時(shí)序控制器TCON的研究與設(shè)計(jì)

摘要：闡述了TFT-LCD的顯示原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和時(shí)序控制器TCON的設(shè)計(jì)方案。該模塊設(shè)計(jì)主要為減少中、小尺寸TFT-LCD時(shí)序控制器的芯片管腳數(shù)，提高通用性，與一般TCON只能驅(qū)動(dòng)2～3種分辨率的面板相比較，該設(shè)計(jì)支持8種顯示模式。實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT-LCD面板的時(shí)序控制，產(chǎn)生源驅(qū)動(dòng)器模塊和門驅(qū)動(dòng)器模塊所需要的各種控制信號(hào)、Vcom的極性控制及顯示模式控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬RGB信號(hào)的顯示控制，源驅(qū)動(dòng)器和門驅(qū)動(dòng)器的時(shí)序控制信號(hào)可兼容多家LCD面板的時(shí)序要求。支持16：9和4：3的TFT-LCD面板。該設(shè)計(jì)可靈活應(yīng)用于市場(chǎng)上大部分的中、小尺寸TFT-LCD面板。產(chǎn)品可應(yīng)用于車載電視、便攜式DVD等。
關(guān)鍵詞：時(shí)序控制器；TFT-LCD；源驅(qū)動(dòng)器；門驅(qū)動(dòng)器

    TFT-LCD以其低工作電壓、低功率、顯示效果好、易集成和輕巧便攜等特點(diǎn)率先進(jìn)入顯示市場(chǎng)。TFT-LCD時(shí)序控制器TCON(Timing Contro-ller)主要用于模擬TFt-LCD的顯示控制。TCON為液晶屏上的驅(qū)動(dòng)電路(源驅(qū)動(dòng)器、門驅(qū)動(dòng)器和VCOM極性控制)提供時(shí)序控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)模擬RGB信號(hào)的顯示控制。
    對(duì)于大尺寸的液晶顯示面板，TCON控制器的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。在高分辨率顯示系統(tǒng)中，時(shí)鐘頻率很高，在產(chǎn)生基于時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序控制信號(hào)以前，需要先對(duì)同步時(shí)鐘進(jìn)行擴(kuò)頻處理，以減小EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)，使其通過EMC測(cè)試。由于同步時(shí)鐘經(jīng)過了擴(kuò)頻處理，則視頻數(shù)據(jù)也要通過相應(yīng)的處理才能正常顯示，否則就會(huì)遺失數(shù)據(jù)。對(duì)于中、小尺寸LCD的TCON控制相對(duì)簡(jiǎn)單，基本的工作過程是首先由輸入的信號(hào)確定TFT-LCD屏幕的分辨率、工作模式、顯示模式等信息，然后根據(jù)這些信息來確定合適的參數(shù)值，最后產(chǎn)生所需要的控制信號(hào)，無需對(duì)視頻數(shù)據(jù)做處理就可以使TFT-LCD正常工作。
    目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的成品TCON芯片主要有：PVI的1004C、1004D；AU的UPS015、UPS017等，這些芯片只對(duì)特殊的TFT-LCD面板設(shè)計(jì)，一種TCON只能驅(qū)動(dòng)2～3種分辨率的面板，此外，由于顯示模式控制信號(hào)使用的是外部輸入管腳，導(dǎo)致芯片的管腳數(shù)量較多，通用性較差。本文討論適用于中、小尺寸TFT-LCD的時(shí)序控制器，提高其通用性。

1 TFT-LCD的顯示原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    TCON的時(shí)序信號(hào)是基于TFT-LCD面板(Panel)的需要產(chǎn)生的，理解TCON的原理，首先應(yīng)了解LCD面板的顯示原理。典型的TFT-LCD面板內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。液晶具有透光可控性，改變施加在液晶兩端的電壓，液晶的透光率就會(huì)隨之改變。

    一個(gè)液晶單元實(shí)現(xiàn)一個(gè)采樣點(diǎn)的顯示，因此，如果根據(jù)二值圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將液晶單元以矩陣方式排列成為液晶陣列(Crystal Array)，即可實(shí)現(xiàn)一幅圖像的顯示。通常，液晶陣列的排列有Strip和Delta兩種方式。不同排列方式?jīng)Q定了不同的RGB采樣順序，而一個(gè)像素由3個(gè)液晶單元構(gòu)成(RGB)。因此，液晶陣列中液晶單元的個(gè)數(shù)決定了顯示分辨率。TFT-LCD是在超扭曲型STN的基礎(chǔ)上，通過TFT晶體管將顯示像素和掃描電極分割開來形成的，其特點(diǎn)是克服了STN-LCD的交叉效應(yīng)。
    TFT-LCD系統(tǒng)由2部分組成：LCD控制模塊TCON和LCD面板模塊，如圖2所示。LCD顯示器中采用按行、列的有源矩陣驅(qū)動(dòng)方式，行線都是接在像素NMOS管的柵極(gate)，列線是接在NMOS管的源極(Source)。在LCD模塊中，行線和列線是分開來驅(qū)動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)行線的電路叫門驅(qū)動(dòng)器(Gate Driver)；驅(qū)動(dòng)列線的電路叫源驅(qū)動(dòng)器(Source Driver)。

    源驅(qū)動(dòng)器和門驅(qū)動(dòng)器共同控制液晶單元的充放電過程。當(dāng)掃描信號(hào)有效時(shí)，這一行上所有的TFT單元同時(shí)打開，RGB電壓通過TFT給存儲(chǔ)電容充電。因此RGB和Vcom的電壓差就決定了液晶柱的電壓。當(dāng)掃描信號(hào)無效時(shí)，這行上的TFT單元斷開，存儲(chǔ)電容的電荷在一幀時(shí)間內(nèi)可基本保持不變，從而實(shí)現(xiàn)占空比接近100％的靜態(tài)顯示效果。
    TCON的主要功能是為TFT-LCD面板中的源驅(qū)動(dòng)器和門驅(qū)動(dòng)器提供必要的時(shí)序控制信號(hào)。根據(jù)面板(Panel)要求，TCON的最基本輸出信號(hào)為：STV、OEV、CPV、STH、CPH、OEH、PLC等；此外，為了實(shí)現(xiàn)不同顯示模式，還有L／R、U／D、MOD、Q2H等控制信號(hào)。

2 時(shí)序控制器TCON模塊設(shè)計(jì)
   時(shí)序控制器TCON模塊包括：鎖相環(huán)PLL、I2C接口、分頻器DIV、行同步模塊HSB、場(chǎng)同步模塊VSB及控制信號(hào)輸出模塊CSB。TCON的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，場(chǎng)同步模塊VSB產(chǎn)生門驅(qū)動(dòng)器需要的控制信號(hào)：行同步模塊HSB產(chǎn)生源驅(qū)動(dòng)器需要的控制信號(hào)；控制信號(hào)輸出模塊CSB產(chǎn)生掃描方向控制信號(hào)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入了I2C接口，控制信號(hào)可通過內(nèi)部寄存器來控制，通過改變軟件即可實(shí)現(xiàn)顯示模式的轉(zhuǎn)變，從而大大減少了外部硬件電路的管腳數(shù)量。PLL可提供1 920、1 440、1 200、1 152分辨率對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)鐘，而960、480、400、320分辨率對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘由DIV模塊分頻獲得。

    由于不同分辨率的LCD、不同工作模式所需要的輸出控制信號(hào)有所不同，因此TCON工作時(shí)，首先要做出判斷，選擇正確的工作模式，以便于產(chǎn)生相應(yīng)合適的控制信號(hào)。這些選擇包括LCD分辨率選擇、外部／鎖相環(huán)電路PLL時(shí)鐘模式選擇、分離／復(fù)合工作模式選擇、NTSC／PAL制式選擇。
    LCD分辨率選擇：在實(shí)際的顯示系統(tǒng)中，TFT-LCD有不同的尺寸與分辨率，一般中、小尺寸的TFT-LCD的分辨率有480x234(2．5"、3.5")、960x234(3．6"、5"、6．4")、1 200x234(6．5")、1400x234(6．2"、7")、1 920x234(9")等。對(duì)于不同分辨率的LCD，所需要的某些控制信號(hào)會(huì)有不同。
    外部／PLL時(shí)鐘模式選擇：工作時(shí)鐘源的提供有兩種方式，鎖相環(huán)電路PLL模式和外部時(shí)鐘模式。在PLL工作模式中，VCO電路產(chǎn)生振蕩，通過鎖相環(huán)電路調(diào)相后給TCON提供穩(wěn)定的工作時(shí)鐘；在外部工作模式中，工作時(shí)鐘由外部提供。
    分離／復(fù)合模式選擇：輸入同步信號(hào)可分為復(fù)合同步信號(hào)和分離同步信號(hào)，這兩種同步信號(hào)的同步脈沖標(biāo)志位不相同。
    NTSC／PAL制式選擇：NTSC和PAL制式的每幀行數(shù)和同步脈沖的標(biāo)志位完全不同，因此在處理輸入信號(hào)及產(chǎn)生控制信號(hào)以前應(yīng)做出判斷選擇。高分辨率下的顯示模式選擇：高分辨率下有FULL、Center、Wide、Zoom1、Zoom2、Left、Right、Zoom3共8種不同的顯示模式，不同顯示模式下，其顯示區(qū)域、輸出控制性能和脈寬會(huì)有所不同。

2．1 門驅(qū)動(dòng)器模塊的控制信號(hào)
    門驅(qū)動(dòng)器通過OG(TFT_LCD選通信號(hào))信號(hào)來選通TFT，從而控制存儲(chǔ)電容的充放電。門驅(qū)動(dòng)器的基本輸入信號(hào)為CPV(門驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘)、STV(門驅(qū)動(dòng)開始脈沖)和OEV(門驅(qū)動(dòng)輸出使能)。此外，門驅(qū)動(dòng)器如果支持up to down和down to up掃描模式，還需要掃描方向控制信號(hào)U／  D。門驅(qū)動(dòng)器的時(shí)序如圖4所示。

    通過改變CPV、STV及OEV的時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT的開關(guān)控制，從而控制圖像的顯示。Zoom1、Zoom2及Zoom3顯示模式就是通過改變門驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的。
2．2 源驅(qū)動(dòng)器模塊的控制信號(hào)
    門驅(qū)動(dòng)器通過TFT開關(guān)來決定是否對(duì)存儲(chǔ)電容進(jìn)行充電，而源驅(qū)動(dòng)器則控制如何對(duì)存儲(chǔ)電容進(jìn)行充放電。源驅(qū)動(dòng)器的基本控制信號(hào)包括：CPH(源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘)、STH(源驅(qū)動(dòng)開始脈沖)及OEH(源驅(qū)動(dòng)輸出使能)等。如果源驅(qū)動(dòng)器支持Left／Right掃描控制及Simultaneously／  Sequential采樣模式，它還有左右掃描控制信號(hào)(L／R)和采樣模式控制信號(hào)(MOD)。源驅(qū)動(dòng)器在STHL有效時(shí)開始掃描，當(dāng)STHR有效時(shí)結(jié)束，其控制信號(hào)時(shí)序如圖5所示。

    源驅(qū)動(dòng)器在一行時(shí)間中完成采樣和顯示兩個(gè)動(dòng)作，如圖6所示。當(dāng)?shù)趉行的TFT選通信號(hào)OG(K)有效時(shí)，SWa1和SWb2閉合：此時(shí)，第k行的視頻信號(hào)對(duì)CH1充電，此行上所有像素點(diǎn)的視頻信息就被保存在CH1中；同時(shí)，由于SWb2也閉合，CH2就通過Qk-1對(duì)第k-1行上的存儲(chǔ)電容Cd進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)第k-1行圖像的顯示。

    根據(jù)源驅(qū)動(dòng)器的采樣顯示原理可知，改變CPH、OEH及STH的時(shí)序就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的顯示控制。Center、Wide、Left和Right等顯示模式是通過改變?cè)?strong>驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的。
2．3 Vcom模塊的極性控制及顯示模式
    液晶柱的透光特律和電壓(V)的方向無關(guān)，只和其大小有關(guān)。但是，如果長時(shí)間給液晶柱施加同向電壓就會(huì)使它電解，從而失去其透光特性，這樣容易造成液晶損壞。因此，為了延長液晶的壽命，需要不斷改變施加在液晶上的電壓V的方向。對(duì)于液晶屏來說，Vcom的轉(zhuǎn)換方式有3種：幀翻轉(zhuǎn)、行翻轉(zhuǎn)、列翻轉(zhuǎn)。幀翻轉(zhuǎn)模式的頻率低(50 Hz)，功耗小，圖像質(zhì)量一般：行翻轉(zhuǎn)模式的頻率較低(15 kHz)，功率小，圖像質(zhì)量較好：列翻轉(zhuǎn)模式的頻率高，功耗大，圖像質(zhì)量最好，適用于大尺寸屏。對(duì)于支持多種顯示模式的小尺寸模擬TFTLCD面板，一般采用行翻轉(zhuǎn)的形式，通過改變公共端的電壓極性Vcom而達(dá)到翻轉(zhuǎn)的目的。TCON會(huì)輸出一個(gè)行翻轉(zhuǎn)信號(hào)POL，用這個(gè)信號(hào)產(chǎn)生Vcom，通過調(diào)節(jié)Vcom的DC端，改變LCD的色彩，調(diào)節(jié)AC端，可以改變LCD的對(duì)比度。
    ITU-601標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)有2種制式：PAL和NTSC；TCON的輸出信號(hào)根據(jù)顯示模式和制式確定。本設(shè)計(jì)支持FULI、Center、Wide、Zoom1、Zoom2、Left、Right、Zoom3共8種顯示模式。以PAL制信號(hào)為例，PAL制彩色信號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是每場(chǎng)312．5行，有效圖像占288行。以下是8種顯示模式的具體設(shè)計(jì)。
    FULL：水平方向全屏顯示，無縮放，TCPH=3TOSC，垂直方向288行抽樣為234行；
    Center：水平方向縮小為3／4居中顯示，TCPH=4TOSC，垂直方向288行抽樣為234行；
    Wide：水平方向全屏顯示，放大縮小都有，TCPH=2TOSC、3TOSC、4TOSC，垂直方向288行抽樣為234行；
    ZOOM1：水平方向全屏顯示，無縮放，TCPH=3TOSC，垂直方向220行插值為234行；
    ZOOM2：水平方向全屏顯示，無縮放，TCPH=3TOSC，垂直方向無縮放，234行顯示；
    Left：水平方向縮小為3／4居左屏顯示，TCPH=4TOSC，垂直方向288行抽樣為234行：
    Right：水平方向縮小為3／4居右屏顯示，TCPH=4TOSC，垂直方向288行抽樣為234行；
    ZOOM3：水平方向全屏顯示，無縮放，TCPH=3TOSC，垂直方向無縮放，234行顯示；

3 總結(jié)
    本設(shè)計(jì)中，TCON的輸出信號(hào)主要由計(jì)數(shù)器控制產(chǎn)生，其時(shí)序取決于2個(gè)因素：圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和顯示模式。針對(duì)不同LCD面板，TCON的時(shí)序有所不同，但顯示原理基本一樣。因此，TCON輸出信號(hào)是否能支持不同分頻率的LCD面板取決于PLL給出的系統(tǒng)時(shí)鐘是否滿足要求。該設(shè)計(jì)通用性較強(qiáng)，相對(duì)于只能驅(qū)動(dòng)2～3種分辨率面板的TCON，支持16：9和4：3的TFT-LCD面板，也支持不同的顯示模式，并支持目前市場(chǎng)上的大部分廠家的LCD面板，例如：AU、PVI、Samsung、LG、Sharp、Panasonic、Toshiba、Foxconn。時(shí)序控制器的設(shè)計(jì)已經(jīng)過SMIC018工藝單獨(dú)流片成功，并與VideoProcessor集成，已應(yīng)用于便攜式DVD、車載電視等領(lǐng)域。