如何實現LCD平板顯示屏驅動電路的高性能設計是當前手持設備設計工程師面臨的重要挑戰。本文分析了LCD顯示面板的分類和性能特點,介紹了LCD顯示屏設計中關鍵器件LDO和白光LED的選擇要點,以及電荷泵LED驅動電路的設計方法。

    STN-LCD彩屏模塊的內部結構如圖1所示,它的上部是一塊由偏光片、玻璃、液晶組成的LCD屏,其下面是白光LED和背光板,還包括LCD驅動IC和給LCD驅動IC提供一個穩定電源的低壓差穩壓器(LDO),二到八顆白光LED以及LED驅動的升壓穩壓IC。

    STN-LCD彩屏模塊的電路結構如圖2所示,外來電源Vcc經LDO降壓穩壓后,向LCD驅動IC如S6B33BOA提供工作電壓,驅動彩色STN-LCD的液晶顯示圖形和文字;外部電源Vcc經電荷泵升壓穩壓,向白光LED如NACW215/NSCW335提供恒壓、恒流電源,LED的白光經背光板反射,使LCD液晶的65K色彩充分表現出來,LED的亮度直接影響LCD色彩的靚麗程度。

    LCD屬于平板顯示器的一種,按驅動方式可分為靜態驅動(Static)、單純矩陣驅動(Simple Matrix)以及有源矩陣驅動(Active Matrix)三種。其中,單純矩陣型又可分為扭轉式向列型(Twisted Nematic,TN)、超扭轉式向列型(Super Twisted Nematic,STN),以及其它無源矩陣驅動液晶顯示器。有源矩陣型大致可區分為薄膜式晶體管型(ThinFilmTransistor,TFT)及二端子二極管(Metal/Insulator/Metal,MIM)兩種。TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉原理的不同,在視角、彩色、對比度及動畫顯示品質上有優劣之分,使其在產品的應用范圍分類亦有明顯差異。以目前液晶顯示技術所應用的范圍以及層次而言,有源矩陣驅動技術是以薄膜式晶體管型為主流,多應用于筆記本電腦及動畫、影像處理產品;單純矩陣驅動技術目前則以扭轉向列以及STN為主,STN液晶顯示器經由彩色濾光片(colorfilter),可以分別顯示紅、綠、藍三原色,再經由三原色比例的調和,可以顯示出全彩模式的真彩色。目前彩色STN-LCD的應用多以手機、PDA、數碼相機和視屏游戲機消費產品以及文字處理器為主。

  器件選擇

    1. LDO選擇。由于手機、PDA、數碼相機和視屏游戲機消費產品都是以電池為電源,隨著使用時間的增長,電源電壓逐漸下降,LCD驅動IC需要一個穩定的工作電壓,因此設計電路時通常由一個LDO提供一個穩定的2.8V或3.0V電壓。LCM將安裝在手機的上方,與手機的射頻靠得很近,為了防止干擾,必須選用低噪音的LDO,如LP2985、AAT3215。

    2. 白光LED。按背光源的設計要求,需要前降電壓(VF)和前降電流(IF)小、亮度高(500-1800mcd)的白光LED。以手機LCM為例,目前都使用3-4顆白光LED,隨著LED的亮度增加和手機廠商要求降低成本和功耗,預計到2004年中LCM都會選用2顆高亮度白光LED(1200-2000mcd),PDA和智能手機由于LCD屏較大會按需要使用4-8顆白光LED。NACW215/NSCW335和EL 99-21/215UCW/TR8是自帶反射鏡的白光LED,EL系列其亮度分為T、S、R三個等級,T為720-1000mcd,S為500-720mcd,都是在手機LCD背光適用之列。

    LED驅動電路設計

    白光LED的驅動需要供給恒定的電壓或恒定的電流,而手機電源一開始工作后,其電壓就開始往下降,因而需要升壓器件升壓、穩壓。為了減少升壓器件的工作頻率對手機射頻的影響,一般選用以電容器為電能傳遞中間體的電容式電荷泵,而以電感器為電能傳遞中間體的升壓器能輸出較高電壓。

    電容式電荷泵的效率按其升壓方法分倍頻和分數倍頻二種,前者效率約90%,后者效率約93-95%;電感式升壓器效率約83-85%。電容式電荷泵按其輸出分恒壓輸出、恒流輸出,按其對LED驅動的方法分并聯恒壓驅動、單個恒流驅動和串聯恒流驅動。電感式升壓器都是恒流輸出,輸出電壓較高,對LED串聯驅動。

    倍頻升壓的電容式電荷泵如AAT3110,5V恒壓輸出,最大電流120mA,并聯驅動LED,如圖3所示。

    分數倍頻升壓的電容式電荷泵如AAT3113,有4-6路恒流輸出,每路能輸出20mA電流,單個恒流驅動LED,具有32級調光功能。AAT3134將輸出DAC模塊分成二塊,其輸出可分別驅動雙屏顯示的大小LCM模塊。

    NCP5009是帶光敏傳感器的背光LED驅動升壓器,適用于自動調光的高檔手機LCM,對LED串聯驅動。LM2704是可恒流驅動4顆串聯LED、PWM調光的背光LED驅動升壓器。

    新型的電荷泵、升壓器輸出端都內置MOSFET,可動態地調整負載內阻,省卻為平衡由于LED內阻不一致需要外加的勻流電阻。開關工作頻率高的電容式電荷泵其所需的濾波電容器容量小,對RF的干擾也小。

    電容器最好選擇陶瓷電容器,因為陶瓷電容器無極性并具有較低的等效串聯電阻(ESR),典型值小于100mΩ。陶瓷電容器的等效串聯電阻值、電介質材料優劣、電容值的大小對輸出紋波有重大影響。X7R電容器電介質是最好的,成本略高;X5R電容器電介質居中上,可以選用;Y5V電介質較差,不推薦選用。