TFT-LCD背光設計策略

2021-01-14 電子產品世界

TFT-LCD背光設計策略
顏重光 高工

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/7633.htm

TFT-LCD的結構
從TFT-LCD的切面結構圖（圖1）可以看到LCD是由二層玻璃基板夾住液晶組成的，形成一個平行板電容器，通過嵌入在下玻璃基板上的TFT對這個電容器和內置的存儲電容充電，維持每幅圖像所需要的電壓直到下一幅畫面更新。液晶的彩色都是透明的必須給LCD襯以白色的背光板上才能將五顏六色表達出來，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色燈光。因此在TFT-LCD的底部都組合了燈具，如CCFL或LED。


圖1   TFT-LCD的切面結構圖


TFT-LCD需要背光
由於LCD面板本身並不發光，因此需要背光，液晶顯示器就必須加上一個背光板, 來提供一個高亮度，而且亮度分布均勻的光源。 LCD實際上是打開來自其後面光源的光來表現其色彩的。目前的常用背光源是CCFL或LED。


CCFL背光源
現在幾乎所有的較大面積的LCD顯示器都使用CCFL(冷陰極螢光燈)背光，這些CCFL的驅動需要非常高的交流電壓波形。一般筆記本和顯示器的面板只需要一個CCFL控制器，然而大面板、TV類型的顯示器要求更亮的背光，也即需要更多的CCFL，因而需要更多的驅動器。來自這些CCFL的光還必須匹配，否則顯示屏的圖像亮度將不均勻。採用CCFL技術作為背光源會嚴重影響在LCD顯示器上顯示的色譜。典型的CCFL背光使LCD顯示器只能再現不到50%的NTSC 信號所能傳輸的色彩。
為了改善CCFL的不足，TI和MAXIM等IC廠商分別推出幾款高性能電源管理器件如TPS65160、MAX1997/8、MAX1513/4，它們不但具備高轉換效率，還能滿足薄膜電晶體(TFT-LCD)液晶屏幕的所有電壓需求，為液晶顯示器提供完備的供電方案。並提供安全的大電流控制能力，適用於現今大型液晶顯示器和液晶電視的電源管理器件（圖2）。
它們內置高效率的直流轉換控制器、兩個電荷泵、多種安全功能，以及可調式開機電源順序控制。電壓輸入的範圍較寬；內置1.5-2.6A交換升壓轉換器，為系統提供源極電壓VCOM=15V/1.5A，一個大電流背板驅動器；一個珈瑪基準電壓Vgamma=15V/30mA；而1.8A異步降壓轉換器供應邏輯電壓VLOGIC=3.3V/1.5A；還提供可調式穩壓輸出的正電荷泵輸出VGON=23V/50mA和負電荷泵驅動器輸出VGOFF=-5V/50mA，以保證屏幕顯示畫面質量。它們擁有快速瞬時響應能力，其高達95%的電源轉換效率有助於節省電力。它們還包含多種安全功能，例如升壓轉換器的電壓過載保護、降壓轉換器的短路保護，以及過熱關機功能，從而避免了溫度或功耗過高所造成的損害。除此之外，電壓過低鎖定(UVLO)功能會在電壓過低時將器件關機，提供進一步保護。採用薄型QFN封裝，最大高度僅0.8mm，適合超薄型LCD面板。

圖2  TFT-LCD顯示器系統需要多檔電源電壓。

LED背光源
如今用新的大功率、高亮度的LED技術作為背光源，可以將對NTSC信號色譜的覆蓋率提高到超過100%。另外，這些新LED背光沒有CCFL背光所需的水銀，非常適合綠色環保應用。LED背光還具有很多其它優點。對於大面積面板，可採用分離的紅色、綠色和藍色LED，這使顯示器的色溫可以很容易進行調整。這些器件的快速響應特性還使它們非常適合於頻閃背光(strobing backlight)應用。
LED的驅動需要一定的電壓和電流，手提產品的電源都是電池，因此就需要升降壓電壓變換的電源管理電路。如今各種微型電壓升降壓晶片技術也日顯成熟，產品也在不斷增加，符合PMP/MP4、DSC、DV的TFT-LCD需要的，能同時多路輸出它們需要的不同電壓的集成電源管理晶片組（SOC）也在迅速推出之中。
TFT-LCD顯示器系統需要多檔電源電壓，如PMP/MP4常用的三星3.5_和4_的TFT-LCD ，它們的結構如圖3所示，它們由TFT玻璃（TFT glass）、顏色濾波器（Color filter）、 顯示區（Display area）、背光板和背光源（Backlight）四部分疊加組成。圖4是三星3.5_的TFT-LCD電路圖。它們的主要技術參數是：VIN=2.1-4.0V，VSW=15V/1.4A、VS=15V；用6個LED串聯做背光源，每個LED的VF=3.4V、IF=20mA，因此需要一個24V/50 mA的電壓來驅動。常常選用帶電感的DC/DC來升壓，再加上倍壓電路，輸出多檔電源電壓滿足TFT-LCD的需要，如圖5所示。
目前MP3、PMP/ MP4、DSC、DV等的小尺寸TFT-LCD 屏的低成本背光碟機動方案常常是採用這種方法來設計實用電路的。

圖3  三星4_的TFT-LCD結構圖


圖4  三星3.5_的TFT-LCD電路圖


圖5  升壓、倍壓產生多檔電源電壓電路

新背光源
    正在研發的新背光源還有好多種，如日本DiaLight開發成功了一款採用碳納米管的場發射型高亮度背光燈，適用於LCD TV等大屏顯示器，。從原理上講，可實現15萬cd/m2的超高亮度。除可作為電視機和手機的背光燈使用外，還可用作特殊光源。
    此背光燈通過在使用碳納米管的平面電極（發射極）上施加高壓電場，使放射出的電子射向螢光板而發光。除了高發光效率、低能耗和高亮度發光外，還具有無汞、長壽命以及高速響應等特點。比如說，按32英寸的背光燈換算，發光效率為80lm/W、亮度為1萬5000cd/m2、耗電量為85W、壽命為5萬小時、響應速度為100μs。相比，採用冷陰極管（CCFL）的情況是：效率為50lm/W、亮度為1萬2000cd/m2、耗電量為110W，壽命為5萬小時、響應速度為10_15ms；採用白色LED的情況是：效率為30lm/W、亮度為9500cd/m2、耗電量為185W、壽命為5萬小時、響應速度為數十ns。

參考文獻：
1.  《TFT-LCD液晶顯示器的工作原理》 謝崇凱 2004-8
2.  《STN-LCD彩屏模塊設計》 顏重光 2004-4 《電子工程專輯》
3.  《手機相機的低壓閃光燈驅動電路設計及器件選擇指南》顏重光 2004-11《電子工程專輯》


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