基于MCU的新型改善液晶屏極化驅(qū)動電路設(shè)計

摘要：文章介紹了一種新型的改善液晶屏極化驅(qū)動電路，利用MCU 搭建來控制液晶分子正負(fù)翻轉(zhuǎn)的時間。該電路通過控制POL 信號，使得每隔28s 的時間將POL 信號做一次反向輸出，從而使液晶屏不易發(fā)生極化現(xiàn)象。

引言

一些面板由于設(shè)計和工藝等原因，存在著液晶分子特性易遭破壞等問題，所以在設(shè)計驅(qū)動液晶面板的驅(qū)動電路時需要增加特殊的功能電路，來實現(xiàn)液晶分子偏轉(zhuǎn)方向的控制。本文介紹了一種控制液晶顯示器像素電壓的極性變換的方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中由于極性變換信號的單一極性變換規(guī)律使得液晶分子的特性容易遭到破壞的問題。

1 系統(tǒng)總體框圖

本設(shè)計系統(tǒng)的基本單元由時序控制器（T- CON）、微控制單元（MCU）、極性保護(hù)電路、液晶面板構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。時序控制器是驅(qū)動液晶面板的核心器件，它的主要功能是為TFT- LCD 面板中的柵極驅(qū)動器和源極驅(qū)動器提供必要的時序控制信號。它將接收前端送過來的LVDS（Low Voltage Differential Signaling,低壓差分信號）信號轉(zhuǎn)化為MINI- LVDS 信號，通過輸出相應(yīng)的時序控制信號來驅(qū)動液晶面板，使每一個像素點顯示對應(yīng)的像素電壓。微控制器在本系統(tǒng)中起到計數(shù)控制作用，它通過計數(shù)T- CON 送過來的相應(yīng)的控制信號，來實現(xiàn)POL 翻轉(zhuǎn)信號翻轉(zhuǎn)的時序控制。極性保護(hù)電路在本設(shè)計中的主要功能是考慮到如果MCU 不正常工作而導(dǎo)致POL 翻轉(zhuǎn)信號不正常輸出給液晶面板的情況下，通過控制STV 信號而使驅(qū)動液晶面板的信號沒有輸出，以達(dá)到防止屏在很短的時間內(nèi)極化的作用。系統(tǒng)中還包括電源管理芯片，其主要作用是給T- CON、MCU 和保護(hù)電路提供正常工作所需的電源電壓，電源管理單元使用的芯片是DC/DC 芯片和LDO（Low Dropout Regulator,低壓差線性穩(wěn)壓器） 轉(zhuǎn)換，DC/DC 芯片將輸入的12V 電壓經(jīng)過BUCK 電路（降壓式變換電路）轉(zhuǎn)換成3.3V,LDO 將3.3V 電壓線性轉(zhuǎn)換為1.8V電壓。

2 整體設(shè)計

2.1 時序控制器及輸出波形介紹

時序控制器輸出的四個主要控制信號分別為STV、CPV、TP、POL 信號，如圖2 所示。STV 信號是一幀圖像的起始信號；CPV 信號是T- CON 輸出給柵極驅(qū)動器的時鐘信號，通過移位寄存器后依序輸出給每一行的薄膜晶體管（thin filmtransistor,TFT）， 來控制TFT 的開啟與關(guān)閉；TP信號為T- CON 輸出給源極驅(qū)動器的數(shù)據(jù)源行鎖存信號，當(dāng)某一行的TFT 開啟時，源極驅(qū)動器將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給TFT的源極端，TP 上升沿鎖存數(shù)據(jù)，下降沿輸出數(shù)據(jù)；POL 信號為控制像素電壓的極性翻轉(zhuǎn)信號，本設(shè)計采用的是Z INVERSION 的極性反轉(zhuǎn)方式，由于特殊的面板架構(gòu)（即相鄰兩列相同極性的像素點都是連在一起的），使它的極性反轉(zhuǎn)頻率等于幀頻，這樣可以大大降低POL 信號的頻率，同時也相應(yīng)地降低了源極驅(qū)動器的功耗和溫度。在一幀圖像到來之前，POL 信號會根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的極性翻轉(zhuǎn)方式來控制這一幀圖像像素電壓的極性。以60Hz 1,366×768 分辨率的液晶面板為例， 圖2 是這幾個控制信號的時序關(guān)系圖，由圖中可以看出，POL 翻轉(zhuǎn)信號發(fā)生在上一幀的BLANK 區(qū)域（無效數(shù)據(jù)區(qū)域），在下一幀的STV 來臨之前已經(jīng)翻轉(zhuǎn)完畢，距離STV 上升沿有23.6μs 的時間，也就是說某一幀的像素電壓的極性在這一幀起始的時候已經(jīng)設(shè)定好了。在這一幀圖像要傳輸數(shù)據(jù)時，首先STV 信號來一個脈沖寬度為21μs 的高電平， 后延遲4.8μs的時間CPV 開始動作，將第一行的所有TFT 打開，再延遲4.4μs 的時間第一個TP 開始動作，TP 上升沿將數(shù)據(jù)鎖存，TP 高電平的時間為2μs,在下降沿的時刻將第一行的數(shù)據(jù)輸出給TFT 的源極端來顯示第一行的數(shù)據(jù)。依照此時序關(guān)系，待這一幀數(shù)據(jù)全部顯示完需要768 個TP信號，60Hz 面板前端設(shè)定的TP 數(shù)為789 個，從769 到789 個TP 這段時間為BLANK 區(qū)域，該時間里的TP 都為無效的TP,也就是說這段時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)DATA 送入。

2.2 MCU 及反轉(zhuǎn)機(jī)制

本設(shè)計中采用8 位C- MOS 閃存單片機(jī)，該單片機(jī)有5 個I/O 口， 分別為GP0、GP1、GP2、GP4、GP5,以及一個僅用作輸入用的接口GP3,通過單片機(jī)編程可以實現(xiàn)POL 信號的翻轉(zhuǎn)。

MCU 管腳定義分別為1- VDD、2- TP、3- POL_IN、4- STV、5- 默認(rèn)低電平、6- POL_OUT、7- 28s 翻轉(zhuǎn)觸發(fā)電平、8- VSS, 信號輸入端分別接一個100Ω 的電阻作為MCU I/O 口的保護(hù)電阻。

T- CON 送出來的TP、POL_IN、STV 信號作為輸入信號，分別輸入到MCU 的2、3、4 引腳作為計數(shù)信號，當(dāng)MCU 正常工作時設(shè)定5 腳輸出為低電平，6 腳是經(jīng)過反轉(zhuǎn)后的POL 輸出信號。為了在每隔28s 的時間內(nèi)能夠觸發(fā)到POL 翻轉(zhuǎn)信號，所以設(shè)定一個觸發(fā)電平，當(dāng)28s 反轉(zhuǎn)的時刻，該電平會發(fā)生由高到底或由低到高的電平翻轉(zhuǎn)，易于觸發(fā)。實現(xiàn)28s 翻轉(zhuǎn)的機(jī)制是通過MCU 計數(shù)STV 和TP 個數(shù)來實現(xiàn)的，以60Hz 來說，1s 是60幀圖面，一幀圖像有一個STV,所以28s 的時間有28×60=1,680 個STV 信號，計數(shù)的機(jī)制就是通過MCU 計數(shù)1,679 個STV 后，然后計數(shù)780 個TP 后將POL 翻轉(zhuǎn)。由于MCU 的指令周期，所以需要限定POL 反轉(zhuǎn)結(jié)束的時刻要落在當(dāng)前圖像幀有效的數(shù)據(jù)源行鎖存信號結(jié)束之后，以及下一圖像幀的起始信號之前。

如圖4 所示，1 為觸發(fā)電平，2 為POL 翻轉(zhuǎn)后的信號，3 為STV 信號，4 為TP 信號，從圖中可以看出，POL 翻轉(zhuǎn)脈沖結(jié)束時刻確實發(fā)生在下一幀的STV 信號來之前，這個翻轉(zhuǎn)脈沖的寬度大約是150μs,MCU 從檢測到第1,679 個STV 和780個TP 信號后計數(shù)到POL 信號反轉(zhuǎn)，由于MCU尋址語句的執(zhí)行需要3 個TP 的時間，所以在翻轉(zhuǎn)脈沖來之前有3 個TP 的時間。由圖中可以看出，POL 翻轉(zhuǎn)前后的電平是一樣的，正常情況時下一幀POL 信號應(yīng)該是高電平，但是圖中經(jīng)過反轉(zhuǎn)后POL 仍然是低電平，也就是說POL 經(jīng)過了一個電平的翻轉(zhuǎn)后將POL_OUT 信號與POL_IN信號反向輸出， 實現(xiàn)了每隔28s 的時間將POL_OUT 與POL_IN 做一次反向輸出的功能。

2.3 POL_IN 與POL_OUT 波形

如圖5 所示，1 為POL_IN 信號，2 為POL_OUT 信號，3 為翻轉(zhuǎn)觸發(fā)電平，常規(guī)的POL信號是標(biāo)準(zhǔn)高低電平的方波信號，每個高低電平分別控制一幀圖像的像素電壓極性，高電平和低電平的圖像幀像素電壓極性不同。從圖中可以看出，MCU 將輸入的POL_IN 信號進(jìn)行了反轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)脈沖之前28s 時間里POL_OUT 信號和POL_IN 信號是同步的，翻轉(zhuǎn)脈沖之后的28s 時間里POL_OUT 和POL_IN 是反向的，也就是說每隔28s 的時間，MCU 將POL_IN 信號做一次反向輸出，這樣做是為了防止POL 極性變換信號的單一變換規(guī)律而導(dǎo)致液晶分子的特性遭到破壞發(fā)生極化現(xiàn)象。

2.4 保護(hù)電路工作原理

　　極性保護(hù)單元的電路結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，單片機(jī)的引腳5 通過阻值為4.7KΩ 的電阻R6 與NPN 三級管的基極端電連接，并且通過阻值為4.7KΩ 的電阻R5 與電壓端（3.3V）電連接。NPN三極管的集電極端通過阻值為4.7KΩ 的電阻R7 與電壓端（3.3V）電連接，并且時序控制器輸出的STV 信號輸入到NPN 三極管的集電極端。

　　NPN 三極管的發(fā)射極接地。保護(hù)電路工作的原理是利用一個NPN 型三極管來控制圖像的起始信號STV 信號來達(dá)到保護(hù)液晶屏的目的，當(dāng)MCU 正常工作時，編程輸出第5 腳為低電平，三極管截止，STV 信號只是加了一個上拉電阻到3.3V,增加了STV 信號的驅(qū)動電流，不影響信號圖像的正常輸出。當(dāng)MCU 一旦不正常工作，第5 腳默認(rèn)為高阻態(tài)， 三極管的基極接兩個4.7KΩ 的電阻到3.3V, 三極管基極電壓大于0.7V 正常導(dǎo)通，接在集電極端的STV 信號被強(qiáng)制拉到地，使畫面沒有輸出，可以保護(hù)液晶屏顯示因為沒有POL 信號的輸出而在很短的時間里發(fā)生極化的現(xiàn)象。

　　3 結(jié)論

　　應(yīng)用MCU 搭建翻轉(zhuǎn)電路實現(xiàn)了控制液晶分子像素電壓極性的功能，該設(shè)計具有系統(tǒng)簡單、低成本、低損耗和高效率等優(yōu)點，已成功解決了由于極性控制信號單一翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的極化問題。