LCD控制驱动器的设计与开发

    摘要：本文将介绍LCD的种类、驱动器的控制方式、市场动态、LCD控制驱动器的设计流程和设计中应解决的技术难题。

    关键词：LCD 液晶控制/驱动器 产品设计

LCD及控制/驱动器

    LCD的工作原理和结构

对于液晶显示屏，它通常包括玻璃基板、ITO(Indium Tin Oxide)膜、配向膜、偏光板等制成的夹板，上下共有两层。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下玻璃基板配向为90度。上下夹层中放置液晶，液晶将按照沟槽方向配向。整体看起来，液晶分子的排列就像螺旋形的扭转排列。当玻璃基板加入电场时，液晶分子配列产生变化，变成竖立状态。当液晶分子竖立时光线无法通过，结果在显示屏上出现黑色。液晶显示器(LCD)将根据电压的有无，控制液晶分子配列方向，使面板达到显示效果。

    LCD的类型

    对LCD的分类，有各种分类方法。通常可按照其显示方式分为段式、点字符式、点阵式等。除了黑白显示外，还有多灰度和彩色显示等。

表1 LCD显示方式分类

LCD显示器的驱动方式

    在LCD驱动时，需在段电极和公共电极上施加交流电压。若只在电极上施加DC电压时，液晶本身发生劣化。液晶驱动方式包括静态驱动、动态驱动等驱动方式。

    （1)静态驱动

    所有的段都有独立的驱动电路，表示段电极与公共电极之间连续施加电压。它适合于简单控制的LCD。

    （2)多路驱动方式

    构成矩阵电极，公共端数为n，按照1/n的时序分别依次驱动公共端，与该驱动时序相对应，对所有的段信号电极作选择驱动。这种方式适合于比较复杂控制的LCD。

    在多路驱动方式中，像素可分为选择点、半选择点和非选择点。为了提高显示的对比度和降低串扰，应合理选择占空比（duty）和偏压(bias)。

    施加在LCD上所表示的ON和OFF时的电压有效值与占空比和偏压的关系如下：

    Vo:LCD驱动电压

    N:占空比(1/N)

    a:偏压(1/a)

    多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动。点反转驱动适合于低占空比应用，它在各段数据输出时，将数据反转。帧反转驱动适合于高占空比应用，它在各帧输出时，将数据反转。

    对于多灰度和彩色显示的控制方法，通常采用帧频控制(FRC）和脉宽调制(PWM)方法。帧频控制是通过减少帧输出次数，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。

LCD发展动向

    显示方式从简单的段式、点字符式到复杂的点阵式、阶调式的变化。显示颜色从黑白逐步变化到彩色。显示屏从小到大，响应时间逐步缩短，目前STN显示器在成本及消费电流方面有优势。TFT显示器在对比度和动画对应速度方面有优势。

    作为LCD驱动器标准电路生产厂主要有NEC 、EPSON、三星等公司。目前手机市场中使用最多的驱动器电路仍然是黑白电路。但是，四灰度LCD驱动电路和彩色LCD驱动电路也逐渐投入到市场上。今后具有彩色、大屏幕、可上网、响应快的显示器将成为手机发展的流行趋势。

LCD驱动器设计流程

    LCD控制驱动器主要特性

    下面将以NEC公司mPD16682A产品为例，说明LCD控制驱动器主要特性和设计流程。该芯片适用于手机、汉字或日语传呼机以及其他显示汉字或日语字符的设备，每个字符使用16 x 16或12 x 12个点。

    * 内含1/65分时显示RAM的液晶显示控制/驱动器

    * 使用+3伏单一电源

    * 内含升压电路（3倍和4倍可转换）

    * 132 x 65 位用于点显示的RAM

    * 输出：132段、65公共端

    * 用于COG（Chip on Glass）

    LCD驱动器基本构成

    LCD驱动器基本构成由以下部分构成：

    控制部分：

    TopDown(自顶向下)

    逻辑电路

    RAM部分：

    手工设计

    异步2 PortRAM

    I/O口

    输出专用口

    模拟部分：

    手工设计

    DC/DC转换器

    DA转换器

    升压放大器

    电压跟随器

    稳压电路

    温度补偿电路

    振荡电路

    I/O部分：手工设计

关于LCD控制驱动器开发的设想

    以市场为导向，开发控制驱动器系列产品

    显示屏以手机为例，设计开发企业应与国内芯片制造企业联手，设计、开发下列目前或近期即将需求的手机用LCD控制驱动器的系列产品：

    黑白LCD控制驱动器 

    多灰度LCD控制驱动器 

    彩色STN-LCD控制驱动器 

    彩色TFT-LCD控制驱动器 
　
    开发LCD控制驱动器产品需解决的问题

    (1)确定LCD驱动电路规格书

    根据市场需求及发展趋势，确定LCD驱动电路的规格书

    （2)建立完整的设计环境

    由于LCD控制驱动电路涉及到数字、模拟和高压电路。SPICE参数的提取和验证是其中重要的一项任务。因此，设计和工艺人员应制作测试用的TEG片，并对TEG片进行测试，提取和验证SPICE参数，建立完整的设计环境。

    （3)LCD控制驱动电路设计

    电路设计包括确定电路设计方案、逻辑综合、电路仿真和物理实现。

    ·采用低功耗技术，需选择低功耗电源；内置存储器和降低振荡频率；采用OSO(One Shot Operation)电路技术；采用MLS（Multi Line Selection多线选择）驱动法。

    ·电路描述与仿真。

    数字电路可采用HDL语言描述，HDL仿真。模拟电路可采用原理图输入，SPICE仿真。

    对于整体电路仿真需采用数模混合仿真技术，还要解决显示图象的验证技术。

    ·版图物理实现

    为了保证设计效率，数字电路部分的版图可利用SE，进行自动布局布线。为获得高性能，对模拟电路版图及I/O部分版图应采用手工布图。由于全芯片采用不同的方法分块制作，因此需利用全芯片合成、布局布线技术和部分电路版图和全芯片版图的DRC技术。

    （4)LCD控制/驱动电路测试技术。例如，多引脚对应能力；高速数据传送；高精度测试；高电压对应。