TFT-LCD背光设计策略

TFT-LCD的结构

从TFT-LCD的切面结构图（图1）可以看到LCD是由二层玻璃基板夹住液晶组成的，形成一个平行板电容器，通过嵌入在下玻璃基板上的TFT对这个电容器和内置的存储电容充电，维持每幅图像所需要的电压直到下一幅画面更新。液晶的彩色都是透明的必须给LCD衬以白色的背光板上才能将五颜六色表达出来，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色灯光。因此在TFT-LCD的底部都组合了灯具，如CCFL或LED。

图1 TFT-LCD的切面结构图

TFT-LCD需要背光

由于LCD面板本身并不发光，因此需要背光，液晶显示器就必须加上一个背光板, 来提供一个高亮度，而且亮度分布均匀的光源。 LCD实际上是打开来自其后面光源的光来表现其色彩的。目前的常用背光源是CCFL或LED。

CCFL背光源

现在几乎所有的较大面积的LCD显示器都使用CCFL(冷阴极荧光灯)背光，这些CCFL的驱动需要非常高的交流电压波形。一般笔记本和显示器的面板只需要一个CCFL控制器，然而大面板、TV类型的显示器要求更亮的背光，也即需要更多的CCFL，因而需要更多的驱动器。来自这些CCFL的光还必须匹配，否则显示屏的图像亮度将不均匀。采用CCFL技术作为背光源会严重影响在LCD显示器上显示的色谱。典型的CCFL背光使LCD显示器只能再现不到50%的NTSC 信号所能传输的色彩。为了改善CCFL的不足，TI和MAXIM等IC厂商分别推出几款高性能电源管理器件如TPS65160、

MAX1997/8、MAX1513/4，它们不但具备高转换效率，还能满足薄膜晶体管(TFT-LCD)液晶屏幕的所有电压需求，为液晶显示器提供完备的供电方案。并提供安全的大电流控制能力，适用于现今大型液晶显示器和液晶电视的电源管理器件（图2）。 它们内置高效率的直流转换控制器、两个电荷泵、多种安全功能，以及可调式开机电源顺序控制。电压输入的范围较宽；内置1.5-2.6A交换升压转换器，为系统提供源极电压VCOM=15V/1.5A，一个大电流背板驱动器；一个珈玛基准电压Vgamma=15V/30mA；而1.8A异步降压转换器供应逻辑电压VLOGIC=3.3V/1.5A；还提供可调式稳压输出的正电荷泵输出VGON=23V/50mA和负电荷泵驱动器输出VGOFF=-5V/50mA，以保证屏幕显示画面质量。它们拥有快速瞬时响应能力，其高达95%的电源转换效率有助于节省电力。它们还包含多种安全功能，例如升压转换器的电压过载保护、降压转换器的短路保护，以及过热关机功能，从而避免了温度或功耗过高所造成的损害。除此之外，电压过低锁定(UVLO)功能会在电压过低时将器件关机，提供进一步保护。采用薄型QFN封装，最大高度仅0.8mm，适合超薄型LCD面板。

图2 TFT-LCD显示器系统需要多档电源电压。

LED背光源

如今用新的大功率、高亮度的LED技术作为背光源，可以将对NTSC信号色谱的覆盖率提高到超过100%。另外，这些新LED背光没有CCFL背光所需的水银，非常适合绿色环保应用。LED背光还具有很多其它优点。对于大面积面板，可采用分离的红色、绿色和蓝色LED，这使显示器的色温可以很容易进行调整。这些器件的快速响应特性还使它们非常适合于频闪背光(strobing backlight)应用。LED的驱动需要一定的电压和电流，手提产品的电源都是电池，因此就需要升降压电压变换的电源管理电路。如今各种微型电压升降压芯片技术也日显成熟，产品也在不断增加，符合PMP/MP4、DSC、DV的TFT-LCD需要的，能同时多路输出它们需要的不同电压的集成电源管理芯片组（SOC）也在迅速推出之中。TFT-LCD显示器系统需要多档电源电压，如PMP/MP4常用的三星3.5_和4_的TFT-LCD ，它们的结构如图3所示，它们由TFT玻璃（TFT glass）、颜色滤波器（Color filter）、 显示区（Display area）、背光板和背光源（Backlight）四部分叠加组成。图4是三星3.5_的TFT-LCD电路图。它们的主要技术参数是：VIN=2.1-4.0V，VSW=15V/1.4A、VS=15V；用6个LED串联做背光源，每个LED的VF=3.4V、IF=20mA，因此需要一个24V/50 mA的电压来驱动。常常选用带电感的DC/DC来升压，再加上倍压电路，输出多档电源电压满足TFT-LCD的需要，如图5所示。目前MP3、PMP/ MP4、DSC、DV等的小尺寸TFT-LCD 屏的低成本背光驱动方案常常是采用这种方法来设计实用电路的。

图3 三星4_的TFT-LCD结构图

图4 三星3.5_的TFT-LCD电路图

图5 升压、倍压产生多档电源电压电路

新背光源

正在研发的新背光源还有好多种，如日本DiaLight开发成功了一款采用碳纳米管的场发射型高亮度背光灯，适用于LCD TV等大屏显示器。从原理上讲，可实现15万cd/m2的超高亮度。除可作为电视机和手机的背光灯使用外，还可用作特殊光源。 此背光灯通过在使用碳纳米管的平面电极（发射极）上施加高压电场，使放射出的电子射向荧光板而发光。除了高发光效率、低能耗和高亮度发光外，还具有无汞、长寿命以及高速响应等特点。比如说，按32英寸的背光灯换算，发光效率为80lm/W、亮度为1万5000cd/m2、耗电量为85W、寿命为5万小时、响应速度为100μs。相比，采用冷阴极管（CCFL）的情况是：效率为50lm/W、亮度为1万2000cd/m2、耗电量为110W，寿命为5万小时、响应速度为10_15ms；采用白色LED的情况是：效率为30lm/W、亮度为9500cd/m2、耗电量为185W、寿命为5万小时、响应速度为数十ns。

参考文献：
1. 《TFT-LCD液晶显示器的工作原理》 谢崇凯 2004-8
2. 《STN-LCD彩屏模块设计》 颜重光 2004-4 《电子工程专辑》
3. 《手机相机的低压闪光灯驱动电路设计及器件选择指南》颜重光 2004-11《电子工程专辑》