时序控制器TCON的研究与设计

摘要：阐述了TFT-LCD的显示原理、系统结构和时序控制器TCON的设计方案。该模块设计主要为减少中、小尺寸TFT-LCD时序控制器的芯片管脚数，提高通用性，与一般TCON只能驱动2～3种分辨率的面板相比较，该设计支持8种显示模式。实现对TFT-LCD面板的时序控制，产生源驱动器模块和门驱动器模块所需要的各种控制信号、Vcom的极性控制及显示模式控制，实现对模拟RGB信号的显示控制，源驱动器和门驱动器的时序控制信号可兼容多家LCD面板的时序要求。支持16：9和4：3的TFT-LCD面板。该设计可灵活应用于市场上大部分的中、小尺寸TFT-LCD面板。产品可应用于车载电视、便携式DVD等。
关键词：时序控制器；TFT-LCD；源驱动器；门驱动器

    TFT-LCD以其低工作电压、低功率、显示效果好、易集成和轻巧便携等特点率先进入显示市场。TFT-LCD时序控制器TCON(Timing Contro-ller)主要用于模拟TFt-LCD的显示控制。TCON为液晶屏上的驱动电路(源驱动器、门驱动器和VCOM极性控制)提供时序控制信号，从而实现模拟RGB信号的显示控制。
    对于大尺寸的液晶显示面板，TCON控制器的设计相对复杂。在高分辨率显示系统中，时钟频率很高，在产生基于时钟信号的时序控制信号以前，需要先对同步时钟进行扩频处理，以减小EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)，使其通过EMC测试。由于同步时钟经过了扩频处理，则视频数据也要通过相应的处理才能正常显示，否则就会遗失数据。对于中、小尺寸LCD的TCON控制相对简单，基本的工作过程是首先由输入的信号确定TFT-LCD屏幕的分辨率、工作模式、显示模式等信息，然后根据这些信息来确定合适的参数值，最后产生所需要的控制信号，无需对视频数据做处理就可以使TFT-LCD正常工作。
    目前市场上现有的成品TCON芯片主要有：PVI的1004C、1004D；AU的UPS015、UPS017等，这些芯片只对特殊的TFT-LCD面板设计，一种TCON只能驱动2～3种分辨率的面板，此外，由于显示模式控制信号使用的是外部输入管脚，导致芯片的管脚数量较多，通用性较差。本文讨论适用于中、小尺寸TFT-LCD的时序控制器，提高其通用性。

1 TFT-LCD的显示原理及系统结构
    TCON的时序信号是基于TFT-LCD面板(Panel)的需要产生的，理解TCON的原理，首先应了解LCD面板的显示原理。典型的TFT-LCD面板内部结构如图1所示。液晶具有透光可控性，改变施加在液晶两端的电压，液晶的透光率就会随之改变。

    一个液晶单元实现一个采样点的显示，因此，如果根据二值图像的数据结构将液晶单元以矩阵方式排列成为液晶阵列(Crystal Array)，即可实现一幅图像的显示。通常，液晶阵列的排列有Strip和Delta两种方式。不同排列方式决定了不同的RGB采样顺序，而一个像素由3个液晶单元构成(RGB)。因此，液晶阵列中液晶单元的个数决定了显示分辨率。TFT-LCD是在超扭曲型STN的基础上，通过TFT晶体管将显示像素和扫描电极分割开来形成的，其特点是克服了STN-LCD的交叉效应。
    TFT-LCD系统由2部分组成：LCD控制模块TCON和LCD面板模块，如图2所示。LCD显示器中采用按行、列的有源矩阵驱动方式，行线都是接在像素NMOS管的栅极(gate)，列线是接在NMOS管的源极(Source)。在LCD模块中，行线和列线是分开来驱动的，驱动行线的电路叫门驱动器(Gate Driver)；驱动列线的电路叫源驱动器(Source Driver)。

    源驱动器和门驱动器共同控制液晶单元的充放电过程。当扫描信号有效时，这一行上所有的TFT单元同时打开，RGB电压通过TFT给存储电容充电。因此RGB和Vcom的电压差就决定了液晶柱的电压。当扫描信号无效时，这行上的TFT单元断开，存储电容的电荷在一帧时间内可基本保持不变，从而实现占空比接近100％的静态显示效果。
    TCON的主要功能是为TFT-LCD面板中的源驱动器和门驱动器提供必要的时序控制信号。根据面板(Panel)要求，TCON的最基本输出信号为：STV、OEV、CPV、STH、CPH、OEH、PLC等；此外，为了实现不同显示模式，还有L／R、U／D、MOD、Q2H等控制信号。

2 时序控制器TCON模块设计
   时序控制器TCON模块包括：锁相环PLL、I2C接口、分频器DIV、行同步模块HSB、场同步模块VSB及控制信号输出模块CSB。TCON的基本结构如图3所示。其中，场同步模块VSB产生门驱动器需要的控制信号：行同步模块HSB产生源驱动器需要的控制信号；控制信号输出模块CSB产生扫描方向控制信号。本系统设计中引入了I2C接口，控制信号可通过内部寄存器来控制，通过改变软件即可实现显示模式的转变，从而大大减少了外部硬件电路的管脚数量。PLL可提供1 920、1 440、1 200、1 152分辨率对应的系统时钟，而960、480、400、320分辨率对应的时钟由DIV模块分频获得。

    由于不同分辨率的LCD、不同工作模式所需要的输出控制信号有所不同，因此TCON工作时，首先要做出判断，选择正确的工作模式，以便于产生相应合适的控制信号。这些选择包括LCD分辨率选择、外部／锁相环电路PLL时钟模式选择、分离／复合工作模式选择、NTSC／PAL制式选择。
    LCD分辨率选择：在实际的显示系统中，TFT-LCD有不同的尺寸与分辨率，一般中、小尺寸的TFT-LCD的分辨率有480x234(2．5"、3.5")、960x234(3．6"、5"、6．4")、1 200x234(6．5")、1400x234(6．2"、7")、1 920x234(9")等。对于不同分辨率的LCD，所需要的某些控制信号会有不同。
    外部／PLL时钟模式选择：工作时钟源的提供有两种方式，锁相环电路PLL模式和外部时钟模式。在PLL工作模式中，VCO电路产生振荡，通过锁相环电路调相后给TCON提供稳定的工作时钟；在外部工作模式中，工作时钟由外部提供。
    分离／复合模式选择：输入同步信号可分为复合同步信号和分离同步信号，这两种同步信号的同步脉冲标志位不相同。
    NTSC／PAL制式选择：NTSC和PAL制式的每帧行数和同步脉冲的标志位完全不同，因此在处理输入信号及产生控制信号以前应做出判断选择。高分辨率下的显示模式选择：高分辨率下有FULL、Center、Wide、Zoom1、Zoom2、Left、Right、Zoom3共8种不同的显示模式，不同显示模式下，其显示区域、输出控制性能和脉宽会有所不同。

2．1 门驱动器模块的控制信号
    门驱动器通过OG(TFT_LCD选通信号)信号来选通TFT，从而控制存储电容的充放电。门驱动器的基本输入信号为CPV(门驱动转换时钟)、STV(门驱动开始脉冲)和OEV(门驱动输出使能)。此外，门驱动器如果支持up to down和down to up扫描模式，还需要扫描方向控制信号U／  D。门驱动器的时序如图4所示。

    通过改变CPV、STV及OEV的时序即可实现对TFT的开关控制，从而控制图像的显示。Zoom1、Zoom2及Zoom3显示模式就是通过改变门驱动器的输入信号时序实现的。
2．2 源驱动器模块的控制信号
    门驱动器通过TFT开关来决定是否对存储电容进行充电，而源驱动器则控制如何对存储电容进行充放电。源驱动器的基本控制信号包括：CPH(源驱动转换时钟)、STH(源驱动开始脉冲)及OEH(源驱动输出使能)等。如果源驱动器支持Left／Right扫描控制及Simultaneously／  Sequential采样模式，它还有左右扫描控制信号(L／R)和采样模式控制信号(MOD)。源驱动器在STHL有效时开始扫描，当STHR有效时结束，其控制信号时序如图5所示。

    源驱动器在一行时间中完成采样和显示两个动作，如图6所示。当第k行的TFT选通信号OG(K)有效时，SWa1和SWb2闭合：此时，第k行的视频信号对CH1充电，此行上所有像素点的视频信息就被保存在CH1中；同时，由于SWb2也闭合，CH2就通过Qk-1对第k-1行上的存储电容Cd进行充电，从而实现第k-1行图像的显示。

    根据源驱动器的采样显示原理可知，改变CPH、OEH及STH的时序就可以实现对图像的显示控制。Center、Wide、Left和Right等显示模式是通过改变源驱动器控制信号的时序实现的。
2．3 Vcom模块的极性控制及显示模式
    液晶柱的透光特律和电压(V)的方向无关，只和其大小有关。但是，如果长时间给液晶柱施加同向电压就会使它电解，从而失去其透光特性，这样容易造成液晶损坏。因此，为了延长液晶的寿命，需要不断改变施加在液晶上的电压V的方向。对于液晶屏来说，Vcom的转换方式有3种：帧翻转、行翻转、列翻转。帧翻转模式的频率低(50 Hz)，功耗小，图像质量一般：行翻转模式的频率较低(15 kHz)，功率小，图像质量较好：列翻转模式的频率高，功耗大，图像质量最好，适用于大尺寸屏。对于支持多种显示模式的小尺寸模拟TFTLCD面板，一般采用行翻转的形式，通过改变公共端的电压极性Vcom而达到翻转的目的。TCON会输出一个行翻转信号POL，用这个信号产生Vcom，通过调节Vcom的DC端，改变LCD的色彩，调节AC端，可以改变LCD的对比度。
    ITU-601标准的视频信号有2种制式：PAL和NTSC；TCON的输出信号根据显示模式和制式确定。本设计支持FULI、Center、Wide、Zoom1、Zoom2、Left、Right、Zoom3共8种显示模式。以PAL制信号为例，PAL制彩色信号的数据结构是每场312．5行，有效图像占288行。以下是8种显示模式的具体设计。
    FULL：水平方向全屏显示，无缩放，TCPH=3TOSC，垂直方向288行抽样为234行；
    Center：水平方向缩小为3／4居中显示，TCPH=4TOSC，垂直方向288行抽样为234行；
    Wide：水平方向全屏显示，放大缩小都有，TCPH=2TOSC、3TOSC、4TOSC，垂直方向288行抽样为234行；
    ZOOM1：水平方向全屏显示，无缩放，TCPH=3TOSC，垂直方向220行插值为234行；
    ZOOM2：水平方向全屏显示，无缩放，TCPH=3TOSC，垂直方向无缩放，234行显示；
    Left：水平方向缩小为3／4居左屏显示，TCPH=4TOSC，垂直方向288行抽样为234行：
    Right：水平方向缩小为3／4居右屏显示，TCPH=4TOSC，垂直方向288行抽样为234行；
    ZOOM3：水平方向全屏显示，无缩放，TCPH=3TOSC，垂直方向无缩放，234行显示；

3 总结
    本设计中，TCON的输出信号主要由计数器控制产生，其时序取决于2个因素：图像信号的数据结构和显示模式。针对不同LCD面板，TCON的时序有所不同，但显示原理基本一样。因此，TCON输出信号是否能支持不同分频率的LCD面板取决于PLL给出的系统时钟是否满足要求。该设计通用性较强，相对于只能驱动2～3种分辨率面板的TCON，支持16：9和4：3的TFT-LCD面板，也支持不同的显示模式，并支持目前市场上的大部分厂家的LCD面板，例如：AU、PVI、Samsung、LG、Sharp、Panasonic、Toshiba、Foxconn。时序控制器的设计已经过SMIC018工艺单独流片成功，并与VideoProcessor集成，已应用于便携式DVD、车载电视等领域。