如何解決TFT-LCD顯示器的電源設(shè)計(jì)？

TFT-LCD 簡(jiǎn)介

什么是 TFT-LCD ?

TFT ﹕薄膜晶體管

LCD﹕液晶顯示器

TFT-LCD發(fā)明于1960年經(jīng)過(guò)不斷的改良在1991年時(shí)成功的商業(yè)化為筆記型計(jì)算機(jī)用面板﹐從此進(jìn)入TFT-LCD的世代。

TFT-LCD亮度高，有效顯示面積大，能夠提高播放動(dòng)態(tài)畫(huà)面的能力，具有輕薄、省電、抗干擾能力強(qiáng)和節(jié)省空間的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。

TFT-LCD產(chǎn)品是高集成技術(shù)的體現(xiàn)，集成有背光源、驅(qū)動(dòng)電路以及印刷電路板等，需要完備的電源控制器供電。電源控制器設(shè)計(jì)除了必須能夠滿(mǎn)足相應(yīng)性能要求之外，還需要有小面積、低重量以及低成本等要求，通常通過(guò)多種DC-DC轉(zhuǎn)換器的集成來(lái)實(shí)現(xiàn)多路輸出。電源控制器作為T(mén)FT-LCD模組的供電方案在很大程度上影響其性能以及成本。

TFT-LCD平板顯示器供電晶片研究進(jìn)展

TFT-LCD顯示器雖然是采用數(shù)字技術(shù)，但其系統(tǒng)本身所需的電源不但包括數(shù)位IC用的邏輯電源，還有類(lèi)比IC需要的高低壓混合電源。這種電源管理晶片正朝著高集成化方向發(fā)展，其實(shí)現(xiàn)方法呈現(xiàn)多樣化。

為了滿(mǎn)足設(shè)備對(duì)電源提出的持續(xù)縮小尺寸、降低成本等苛刻要求，各大電源晶片廠商正嘗試把線性穩(wěn)壓器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和充電IC等不同元件集成到單個(gè)器件上，提高設(shè)計(jì)的靈活性來(lái)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的系統(tǒng)用電性能。多個(gè)單一功能的電源管理器件組合的方法將會(huì)被類(lèi)似PMU(電源管理單元)的晶片取代。TFT-LCD驅(qū)動(dòng)電路非常復(fù)雜，主要包括有源極驅(qū)動(dòng)和柵極驅(qū)動(dòng)，其供電晶片更是要求有多個(gè)輸出的高集成方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，市場(chǎng)上流行的TFT-LCD板供電晶片，都采用單片集成的方案，在不同程度上解決了這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源需要。事實(shí)上，歐美各大晶片公司在這種電源管理器件上進(jìn)行了大量的研發(fā)工作。例如，Maxim公司推出的MAX1531電源管理晶片，內(nèi)部集成了一個(gè)高性能升壓調(diào)節(jié)控制器、3個(gè)線性穩(wěn)壓控制器和一個(gè)用于順序啟動(dòng)的延時(shí)可調(diào)電路。Linear公司針對(duì)大型TFT-LCD板驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推出的TPS65160電源管理晶片，內(nèi)部集成了一個(gè)boost升壓變換器，一個(gè)降壓變換器和兩個(gè)電荷泵電路。TFT-LCD的源極供電系統(tǒng)多用線性穩(wěn)壓和功率運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn);其柵極驅(qū)動(dòng)供電則需要用多個(gè)DC-DC升降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)解決。通常的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換有兩種解決方案：一種是電荷泵方式，另一種是電感開(kāi)關(guān)升壓方式。

在實(shí)際應(yīng)用中，這兩種轉(zhuǎn)換方式具有相同的功能。電荷泵電路利用分立電容將電流從輸入端傳送到輸出端，僅依靠外部電容器即可實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、電壓逆變等轉(zhuǎn)換，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程不需要電感;其占用面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾。相比而言，電感開(kāi)關(guān)升壓方式則采用電感型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換原理，也能夠?qū)崿F(xiàn)高低壓轉(zhuǎn)化，需要使用電感(作為周邊器件)和高速開(kāi)關(guān)管來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。因?yàn)殡姼胸浽摧^少，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和尺寸較少、電磁干擾多且成本較高、對(duì)布線敏感，電荷泵設(shè)計(jì)方案為實(shí)際工程應(yīng)用帶來(lái)很大的方便。電荷泵電路采用電容儲(chǔ)存能量，外接元件少，非常適合用于小體積應(yīng)用要求，并且隨著其電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝水平的提高，這種技術(shù)越來(lái)越成熟，具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在TFT-LCD柵極驅(qū)動(dòng)電源解決方案中，電荷泵電路的應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。

TFT-LCD 結(jié)構(gòu)：

簡(jiǎn)單的說(shuō)TFT-LCD面板的基本結(jié)構(gòu)為兩片玻璃基板中間夾住一層液晶。前端LCD面板貼上彩色濾光片﹐后端TFT面板上制作薄膜晶體管(TFT) 。當(dāng)施電壓于晶體管時(shí)﹐液晶轉(zhuǎn)向﹐光線穿過(guò)液晶后在前端面板上產(chǎn)生一個(gè)畫(huà)素。背光模塊位于TFT-Array面板之后負(fù)責(zé)提供光源。彩色濾光片給予每一個(gè)畫(huà)素特定的顏色。結(jié)合每一個(gè)不同顏色的畫(huà)素所呈現(xiàn)出的就是面板前端的影像。

TFT Pixel Element：

TFT面板就是由數(shù)百萬(wàn)個(gè)TFT device以及ITO((In Ti Oxide，此材料為透明導(dǎo)電金屬)區(qū)域排列如一個(gè)matrix所構(gòu)成，而所謂的Array就是指數(shù)百萬(wàn)個(gè)排列整齊的TFT device之區(qū)域，此數(shù)百萬(wàn)個(gè)排列整齊的區(qū)域就是面板顯示區(qū)。下圖為一TFT畫(huà)素的結(jié)構(gòu)

不論TFT板的設(shè)計(jì)如何的變化,制程如何的簡(jiǎn)化，其結(jié)構(gòu)一定需具備TFT device和控制液晶區(qū)域(光源若是穿透式的LCD，則此控制液晶的區(qū)域是使用ITO，但對(duì)于反射式的LCD是使用高反射式率的金屬，如Al等)

TFT device是一個(gè)開(kāi)關(guān)器，其功能就是控制電子跑到ITO區(qū)域的數(shù)量，當(dāng)ITO區(qū)域流進(jìn)去的電子數(shù)量達(dá)到我們想要的數(shù)值后，再將TFT device關(guān)掉，此時(shí)就將電子整個(gè)關(guān)(Keep)在ITO區(qū)域.

上圖為各畫(huà)素點(diǎn)指定的時(shí)間變化﹐由t1到tn閘極驅(qū)動(dòng)IC持續(xù)選擇開(kāi)啟G1﹐使得源極驅(qū)動(dòng)IC以D1、D2到Dn的順序?qū)1上的TFT畫(huà)素充電。tn+1時(shí)﹐閘極驅(qū)動(dòng)IC再度選擇G2﹐源極驅(qū)動(dòng)IC再D1開(kāi)始依序選擇。上圖可以表達(dá)幾件事情：

液晶站立的角度越垂直,越多的光不會(huì)被液晶導(dǎo)引，不同角度的液晶站立角度會(huì)導(dǎo)引不同數(shù)量的光線，以上面的例子來(lái)看，液晶站立角度越大，則可以穿透的光線越弱。(上、下偏光片排列的方向會(huì)決定穿透光的強(qiáng)弱，因此只要了解液晶站立的角度會(huì)導(dǎo)光的強(qiáng)弱即可)。

不受導(dǎo)引的光線會(huì)被上偏光片所吸收掉。自然界的光，其極性是任意方向的，使用偏光片的功能就是過(guò)濾掉大部分的不同方向震蕩的光，只讓某一特定方向的光通過(guò)。

新世代與尺寸

各世代玻璃基板與尺寸的關(guān)系?

許多人不了解TFT-LCD產(chǎn)業(yè)的各世代廠房之差異，其實(shí)原理相當(dāng)簡(jiǎn)單。各世代廠房主要的差別就在玻璃基板的尺寸，而面板就是從大片玻璃基板去切割而成的產(chǎn)品。越新世代的廠房，其玻璃基板越大，因此可切割出更多片面板，以提高產(chǎn)能降低成本, 或是可以生產(chǎn)出更大尺寸的面板 ( 例如液晶電視面板 )。

1990年代TFT-LCD產(chǎn)業(yè)剛崛起于日本，當(dāng)時(shí)日本設(shè)計(jì)建造了一代廠( 簡(jiǎn)稱(chēng)G1 )的制程。 一代廠的玻璃基板大約是30 X 40公分大小，約相當(dāng)于全開(kāi)的雜志，可做成一片15吋的面板。 到了達(dá)碁科技 ( 其后與聯(lián)友光電合并為 友達(dá)光電 ) 于1996進(jìn)入產(chǎn)業(yè)，當(dāng)時(shí)技術(shù)已進(jìn)步到3.5代廠 ( G3.5 )，玻璃基板尺寸約為60 X 72公分。 演進(jìn)至今，友達(dá)光電已發(fā)展到六代廠( G6 ) 制程，而G6玻璃基板尺寸則達(dá)到了150 X 185公分，相當(dāng)于一張雙人床大小。 一片G6的玻璃基板，可切割出30片15吋的面板，相較于 G3.5 可切割4片、G1僅可做1片15吋面板的規(guī)模比較，六代廠產(chǎn)能以倍數(shù)放大，相對(duì)成本降低。此外，G6玻璃基板的龐大尺寸亦可切割出大尺寸面板，它可制作出8片32吋液晶電視面板，提高了面板產(chǎn)品應(yīng)用的多元性。因此全球TFT-LCD廠商無(wú)不投入新世代廠房的制程技術(shù)。

TFT-LCD 制程介紹

何謂TFT-LCD?

TFT-LCD 即是thin-film transistor liquid-crystal display的縮寫(xiě).(薄膜晶體管液晶顯示器)TFT-LCD如何點(diǎn)亮?簡(jiǎn)單說(shuō)，TFT-LCD面板可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層的玻璃基板是與彩色濾光片 (Color Filter)、而下層的玻璃則有晶體管鑲嵌于上。當(dāng)電流通過(guò)晶體管產(chǎn)生電場(chǎng)變化，造成液晶分子偏轉(zhuǎn)，藉以改變光線的偏極性，再利用偏光片決定畫(huà)素(Pixel)的明暗狀態(tài)。此外，上層玻璃因與彩色濾光片貼合，形成每個(gè)畫(huà)素(Pixel)各包含紅藍(lán)綠三顏色，這些發(fā)出紅藍(lán)綠色彩的畫(huà)素便構(gòu)成了面板上的影像畫(huà)面。

Intersil公司的ISL78010是汽車(chē)電子級(jí)TFT-LCD顯示器電源，它集成一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和2A FET，兩個(gè)用來(lái)產(chǎn)生VON 和 VLOGIC的正向LDO，以及用來(lái)產(chǎn)生VOFF的負(fù)向LDO。升壓轉(zhuǎn)換能編程在P模式工作，以得到最佳的瞬態(tài)響應(yīng)，或工作在PI模式，以改善負(fù)載的調(diào)整率。本文介紹了ISL78010的主要性能，方框圖，升壓穩(wěn)壓器方框圖和典型的應(yīng)用電路圖以及手提/便攜式顯示器應(yīng)用方案(LCD/OLED)。

INTERSIL汽車(chē)級(jí)TFT-LCD電源

Intersil 公司的ISL78010 - 汽車(chē)級(jí) TFT-LCD 電源 IC，是 AEC- Q100 級(jí)產(chǎn)品，完全符合 ISO/TS 16949:2002 的要求，其在汽車(chē)溫度范圍(-40oC~+105oC)內(nèi)工作。它是一款高度集成的產(chǎn)品，可以提升性能，并降低跟為 7~15 英寸顯示器供電相關(guān)的成本。ISL78010 提供了增強(qiáng)型抗瞬變可靠性以及更高的電壓能力，可以避免發(fā)生轉(zhuǎn)換過(guò)程引起的雜散電容和寄生電感。ISL78010 為每條輸出通道都整合了排序、調(diào)節(jié)電荷泵、2A FET和故障保護(hù)功能。該集成不僅削減了成本，增加了可用板空間，并且元件數(shù)量的減少海改善了系統(tǒng)的總平均故障時(shí)間(MTBF)。而且，ISL78010 還擁有4條高度精確的輸出通道，從而實(shí)現(xiàn)了出色的性能。ISL78010 設(shè)計(jì)用于提供中型顯示面板所需的、高達(dá)20V的升壓電壓，采用 TQFP 封裝，可以改善防振可靠性以及適應(yīng)電路板制造過(guò)程中引腳的肉眼檢查。

ISL78010主要特性：

2A電流FET

3V — 5V 輸入

高達(dá)20V的輸出電壓

精確至1%升壓輸出

VLOGIC-VBOOST-VOFF-VON or VLOGIC-VOFF-VBOOST-VON 時(shí)序控制

可編程序延遲

完善的故障保護(hù)

熱關(guān)斷

內(nèi)部軟啟動(dòng)

32 Ld 5x5的TQFP封裝