如何实现LCD平板显示屏驱动电路的高性能设计是当前手持设备设计工程师面临的重要挑战。本文分析了LCD显示面板的分类和性能特点,介绍了LCD显示屏设计中关键器件LDO和白光LED的选择要点,以及电荷泵LED驱动电路的设计方法。
STN-LCD彩屏模块的内部结构如图1所示,它的上部是一块由偏光片、玻璃、液晶组成的LCD屏,其下面是白光LED和背光板,还包括LCD驱动IC和给LCD驱动IC提供一个稳定电源的低压差稳压器(LDO),二到八颗白光LED以及LED驱动的升压稳压IC。
STN-LCD彩屏模块的电路结构如图2所示,外来电源Vcc经LDO降压稳压后,向LCD驱动IC如S6B33BOA提供工作电压,驱动彩色STN-LCD的液晶显示图形和文字;外部电源Vcc经电荷泵升压稳压,向白光LED如NACW215/NSCW335提供恒压、恒流电源,LED的白光经背光板反射,使LCD液晶的65K色彩充分表现出来,LED的亮度直接影响LCD色彩的靓丽程度。
LCD属于平板显示器的一种,按驱动方式可分为静态驱动(Static)、单纯矩阵驱动(Simple Matrix)以及有源矩阵驱动(Active Matrix)三种。其中,单纯矩阵型又可分为扭转式向列型(Twisted Nematic,TN)、超扭转式向列型(Super Twisted Nematic,STN),以及其它无源矩阵驱动液晶显示器。有源矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型(ThinFilmTransistor,TFT)及二端子二极管(Metal/Insulator/Metal,MIM)两种。TN、STN及TFT型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理的不同,在视角、彩色、对比度及动画显示品质上有优劣之分,使其在产品的应用范围分类亦有明显差异。以目前液晶显示技术所应用的范围以及层次而言,有源矩阵驱动技术是以薄膜式晶体管型为主流,多应用于笔记本电脑及动画、影像处理产品;单纯矩阵驱动技术目前则以扭转向列以及STN为主,STN液晶显示器经由彩色滤光片(colorfilter),可以分别显示红、绿、蓝三原色,再经由三原色比例的调和,可以显示出全彩模式的真彩色。目前彩色STN-LCD的应用多以手机、PDA、数码相机和视屏游戏机消费产品以及文字处理器为主。
器件选择
1. LDO选择。由于手机、PDA、数码相机和视屏游戏机消费产品都是以电池为电源,随着使用时间的增长,电源电压逐渐下降,LCD驱动IC需要一个稳定的工作电压,因此设计电路时通常由一个LDO提供一个稳定的2.8V或3.0V电压。LCM将安装在手机的上方,与手机的射频靠得很近,为了防止干扰,必须选用低噪音的LDO,如LP2985、AAT3215。
2. 白光LED。按背光源的设计要求,需要前降电压(VF)和前降电流(IF)小、亮度高(500-1800mcd)的白光LED。以手机LCM为例,目前都使用3-4颗白光LED,随着LED的亮度增加和手机厂商要求降低成本和功耗,预计到2004年中LCM都会选用2颗高亮度白光LED(1200-2000mcd),PDA和智能手机由于LCD屏较大会按需要使用4-8颗白光LED。NACW215/NSCW335和EL 99-21/215UCW/TR8是自带反射镜的白光LED,EL系列其亮度分为T、S、R三个等级,T为720-1000mcd,S为500-720mcd,都是在手机LCD背光适用之列。
LED驱动电路设计
白光LED的驱动需要供给恒定的电压或恒定的电流,而手机电源一开始工作后,其电压就开始往下降,因而需要升压器件升压、稳压。为了减少升压器件的工作频率对手机射频的影响,一般选用以电容器为电能传递中间体的电容式电荷泵,而以电感器为电能传递中间体的升压器能输出较高电压。
电容式电荷泵的效率按其升压方法分倍频和分数倍频二种,前者效率约90%,后者效率约93-95%;电感式升压器效率约83-85%。电容式电荷泵按其输出分恒压输出、恒流输出,按其对LED驱动的方法分并联恒压驱动、单个恒流驱动和串联恒流驱动。电感式升压器都是恒流输出,输出电压较高,对LED串联驱动。
倍频升压的电容式电荷泵如AAT3110,5V恒压输出,最大电流120mA,并联驱动LED,如图3所示。
分数倍频升压的电容式电荷泵如AAT3113,有4-6路恒流输出,每路能输出20mA电流,单个恒流驱动LED,具有32级调光功能。AAT3134将输出DAC模块分成二块,其输出可分别驱动双屏显示的大小LCM模块。
NCP5009是带光敏传感器的背光LED驱动升压器,适用于自动调光的高档手机LCM,对LED串联驱动。LM2704是可恒流驱动4颗串联LED、PWM调光的背光LED驱动升压器。
新型的电荷泵、升压器输出端都内置MOSFET,可动态地调整负载内阻,省却为平衡由于LED内阻不一致需要外加的匀流电阻。开关工作频率高的电容式电荷泵其所需的滤波电容器容量小,对RF的干扰也小。
电容器最好选择陶瓷电容器,因为陶瓷电容器无极性并具有较低的等效串联电阻(ESR),典型值小于100mΩ。陶瓷电容器的等效串联电阻值、电介质材料优劣、电容值的大小对输出纹波有重大影响。X7R电容器电介质是最好的,成本略高;X5R电容器电介质居中上,可以选用;Y5V电介质较差,不推荐选用。
