LCD顯示屏的器件選擇和驅(qū)動電路設計

 
    如何實現(xiàn)LCD平板顯示屏驅(qū)動電路的高性能設計是當前手持設備設計工程師面臨的重要挑戰(zhàn)。本文分析了LCD顯示面板的分類和性能特點,介紹了LCD顯示屏設計中關(guān)鍵器件LDO和白光LED的選擇要點,以及電荷泵LED驅(qū)動電路的設計方法。

    STN-LCD彩屏模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,它的上部是一塊由偏光片、玻璃、液晶組成的LCD屏,其下面是白光LED和背光板,還包括LCD驅(qū)動IC和給LCD驅(qū)動IC提供一個穩(wěn)定電源的低壓差穩(wěn)壓器(LDO),二到八顆白光LED以及LED驅(qū)動的升壓穩(wěn)壓IC。

    STN-LCD彩屏模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,外來電源Vcc經(jīng)LDO降壓穩(wěn)壓后,向LCD驅(qū)動IC如S6B33BOA提供工作電壓,驅(qū)動彩色STN-LCD的液晶顯示圖形和文字;外部電源Vcc經(jīng)電荷泵升壓穩(wěn)壓,向白光LED如NACW215/NSCW335提供恒壓、恒流電源,LED的白光經(jīng)背光板反射,使LCD液晶的65K色彩充分表現(xiàn)出來,LED的亮度直接影響LCD色彩的靚麗程度。

    LCD屬于平板顯示器的一種,按驅(qū)動方式可分為靜態(tài)驅(qū)動(Static)、單純矩陣驅(qū)動(Simple Matrix)以及有源矩陣驅(qū)動(Active Matrix)三種。其中,單純矩陣型又可分為扭轉(zhuǎn)式向列型(Twisted Nematic,TN)、超扭轉(zhuǎn)式向列型(Super Twisted Nematic,STN),以及其它無源矩陣驅(qū)動液晶顯示器。有源矩陣型大致可區(qū)分為薄膜式晶體管型(ThinFilmTransistor,TFT)及二端子二極管(Metal/Insulator/Metal,MIM)兩種。TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉(zhuǎn)原理的不同,在視角、彩色、對比度及動畫顯示品質(zhì)上有優(yōu)劣之分,使其在產(chǎn)品的應用范圍分類亦有明顯差異。以目前液晶顯示技術(shù)所應用的范圍以及層次而言,有源矩陣驅(qū)動技術(shù)是以薄膜式晶體管型為主流,多應用于筆記本電腦及動畫、影像處理產(chǎn)品;單純矩陣驅(qū)動技術(shù)目前則以扭轉(zhuǎn)向列以及STN為主,STN液晶顯示器經(jīng)由彩色濾光片(colorfilter),可以分別顯示紅、綠、藍三原色,再經(jīng)由三原色比例的調(diào)和,可以顯示出全彩模式的真彩色。目前彩色STN-LCD的應用多以手機、PDA、數(shù)碼相機和視屏游戲機消費產(chǎn)品以及文字處理器為主。

    器件選擇

    1. LDO選擇。由于手機、PDA、數(shù)碼相機和視屏游戲機消費產(chǎn)品都是以電池為電源,隨著使用時間的增長,電源電壓逐漸下降,LCD驅(qū)動IC需要一個穩(wěn)定的工作電壓,因此設計電路時通常由一個LDO提供一個穩(wěn)定的2.8V或3.0V電壓。LCM將安裝在手機的上方,與手機的射頻靠得很近,為了防止干擾,必須選用低噪音的LDO,如LP2985、AAT3215。

    2. 白光LED。按背光源的設計要求,需要前降電壓(VF)和前降電流(IF)小、亮度高(500-1800mcd)的白光LED。以手機LCM為例,目前都使用3-4顆白光LED,隨著LED的亮度增加和手機廠商要求降低成本和功耗,預計到2004年中LCM都會選用2顆高亮度白光LED(1200-2000mcd),PDA和智能手機由于LCD屏較大會按需要使用4-8顆白光LED。NACW215/NSCW335和EL 99-21/215UCW/TR8是自帶反射鏡的白光LED,EL系列其亮度分為T、S、R三個等級,T為720-1000mcd,S為500-720mcd,都是在手機LCD背光適用之列。

    LED驅(qū)動電路設計

    白光LED的驅(qū)動需要供給恒定的電壓或恒定的電流,而手機電源一開始工作后,其電壓就開始往下降,因而需要升壓器件升壓、穩(wěn)壓。為了減少升壓器件的工作頻率對手機射頻的影響,一般選用以電容器為電能傳遞中間體的電容式電荷泵,而以電感器為電能傳遞中間體的升壓器能輸出較高電壓。

    電容式電荷泵的效率按其升壓方法分倍頻和分數(shù)倍頻二種,前者效率約90%,后者效率約93-95%;電感式升壓器效率約83-85%。電容式電荷泵按其輸出分恒壓輸出、恒流輸出,按其對LED驅(qū)動的方法分并聯(lián)恒壓驅(qū)動、單個恒流驅(qū)動和串聯(lián)恒流驅(qū)動。電感式升壓器都是恒流輸出,輸出電壓較高,對LED串聯(lián)驅(qū)動。

    倍頻升壓的電容式電荷泵如AAT3110,5V恒壓輸出,最大電流120mA,并聯(lián)驅(qū)動LED,如圖3所示。

    分數(shù)倍頻升壓的電容式電荷泵如AAT3113,有4-6路恒流輸出,每路能輸出20mA電流,單個恒流驅(qū)動LED,具有32級調(diào)光功能。AAT3134將輸出DAC模塊分成二塊,其輸出可分別驅(qū)動雙屏顯示的大小LCM模塊。

    NCP5009是帶光敏傳感器的背光LED驅(qū)動升壓器,適用于自動調(diào)光的高檔手機LCM,對LED串聯(lián)驅(qū)動。LM2704是可恒流驅(qū)動4顆串聯(lián)LED、PWM調(diào)光的背光LED驅(qū)動升壓器。

    新型的電荷泵、升壓器輸出端都內(nèi)置MOSFET,可動態(tài)地調(diào)整負載內(nèi)阻,省卻為平衡由于LED內(nèi)阻不一致需要外加的勻流電阻。開關(guān)工作頻率高的電容式電荷泵其所需的濾波電容器容量小,對RF的干擾也小。

    電容器最好選擇陶瓷電容器,因為陶瓷電容器無極性并具有較低的等效串聯(lián)電阻(ESR),典型值小于100mΩ。陶瓷電容器的等效串聯(lián)電阻值、電介質(zhì)材料優(yōu)劣、電容值的大小對輸出紋波有重大影響。X7R電容器電介質(zhì)是最好的,成本略高;X5R電容器電介質(zhì)居中上,可以選用;Y5V電介質(zhì)較差,不推薦選用。