōu)镈VDD，由此可使整個(gè)電路的邏輯電壓源均為DVDD。輸出電源種類減少后，電源產(chǎn)生電路模塊的外圍電路可大大簡(jiǎn)化，進(jìn)而可降低生產(chǎn)成本。

4 簡(jiǎn)化的負(fù)型液晶TFT LCD 顯示屏電路驅(qū)動(dòng)方案

利用上述優(yōu)化電源電路方法對(duì)使用負(fù)型液晶TFT LCD顯示屏進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 模擬電源輸出結(jié)果

Source driver IC對(duì)于內(nèi)部OP運(yùn)放電路輸出級(jí)進(jìn)行IP的電路設(shè)計(jì)，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(jié)果

TCON IC，source driver IC，falsh IC，level shift IC等相關(guān)會(huì)使用邏輯電源的IC，經(jīng)Power IC產(chǎn)生DVDD電源當(dāng)作各IC內(nèi)部邏輯工作電壓，可以整并邏輯電路模塊。

4.3 簡(jiǎn)化的整體電源電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)模擬電路模塊和邏輯電路模塊的整并之后，用于負(fù)型液晶的整體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)要求，提出了TFT LCD顯示屏應(yīng)用于負(fù)型液晶下的驅(qū)動(dòng)電源電路系統(tǒng)優(yōu)化方法。首先介紹了目前常用的電源系統(tǒng)架構(gòu)。然后基于TFT LCD驅(qū)動(dòng)原理對(duì)使用負(fù)性液晶條件下的電源電路系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行研究。最后，介紹了TFT LCD顯示屏應(yīng)用于負(fù)型液晶下優(yōu)化后的整體電源系統(tǒng)架構(gòu)。結(jié)果證明：本文在滿足TFT LCD顯示屏要求下，針對(duì)應(yīng)用于負(fù)型液晶時(shí)可對(duì)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并可降低生產(chǎn)成本。

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