LCD液晶显示器原理

PAGE50引言由于计算技术的进展和对图像清楚度、保真度的要求越来越高,液晶显示器作为一种比较时尚的产品备受人们的青睐。TFT-ＬＣD是集大规模半导体集成电路技术、驱动IC技术和平板光源技术于一体的高新技术产业,其科技含量、经济效益和社会效益都很突出,是现代通信和计算机等信息产业最重要的基础之一。美国和西欧国家没有形成TＦＴ-LCD的规模产业，不是由于TＦT-ＬCD产业不好，而是西方国家在这一领域产业战略的失误,丢失了技术优势。日本早期果敢地对TFＴ—ＬＣD进行了大规模的投资,以生产为目标解决了技术与工艺问题，把量产化作为基础讨论来进行。虽然美国和欧洲在ＬCD方面也做了大量的工作,但由于投资力度不够，终究未成气候,很多讨论成果倒被日本人所利用。他们所做的一切工作都飞快地为日本人营造的规模效应所汲取，变成了投资者的财宝。对于东亚的韩国和我国大陆和台湾地区，情况却不同,这一地区整体的技术水平都比较低，而TFT－ＬCD已经是一个成熟的产业，可以把整个生产设备和生产技术买进来，利用后发优势进行改造和再创新,以最快的方式猎取科学技术的最新成果，抢入市场。ＴFT技术的引进和消化汲取将带动我国光电子产业的设备制造技术、生产技术的飞快进展,带动我国信息产业的大步前进,估计“十五”期间我国将建立５-7条３。5代以上的非晶硅TFT－LCD生产线。在最近的十年内我国大陆将成为世界上液晶平板显示器的重要生产基地之一。可以明确地说,在将来1０年左右的时间内，不行能有在性能上优于ＴFT—ＬCD的商品显示器问世,而ＴFT—LCD却会越来越成熟.所谓的平面显示器时代，实际上就是液晶平面显示器时代.估计２00５年ＬＣD应用的构成比为液晶监视器占３1％，Mobil29%,PC1０％,大型AV及其它30%。如果把20０５年ＬCD的需求换算成面积则为１998年的7倍,产值将超过５OO亿美元。液晶平面显示器具有很大优势：（１)液晶平面显示器大规模批量生产的特性格外好，生产规模大，成品率高，自动化程度高;（2)液晶平面显示器的集成化程度高，牢靠性强。掌握电路和驱动电路可以集成到玻璃基板上，大幅度降低生产成本和维修成本；(3）液晶平面显示器原材料来源丰富，价格低廉；(4）液晶平面显示器采纳新工艺,新技术，新材料的能力强。随着材料科学、光源技术和半导体工艺技术的同步进展,为降低成本留下了宽阔的空间。依据现在的生产技术和生产规模测算，到２０O5年30英寸以上的家用多功能数字液晶平面终端显示器（不是单一功能的大屏幕电视)的价格将不到9０美元。十年以后，液晶平面显示器的价格肯定比现在的CRＴ还要低。ＬCD产品技术为传统电子产业产品带来诸多变革,日本、韩国与中国台湾厂商已形成三强纷争的局面。对于将来桌面ＰＣ的显示设备，大屏幕ＣRT甚至纯平面ＣRT都无法与ＬCD相竞争,谁抢占先机谁就拥有更大的市场。不过,最终的市场的扩展速度,还要决定于CRT显示器与ＬＣD之间价差的进一步缩小以及各大厂商的推广力度，LＣD市场的形成只是一个时间问题。十年后,液晶平面显示器将无所不在，成为人类生活中最重要,也是最常用的生活必需品。液晶平面显示器将转变整个人类的生活方式，开创人类文明新纪元。本课题就是要对目前广泛使用TFT－LCD的工作原理进行讨论,以期对TFＴ-ＬCD有较深的了解。名目引言…………3LCD显示架构……………………5ＰAＮＥL部分工作原理……………６第一节什么是液晶……………………6其次节液晶的电光特性………………6第三节液晶显示原理…………………７第四节液晶显示器件的采光技术……9液晶显示器件的驱动原理…………………１0第六节TＦT液晶显示器件的写入机理………………１3第七节ＴFT液晶显示器件的驱动方法………………14第八节液晶显示驱动器原理………15第九节液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成………………15主板部分电路分析………………1７Inveｒｔer部分电路分析…………３0Aｄapter部分电路分析……………3７第一章LCD显示器架构LCＤ构成LＣD主要由以下几个部分构成：主板:用于外部ＲＧＢ信号的输入处理，并掌握ＰＡＮEＬ工作.Aｄapｔｅｒ电源适配器：用于将９０~24０Ｖ的沟通电压转变为12V的直流电源供应显示器工作。Ｉnverter逆变器:用于将主板或Aｄapter输出的12V的直流电压转变为ＰANEL需要的高频的1500～１800V的高压沟通电，用于点亮PAＮＥL的背光灯.PANEＬ部分：该部分为液晶显示用模块，它是液晶显示器的核心部件，其包含液晶板和驱动电路。ＬＣＤ整机框图LCD显示器的整体模块图如图1－１.图1—1ＬCＤ整机框图在以下各章中,将对构成LCDＭonitoｒ的各部分的工作原理进行讨论。首先对核心部分Ｐanｅｌ的工作原理进行介绍，再对其他各部分电路进行分析.其次章PＡNEＬ部分工作原理Ｐanel部分即是液晶显示模块LCM,它是整个液晶显示器的核心部分.它是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、ＰＣB线路板、背光源、结构件配在一起的一体化组件。本章将对液晶显示的基本原理，液晶的驱动以及液晶模块的构成进行简要的介绍。第一节什么是液晶（LｉquidＣrystａl)液晶显示器是以液晶为基本材料的组件，由于液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性,又具有液态流淌特性,所以液晶可以说是处于一个中间相的物质。而要了解液晶的所产生的光电效应，我们必须先来解释液晶的物理特性，包括它的黏性(vｉｓcｏ－ｓitｙ）与弹性（elａsticity）和其极化性（pｏlａrｉｚａliｌｉty）。液晶的黏性和弹性从流体力学的观点来看，可说是一个具有排列性质的液体,依照作用力气的不同方向，会有不同的效果。就似乎是将一簇细短木棍扔进流淌的河水中,短木棍随着河水流着，起初显得凌乱,过了一会儿,全部短木棍的长轴都自然的变成与河水流淌的方向全都,达到排列状态,这表示黏性最低的流淌方式，也是流淌自由能最低的一个物理模型。此外，液晶除了有黏性的特性反应外,还具有弹性的表现，它们都是对于外加的力，呈现出方向性的特点。也因此光线射入液晶物质中,必定会依据液晶分子的排列方式传播行进,产生了自然的偏转现象。至于液晶分子中的电子结构，都具备着很强的电子共轭运动能力,所以，当液晶分子受到外加电场的作用,便很容易的被极化产生感应偶极性（indｕceddiｐｏlaｒ）,这也是液晶分子之间相互作用力气的来源。而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是利用液晶的光电效应,藉由外部的电压掌握,再通过液晶分子的光折射特性,以及对光线的偏转能力来获得亮暗差别（或者称为可视光学的对比),进而达到显像的目的。液晶的电光特性液晶同固态晶体一样具有特异的光学各向异性.而且这种光学各向异性伴随分子的排列结构不同将呈现不同的光学形态。例如，选择不同的初期分子取向和液晶材料,将分别得到旋光性、双折射性、汲取二色性、光散射性等各种形态的光学特性。一旦使分子取向发生变化,这些光学特性将随之变化,于是在液晶中传输的光就受到调制.由此可见,变更分子的排列状态即可实行光调制。由于液晶是液体,分子排列结构不象固态晶体那样坚固。另一方面液晶又具有显著的介电各向异性△ε和自发偶极子P0。一旦给液晶层施加上电压，则在介电各向异性△ε和自发偶极子P0和电场的相互作用下，分子排列状态很容易发生变化。因此利用外加电场即可转变液晶分子取向，产生调制。这种由电场产生的光调制现象叫做液晶的电光效应(ｅleｃtｒo—oｐticeｆｆｅct）。它是液晶显示的基础.这种光学特性可通过表面处理、液晶材料选择、电压及其频率的选择获得。第三节液晶显示原理液晶的物理特性液晶的物理特性是:当通电施加上电场时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱,阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，从技术上说,液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃薄板，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时,液晶本身会一排排站立或扭转呈不规章状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行.但将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子长轴会顺着槽排列。所以,假如那些槽格外平行，则各分子也是完全平行的。液晶显示的主要工作模式由液晶显示的四种基本原理而派生出多种工作模式.主要有：ＴN模式、STＮ模式、FLＣ模和液晶－聚合物模式等.由于液晶显示的众多不同分支，本章只介绍目前应用得最为广泛的ＴFT－ＬCD中使用的ＴN模式。TN模式是在１9７1年由Ｓｃｈadt等人发表的,它是在液晶显示中最早获得广泛应用的一种模式。由于它具有电压低，功耗小,寿命长以及易于实现多灰度、全彩色显示等特点，使它始终成为液晶显示的主流工作模式。它是利用液晶材料的旋光性,采纳电压调光的工作原理。ＴN模式液晶显示器件的基本构成:在涂有透明电极的两块玻璃之间夹有介电各向异性为正的向列相液晶,液晶厚度约为几微米，电极表面做平行取向处理。为使液晶分子成90°扭曲排列，上下基板的取向方向为正交设置,同时，为防止液晶层消灭畴区等缺陷，在取向上要设置１°～2°的预倾角，并在液晶中掺入能形成单一右旋或左旋的手性材料。盒子外侧的两片偏振片有两种设置方式：一是起偏器光轴和检偏器光轴分别平行(或垂直）于入射侧和出射侧分子取向方向,呈正交状态，称之为常白方式。另一种是起偏器光轴平行（或垂直）于入射侧分子取向方向，而检偏器的光轴垂直（或平行)于出射侧分子取向，两偏振片光轴呈平行状态。称之为常黑模式。TN型液晶显示（LCD）原理ＬＣD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽相互垂直（相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90°扭转的状态.由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90°。但当液晶上加一个电压时,分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去,而不发生任何扭转LＣD是依靠极化滤光器(片）和光线本身,自然光线是朝四周八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网,阻断不与这些线平行的全部光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行,或者光线本身已扭转到与其次个极化滤光器相匹配,光线才得以穿透。（如图2－1)图２-1光线穿透示意图LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成,所以在正常情况下应该阻断全部试图穿透的光线。但是,由于两个滤光器之间布满了扭曲液晶,所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转９０度,最后从其次个滤光器中穿出。另一方面,若给液晶加一个电压,分子又会重新排列并完全平行,使光线不再扭转,所以正好被其次个滤光器挡住.总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。（如图2—2)通常显像面积上亮区域都比黑区域大,所以这种方式有利于省电。图2-2光线阻断示意图从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采纳的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。ＬＣD由两块玻璃板构成，厚共约1mm，其间由包含有液晶（ＬC)材料的5μm均匀间隔隔开.由于液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板(或称匀光板)和反光膜，背光板是由荧光物质组成的在灯管照耀下可以再放射光线,其作用主要是供应均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中,一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上,通过转变电压进而转变液晶的旋光状态。液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料的周边是掌握电路部分和驱动电路部分。当LCＤ中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲,从而将穿越其中的光线进行有规章的扭转折射，然后经过其次过滤层的过滤，最后在屏幕上显示出来。４．彩色再现:目前对于液晶显示而言，主要采纳加法混色法来再现彩色。依据三色学说和颜色混合定律,很容易理解加法混色的工作原理.加法混色（如图2-３所示)采纳红(Ｒeｄ)、绿（Green）、蓝（Ｂlｕe)三基色，简称ＲＧB混色法。混合色的光谱为:2－1，,分别为对应脚注颜色的光谱，、、分别表示各种颜色强度的系数，α是入射光利用率的系数,表示入射光的光谱.图2—3加法混色三基色透射光谱彩色液晶显示器一般是通过掌握所施加的电压大小,使各K值在0～1之间变化,从而掌握所显示的颜色。第四节液晶显示器件的采光技术液晶显示器件是被动型显示器件,它本身不会发光,是靠调制外界光实现显示的。外界光是显示器件进行显示的前提条件。因此在液晶显示装配、使用中，要解决采光问题.目前液晶显示的采光技术分为自然光采光技术和外光源设置技术.而外光源设置有背光源，前光源和投影光源三种技术。这里主要介绍TＦＴ－ＬCD的背光源技术.背光源采光技术的两大任务是:１。使液晶显示器件在有无外界光的环境下都能够使用；2．提高背景光亮度,改善显示效果。液晶显示背光源的特点:亮度均匀全都，能形成均匀的面光源;亮度高，并可调亮度范围;平板、薄型,适于装配；重量轻；光色悦目、基色精准、对液晶显示器件有较好的透过能力;功耗低，效率高；在目前的TFT—LCD中采纳的是冷阴极荧光灯(CCF）为背光源的。这是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉而发光的光源。掺有少量水银的稀薄气体在高电压下会产生电离，被电离的气体的二次电子放射,轰击水银蒸气,使水银蒸气被激发,放射出紫外线，紫外线激发涂布于管壁的荧光粉层，使其发光。由于电致发光的荧光粉品种齐全，转化率高,所以这种光源可制成三基色精准、色温高、亮度高的抱负光源。冷阴极荧光灯大都作成管型，所以ＣCF是管型线光源,用作液晶显示背光源时，必须将其变为面光源。要实现线光源到面光源的转变，需要在液晶显示模块后加背光板,这样可以使光源均匀的通过滤色膜产生RGB三基色，通过液晶材料的光调制就可以实现彩色显示效果.液晶显示器件的驱动液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，转变分子的排列状态就可以转变液晶层光学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础。而液晶分子排列的转变可以通过电、磁、热等外部场的作用来实现.我们把这种通过表2－1外场作用来转变分子排列状态的过程称为液晶显示器的驱动.液晶显示器常用的驱动方式分为如表２-1所示的几种类型。目前，在LCDMonitor方面，使用的都是采纳ＴFT（薄膜式晶体管）LＣD,它采纳的是有源矩阵的驱动方式.因此本节将先对TFT器件进行简要的介绍，再着重介绍有源矩阵的驱动方式。薄膜式有源矩阵液晶显示器介绍由于一般的矩阵液晶显示器的电光特性对多路、视频活动图象显示是很难满意要求的，由于每个像素都等效于一个无极电容，显示中会产生串扰。为了改善,又会限制驱动的路数。因此在每个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动,从而克服了串扰，解决了大容量多路显示遇到的困难，提高了画面质量,使多路显示画面成为可能。有源矩阵液晶显示器件依据有源器件的种类可分为如表２-2所列的多种类型.表2—２有源液晶显示器件分类图2—3TFT有源矩阵驱动LCＤ的基本结构以下将对主流的ａ-siTFＴ三端有源矩阵液晶显示器件进行介绍.a—siTFＴ是一种非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。它制作容易，基板玻璃成本低，导通比大，牢靠性高，容易大面积化.因此受到广泛应用.图２－3为其基本结构。同一般液晶显示器件类似，ａ—ＳiTFT液晶显示器件也是在两片玻璃之间封入液晶，而且液晶显示器件就是一般的ＴN型方式。不过,其玻璃基板则与一般液晶显示器件大不相同,在下玻璃板上要配制上扫描线和寻址线（即行、列线)，将其组合成一个个矩阵，在其交点上再制作上TFT有源器件和像素电极,如图２-4所示。图2-4ＴFＴ有源矩阵液晶显示屏的电极排布２。TFT－LCD的驱动原理由于TFT—LCD矩阵结构是由一块带有TFT三端元件阵列和像素电极阵列的基板与另一块带有彩色膜和公共电极的基板,以及由此两基板叠合后夹入的液晶层构成,此外，此方式的扫描线和信号线都设置在同一个三端子元件的基板上。扫描线与该行上全部TＦT元件的栅极相连，而信号线与该列上全部的TＦT元件的源电极相连。ＴＦＴ-LCD的等效电路如图２－5所示.在以行挨次驱动方式依次扫描行电极过程中，当某行一旦被选通,则该行上全部的ＴFT开关元件同时被行脉冲闭合,变成低阻（Ron）导通状态。与行扫同步，各列信号电荷分别通过列电极从保持电路送入与导通元件TFＴ相连的各相应像素电容,信号电压被记录在像素电容和储存电容上。当行选一结束,TFT开关元件即断开（处于高阻Rｏfｆ状态）,被记录的信号电压将被保持并持续驱动像素液晶，直到下帧扫描到来之前。称此驱动为准静态驱动。由此工作过程可看出,扫描电压只做TFT元件的开关电压之用，而驱动液晶的电压是信号电压通过导通ＴFT元件对像素电容充电后在像素电极和公共电极之间形成的电位差ＶLC。VＬＣ大小决定于信号电压Vs.可见，采纳TFＴ元件作有源矩阵驱动,可实现开关电压和驱动电压分开，从而可达到开关元件的开关特性和液晶像素的电光特性的最佳组合，可获得高像质显示.aTFT-ＬＣＤ等效电路b单像素TＦＴ工作原理图2-5TＦＴ工作原理第六节TFT液晶显示器件写入机理液晶显示器件写入机理，即液晶显示器件是依靠什么方法将人们所需显示的信息用来作用于器件，使器件达到显示的目的.液晶显示器件写入的条件众所周知,全部液晶显示器件的显示原理是依靠外场(包括电、热、光等）作用于初始排列的液晶分子上.依靠液晶分子的偶极矩和各向异性的特点，使液晶分子的初始排列发生变化,通过液晶器件的外界光被调制，使液晶显示器件发生明、暗、遮、透、变色等效果达到显示目的。但是要想实现某一特性的显示目的,则需要满意以下两个基本条件:⑴足够强的电(热、光)信号作用于液晶，使其转变其初始排列；⑵每个电(热、光）信号均可以在一段时内作用于一个或几个像素单元。使像素能够组合成一个视觉信号.由于直流电场将会导致液晶材料的电化学反映和电极劣化、老化，因此只能在像素电极上建立沟通电场，而且应该尽可能削减沟通电场中的直流成分,有用中应保持直流成分在几十毫伏以下,所施加的沟通电场的强弱以其有效值来表示.只有所施加的沟通电场有效值大于液晶显示器件的阀值电压时,该像素才能呈显示状态。由于液晶显示器件有类型、规格、型号的不同，对所施加电压的波形、相位、频率、占空比、有效值都有不同的要求。而对于像素掌握方面的要求，则包含有以下两层意思：首先，由于器件像素电极连线的排布不同,要求外部必须配置相应的硬件，以供应驱动电压波形。其次，依据肯定的指令将若干个显示像素组合成不同的数字、字符、图形或图象。液晶显示器件的写入机理在满意液晶显示器件写入基本条件下，信息信号作用与不同类型的液晶显示器件的机理也不一样。这里只介绍有源矩阵薄膜晶体管（TＦＴ）液晶显示器件的写入机理.对于其他类型液晶显示器件的写入机理将不做介绍。TＦＴ－LCD的写入机理：以行扫描信号和列寻址信号掌握作用于被写入像素电极上的薄膜晶体管有源电路,使有源电路产生足够大的通断比（Ｒoｎ/Rofｆ）,从而间接掌握像素电极间呈ＴＮ型的液晶分子排列,达到显示的目的。该写入的特点就是经ＴFＴ有源电路间接掌握的TN型器件显示像素,可实现高路数多路显示和视频图象显示。第七节ＴＦＴ液晶显示器件的驱动方法依据液晶显示器件写入机理和显示像素电极的排布方式即可确定对其进行驱动的基本条件。液晶显示器件的种类繁多,驱动的方法也不同。但是无论哪种类型的器件，还是使用什么不同的驱动方法都是以调整施加到像素电极上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序、占空比等一系列参数、特性来建立起肯定的驱动条件，实现显示。主要的驱动有很多,在此仅介绍TFＴ—ＬCD所采纳的有源矩阵驱动法。由于有源矩阵液晶显示器件的每个像素点上都有一套有源器件,所以对这种器件的驱动是对每个像素点上的有源器件的驱动。图2－6为TFT液晶显示驱动的时序图。从图中可以看出，外电路不能直接将电压施加到液晶像素上,施加在图2-6ＴFT驱动时序波形图像素上的电压决定于TFT晶体管的特性。当晶体管开、关比达到１０6Ω以上时，则可以满意液晶功能像素对通断比的要求。晶体管ＴＦT是这样工作的,当TＦT栅极G扫描被选通时,ＶG被接入一个正高脉冲,此时同步输入选址的源极信号是一个围绕一个中心值为VＣ的永久低于ＶG选通脉冲幅值的选址数据电压ＶＬＤ，TＦT晶体管被打开。从源极到接通液晶像素的漏极之间呈一通路，电压被加到液晶像素电极和补偿电容电极上。这时即使施加电场撤掉，由于电容作用,其像素上施加的电压也将保持相当时间,直至下次选通的到来。若设置的电容值使其像素选通达半帧时间,同时使下半帧寻址信号以VC进行反相，则可以实现：⑴如图2—6所示,使加在像素上的驱动波形呈沟通态;⑵驱动路数与TFT晶体管特性有关,而与液晶电光响应特性无关。这将彻底解决液晶多路驱动难题；⑶从图中波形还可以看出，这种驱动方式没有半选通波形,因此也就没有交叉效应以及对比度下降等缺陷;⑷此外，这种驱动也不受液晶电光响应速度的影响，可以显示视频活动图象,没有闪烁也没有拖尾。第八节液晶显示驱动器原理液晶显示器驱动器是为液晶显示器件的像素供应电场的器件。由于液晶显示像素上施加的必须是沟通电场,因此要求液晶显示驱动器的驱动输出必须是沟通驱动;电场电压有效值在液晶像素的阀值电压四周时，液晶将呈现较弱的电光效应,此态将会影响液晶显示器件的显示对比度。因此液晶显示驱动器要能够掌握驱动输出的电压幅值,用以实现对比度掌握。液晶显示驱动器通过对其输出到液晶显示器件上的电位信号进行相位、峰值、频率等参数的调制来建立沟通电场，以实现显示效果。应用上的液晶显示驱动器有静态驱动器和动态驱动器。点阵式液晶显示器件都是采纳动态驱动器。驱动器又有行驱动器和列驱动器之分。第九节液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成1.液晶显示驱动系统利用多片液晶驱动器组合成一个点阵液晶显示器件的驱动系统。这个系统包括有行驱动器，列驱动器,偏压电路,驱动电源发生器以及温度补偿电路等.在大规模点阵液晶显示器件的驱动电路中主要的掌握时序信号是不变的。行驱动脉冲LCP与列驱动器的锁存脉冲ＬP是同步的，所以这两个信号是合为一个ＬP信号的.显示数据的传输方式将依据列驱动器组的数据传输方式而定。常见的有串行数据传输方式和并行数据传输方式。偏压电路:在动态驱动方式中,偏置电压的设置是格外重要的。依据所需的偏置电压系数，把液晶驱动电压均分为不同的电压档,这就是偏压生成电路的功能。偏压生成电路实际上是等分电压电路,常用的有两种方式:电阻分压电路和运放分压电路.温度补偿电路一般是利用电阻、二极管或三极管等元件的温度系数在分压电路中的影响，来补偿液晶材料由于环境温度的影响而使电压阀值电压下降，从而影响显示的对比度。驱动电源（DC－DC)电路：液晶的驱动是建立肯定电压的电场来实现的,为了保证驱动器的掌握信号能够与掌握系统的信号电平兼容,驱动器的规律电源都使用了CMOS芯片的规律电源.这个电源也作为液晶的驱动电源的一侧。但凭这个电源使点阵液晶显示器件产生显示效果还是不够的，它需要有更大的驱动电压。为了获得这个电压,驱动器还需要一个液晶驱动电源，通常是向负电压方向增加.若掌握系统的电源有合适的负电源则直接使用即可。若没有则可以利用现有的DＣ—DC变换器从规律电源转换成负电源。由于液晶可以等效成一个电容,属电压型驱动，耗电流较小，所以DC-ＤC变换器所需的工作电流比较小,可以直接使用IC驱动。２．液晶显示模块的构成由于点阵型液晶显示器件的引线众多,而且要将这些引线从玻璃上引到驱动系统的PCＢ板上，这在工艺上不是一般用户所能掌握的。所以液晶显示器件的制造商们将液晶显示器件产品进一步开发，制作出相应的驱动PCＢ板和压框，然后用压框和导带或导电橡胶条将液晶显示器件固定在ＰＣB板上。ＰCB板上含有完整的驱动器系统，电路接口包含了驱动器系统所需要的掌握信号和电源.这就叫液晶显示模块（ＬCM）.液晶显示模块电路中的掌握信号是用来接收掌握系统发来的数据信号和操作信号的。这些信号有：ＦLＭ:帧信号；LP:锁存脉冲信号;ＣP：移位脉冲信号；M：沟通驱动波形；D（i）：显示数据.图2－7为Ｐａnel的内部结构框图。图2-7LCM内部结构框图第三章主板部分电路分析由图３－1可知，主板是由ＰＡＮＥL掌握规律，亮度掌握规律,DCｔｏＤC转换规律，传输TTL电平信号到LCD显示模块电路等组成。图3—１主板框图主板上各主要ＩC芯片描述：MＣＵ：８051单片机，其主要作用有:电源掌握，ＯSD掌握，频率计算，ＲＳ232通信等。ＧMＺAＮ1:集成ＡDC、OSD、SCALER，把计算机输入的RGＢ模拟视频信号转换为数字信号,并通过差补缩放处理,输出至液晶显示器PＡNＥL时序掌握电路。LＭ2596：直流电源变换器,用于将1２V输入转变为5V的直流输出。AIC１0８4:也是直流电源变换器,用于将5V输入转变为3。3Ｖ的直流输出。２4ＬC21：1KBＥEPROＭ，用于存储表示显示设备标志的DDＣ数据,其中包含有：设备的基本参数，制造厂商，产品名称，最大行频，可支持的分辨率等等。2４C04：４KＢEEＰＲＯＭ，用于存储AｕｔoＣonfiｇ数据,白平衡数据，POWERKＥＹ状态及PＯWEROＮ计数数据等。MＣU掌握电路MCＵ掌握接口电路如附图１所示。其中U３02为８05１系列单片机，其RＯM的容量为64K,RAM容量为5１２Bｙtes。用于计算频率,探测模式切换，RＳ232通讯,电源掌握,屏幕显示菜单掌握等，在软件掌握下，MＣＵ由Ｐ１.6和P1．7脚分别产生一个Ｂａｃｋｌigｈt_EN和Ｐａｎｅｌ_ＥN信号用于点亮PANEＬ上的背光灯和掌握PAＮEL工作。MCU各主要引脚功能定义如下表3—1：表3-1MCU引脚功能PIN名称Ｉ/Ｏ功能2HDＡTＡ0Ｉ／O与GMＺAN１通信时所用到的四位数据位３ＭFＢ7（HＤATA１)Ｉ/O4MFＢ8（HDＡTＡ2）Ｉ/O5ＭＦＢ9(ＨDＡTA３)I／O6HCＬＫＯ时钟输出到ＧMZＡN1７HＦＳO允许位，选通GMZＡN１8BＡCKLＩＧHT-ENＯ掌握ＩNＶEＲＴER的开关电压0/3Ｖ9ＰANEL-ＥNＯ掌握PAＮEＬ的电源开关１0RSTIMCU复位信号11ＲＸＤI/Ｏ白平衡通信时,与外部通信用的串行通信总线１3TＸＤI／Ｏ14ＩRQＩ中断输入１5MFＢ2I／Ｏ多功能引脚16SＤAＩ/Ｏ与Ｕ３０0４KＢEEPＲOM通信时用的IIＣ串行通信总线17SCLI/Ｏ１8ＲＳT１Ｏ复位一脚１9ＮGA—ＣOＮI推断信号线是否有插上20ＸＴＡL1I20ＭHｚ时钟输入２1XTAL2Ｉ22GND接地端２4、25、２6ＩＰANELSELＥCＴ端３1K/ＥＳELEＣTI低电平输入按键型高电平输入飞梭型3６WPO可写端,高电平允许向２4C０4写入数据37LED1(ＯＲANGE）O掌握按键板上的ＬED颜色3８LEＤ2（GＲＥＥN）Ｏ39KＥY１（AUＴＯ)I按键板上的５个按键掌握40ＫEＹ2（ＥＮＴEＲ）I４1ＫＥY3(RＩGHT)I4２KEＹ4（LEFT）I43KＥＹ5（ＰOWER）I44、35Ｉ接电源5VMＣU项目定义：运行于微掌握器上的GMＺAＮ1掌握软件，需要完成以下操作：１）初始化ＬCD掌握板元件至用户定义的开机设定：把工厂缺省寄存器设定存在ROM中；用户设定存在内部EEPＲＯＭ;用户设定初始化时设为工厂缺省值。2)自动检测模式切换,在模式切换时对相应的元件编程。３)如果视频模式是未知的，则显示错误信息。4）检测输入视频线的正确连接,如果没有检测到有效连接，则对应输入视频源显示错误信息。其程序响应如下:无连接,显示“无信号，检查输入"信息；错误的输入，显示“不支持的视频模式”信息。５)响应用户的按键输入。处理器将周期性的调用RTI中断服务子程序，以检查是否按下一个有效的按键，其程序响应如下:在用户输入的基础上显示相应的菜单;依据用户的按键修改寄存器的值；把修改的值存入EEPRＯM并且写入相应的设备。6）响应电源键。如果当前是开的，则关闭系统。如果当前是关的，则打开系统。MCU接口电路：微掌握器与GMZAＮ1通过Pin2—Pin5组成的4—ｂits串行口进行通信;Piｎ7为数据传输供应掌握信号ＨＦＳ,在ＨＦS为高电平常，允许通信，HＦS为低电平常，Pin2—Ｐiｎ5不输出；Piｎ6为输出为时钟信号ＨＣLK,它为串行通信供应同步时钟.该串行口工作时Pin５-Pｉn２用作HDＡTA３－HDATA0，在读/写数据的指令下数据的传送挨次为D3—D０，Ｄ７－Ｄ4,D11－Ｄ8；每12位的数据/地址采纳3个时钟,而不是用12个时钟进行传输。微掌握器MＣU的Pin１０为复位脚，其外接电路如图3-2所示：如电路图,当显示器开机时开头对电容Ｃ1０３充电,在Ｒ１05上产生压降，A点电位上升,产生一个上升沿的触发信号，使MCU复位，使得微掌握器从程序寄存器的00地址开头执行。微掌握器的Ｐin19为ＮＧＡ_ＣＯN信号输入端，与PC输入直接相连用于推断信号线是否接好以及输入信号的模式是否是合法的.如果无连接或输入不支持模式将会在屏幕上显示相应的信息.图3－２ＲＳT信号输入ﻩ微掌握器ＭCＵ的Ｐin14外部中断INＴ０与ＧMZＡN1的中断掌握器相连，在外部ＰC输入信号发生转变时,由GMZＡN1产生中断信号给ＭCU，ＭＣU响应该中断，进入输入信号处理子程序，将输入信号转换为与显示器匹配的RＧＢ信号输出。微掌握器MCU的Pin1１和Ｐiｎ13的串行通信口RXD和ＴＸD被用于RS232通信,在工厂模式下调整显示器白平衡时与外部的数据传输用。在调整白平衡时，MＣＵ通过串行通信口从外部缓冲区读取白平衡调整数据。再通过Pin１6和Pin17输出到Ｕ30０存储。U3０0为2４Ｃ０４的4KBＥEPＲOM。８051MＣU与U3０0通信用的Ｐｉn16和Pin17被定义为I2C串行总线接口,Ｕ３０0为AT24C系列E２ＰROM芯片。Ｉ2Ｃ总线简介以及与AT24C系列E２PRＯM的接口:①I2Ｃ总线简介微掌握器与U300的通信采纳的是Ｉ2Ｃ总线。它是由MＣU的Piｎ1６和Piｎ1７组成。I2C总线是一种串行数据总线，只有两个信号线,一根是数据线SＤA，另一根是时钟线SCＬ。在I2Ｃ总线上传送一个数据字节由8位组成。总线对每次传送数据的字节数没有限制，但是每个字节后必须跟一位应答位。数据传送首先传送最高位（ＭSB），数据传送的格式按下图３—3进行。图３-３Ｉ2C总线上的数据传送首先由主机发送一个启动信号“S”（SDA在ＳCL高电平常由高电平跳变为低电平），然后由主机发送一个字节的数据。启动信号后的第一个字节数据具有特殊的含义：高七位是从机的地址，第8位是传送的发向：0表示写，1表示读.被寻址的从机设备按传送的方向位设置为对应的工作方式。标准的ＩIＣ总线的设备都有一个7位地址,全部连接在IＩC总线上的设备都接收启动信号后的第一个字节,并将接收到的地址与自己的地址进行比较,如果地址相符则为主机要寻址的从机,应在第9位答时钟脉冲向SDA线送出低电平作为应答。除了第一个字节是通过呼叫地址或1０位从机地址之外，其次个字节开头即数据字节。数据传送完毕,由主机发出停止信号“P”（SDA在SＣL高电平期间由低电平跳变为高电平）。②AT２4Ｃ系列串行ＥＥPROＭAT２4C系列串行E2PROＭ具有I2C总线接口功能，功耗小，宽电源电压(依据不同型号2．5Ｖ～6.0V），工作电流约为３ｍA，静态电流随电源电压不同为３0μA～1１0μA，其存储容量见表1－２.由于I２C总线可挂接多个串行接口器件，在I2C总线中每个器件应有唯一的器件地址，按Ｉ2C总线规章,器件地址为7位数据(即一个I2C总线系统中理论上可挂接1２8个不同地址的器件）,它和1位数据方向位构成一个器件寻址字节,最低位D０为方向位（读/写）。器件寻址字节中的最高4位（D7～D4）为器件型号地址,不同的Ｉ２C总线接口器件的型号地址是厂家给定的，如ＡＴ24C系列E２PROＭ的型号地址皆为１01０，器件地址中的低3位为引脚地址Ａ２A1A０,对应器件寻址字节中的D3、Ｄ2、Ｄ1位，在硬件设计时由连接的引脚电平给定。而对于那些容量大于2５6K的EＥPRＯＭ，由于8位的寻址范围不能满意要求需要采纳页面寻址，在AT２４C系列中对页面寻址位实行占用器件引脚地址（A２、A1、A０）的方法,凡在系统中引脚地址用作页地址后,该引脚在电路中不得使用，作悬空处理。ＡＴ24C系列串行E２PROＭ的器件地址寻址字节如表3—２所示,表中P0P1Ｐ2表示页面寻址位。表３－2AT2４Ｃ系列串行E2PROM参数型号容量器件寻址字节(8位)一次装载字节数AT２4C01128×８1010A2Ａ1Ａ0Ｒ/Ｗ４ＡＴ24Ｃ022５６×81010Ａ2A１Ａ０Ｒ/W8AＴ２4C0451２×810１0A2Ａ1Ｐ0Ｒ／W１６AＴ24C0８1024×8１01０A2P１Ｐ0R／W１6AT２4C1６2０４８×81０１０P2P１P０Ｒ／Ｗ1６图3－４为8051单片机与24Ｃ０４的硬件连接电路图。图中R３０0,Ｒ３01，R3３0为上拉电阻,Ａ０-Ａ２地址引脚接低电平，因此其地址的高7位为1０１00０0。ＷＰ端连接MCU的WP,由MＣU掌握读写。24C0４的读写操作：对24C０4E2ＰROM的读写操作完全遵守I2C总线的主收从发和主发从收的规章。连续写操作连续写操作是对E2PROM连续装载n个字节数据的写入操作，n随型号不同而不同，一次可装载字节数见表3—2。SＤA线上连续写操作数据状态如图３。5。图３－5SＤA线连续写操作数据状态图3－4ＭＣＵ与2４C0４连接电路图24Ｃ0４片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1，故装载一页以内规定数据字节时，只须输入首地址，若装载字节多于规定的最多字节数,数据地址将“上卷”，前面的数据被掩盖.连续读操作连续读操作时为了指定首地址，需要两个伪字节写来给定器件地址和片内地址，重复一次启动信号和器件地址（读）,就可读出该地址的数据.由于字节写中并未执行写操作，地址没有加1.以后每读取一个字节,地址自动加１。在读操作中接收器接收到最后一个数据字节后不返回肯定应答（保持ＳＤA高电平）随后发停止信号.连续读操作ＳＤA上数据状态如图3—6。图3－6连续读操作ＳDA上数据状态微掌握器的Ｐｉn３7—Pｉn4３用于与按键及LＥD小板相连,Pｉn37用于当MＣU工作于节能状态时使相应的橙色LＥD指示灯点亮；Piｎ3８用于掌握ＭＣU正常工作状态下的绿灯;Pin39-Pｉn４３分别与四个按键相连用于用户调整显示器的设置和开／关机。其简略的实现是通过MＣU软件来掌握的。805１MCU的Pin8—Piｎ９在软件的掌握下产生BACKＬIＧHＴ＿EN和PＡＮEL_ＥN信号。ＢAＣKLIＧＨT＿EN信号输出至INVＥＲTER,用来掌握其是否工作,是否产生高压沟通电点亮PＡNEＬ背光灯;PAＮEL_EN信号输出至PＡNＥＬ掌握其是否工作。只有这两个信号同时有效才能使显示器正常工作。⒊GMZAＮ1掌握电路⑴GＭＺＡＮ1芯片介绍GMZAN1为SＶＧＡ／ＸGＡLＣD显示器图形处理器，包括GＡMMA矫正,绿色复合同步信号解码电路,增强OSＤ功能等。①特点:内含1３5MHz8－bｉtｓAＤＣ及预放大电路；自适应对比度增强电路；片内可编程OSD引擎；整和PＬL;１０-bits可编程GＡＭＭA矫正;支持24位色；１或4个数据位接口。②信号输入格式：模拟信号RGB输入可达ＸGA/８5Hz;支持复合同步绿色信号输入（SｙｎcOｎGrｅen）;支持复合同步信号模式;③输出格式支持8或６－biｔs的PANEL接口;单、双象素输出格式;④自动设置/自动调整相位、图象自动调整;自动侦测输入格式；⑤集成OSD显示芯片片内内建可用户扩展字符ＲAM、ROM；可扩充外部OSD支持；支持字符与位图显示;字符显示效果有：闪烁、镶嵌、透明等；⑵GＭZＡN1功能描述图3－7列出了GmＺaｎ1的主要功能模块.附录1为GｍZａｎ１的引脚功能描述图3—7GｍZan1框图①时钟恢复回路ＧmZan1有一个内部的时钟恢复回路，这个回路由一个数字时钟合成器和模拟电路PLL组成.它用来产生取样时钟信号，以采集模拟的ＲGB数据。这个回路锁定于输入的行同步信号，以从MCU的晶振输出的ＴＣLK时钟输入产生的ＲＣLK作为参照时钟.时钟恢复回路用来调整源时钟频率(SCLＫ);在每个行同步信号输入的上升沿产生反馈信号.包括第一个和最后一个行同步信号都可以产生6０ＭHｚ的频率.在工作电压及温度要求的范围内,可以在１ms之内实现.当PANEＬ的时钟信号与源时钟信号（或一半）不同时，有一个象素时钟用来驱动PANEL。它是由一个和时钟恢复回路一样的回路产生的。它们的区分在于：源时钟信号锁定于行同步输入信号,而目的时钟信号锁定于源时钟信号.②模／数转换器ＧmZaｎ1内部集成了3个模/数转换器（ADＣ），每一色一个(Ｒ、G、B）。每个ADC都是８—bitｓ输出，用于将输入的模拟ＲＧB信号转换成８-ｂiｔｓ的数字信号，分别为Ｒ０-Ｒ7、Ｇ0－G7、Ｂ0-B7。信号的连接请参照表3—3。表３—3PinＣｏnｎｅctionｆorＲGBInpｕｔGmZａn１PinNameCＲＴＳignalNameRｅd+(#95)RedRｅd-（＃94)Ｎ/A(ＴｉetoAnaｌogGＮDｆorRｅdontｈｅｂoard）Greｅｎ+（＃９1）GrｅｅnGrｅｅn－(＃9０）Ｎ/A(TiｅｔoAnalogGNＤfｏrGreeｎｏntｈeｂoard)Ｂlｕｅ＋（＃８7）ＢlｕeBlue-（＃８６)Ｎ/A(TietoＡnalｏｇＧＮDforBluｅontheboaｒd）HSＹNC/CS（＃150)HorｉzｏntalSyncVSYNC（#148）VerticalSｙnc信号支持:GｍＺan1芯片支持数字分离信号、数字混合信号和模拟混合信号。支持全部的这些信号都不需要额外的外围电路。源时序产生器（ＳＴG)STG模块定义了一个图形抓取窗口，并且发送数据给数据通道模块.图3－8显示了这个窗口的定义。在水平的方向,它被定义在ＳCＬＫｓ（等价的像素计算).（eｑuivaleｎｔtoapｉｘeｌcoｕｎｔ)．在纵向的方向，它被定义在行.全部以“Sｏurｃe"开头的参数均被定义在GmZａｎ1的寄存器中。请注意场总值只跟输入信号有关.参考点定义如下：●一行的第一像素：在原时钟信号的上升沿，极性从低的向高的像素。●帧的首行:在行同步信号的上升沿，极性从低的向高的行。图３—8窗口示意图中断掌握器某些输入Ｔiｍｉｎｇ条件能使GｍＺａn１芯片产生中断。表3-4所示,中断恳求掌握器是可编程实现的。对ＩRQ状态标志位的读操作,不会影响STＭ寄存器的值.如果在读IRＱ状态标志位的过程中，产生一个新的中断大事，那么中断信号将停止响应一个TＣLK周期,然后再重新激活。中断信号的极性可以通过编程来掌握。⑤数据通道缩放过滤器：GmZａｎ1缩放过滤器使用了Gｅneｓis公司的先进专利技术，可以供应高质量的实时视频和图象缩放.表3-4中断产生条件中断恳求大事说明Ｔｉming大事以下三者之一：①场同步输入信号的触发沿②Ｐanel行的计数器（可编程掌握）,③每１0mｓ三者不能两两同时消灭Tｉｍing变化以下三者之一:①无信号②DＤS超出极限错误③行、场信号变化超出了极限极限值可编程掌握GamｍａTabｌｅ:GammaＴable用来调整TFＴＰanel所显示的RＧB数据的特性参数.整个GammａＴable也可以被设成是独立的三个通道。另外,GamｍaTabｌe也被用作对比度、亮度、白平衡（色温）的调整.它以８位输入，产生一个１０位的输出.图3—９ＧmZａｎ1数据通道RＧB偏移:ＲGＢ偏移为每个颜色通道供应了一个简洁的转换(正或负）。它可以在有限的范围内进行简洁的亮度调整，它的值在0—FＦＨ之间。这种调整比计算ＧａmmaTａble要快得多，同时用户可以通过它来对OSＤ进行快速的亮度调整。偏移的范围从-１27＊4到＋１２７＊4。数据消抖：对于那些R、G、Ｂ输入小于8位的ＴFＴPanｅｌ，GmZan１会供应一些规章的后随机的去抖动方式，以使这些Ｐanel的图象看起来更平滑.Panｅｌ背景色:显示外边界的背景色是可选的，一般情况下我们把它设为黑色。⑶Paｎeｌ接口GｍＺaｎ1能与目前常见的６40ｘ480,８0０x60０and1０2４x７68分辨率的Ｐaｎel兼容.一般采纳双像素传输方式,分为奇（ＯDD）、偶(EVEN)传输。图3－1０双像素传输模式时序电源管理：LCDPanｅl的电源掌握是依据一个固定的挨次的，否则将严重损坏Paneｌ.为防意外，GmＺan1有一个严格的驱动挨次。Panｅl的启动和关闭有四个时序,如下图３—11：State0（PowerOff):Ｐbias信号和Pｐower信号为零,这是Ｐaｎｅl关闭时的最后一步，电源将始终保持这种状态直到Ｐａnel被激活。Ｓｔaｔe１(PowｅｒOn)：此时Ｐpoｗeｒ信号拉高，Pbｉaｓ信号拉低,此时Panｅｌ接口被强制拉低。Stａte2(PanｅlＤｒiveEｎａblｅd):在此状态下，Ｐｐower信号拉高，Ｐbias信号拉低，此时Panｅl接口被置１。Ｓｔaｔe3(ＰａneｌFullyAcｔivｅ）:这是开启电源的最后一步，Pbｉas信号和Ｐpoｗer信号均拉高，Paｎｅl接口置1,这种状态下ＰＭ始终保持，直到内部的TFT_Ｅnａble信号掌握寄存器被置0.两种情况下Pａnel将被关闭：程序掌握的AＰI指令或GｍZａn1对Panel的自动保护状态。图3—1１Pａnel开机时序在上图中，ｔ2=ｔ6ａndｔ3＝t5。ｔ1,ｔ２,t3andt４可以在1－8各单位下独立编程掌握，每一个单位的范围是５1１＊X＊(TＣLKｉcycle）或（TCＬKｉcｙｃle）＊３219３＊X,Ｘ是小于或等于2５６的任意正整数。TＣLKｉ是GmZan1的参考时钟，频率范围是：14．３１8MＨz到50MHｚ。对于不同规格的Pａneｌ,这将会有格外大的弹性操作空间。⑷主机接口GmZan1的微处理器接口采纳一个４—bｉtｓ串行接口模式。该模式下每个时钟沿有4个数据位,当ＭFB６（Ｐin106）接一个下拉电阻（10Ｋ）时,进入这个模式。在此模式下，一个复位脚拉低时设置芯片到一个已知状态。当ＣVDD稳定之后,ＲESＥTn必须保持至少100nｓ，以便复位芯片到已知状态。至于该串行接口的工作原理请参考MCＵ部分。⒋主板电源变换由于各芯片需要的直流供电电压不同，而主板上输入的电压为Adａptｅｒ供应的１２Ｖ直流，这不能满意主板各个部分的要求。主板上为各IC供电需要有+５V和＋３.3V电压，所以需要有直流电压转换。主板上采纳2片直流电源转换芯片:LＭ25９6和AIＣ１084。其中ＡＩＣ1084为3端５A低压差可调输出稳压器。输入电压范围１．25V—5.5V，输出3．3V电压。图3－12为其电路图，用于将+5Ｖ输入转换为＋３．３V／5Ａ的直流输出。图３－12ＡIC1084工作电路图ＬM2596为直流稳压器，其可输出＋3．３V、+５Ｖ、＋１2V电压和3A电流,其输入电压最大值可达40V。外部只要接４个其他元件就可以工作等。图3—13为其工作电路图,用于将＋12Ｖ输入转换为+5Ｖ输出。图３—１3LM2596工作电路图5.主板输入接口主板供应一个15脚的连接器用于与PC连接，作为显示信号输入端口，如图３-14为其外观,表1-5为其引脚定义。图3—14连接器外观表1—5模拟信号连接器引脚定义PＩＮMＮＥMＯNＩCＳＩGNAL1RV红色信号２ＧＶ绿色信号3ＢV蓝色信号４ＮＣ没有5ＧNＤ接地6RG红色接地7ＧG绿色接地8BG蓝色接地9＋５V+5V电源(从PC来)１０SG同步地１１NCＮｏnｅ１２SＤＡI2Ｃ总线1３ＨS行同步1４VS场同步15SＣLI２C总线第四章INTＥRＶER部分电路分析Iｎvｅｒtｅr即逆变器,又叫电压升压板。它是专为Ｐanel的背光灯供应工作电源的。Panel用的背光灯采纳的是冷阴极荧光灯管(CCＦ），该灯管的工作电压很高，正常工作时的电压为600～800V,而启动电压则高达1500~１８00V，工作电流则为5～９mA。因此Inveｒtｅr需要有如下功能：能够产生150０V以上的高压沟通电，并且在短时间内飞快降至８0０Ｖ左右,这段时间约持续１－２S，电压的曲线如图４-1所示；图４—1Inverteｒ输出电压变化波形由于Iｎverｔｅｒ供应电流的大小将影响冷阴极荧光灯管的使用寿命，因此输出的电流应小于９mＡ,需要有过流保护功能；出于使用的考虑,要有掌握功能，即在显示暗画面的时候,灯管不亮，该掌握信号可以由主板上的MCU或GmZａn１供应；Ｉｎveｒｔeｒ是一种DCTＯAＣ的变压器，它其实与Adaｐｔer是一种电压逆变的过程。Adapter是将市电电网的沟通电压转变为稳定的1２Ｖ直流输出,而Invｅｒｔer是将Aｄａpｔｅｒ输出的1２V直流电压转变为高频的高压沟通电；两个部分同样都采纳了目前用得比较多的脉宽调制(ＰWM）技术，其核心部分都是一个PWM集成掌握器，Adapter用的是UＣ３8４2，Inｖeｒter则采纳TL５0０1芯片。ＴL500１的工作电压范围３。6～40Ｖ,其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区掌握的ＰＷM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。以下是ＴL５001的引脚定义:Piｎ１:脉冲电压输出端;Pin２：电源供电端;Pｉn3:内部误差放大器输出端;Pｉｎ4：反馈电压输入端;Ｐｉn5:过流（短路）保护端;Pｉn６：死区(过压）保护端;Ｐin7:振荡输入端；Pin8：接地端。ＴL5０01的输出同样可以用于驱动MＯＳ开关管工作。附图3为Inverｔｅｒ工作电路图.以下将对Ｉｎverteｒ的工作原理进行简要分析。Ｉnｖｅrteｒ工作原理框图图4-2为Ｉｎverｔｅｒ工作原理框图：图4—2Inverter工作原理框图Inveｒter输入接口部分：Iｎｖｅｒteｒ输入部分有3个信号它们分别为:1２Ｖ直流输入VＩＮ、工作使能电压ENB及Ｐａnel电流掌握信号DＩM.其中12V直流由Ａｄａｐｔer供应；ＥNB电压由主板上的ＭCＵ供应，其值为０或3V，当ENB=0时，Ｉｎｖｅｒter不工作,而ENB=３V时，Inｖerter处于正常工作状态;而ＤＩＭ电压由主板供应，其变化范围在０～5V之间，将不同的ＤＩM值反馈给PＷM掌握器反馈端，Ｉnvｅｒｔｅr向负载供应的电流也将不同，DIM值越小,Ｉｎverter输出的电流就越大.电压启动回路:图4-3的电路是常用的电源掌握回路,由一个PNＰ和一个NPN管组图4—３电源掌握回路成，它有两个工作阶段:第一阶段，当ENＢ电压为低电平（０V）时，Q1管处于截止状态,因此Q２管也截止，此时Q2管C集上的直流电压不能加到ＩC１(ＴL５０01）的Ｐiｎ2输入端,所以IC１因无输入而不工作,Piｎ1就无输出脉冲,因此整个Invｅｒｔｅr就不工作;其次阶段,EＮB为高电平，此时Q１管饱和导通,Ｑ2管B极被拉低,因Q2为ＰNＰ管,且其C集上加有1２Ｖ的直流电压，故Ｑ２导通,１2V电压加至ＩC供电脚Ｐin2,启动ＩC工作，IC1就有脉冲输出去掌握开关管工作，整个Iｎverｔer就处于正常工作状态,输出高压去点亮Pａｎeｌ的背光灯灯管。TL50０1PＷM掌握器简介:图４－4为TＬ５００１的内部原理图。⑴内部参考电压：由直流供电VCＣ产生的2。５V基准电压用于向内部电路供应电源，并且作为误差放大器和过流保护比较器供应比较的基准电压.经过衰减器产生的1Ｖ基准电压输入到误差放大器的同相输入端，作为误差放大器的比较电压.⑵误差放大器:误差放大器将一个ＤC-DC的输出电压同１V的参考电压进行比较并产生一个误差信号供应应PWM比较器.直流变换器的输出电压是通过选择误差放大器的外接电阻(如图4－5)，由下式可计算出:图4—4TL500１内部原理图V4—１误差放大器的输出电压在Pin3的ＣＯMＰ端输出，用于补偿直流变换掌握环的稳压效果。由于放大器的输出只能供应4５Ａ的电流，而总的直流负载却有1００ｋΩ或更多。图4－5误差放大器工作原理图⑶振荡器和PＷＭ：振荡器的频率可以通过在Ｐｉｎ７的RＴ端与GND之间串接一个电阻来设置的，其范围是２０~５00ｋＨz,因此电阻的取值范围应在１５～２50kΩ之间.如附图3中的R6。振荡器的输出是一个三角波电压，其最小值为０．7V，最大值1.３V。脉宽调制比较器将误差放大器的输出和死区掌握(DＴC)输入与三角波电压进行比较。当三角波电压比这两个电压中较小的那个大时就关闭晶体管的输出。⑷过压保护：在Ｐｉn6的ＤTC端供应了一个限制输出转换占空比的方法。在该端与地之间接一个电阻,这样在DTC端就可以得到一个死区参考电压,它与振荡器输出的三角波电压进行比较。当该电压等于或小于０。7V时，输出的占空比为0%；如果该电压大于或等于1。3Ｖ时,输出的最大占空比为100％。⑸欠压保护:当输入电压过低时，欠压保护电路将关闭输出晶体管的输出以及当输入电压低于３V时，将复位短路保护电路。⑹短路保护(SCP):ＴＬ50０1内部有一个短路保护回路，当转换器的输动身生短路时,它将切断电源,当ＳCＰ回路处于工作状态时，它将阻止开关打开直到内部电路被复位。可以通过用削减输入电压直到欠压电路起作用或通过外部拉低SＣP端.以下是SＣP回路工作原理：当发生短路时,误差放大器在COＭP端的输出提高以增加电源转换占空比，试图适应输出电压。当COMＰ达到1。５V时,SCP比较器1就开头启动RC计时电路。如果短路在肯定的时间内消除，误差放大器的输出将降到1.5V以下，整个电路开头正常的转换工作;如果在这段时间内短路连续存在。计时器将启动自锁电路，并关闭输出晶体管。（如图４－６)图４－６ＴL5０01内部短路保护电路转变连接在SCＰ脚和地之间的Cｓcｐ的大小,可以转变计时器工作的时间,该电容通过一个１85kΩ的Rscp电阻向2。５V端产生一个１85mV的初始电压时,该电路开头工作,当电容的电压达到1V时,计时完毕，这时SCP比较器2的输出拉高,导通Ｑ2管，关闭计时电路.通过以下等式可以设置计时电路工作的时间：４-2其中计时时间是Ｖ时的计时时间.而4-３其中的单位是秒,电容的单位是uＦ。要比转换器的上升时间来得大，一般是10～1５倍，否则的话电路将不启动。⑺输出晶体管:ＴL5001的输出级是一个集电极开路的晶体管,其最大的工作电流为21mA，电压为５1Ｖ。在以下情况下晶体管才会有输出：振荡器的三角波电压低于DTC和误差放大器的输出电压;欠压电路不处于工作状态；短路电流保护电路不处于工作状态。直流变换由ＭOＳ开关管和储能电感L1及Ｄ1组成了电压变换电路，ＴL500１输出的脉冲经过Q4、Q5组成的推挽放大器放大后驱动MOS管做开关动作,使得直流电压对L１进行充放电,这样就从L1的另一端输出了如图4—8的沟通电压：图4-8L1输出电压波形(ƒ=101．5KＨz）由于电路中的MＯS开关管Q３采纳Ｐ沟道场效应管,因此当Ｕ1输出脉冲为低电平常对L1进行充电,高电平常Q３截止，Ｌ1放电。Ｑ3输出的脉冲波形如图4-9.图中的Q4、Q５组成的推挽放大电路是起放大作用，由于Ｕ1输出脉冲的电流较小,不能直接驱动MＯS管Q3工作,因此必须加上放大电路加以放大。过压保护电路：利用ＴＬ５0０１的ＤＴＣ死区掌握电路可以组成一个过压保护电路，其工作原理(如图4－10）:当Ｌ1输出电压过高时，当它超过Ｄ2管的稳压值９．１Ｖ图４—９Ｑ３输出电压波形(ƒ=189KHz）时，D２管将会被击穿,使得Q6管导通，这样就把Ｕ1的Ｐin６脚ＤTC的电压拉低，使得其电压值低于０．７V,内部死区掌握电路就关闭输出晶体管的输出。图４－10过压保护电路LC振荡及输出回路：C９和PT1初级线圈组成LC振荡,Ｑ7、Q8组成ＰUSH－PULＬ回路，它们处于交替工作状态,R13、Ｒ14、R1５、R16为启动电阻。如图４-１1为其工作波形.由图中可以看出Q7、Q8的输出电压在PＴ上迭加通过LＣ振荡就产生了高压正弦沟通电输出.在输出方面,C10、C11为耦合分压电容。当负载的Pａnel灯管未点亮时，输出回路没有导通，由PＴ1产生的1600V的高压电通过电容耦合作用加在负载两端,这样就满意了冷阴极荧光灯的启动条件,荧光灯被点亮.此时输出回路导通,有电流流过电容，由于电容有阻抗存在,因此电容两端就产生了压降，选择电容的参数值就可以使通过电容衰减后加在负载两端的电压变为800V左右的工作电压。7。输出电压反馈：当负载工作时，在R１７、R１８两端有沟通电压存在,该电压经过D3、C1２整流滤波后，得到一个直流的采样电压。将该电压反馈给TL50０1的Pin4端，用于反馈掌握TL50０１输出脉冲的占空比,达到稳定Ｉnｖerter输出的作用。图4-1１ＬC振荡电路工作波形（ƒ=5０.6ＫHz）第五章Ａdａｐteｒ部分电路分析Ａｄapter即电源适配器，由于ＬCD是低电压工作，而一般市用电网供应的是110V或２２0V的沟通电压,所以需要在显示器上专门配有电源适配器其作用就是将电网的２20Ｖ沟通电压转换成12Ｖ的直流电压向整个LCDＭonｉtor供电.由于显示器内部的主板上还有电压转换,所以1２V的电压输入就能满意要求.在LCＤＭonitoｒ中Aｄapter采纳的是开关电源设计方法。开关电源具有体积小、重量轻、变换效率高等优点，因此被广泛应用于电子产品中，格外是脉宽调制（ＰWM）型的单片开关电源。PWＭ型开关电源的特点是固定开关频率，转变脉冲宽度来调节占空比。其基本工作原理:沟通２20V输入电压经过整流滤波电路变成直流电压,再由开关功率管斩波和高频变压器降压，得到高频矩形波电压，经整流滤波后获得所需要的直流输出电压.脉宽调治器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号,掌握开关功率管的通断状态,来调节输出电压的凹凸,达到稳压的目的。以下将要介绍的电源适配器就是这种类型的脉宽调制的单片开关电源。它所用的是ＵC38４2脉宽调制集成掌握器。UC3８4２有下列性能特点：⑴它属于电流型单端PＷＭ调制器，具有管脚数量少、外围电路简洁、安装调试简便、性能优良、价格低廉等优点.能通过高频变压器与电网隔离，适合于构成无工频变压器的20~50W小功率开关电源。⑵最高开关频率为5０0kHz,频率稳定度达0。2%.电源效率高，输出电流大，能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管、DＭＯＳ管、ＴＭOS管。⑶内部有高稳定的基准电压源，典型值为５。0V,允许有±0。1%的偏差。温度系数为0。２mＶ/℃。⑷稳压性能好。其电压调整率可达0.0１％/V。启动电流小于１mA，正常工作电流为15mA。⑸除具有输入端过压保护与输出端过流保护电路之外，还设有欠压锁定电路，使工作更稳定、牢靠.⑹可调整的振荡电路，可精确地掌握占空比,具有自动补偿功能。⑺带锁定的PWM,可以进行逐个脉冲的电流限制.如图5．1即为UC38４2的内部框图。其各引脚的作用如下:Ｐin1:自动补偿；Ｐin2：电压反馈输入端；Pin3：过流检测端;Pin4:振荡输入端；Ｐin5:接地端;Ｐｉn6：脉冲输出端；Ｐｉn7：直流输入端；Pｉn8：基准电压输出端;该ＩC用于Adaptｅr的电路图如附图２所示。这里采纳N沟道MＯS功率场效应管作为开关功率管，设计的输出电压Vｏ=12Ｖ。以下将分析该电路的工作原理。图5—1UC3842内部框图Ａｄaｐter原理框图：该电路属于单端反激式变换器.所谓单端,是指高频变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧,并且只有一个输出端.所谓反激，是指MOS开关功率管导通时，整流二极管Ｄ91１截止，电能就储存在高频变压器的初级电感线圈中;当MOＳ功率管关断时Ｄ9１1导通，初级线圈上的电能传输给次极绕组，并经过D9１１输出。以下图５—２是该电路的工作原理框图。图５—2电路的工作原理框图输入沟通滤波该部分的主要作用是用于防止由沟通输入线引入的噪声,抑制电源内部产生的反馈噪声.该滤波器被设计成为电磁兼容（ＥMＩ)滤波器。开关电源是把工频沟通整流为直流后，再通过开关变为高频沟通，其后再整流为稳定直流的一种电源，这样就有工频电源的整流波形畸变产生的噪声与开关波形产生的噪声。在输入侧泄露出去就表现为传导噪声和辐射噪声,在输出侧泄露出去就表现为纹波.外部噪声会进到电子设备中，而供应负载的电源噪声也会泄露到外部。若电源线中有噪声电流通过，电源线就相当于天线向空中辐射噪声。为此，在开关电源的输入侧要介入电容与电感构成的滤波器，用于抑制沟通电源产生的EMI。噪声分为共态噪声和正态噪声.对于单相电源,输入侧有2根沟通电源线和1根地线.在电源输入侧2根沟通电源线与地线之间产生的噪声为共态噪声；2根沟通电源线之间产生的噪声为正态噪声。这就要求在电源输入侧接入的EMI滤波器要滤除这两类噪声。在该Adapter中使用如下图5－3的ＥＭI滤波器.它由共态扼流圈L９0１,图５－3沟通滤波及桥式整流滤波电路跨接线路电容Ｃ90１以及线路高通滤波电容C902和C903构成。其中，L９０1用于滤除低频共态噪声，C9０１用于滤除低频正态噪声,C９02和C９03用于滤除高频共态和正态噪声。图中Ｒ9０1、R902用于拔掉电源时对电容起放电作用。桥式整流及滤波当220V沟通输入经桥式整流输出后经滤波电容Ｃ903滤波后生成一高压的直流电压其大小为1．414VAＣ，Ｃ９0０起滤除高频电磁干扰用。软启动电路软启动电路如图５—4所示，图中的电阻R为R90５、R9０6、Ｒ9０７、Ｒ9０８、R9０９、R９10的等效电阻，由于这些电阻的阻值很大，所以其工作电流很小。刚启动开关电源时，UC3842所需要的+１6V工作电压由Ｒ、Ｃ９0６电路图５—4电源软启动电路供应。＋300V直流高压经过R降压后加至UC3８４2的输入端Vｉn，利用C９0６的充电过程使Ｖin逐渐升至1６V以上。也就实现了软启动。一旦开关功率管转入正常的工作状态,自馈线圈N２上所建立的高频电压经D9０2、C9０６整流滤波后，就作为芯片的工作电压。此时由于R、Ｃ90６电路的电流很小不能为芯片供应工作电压。至此启动过程结束.脉宽调制掌握器ＵC３84２图5-1为UＣ3８42内部框图。ＵＣ3８42属于电流掌握型脉宽调制器。所谓电流掌握型是指，一方面把自馈线圈的输出电压Vin反馈给误差放大器，在与基准电压进行比较之后,得到误差电压Vr;另一方面初级线圈中的电流在取样电阻R９30上建立电压，直接加到过流检测比较器的同相输入端，与Vr作比较，进而掌握输出脉冲的占空比，使流过开关功率管的最大峰值Iｐm电流总是受误差电压Ｖｒ的掌握,这就是电流掌握型的原理.其优点是调整速度快,一旦＋３00V输入电压发生变化,就立即引起Iｐm的变化，飞快调整输出脉冲的宽度。＋5V的基准电压源有三个作用:一是供振荡器使用；二是衰减成+2.5Ｖ,接误差放大器的同相输入端，作为基准信号；三是向内部的其他电路供应工作电源.+５．0Ｖ基准电压经过定时电阻Ｒ919给定时电容Ｃ9１0充电，然后Ｃ９10再经过芯片内部电路进行放电，从第4脚就得到锯齿波电压。振荡频率的计算公式为:5—1将Ｒ91９=20kΩ，C9１0=3９00pＦ代入上式，ƒ≈24ｋＨz。需要指出,尽管UC３８４2的最高工作频率可达50０kＨz，但一般不超过250kHｚ，以免造成工作不稳定。UＣ38４２的电源供电端与地之间并接了一个3４V的齐纳二极管，以保证内部电路工作在34V以下,防止高输入电压带来的损坏.UC3842的误差放大器同相输入端接在内部的+2.5Ｖ基准电压上,反相输入端接收外部掌握信号。在输出端和反相输入端之间可外接RC补偿网络，在使用过程中可转变ＲC的取值来转变放大器的闭环增益和频率响应.UＣ3842还能自动限流,将Ipm限制在1。18A。把过流检测电阻上的电压直接加在过流检测比较器的同相输入端。只要该电压达到1V，就会使比较器翻转，输出变成高电平，将PWM锁存器置零，使脉冲调制器处于关闭状态，从而实现过流保护.由于噪声干扰的影响，开关功率管有可能超负荷工作而损坏，为此芯片设有PＷM锁存器。其作用是保证在每个时钟周期内只输出一个脉宽调制信号，能消除在过流检测比较器翻转时产生的噪声干扰。。输入欠压锁定电路的开启电压为16V，关断电压为１0V。仅当Ｖiｎ＞1６V时UC３８42才能启动，此时芯片工作电流约为1ｍＡ，自馈电后变成１5ｍA.当输入欠压时,开关功率管飞快关断。UＣ3842的输出级为图腾柱式输出电路，输出晶体管的平均电流为２００mA最大峰值电流可达±1A。高压保护回路高压保护回路如图5—5所示，当电网电压升超群过最大值时，自馈线圈输出的电压也将上升。该电压将会超过１８V,此时ＺD901被击穿,R９16图5-５高压保护回路上就会产生压降,当这个压降有0．6Ｖ时将使Q90３导通，拉低Q902的基极电位,使Q９０2也导通，这样UC３84２Ｐin8的5V基准电压通过D９04、Q9０３直接接地，产