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小尺寸TFT-LCD驱动电路的设计

作者:张志伟,荆海,黄金英,邝俊峰,蔡克,朱长春  时间:2007-02-06 21:35  来源:

摘要: 根据TFT-LCD的工作原理和显示驱动电路的结构, 应用硬件设计出小尺寸TFT-LCD的驱动电路, 实现图像的清晰显示。介绍了硬件电路设计的实现方法。

关键词: TFT-LCD; IR3Y31M; UPS015; HX8604; HX8201; LTC3450; 栅驱动; 源驱动

随着液晶技术的日益成熟, 液晶显示器件在信息显示技术中得到了越来越广泛的应用。由于液晶显示屏的低功耗, 低电压和体积小等特点, 使其应用于便携式计算机、彩色液晶电视、数码像机及其各种仪器仪表等电子设备之中。本文根据国家科技部“ 863 ”课题的需要, 采用IR3Y31MUPS015HX8604HX8201LTC3450等芯片设计驱动220 ×280 TFT - LCD, 实现图像的清晰显示。

  TFT - LCD工作原理

TFT - LCD结构如图1所示, 背光源发光, 也就是荧光灯管投射出光线, 这些光线会先经过一个偏光板然后再经过液晶分子, 分子的排列方式改变穿透液晶的光线角度, 然后这些光线接下来还必须经过前方彩色的滤光板与另一块偏光滤色玻璃导出。位于底层的薄膜晶体管可改变液晶的电压值,控制最后出现的光线强度与色彩, 并进而能在液晶面板上组合出不同深浅的颜色。

  电源电路

我们采用小尺寸TFT - LCD驱动专用电源芯片LTC3450, 输入电压1.5V4.6V之间工作, 能够采用多节碱性或镍氢电池以及单节锂离子电池供电。生成TFT - LCD 需要的所有电压: AVDD (5.1V) VGL ( - 5.0 V - 10.0V - 15.0V) VGH (10.0V 15.0V ) LTC3450 可以为AVDD提供高达10mA 电流, 以及为VGL VGH 提供500uA电流。可控制的加电顺序为AVDDVGL VGH。断电时, 所有输出都切断并主动放电, 从而使电池寿命能够最大化, 同时避免出现短路。我们根据液晶的阈值电压和栅、源驱动芯片的电压要求, 设计LTC3450的三组输出电压分别为AVDD =5.1VVGL = - 10VVGH = 15V, 原理图如图2所示。与用DC /DC变换电路相比, 此电路中没有变压器等大体积元件, 所需外围器件少, 具有结构紧凑, 调试方便等特点, 输出电压精度能够很好地满足我们设计的需要。

具体设计方案

设计的小尺寸TFT - LCD驱动电路是从复合视频信号处理到LCD显示部分。具体方案如图3所示。

复合视频信号既有图像信号又有时序控制信号, 而图像信号由亮度信号和色度信号构成。通常情况下, 时序控制信号幅度大, 而图像信号幅度小, 根据这种特性, 模拟视频处理电路用幅度分离电路将它们分离, 分离后的图像信号送入处理电路产生RGB信号。剩下的时序控制信号送入栅、源时序分离电路。时序控制电路也由两部分构成, 包括TFT的源时序控制信号和栅时序控制信号。源时序控制信号频率高, 栅时序控制信号频率低, 根据这一特性, 用时序分离电路将栅、源时序信号分离。分离后的栅、源时序控制信号分别送入栅、源驱动芯片, 再和RGB 信号一起组成TFT - LCD显示所需的时序控制和图像信号。

模拟视频处理芯片IR3Y31M具有多功能视频信号处理能力, 它有下列性能: (1) 支持NTSCPAL两种制式的视频信号; ( 2) 内置TRAPHPF; (3) 内置AGCGAMMA校正、极性翻转、逆程消隐等电路; 内部还有亮度、色度接口电路和信号分离电路, 可将PALNTSC制式的复合视频信号分离出图像信号和时序控制信号。图像信号通过内部的TRAP (滤波器) 使色度信号和亮度信号分离, 亮度通道的任务是将亮度信号Y从图像信号中分离出来, 经过放大和处理后, 与色度通道解出的色差信号RY BY一起送给解码矩阵电路, 以求出三基色信号RGB, RGB 信号要经过内部的GAMMA校正电路, 这是为实现线性关系所必要的调整, 最后到极性翻转电路进行电平变换, 实现交流驱动, 正好满足TFT - LCD特性。

IR3Y31M分离出时序控制信号包含栅、源驱动信号, 由于源驱动信号频率高, 栅驱动信号频率低, 根据这一特点, 用特定的分离电路将栅、源时序分开。我们采用小尺寸TFT - LCD专用时序控制芯片UPS015, 它提供栅、源所需的时序控制信号, 有下列特点: ( 1) 支持5种分辨率模式, 最高分辨率可达234 ×1152; (2) 系统时钟频率最高可达到26MHZ; (3) 工作电压低, + 5V; (4) 为源驱动器提供三相时钟信号; (5) 支持行/列翻转显示模式; (6) 支持NTSC制式的视频信号。信号处理流程如图4所示, 这样从时序控制芯片分离出栅、源驱动控制信号, 分别送给栅、源驱动控制模块。

NPCRSC1 - 3UPS015的控制脚, 分别用来控制视频信号的制式和分辨率, 为了满足我们设计的220 ×280 TFT - LCD视频输入信号制式和分辨率的要求, 电路中采用NPC+ 5V, RSC1 接地, RSC2 - 3+ 5V (即采用NTSC视频输入信号制式, 分辨率为220 ×280)

UPS015送出的栅驱动控制信号包括时钟信号、采样移位脉冲、上/下移位控制信号(U /D)

和输出使能信号, 这些控制信号输入到栅极驱动器芯片HX8604内部还要有一些必要的电路进行处理, 即电平变换电路、双向移位寄存器和缓冲器,以满足输出电压的要求。

HX8604用于驱动TFT液晶显示屏的栅极, 也就是产生行扫描信号。在外部时钟的触发下, 向第一行提供的选通信号一级一级地向后移位, 从而实现行扫描。HX8604作为TFT液晶显示屏栅驱动芯片, 结构框图如图5所示, 主要有以下几个特点:

(1) 240个输出通道; ( 2) 输出电压的最大摆幅可达到40V; (3) 具有双向数据移位能力; (4)最大工作频率可达到200KHz。我们设计的TFT -LCD220行输出, HX8604240行输出, 多余的20(OUT221 - OUT240) 输出不接, 采用悬空的方式。为了满足被扫描的一行TFT完全打开, 而其它各行的TFT完全截至, 根据TFT的宽长比, 我们设计的TFT开启电压为+ 15V (VGH = 15V ) , 关闭电压为- 10V (VGL = -10V) , 以满足TFT - LCD的要求。

输出管脚(OUT1OUT220) 提供给液晶显示屏的电压是VGH还是VGL, 这由移位寄存器中存储的数据决定。若移位寄存器的输出为" H " ,OUT1OUT220 的输出值就为VGH, 若移位寄存器的输出为" L " , 其输出值就为VGL。正常工作时, VGH电压在与CPV同步的情况下从OUT1OUT220依次输出, 控制每行的TFT依次打开。OE是控制输出的使能脚, OE" H" ,不论CPV 为何值, 输出(OUT1 OUT220) 都被强制到" L" , OE变为" L" , 输出又回到正常状态。

此芯片有五个外加电源VGHVGLVDDVSSVEE, 它们必须满足如下关系: VGH - VGL= 40V (max) VGL - VEE = 06VVGH - VSS =1030V, 本设计采用VGH = 15V, VGL = - 10V,VDD = 5.1V, VSS = 0V, VEE = - 10V。所有电压由LTC3450三组输出电压提供。

UPS015送出的源驱动控制信号包括时钟信号、采样移位脉冲、左/右移位控制信号(L /R) 、电平信号, 此外还有IR3Y31M送出的RGB 信号。这些控制信号输入到源驱动器芯片HX8201内部还要有一些必要的电路进行处理, 即解码器、双向移位寄存器、采样- 保持电路、输出缓冲放大器电路, 以满足输出电压幅度和RGB 采样顺序与TFT彩膜类型相对应的要求。

HX8201是用于驱动彩色TFT LCD 的源驱动器, 和栅驱动器HX8604相配套使用, 结构框图如图6所示, 主要有以下几个特点: (1) 240 (RGB×80) 288 ( RGB ×96) 输出通道; ( 2) 双采样、保持电路; ( 3 ) 输出电压偏差为±20mV;(4) 双向移位能力。输入接口是模拟的R, G, B视频信号, 主要由四部分组成: 移位寄存器、解码器、采样保持电路和输出缓冲器。移位寄存器(电路) 由三个相同的移位寄存器() 组成。每个寄存器() 负责对一路视频信号(VA VBVC) 的采样保持电路提供(采样) 工作脉冲。起始脉冲由芯片引脚STH1 (右移) STH2 (左移)输入, 分别进入三路移位寄存器的输入端, 由每路移位寄存器的一端逐级向另一端移动。移位脉冲每经过移位寄存器的一级, 该级寄存器输出工作脉冲到采样保持电路, 使得该采样保持电路对解码器输出的视频信号(VAVBVC) 进行采样保持。

当所有的采样保持电路都保持着对视频信号的采样后, 这时由OE引脚输入一个上升沿信号, 所有的采样保持电路同时输出视频信号。经过输出缓冲器, QA1QA96QB1QB96QC1QC96288个引脚把视频图像信号输送到液晶屏进行图像显示。为了实现更好的显示质量, 输出电压提供几乎满量程的输出电压范围。

我们设计的TFT - LCD 280 列输出, HX8201288列输出, 多余的输出采用悬空的方式。VAVBVC RGB 信号输入脚, Q1HQ2H 是解码器控制脚, 用来控制模拟信号VAVBVC输出顺序, R /L \ 设定启始采样脉冲在移位寄存器的移动方向, MODCHNSL 分别为时钟链数和列输出控制脚。为了与我们设计的TFT彩膜(GBR) 类型、移位方向、时钟链数和列输出相对应, 电路中采用Q1HMOD 接高电平, R /L\ CHNSL接低电平, Q2H悬空。

此芯片有二个外加电源Vcc (35.5V)AVDD(2.55.5V) , 本设计采用Vcc = AVDD = 5.1V,此电压由LTC3450Vout输出电压提供。

结束语

(1) 基于LTC3450 的电路设计, 通过电路调试输出电压满足栅、源驱动芯片的要求。

(2) 通过硬件设计, DVD视频信号作为参考信号, 在液晶屏看到了显示图像。图像的清晰度和反应速度都很好, 达到小尺寸TFT - LCD驱动的要求。

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