基于MCU的新型改善液晶屏極化驅動(dòng)電路設計

摘要：文章介紹了一種新型的改善液晶屏極化驅動(dòng)電路，利用MCU 搭建來(lái)控制液晶分子正負翻轉的時(shí)間。該電路通過(guò)控制POL 信號，使得每隔28s 的時(shí)間將POL 信號做一次反向輸出，從而使液晶屏不易發(fā)生極化現象。

引言

一些面板由于設計和工藝等原因，存在著(zhù)液晶分子特性易遭破壞等問(wèn)題，所以在設計驅動(dòng)液晶面板的驅動(dòng)電路時(shí)需要增加特殊的功能電路，來(lái)實(shí)現液晶分子偏轉方向的控制。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，克服了現有技術(shù)中由于極性變換信號的單一極性變換規律使得液晶分子的特性容易遭到破壞的問(wèn)題。

1 系統總體框圖

本設計系統的基本單元由時(shí)序控制器（T- CON）、微控制單元（MCU）、極性保護電路、液晶面板構成。系統框圖如圖1 所示。時(shí)序控制器是驅動(dòng)液晶面板的核心器件，它的主要功能是為T(mén)FT- LCD 面板中的柵極驅動(dòng)器和源極驅動(dòng)器提供必要的時(shí)序控制信號。它將接收前端送過(guò)來(lái)的LVDS（Low Voltage Differential Signaling,低壓差分信號）信號轉化為MINI- LVDS 信號，通過(guò)輸出相應的時(shí)序控制信號來(lái)驅動(dòng)液晶面板，使每一個(gè)像素點(diǎn)顯示對應的像素電壓。微控制器在本系統中起到計數控制作用，它通過(guò)計數T- CON 送過(guò)來(lái)的相應的控制信號，來(lái)實(shí)現POL 翻轉信號翻轉的時(shí)序控制。極性保護電路在本設計中的主要功能是考慮到如果MCU 不正常工作而導致POL 翻轉信號不正常輸出給液晶面板的情況下，通過(guò)控制STV 信號而使驅動(dòng)液晶面板的信號沒(méi)有輸出，以達到防止屏在很短的時(shí)間內極化的作用。系統中還包括電源管理芯片，其主要作用是給T- CON、MCU 和保護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(xiàn)性穩壓器） 轉換，DC/DC 芯片將輸入的12V 電壓經(jīng)過(guò)BUCK 電路（降壓式變換電路）轉換成3.3V,LDO 將3.3V 電壓線(xiàn)性轉換為1.8V電壓。

2 整體設計

2.1 時(shí)序控制器及輸出波形介紹

時(shí)序控制器輸出的四個(gè)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 輸出給柵極驅動(dòng)器的時(shí)鐘信號，通過(guò)移位寄存器后依序輸出給每一行的薄膜晶體管（thin filmtransistor,TFT）， 來(lái)控制TFT 的開(kāi)啟與關(guān)閉；TP信號為T(mén)- CON 輸出給源極驅動(dòng)器的數據源行鎖存信號，當某一行的TFT 開(kāi)啟時(shí)，源極驅動(dòng)器將輸入的數字信號轉換為模擬信號輸出給TFT的源極端，TP 上升沿鎖存數據，下降沿輸出數據；POL 信號為控制像素電壓的極性翻轉信號，本設計采用的是Z INVERSION 的極性反轉方式，由于特殊的面板架構（即相鄰兩列相同極性的像素點(diǎn)都是連在一起的），使它的極性反轉頻率等于幀頻，這樣可以大大降低POL 信號的頻率，同時(shí)也相應地降低了源極驅動(dòng)器的功耗和溫度。在一幀圖像到來(lái)之前，POL 信號會(huì )根據已經(jīng)設定的極性翻轉方式來(lái)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(gè)控制信號的時(shí)序關(guān)系圖，由圖中可以看出，POL 翻轉信號發(fā)生在上一幀的BLANK 區域（無(wú)效數據區域），在下一幀的STV 來(lái)臨之前已經(jīng)翻轉完畢，距離STV 上升沿有23.6μs 的時(shí)間，也就是說(shuō)某一幀的像素電壓的極性在這一幀起始的時(shí)候已經(jīng)設定好了。在這一幀圖像要傳輸數據時(shí)，首先STV 信號來(lái)一個(gè)脈沖寬度為21μs 的高電平， 后延遲4.8μs的時(shí)間CPV 開(kāi)始動(dòng)作，將第一行的所有TFT 打開(kāi)，再延遲4.4μs 的時(shí)間第一個(gè)TP 開(kāi)始動(dòng)作，TP 上升沿將數據鎖存，TP 高電平的時(shí)間為2μs,在下降沿的時(shí)刻將第一行的數據輸出給TFT 的源極端來(lái)顯示第一行的數據。依照此時(shí)序關(guān)系，待這一幀數據全部顯示完需要768 個(gè)TP信號，60Hz 面板前端設定的TP 數為789 個(gè)，從769 到789 個(gè)TP 這段時(shí)間為BLANK 區域，該時(shí)間里的TP 都為無(wú)效的TP,也就是說(shuō)這段時(shí)間內沒(méi)有數據DATA 送入。

2.2 MCU 及反轉機制

本設計中采用8 位C- MOS 閃存單片機，該單片機有5 個(gè)I/O 口， 分別為GP0、GP1、GP2、GP4、GP5,以及一個(gè)僅用作輸入用的接口GP3,通過(guò)單片機編程可以實(shí)現POL 信號的翻轉。

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

T- CON 送出來(lái)的TP、POL_IN、STV 信號作為輸入信號，分別輸入到MCU 的2、3、4 引腳作為計數信號，當MCU 正常工作時(shí)設定5 腳輸出為低電平，6 腳是經(jīng)過(guò)反轉后的POL 輸出信號。為了在每隔28s 的時(shí)間內能夠觸發(fā)到POL 翻轉信號，所以設定一個(gè)觸發(fā)電平，當28s 反轉的時(shí)刻，該電平會(huì )發(fā)生由高到底或由低到高的電平翻轉，易于觸發(fā)。實(shí)現28s 翻轉的機制是通過(guò)MCU 計數STV 和TP 個(gè)數來(lái)實(shí)現的，以60Hz 來(lái)說(shuō)，1s 是60幀圖面，一幀圖像有一個(gè)STV,所以28s 的時(shí)間有28×60=1,680 個(gè)STV 信號，計數的機制就是通過(guò)MCU 計數1,679 個(gè)STV 后，然后計數780 個(gè)TP 后將POL 翻轉。由于MCU 的指令周期，所以需要限定POL 反轉結束的時(shí)刻要落在當前圖像幀有效的數據源行鎖存信號結束之后，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 翻轉后的信號，3 為STV 信號，4 為T(mén)P 信號，從圖中可以看出，POL 翻轉脈沖結束時(shí)刻確實(shí)發(fā)生在下一幀的STV 信號來(lái)之前，這個(gè)翻轉脈沖的寬度大約是150μs,MCU 從檢測到第1,679 個(gè)STV 和780個(gè)TP 信號后計數到POL 信號反轉，由于MCU尋址語(yǔ)句的執行需要3 個(gè)TP 的時(shí)間，所以在翻轉脈沖來(lái)之前有3 個(gè)TP 的時(shí)間。由圖中可以看出，POL 翻轉前后的電平是一樣的，正常情況時(shí)下一幀POL 信號應該是高電平，但是圖中經(jīng)過(guò)反轉后POL 仍然是低電平，也就是說(shuō)POL 經(jīng)過(guò)了一個(gè)電平的翻轉后將POL_OUT 信號與POL_IN信號反向輸出， 實(shí)現了每隔28s 的時(shí)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 為翻轉觸發(fā)電平，常規的POL信號是標準高低電平的方波信號，每個(gè)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，在翻轉脈沖之前28s 時(shí)間里POL_OUT 信號和POL_IN 信號是同步的，翻轉脈沖之后的28s 時(shí)間里POL_OUT 和POL_IN 是反向的，也就是說(shuō)每隔28s 的時(shí)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律而導致液晶分子的特性遭到破壞發(fā)生極化現象。

2.4 保護電路工作原理

　　極性保護單元的電路結構圖如圖3 所示，單片機的引腳5 通過(guò)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(guò)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(guò)阻值為4.7KΩ 的電阻R7 與電壓端（3.3V）電連接，并且時(shí)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。保護電路工作的原理是利用一個(gè)NPN 型三極管來(lái)控制圖像的起始信號STV 信號來(lái)達到保護液晶屏的目的，當MCU 正常工作時(shí)，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(gè)上拉電阻到3.3V,增加了STV 信號的驅動(dòng)電流，不影響信號圖像的正常輸出。當MCU 一旦不正常工作，第5 腳默認為高阻態(tài)， 三極管的基極接兩個(gè)4.7KΩ 的電阻到3.3V, 三極管基極電壓大于0.7V 正常導通，接在集電極端的STV 信號被強制拉到地，使畫(huà)面沒(méi)有輸出，可以保護液晶屏顯示因為沒(méi)有POL 信號的輸出而在很短的時(shí)間里發(fā)生極化的現象。

　　3 結論

　　應用MCU 搭建翻轉電路實(shí)現了控制液晶分子像素電壓極性的功能，該設計具有系統簡(jiǎn)單、低成本、低損耗和高效率等優(yōu)點(diǎn)，已成功解決了由于極性控制信號單一翻轉產(chǎn)生的極化問(wèn)題。