基于無源逆變器的全模擬液晶驅動電路設計

張其遠， 穆繼亮， 韓曉濤， 李正陽， 丑修建

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

1 引 言

液晶是一種介于液體和晶體之間、由不完全周期性排列的長棒狀或扁平狀分子組成的中間物質[1-2]，具有獨特的取向有序流動性和光學各向異性[3]等特點。對其施加電場調控，可改變入射光的偏振狀態或方向。經過液晶的不斷研究以及半導體集成電路技術的不斷發展，液晶在顯示、光閥器件領域有著廣泛的應用。近年來，隨著便攜式智能可穿戴設備興起，越來越多新型器件集成了液晶盒、液晶膜[4-5]等液晶器件，如焊工面罩、護目鏡等。面向電子產品輕量化、簡約化的應用需求，人們對液晶驅動電路的尺寸、成本、功能提出了更高要求。

現有液晶驅動電路多是針對不同分辨率基于晶體管原理的TFT-LCD屏幕設計的專用集成電路[6]，設計復雜且成本高。針對單純的液晶盒或液晶膜的最常見的驅動方法為使用單片機(MCU)和H橋進行驅動。中國科學院光束控制重點實驗室研究團隊通過現場可編程門陣列(FPGA)輸出特定的脈沖寬度調制(PWM)信號大幅提高了液晶的響應速度[7]；國立交通大學研究團隊使用全數字電路實現液晶電路的驅動，降低了功耗，其中交流信號通過生成PWM信號和使用電平轉換單元生成[8]。但上述驅動方法的電路設計成本高、體積大，且需要編寫和燒錄程序，難以適應缺少固定電壓供電或者微型化的產品應用要求。

針對上述問題，本文提出一種基于RC施密特振蕩電路和反相器的液晶驅動電路設計方案。該設計可在無額外供電的條件下，將輸入的直流信號轉換為相應電壓的交流信號。由于設計簡單，采用常見的電子元件和芯片大幅降低了電路的成本和體積，更加適合在微型化智能可穿戴設備上應用。

2 驅動電路硬件設計

基于無源逆變器設計的液晶驅動電路如圖1所示，對外有4個接口，其中包括一個直流信號輸入接口、地線接口和兩個接口組成的交流信號輸出端。電路由兩部分組成，分別為施密特振蕩電路和反相器，前者用于生成一定頻率的直流方波信號，后者的輸入端和輸出端可以形成一個正負交替變換的電壓差，從而使得驅動電路可以輸出一個交流方波信號。RC施密特振蕩電路的電源和輸入端與直流信號相連；反相器的輸入端與施密特振蕩電路的輸出端相連，電源和直流信號相連；反相器的輸入端和輸出端分別與液晶器件的兩個電極相連。

圖1 電路結構圖

基于驅動電路微型化的要求，本設計采用施密特觸發器、電容和電阻組成RC施密特振蕩電路，反相器同樣使用施密特觸發器實現反相功能。因此驅動電路僅用一片SN74LVC2G14DBVR雙施密特觸發器、一個電阻和一個電容即可實現將直流電轉換為交流電的功能，該驅動電路原理圖如圖2所示。最終將驅動電路集成于尺寸僅為1.05 cm×0.7 cm的PCB板上，實物樣機如圖3所示。

圖2 電路原理圖

圖3 電路實物圖

3 驅動方法分析

3.1 驅動原理分析

由于液晶配向膜而產生的“直流阻絕”效應和液晶未完全鈍化而產生的“直流殘留”現象，液晶需要用“極性反轉”的方式來驅動[9-10]。考慮到人眼和液晶的反應時間，常用一定頻率的交流方波信號來驅動。因此如何產生一個交流方波信號是液晶器件驅動電路的設計關鍵。采用RC施密特振蕩器和反相器組成的逆變電路，其核心為SN74LVC2G14DBVR雙施密特觸發器，其電氣參數如表1所示。

表1 SN74LVC2G14DBVR電氣參數

圖4 驅動電路工作各點電壓示意圖

除聚合物分散液晶器件外，大部分液晶器件的驅動電壓范圍為0～5 V[11-13]。SN74LVC2G1-

4DBVR雙施密特觸發器的工作電壓范圍滿足驅動液晶器件的要求，并且可以提供50 mA的驅動電流。由于芯片電源連接至直流信號輸入端，根據其電氣參數可知驅動電路輸出交流方波的峰值由輸入的直流信號決定，交流方波的頻率取決于電阻、電容的取值以及輸入直流信號的電壓。其驅動原理為電容根據施密特觸發器的特性不斷充電放電，使施密特觸發器U1A不斷輸出由輸入直流信號電壓決定的直流方波。再根據反相器的特性可知U1B輸入輸出端之間的高低信號始終相反，因此驅動電路可輸出交流方波。驅動電路工作時各點的電壓示意圖如圖4所示。

3.2 輸出信號特性

輸出交流方波的特性主要由電容兩端電壓變化和施密特觸發器特性決定。電容的充放電公式為：

.

(1)

當U1A輸入端電壓為VT-，輸出端電壓為VOH時，電容C1通過電阻R1充電至VT+，所需時間為tH。當U1A輸入端電壓為VT+，輸出端電壓為VOL時，電容C1通過電阻R1放電至VT-，所需時間為tL。帶入式(1)分別可得到：

(2)

(3)

由式(4)和式(5)可計算出占空比和頻率：

(4)

(5)

理想狀態下VOL為0 V，VOH為Vcc，頻率計算可簡化為式(6)，用于該電路RC取值的估算。

(6)

圖5 C=10 μF，不同R取值下頻率-電壓關系圖。

實際電路VCC不是固定值，根據芯片電氣特性可知VOH、VOL、VT+、VT-的值不是固定值，且芯片存在寄生電容，因此需要針對不同RC取值對液晶驅動電路的頻率、波形、響應速度以及輸出電壓進行測量與分析。

圖6 C=10 μF，輸入電壓1 V，不同R取值下輸出波形圖。

圖7 C=10 μF，R=1.8 kΩ，不同輸入電壓下的輸出波形占空比。

圖5為電容C=10 μF，電阻R不同時，波形頻率隨輸入電壓的變化關系曲線。測量結果表明，隨著R值的增大，波形頻率減小，與式(6)理論計算相符。同時隨著輸入電壓的提高，波形頻率也逐漸提高。由于SN74LVC2G14DBVR的建議工作電壓為1.65 V，因此在低輸入電壓時頻率變化幅度較大，且波形不為方波，圖6為1 V輸入電壓時的輸出波形。實際測量這5種RC取值在1.1 V以上輸入電壓可輸出方波信號，取C為10 μF，R取1.8 kΩ，其占空比如圖7所示，方波波形在不同輸入電壓下較為穩定，與理論計算相符，1.5 V輸入電壓時輸出波形如圖8所示。

圖8 C=10 μF，R=1.8 kΩ，輸入電壓1.5 V的輸出波形。

圖9 R、C乘積為固定值，不同參數下的輸出波形圖。

在滿足R、C乘積為固定值，R、C取不同值驅動電路在1 V和2 V的輸出波形如圖9所示。在低輸入電壓時R越大，波形越趨近與方波。由于芯片本身存在寄生電容，即使外部R、C乘積相同，輸出方波的頻率依然不同，但高輸入電壓時的波形和占空比沒有較大差別。

液晶器件的響應速度主要由液晶材料響應速度和驅動電路響應速度決定，為測試該驅動電路的響應速度，調節輸入電壓并用2.5 MSa/s采樣率測量輸入輸出信號波形，測量結果如圖10所示。對原始數據進行分析發現，在該采樣率下輸出信號沒有延遲，即驅動電路的響應速度小于0.4 μs，遠遠低于液晶材料本身毫秒級的響應速度[14]。相較于使用數字電路的驅動方式[15]，該驅動電路沒有使用同步時鐘信號以及A/D、D/A轉換，因此提升了響應速率。

圖10 驅動電路響應速度測試

在某些典型應用場合還需明確驅動電路的輸入輸出電壓關系。由圖9可知，不同R、C取值在相同的輸入電壓下，輸出的交流信號的電壓峰值沒有明顯變化，因此在R取1.8 kΩ，C取10 μF的條件下測量輸入-輸出電壓關系，測量結果如圖11所示。根據測量結果可知，輸入電壓與輸出電壓峰值呈現出良好的線性關系，易于對后端液晶器件的控制。

圖11 輸入-輸出電壓關系

3.3 驅動電路功耗

圖12 輸入電壓與電路功耗關系

功耗是可穿戴設備的重要指標。在輸入端施加不同的直流信號，在輸出端開路的條件下，測量輸入電流大小可計算出電路功耗，測量計算結果如圖12所示。輸入電壓3 V以下時電路功耗小于1 mW，5 V時電路功耗為64 mW。因此，在驅動低飽和電壓液晶器件時電路本身功耗極低；而驅動液晶器件時，應在滿足使用要求的前提下盡量降低輸入電壓以降低電路功耗。

3.4 驅動效果驗證

為驗證驅動電路驅動液晶效果，本文選用一款液晶太陽鏡上的液晶鏡片進行測試。該液晶鏡片由鏡片、液晶膜和偏光片組成，在不施加電信號時其可見光透過率為35.8%。在64 Hz交流方波下測試條件下，閾值電壓為1 V，飽和電壓為1.65 V。將液晶鏡片與驅動電路的輸出端相連，取C為10 μF，R為1.8 kΩ，對驅動電路施加直流信號，對液晶鏡片的透過率進行測量，透過率-電壓曲線如圖13所示。可以看到輸入閾值電壓在1 V左右，之后隨著輸入電壓升高，透過率逐漸降低且變化明顯，2 V輸入電壓之后透過率變化逐漸趨于平緩，輸入電壓達到3.4 V時已趨于飽和。測量表明該驅動電路可實現對液晶鏡片透過率的控制。

圖13 鏡片透過率-輸入電壓關系圖

4 結 論

本文設計了一種基于無源逆變器的全模擬液晶驅動電路，該驅動電路體積小、成本低、無需額外供電，只需要輸入直流信號即可驅動液晶器件。通過對該驅動電路的理論分析和實際測量，結論如下：(1)該電路在合適的參數條件下可產生一定頻率的交流方波；(2)該電路具有相對穩定的占空比、極快的響應速度以及良好的輸入輸出電壓線性關系；(3)電路自身功耗在低輸入電壓時極低。通過驅動液晶鏡片驗證了該設計可實現在無固定電壓供電的條件下對液晶器件透過率的精準控制。