使用负型液晶的电源电路优化方案

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　　摘  要：文章基于使用负性液晶的显示屏，为实现TFT LCD的电路设计优化，对系统电源电路简化方面进行相关研究。首先，根据TFT LCD电路驱动原理介绍了目前常用的电源驱动架构。进而，以正性液晶为例分析了典型的电源电路设计，即常规Source Driver IC驱动的电源电路设计以及常态的TCON IC IO电压输出级电源电路。其次，介绍了使用负性液晶基础上的电源电路并对TFT LCD电源驱动进行简化电路设计，说明了采用该电源电路設计的优势。最后，对使用负性液晶的电源电路优化方案进行了总结。可以表明：文章提出的使用负型液晶的电源电路优化方案，能够满足TFT LCD电源电路系统的稳定、可靠及精度高等要求。
　　关键词：负型液晶;电源驱动;电路优化
　　中图分类号：TM923.5       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）33-0113-03
　　Abstract： In order to realize the circuit system design optimization of TFT LCD with negative type liquid crystal， and the research of power supply circuit simplification is studied. First of all， according to the TFT LCD circuit driving theory， the typical drive circuit architecture is introduced. Then， the normal power circuit design is analyzed with positive liquid crystal as an example， i.e. the analog power circuit design of Source Driver IC and the normal TCON IC logic voltage output power circuit design. Furthermore， the simplified power supply circuit design based on negative type liquid crystal is proposed， and the advantages of using this power circuit design are illustrated. Finally， the designed power circuit system structure with negative type liquid crystal are concluded. It can be shown that the power circuit optimization scheme of negative type liquid crystal can meet the requirements of stability， reliability and high precision of TFT LCD power circuit system.
　　Keywords： negative type liquid crystal; power driving; circuit optimization
　　1 概述
　　液晶（Liquid Crystal Material）作为TFT LCD（thin film transistor Liquid Crystal Display）显示屏主要组成部分，一直是业界为提升显示性能的重要研究对象。液晶在LCD中起到一种类似光阀的作用，可以控制透射光的明暗，从而取得信息显示的效果。液晶的种类主要分为正型液晶和负型液晶，针对不同类型液晶，电路驱动方案也需进行相应调整。
　　TFT LCD显示屏的电源驱动电路可在原有正型液晶驱动电路基础上增加负型液晶驱动电路，利用负型液晶的电源种类需求对TFT LCD整体的电源电路进行优化以及整并，从而使其在逻辑电源和模拟电源电路方面呈现更紧凑的架构且可以降低成本。但是，由于加入负型液晶的驱动电源电路后，原有的应用于正型液晶中的电源架构以及栅极驱动IC（Source Driver IC）架构需要进行优化即为本文所提。
　　TFT LCD驱动电路是以数字和模拟电路为基础，融合信息处理、光电子学等科学为一体的电子电路设计技术。随着TFT LCD产品的大型且高分辨率化，对TFT LCD产品光学标准的要求也越来越高。
　　TFT LCD高分辨率产品对透过率要求较高（如5%至8%）时可能需要使用负型液晶。因此，对TFT LCD负型液晶屏的电源电路驱动技术以及电路优化方法进行研究，能够提高其显示质量，促进TFT LCD面板的电学以及光学规格的提升。
　　鉴于此，本文对TFT LCD UHD（3820×2160像素）分辨率产品的电源电路系统进行研究，建立应用于工业产品的UHD等大尺寸的负型液晶屏的电源电路驱动优化系统，通过对工业UHD负型液晶屏产品进行电源电路驱动系统优化，说明本文所建立的针对UHD负型液晶屏产品的电源电路驱动优化系统可以在保证系统驱动要求的同时达成简化系统以及降低生产成本的特点。
　　2 TFT LCD显示屏电路驱动构成及工作原理
　　2.1 TFT LCD显示屏电路驱动系统的硬件构成
　　TFT LCD显示屏电路驱动系统的硬件构成如图1。其主要由TFT LCD子画素讯号分析子系统、图像生成子系统等数字信号部分以及驱动电源电路生成子系统等模拟信号部分组成。TFT LCD子画素讯号分析子系统主要包括用于分析系统端传送过来的TFT LCD子画素信号的receiver，并将其转换为图像生成子系统可接受的信号;图像产生子系统由输出连结到Source driver IC的图像信号产生器transistor等组成，用于向TFT LCD屏传递标准子画素传输信号;source driver IC可将传递来的子画素数据信号进行处理转化成实际TFT LCD屏内子画素的充电电压。驱动电源电路生成子系统产生TFT LCD电路系统上所需的各路电压以及承载电流，以确保所有画面下均能够正常输出。 　　2.2 TFT LCD显示屏模拟电路驱动
　　TFT LCD显示屏模拟电路驱动的工作原理为：对于以下各子系统进行驱动电压电流的承载以及对于TFT LCD实际子画素充电进行承载。由TFT LCD子画素讯号分析子系统分析系统端传送过来的TFT LCD子画素信号，完成RGB等子画素信号转换之后传递给图像产生子系统，并由图像产生子系统转换成连结source driver IC的标准子画素传输信号，以及控制TFT LCD子画素开关的同步信号，source driver IC可对传递来的子画素数据进行处理转化成实际TFT LCD屏内子画素的充电电压。
　　具体步骤为：
　　（1）TFT LCD电路系统开机时由模拟电路产生系统所需的逻辑电源以及模拟电源。
　　（2）利用逻辑电源以及模拟电源生成的先后次序对各子系统以及TFT LCD子画素进行重启动作。
　　（3）提供数字电路系统正常工作所需的电压电流承载以及TFT LCD子画素充放电时的电压电流承载。
　　由图2可知，通过TFT LCD显示屏模拟电路，经上述三个步骤最终可以完成TFT LCD显示屏的驱动。
　　3 TFT LCD显示屏使用负型液晶的电源电路驱动
　　3.1 正型液晶的电源电路驱动
　　针对液晶各向介电异性，平行介电常数ε∥大于垂直介电常数ε⊥时，称为正性液晶，如式（1）所示。
　　Δε=（（ε∥）-（ε⊥））>0          （1）
　　由于信号源中数字信号仅包含有RGB三个色素的信息，若想在TFT LCD显示屏上正确显示图片/视频信息，在进行光学校正时需要保证灰阶（gray level）40～240之间，RGB各个子像素均能满足液晶屏透过率在Gamma=2.4和Gamma=2.0之间，如式（2）所示。
　　式中：L为液晶屏的显示亮度，其为灰阶水平G的函数;G为灰阶水平，范围为0～255;Gmax为液晶屏的灰阶水平最大值，Gmax=255。
　　为了显示不同灰阶的亮度，图片/视频数字信号需要通过源极驱动芯片Source driver IC将其转换成可驱动液晶翻转的模拟驱动电压，以控制每个色素所显示的亮度、灰阶和色彩。其中Source driver IC为实现G0～255不同灰阶对应的电压，内部对于gamma的各绑点模拟电压均设置为0V～AVDD（IC正常工作需要的模拟电源）之间，且为降低IC功耗，还需要引入HAVDD（1/2 AVDD）电压减小工作时的驱动电流。亦即source driver IC需要AVDD， HAVDD， GND等三个模拟电压。
　　3.2 负型液晶的电源电路驱动
　　针对液晶各向介电异性，平行介电常数ε∥小于垂直介电常数ε⊥时，称为负性液晶，如式（3）所示。
　　Δε=（（ε∥）-（ε⊥））<0          （3）
　　基于负型液晶应用于实际光学调试时，亦需要保证灰阶gray level 40～240，RGB各个子像素均能满足液晶屏透过率在Gamma = 2.4和Gamma = 2.0之间。
　　由于负型液晶的方向性与正型液晶相反，所以其中Source driver IC内部对于gamma的绑点电压可设置为NAVDD～PAVDD之间，中间使用0V（GND）作为工作模拟半压，以达到同样降低IC功耗的作用。亦即source driver IC需要PAVDD， NAVDD， GND等三个模拟电压。采用新电压范围的负性液晶V-T曲线如图3所示。
　　3.3 负性液晶的整体电源电路整并方式
　　针对使用负型液晶时source driver IC的绑点电压需求，可将整体电源电路进行进一步优化，使驱动电路结构更加紧凑，且可进一步降低生产成本，具体描述如下。
　　3.3.1 source driver IC 模拟电压优化
　　正性液晶驱动电路中，source driver IC需要的模拟电源主要为AVDD， HAVDD=VCOM（数据信号的基准电压）， GND。使用负性液晶时，驱动电路中的source driver IC工作模拟电压可优化为PAVDD， NAVDD， MAVDD=GND=VCOM。因此可以将模拟电压由4路整合为3路。
　　3.3.2 逻辑电源电路整并
　　目前TFT LCD显示屏电路系统中主要使用2种逻辑电源电压，时序控制器TCON IC 使用DVDD1/DVDD，Source driver IC 使用DVDD，存储器FLASH IC使用DVDD1等。为进一步简化驱动电源电路，根据现有工艺技术，可对电路设计进行优化，将TCON IC中DVDD1逻辑I/O模块用DVDD电压替代进行控制，Flash IC的逻辑控制电压也可由DVDD1变为DVDD，由此可使整个电路的逻辑电压源均为DVDD。输出电源种类减少后，电源产生电路模块的外围电路可大大简化，进而可降低生产成本。
　　4 简化的负型液晶TFT LCD 显示屏电路驱动方案
　　利用上述优化电源电路方法对使用负型液晶TFT LCD显示屏进行电路设计，并对结果进行分析。
　　4.1 模擬电源输出结果
　　Source driver IC对于内部OP运放电路输出级进行IP的电路设计，将其原有的GND，HAVDD，AVDD的电路需求修改为PAVDD，GND，NAVDD的电路需求，如此可以整并模拟电路模块。
　　4.2 逻辑电源输出结果
　　TCON IC，source driver IC，falsh IC，level shift IC等相关会使用逻辑电源的IC，经Power IC产生DVDD电源当作各IC内部逻辑工作电压，可以整并逻辑电路模块。
　　 4.3 简化的整体电源电路设计
　　 经过模拟电路模块和逻辑电路模块的整并之后，用于负型液晶的整体电路结构设计如图4所示。
　　5 结束语
　　文章根据现代工业要求，提出了TFT LCD显示屏应用于负型液晶下的驱动电源电路系统优化方法。首先介绍了目前常用的电源系统架构。然后基于TFT LCD驱动原理对使用负性液晶条件下的电源电路系统优化进行研究。最后，介绍了TFT LCD显示屏应用于负型液晶下优化后的整体电源系统架构。结果证明：本文在满足TFT LCD显示屏要求下，针对应用于负型液晶时可对驱动电路系统进行优化，并可降低生产成本。
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