新型改善液晶屏极化驱动电路方案

引言

一些面板由于设计和工艺等原因，存在着液晶分子特性易遭破坏等问题，所以在设计驱动液晶面板的驱动电路时需要增加特殊的功能电路，来实现液晶分子偏转方向的控制。本文介绍了一种控制液晶显示器像素电压的极性变换的方法，克服了现有技术中由于极性变换信号的单一极性变换规律使得液晶分子的特性容易遭到破坏的问题。

1系统总体框图

本设计系统的基本单元由时序控制器(T-CON)、微控制单元(MCU)、极性保护电路、液晶面板构成。系统框图如图1所示。时序控制器是驱动液晶面板的核心器件，它的主要功能是为TFT-LCD面板中的栅极驱动器和源极驱动器提供必要的时序控制信号。它将接收前端送过来的LVDS(LowVoltageDifferentialSignaling,低压差分信号)信号转化为MINI-LVDS信号，通过输出相应的时序控制信号来驱动液晶面板，使每一个像素点显示对应的像素电压。微控制器在本系统中起到计数控制作用，它通过计数T-CON送过来的相应的控制信号，来实现pOL翻转信号翻转的时序控制。极性保护电路在本设计中的主要功能是考虑到如果MCU不正常工作而导致pOL翻转信号不正常输出给液晶面板的情况下，通过控制STV信号而使驱动液晶面板的信号没有输出，以达到防止屏在很短的时间内极化的作用。系统中还包括电源管理芯片，其主要作用是给T-CON、MCU和保护电路提供正常工作所需的电源电压，电源管理单元使用的芯片是DC/DC芯片和LDO(LowDropoutRegulator,低压差线性稳压器)转换，DC/DC芯片将输入的12V电压经过BUCK电路(降压式变换电路)转换成3.3V,LDO将3.3V电压线性转换为1.8V电压。

2整体设计

2.1时序控制器及输出波形介绍

时序控制器输出的四个主要控制信号分别为STV、CpV、Tp、pOL信号，如图2所示。STV信号是一帧图像的起始信号;CpV信号是T-CON输出给栅极驱动器的时钟信号，通过移位寄存器后依序输出给每一行的薄膜晶体管(thinfilmtransistor,TFT)，来控制TFT的开启与关闭;Tp信号为T-CON输出给源极驱动器的数据源行锁存信号，当某一行的TFT开启时，源极驱动器将输入的数字信号转换为模拟信号输出给TFT的源极端，Tp上升沿锁存数据，下降沿输出数据;pOL信号为控制像素电压的极性翻转信号，本设计采用的是ZINVERSION的极性反转方式，由于特殊的面板架构(即相邻两列相同极性的像素点都是连在一起的)，使它的极性反转频率等于帧频，这样可以大大降低pOL信号的频率，同时也相应地降低了源极驱动器的功耗和温度。在一帧图像到来之前，pOL信号会根据已经设定的极性翻转方式来控制这一帧图像像素电压的极性。以60Hz1,366×768分辨率的液晶面板为例，图2是这几个控制信号的时序关系图，由图中可以看出，pOL翻转信号发生在上一帧的BLANK区域(无效数据区域)，在下一帧的STV来临之前已经翻转完毕，距离STV上升沿有23.6μs的时间，也就是说某一帧的像素电压的极性在这一帧起始的时候已经设定好了。在这一帧图像要传输数据时，首先STV信号来一个脉冲宽度为21μs的高电平，后延迟4.8μs的时间CpV开始动作，将第一行的所有TFT打开，再延迟4.4μs的时间第一个Tp开始动作，Tp上升沿将数据锁存，Tp高电平的时间为2μs,在下降沿的时刻将第一行的数据输出给TFT的源极端来显示第一行的数据。依照此时序关系，待这一帧数据全部显示完需要768个Tp信号，60Hz面板前端设定的Tp数为789个，从769到789个Tp这段时间为BLANK区域，该时间里的Tp都为无效的Tp,也就是说这段时间内没有数据DATA送入。

2.2MCU及反转机制

本设计中采用8位C-MOS闪存单片机，该单片机有5个I/O口，分别为Gp0、Gp1、Gp2、Gp4、Gp5,以及一个仅用作输入用的接口Gp3,通过单片机编程可以实现pOL信号的翻转。

MCU管脚定义分别为1-VDD、2-Tp、3-pOL_IN、4-STV、5-默认低电平、6-pOL_OUT、7-28s翻转触发电平、8-VSS,信号输入端分别接一个100Ω的电阻作为MCUI/O口的保护电阻。

T-CON送出来的Tp、pOL_IN、STV信号作为输入信号，分别输入到MCU的2、3、4引脚作为计数信号，当MCU正常工作时设定5脚输出为低电平，6脚是经过反转后的pOL输出信号。为了在每隔28s的时间内能够触发到pOL翻转信号，所以设定一个触发电平，当28s反转的时刻，该电平会发生由高到底或由低到高的电平翻转，易于触发。实现28s翻转的机制是通过MCU计数STV和Tp个数来实现的，以60Hz来说，1s是60帧图面，一帧图像有一个STV,所以28s的时间有28×60=1,680个STV信号，计数的机制就是通过MCU计数1,679个STV后，然后计数780个Tp后将pOL翻转。由于MCU的指令周期，所以需要限定pOL反转结束的时刻要落在当前图像帧有效的数据源行锁存信号结束之后，以及下一图像帧的起始信号之前。

如图4所示，1为触发电平，2为pOL翻转后的信号，3为STV信号，4为Tp信号，从图中可以看出，pOL翻转脉冲结束时刻确实发生在下一帧的STV信号来之前，这个翻转脉冲的宽度大约是150μs,MCU从检测到第1,679个STV和780个Tp信号后计数到pOL信号反转，由于MCU寻址语句的执行需要3个Tp的时间，所以在翻转脉冲来之前有3个Tp的时间。由图中可以看出，pOL翻转前后的电平是一样的，正常情况时下一帧pOL信号应该是高电平，但是图中经过反转后pOL仍然是低电平，也就是说pOL经过了一个电平的翻转后将pOL_OUT信号与pOL_IN信号反向输出，实现了每隔28s的时间将pOL_OUT与pOL_IN做一次反向输出的功能。

2.3pOL_IN与pOL_OUT波形

如图5所示，1为pOL_IN信号，2为pOL_OUT信号，3为翻转触发电平，常规的pOL信号是标准高低电平的方波信号，每个高低电平分别控制一帧图像的像素电压极性，高电平和低电平的图像帧像素电压极性不同。从图中可以看出，MCU将输入的pOL_IN信号进行了反转，在翻转脉冲之前28s时间里pOL_OUT信号和pOL_IN信号是同步的，翻转脉冲之后的28s时间里pOL_OUT和pOL_IN是反向的，也就是说每隔28s的时间，MCU将pOL_IN信号做一次反向输出，这样做是为了防止pOL极性变换信号的单一变换规律而导致液晶分子的特性遭到破坏发生极化现象。

2.4保护电路工作原理

极性保护单元的电路结构图如图3所示，单片机的引脚5通过阻值为4.7KΩ的电阻R6与NpN三级管的基极端电连接，并且通过阻值为4.7KΩ的电阻R5与电压端(3.3V)电连接。NpN三极管的集电极端通过阻值为4.7KΩ的电阻R7与电压端(3.3V)电连接，并且时序控制器输出的STV信号输入到NpN三极管的集电极端。

NpN三极管的发射极接地。保护电路工作的原理是利用一个NpN型三极管来控制图像的起始信号STV信号来达到保护液晶屏的目的，当MCU正常工作时，编程输出第5脚为低电平，三极管截止，STV信号只是加了一个上拉电阻到3.3V,增加了STV信号的驱动电流，不影响信号图像的正常输出。当MCU一旦不正常工作，第5脚默认为高阻态，三极管的基极接两个4.7KΩ的电阻到3.3V,三极管基极电压大于0.7V正常导通，接在集电极端的STV信号被强制拉到地，使画面没有输出，可以保护液晶屏显示因为没有pOL信号的输出而在很短的时间里发生极化的现象。

3结论

应用MCU搭建翻转电路实现了控制液晶分子像素电压极性的功能，该设计具有系统简单、低成本、低损耗和高效率等优点，已成功解决了由于极性控制信号单一翻转产生的极化问题。