如何解决TFT-LCD显示器的电源设计？

TFT-LCD 简介

什么是 TFT-LCD ?

TFT ﹕薄膜晶体管

LCD﹕液晶显示器

TFT-LCD发明于1960年经过不断的改良在1991年时成功的商业化为笔记型计算机用面板﹐从此进入TFT-LCD的世代。

TFT-LCD亮度高，有效显示面积大，能够提高播放动态画面的能力，具有轻薄、省电、抗干扰能力强和节省空间的优点，应用非常广泛。

TFT-LCD产品是高集成技术的体现，集成有背光源、驱动电路以及印刷电路板等，需要完备的电源控制器供电。电源控制器设计除了必须能够满足相应性能要求之外，还需要有小面积、低重量以及低成本等要求，通常通过多种DC-DC转换器的集成来实现多路输出。电源控制器作为TFT-LCD模组的供电方案在很大程度上影响其性能以及成本。

TFT-LCD平板显示器供电晶片研究进展

TFT-LCD显示器虽然是采用数字技术，但其系统本身所需的电源不但包括数位IC用的逻辑电源，还有类比IC需要的高低压混合电源。这种电源管理晶片正朝着高集成化方向发展，其实现方法呈现多样化。

为了满足设备对电源提出的持续缩小尺寸、降低成本等苛刻要求，各大电源晶片厂商正尝试把线性稳压器、DC/DC转换器和充电IC等不同元件集成到单个器件上，提高设计的灵活性来实现更强的系统用电性能。多个单一功能的电源管理器件组合的方法将会被类似PMU(电源管理单元)的晶片取代。TFT-LCD驱动电路非常复杂，主要包括有源极驱动和栅极驱动，其供电晶片更是要求有多个输出的高集成方案来实现。目前，市场上流行的TFT-LCD板供电晶片，都采用单片集成的方案，在不同程度上解决了这两个驱动系统的电源需要。事实上，欧美各大晶片公司在这种电源管理器件上进行了大量的研发工作。例如，Maxim公司推出的MAX1531电源管理晶片，内部集成了一个高性能升压调节控制器、3个线性稳压控制器和一个用于顺序启动的延时可调电路。Linear公司针对大型TFT-LCD板驱动系统推出的TPS65160电源管理晶片，内部集成了一个boost升压变换器，一个降压变换器和两个电荷泵电路。TFT-LCD的源极供电系统多用线性稳压和功率运算放大器来实现;其栅极驱动供电则需要用多个DC-DC升降压转换器来解决。通常的DC-DC电压转换有两种解决方案：一种是电荷泵方式，另一种是电感开关升压方式。

在实际应用中，这两种转换方式具有相同的功能。电荷泵电路利用分立电容将电流从输入端传送到输出端，仅依靠外部电容器即可实现升压、降压、电压逆变等转换，整个转换过程不需要电感;其占用面积小、结构简单、无电磁干扰。相比而言，电感开关升压方式则采用电感型DC-DC升压转换原理，也能够实现高低压转化，需要使用电感(作为周边器件)和高速开关管来实现能量转换。因为电感货源较少，标准规格和尺寸较少、电磁干扰多且成本较高、对布线敏感，电荷泵设计方案为实际工程应用带来很大的方便。电荷泵电路采用电容储存能量，外接元件少，非常适合用于小体积应用要求，并且随着其电路结构的改进和工艺水平的提高，这种技术越来越成熟，具有越来越广泛的应用。在TFT-LCD栅极驱动电源解决方案中，电荷泵电路的应用成为研究的热点。

TFT-LCD 结构：

简单的说TFT-LCD面板的基本结构为两片玻璃基板中间夹住一层液晶。前端LCD面板贴上彩色滤光片﹐后端TFT面板上制作薄膜晶体管(TFT) 。当施电压于晶体管时﹐液晶转向﹐光线穿过液晶后在前端面板上产生一个画素。背光模块位于TFT-Array面板之后负责提供光源。彩色滤光片给予每一个画素特定的颜色。结合每一个不同颜色的画素所呈现出的就是面板前端的影像。

TFT Pixel Element：

TFT面板就是由数百万个TFT device以及ITO((In Ti Oxide，此材料为透明导电金属)区域排列如一个matrix所构成，而所谓的Array就是指数百万个排列整齐的TFT device之区域，此数百万个排列整齐的区域就是面板显示区。下图为一TFT画素的结构

不论TFT板的设计如何的变化,制程如何的简化，其结构一定需具备TFT device和控制液晶区域(光源若是穿透式的LCD，则此控制液晶的区域是使用ITO，但对于反射式的LCD是使用高反射式率的金属，如Al等)

TFT device是一个开关器，其功能就是控制电子跑到ITO区域的数量，当ITO区域流进去的电子数量达到我们想要的数值后，再将TFT device关掉，此时就将电子整个关(Keep)在ITO区域.

上图为各画素点指定的时间变化﹐由t1到tn闸极驱动IC持续选择开启G1﹐使得源极驱动IC以D1、D2到Dn的顺序对G1上的TFT画素充电。tn+1时﹐闸极驱动IC再度选择G2﹐源极驱动IC再D1开始依序选择。上图可以表达几件事情：

液晶站立的角度越垂直,越多的光不会被液晶导引，不同角度的液晶站立角度会导引不同数量的光线，以上面的例子来看，液晶站立角度越大，则可以穿透的光线越弱。(上、下偏光片排列的方向会决定穿透光的强弱，因此只要了解液晶站立的角度会导光的强弱即可)。

不受导引的光线会被上偏光片所吸收掉。自然界的光，其极性是任意方向的，使用偏光片的功能就是过滤掉大部分的不同方向震荡的光，只让某一特定方向的光通过。

新世代与尺寸

各世代玻璃基板与尺寸的关系?

许多人不了解TFT-LCD产业的各世代厂房之差异，其实原理相当简单。各世代厂房主要的差别就在玻璃基板的尺寸，而面板就是从大片玻璃基板去切割而成的产品。越新世代的厂房，其玻璃基板越大，因此可切割出更多片面板，以提高产能降低成本, 或是可以生产出更大尺寸的面板 ( 例如液晶电视面板 )。

1990年代TFT-LCD产业刚崛起于日本，当时日本设计建造了一代厂( 简称G1 )的制程。 一代厂的玻璃基板大约是30 X 40公分大小，约相当于全开的杂志，可做成一片15吋的面板。 到了达碁科技 ( 其后与联友光电合并为 友达光电 ) 于1996进入产业，当时技术已进步到3.5代厂 ( G3.5 )，玻璃基板尺寸约为60 X 72公分。 演进至今，友达光电已发展到六代厂( G6 ) 制程，而G6玻璃基板尺寸则达到了150 X 185公分，相当于一张双人床大小。 一片G6的玻璃基板，可切割出30片15吋的面板，相较于 G3.5 可切割4片、G1仅可做1片15吋面板的规模比较，六代厂产能以倍数放大，相对成本降低。此外，G6玻璃基板的庞大尺寸亦可切割出大尺寸面板，它可制作出8片32吋液晶电视面板，提高了面板产品应用的多元性。因此全球TFT-LCD厂商无不投入新世代厂房的制程技术。

TFT-LCD 制程介绍

何谓TFT-LCD?

TFT-LCD 即是thin-film transistor liquid-crystal display的缩写.(薄膜晶体管液晶显示器)TFT-LCD如何点亮?简单说，TFT-LCD面板可视为两片玻璃基板中间夹着一层液晶，上层的玻璃基板是与彩色滤光片 (Color Filter)、而下层的玻璃则有晶体管镶嵌于上。当电流通过晶体管产生电场变化，造成液晶分子偏转，藉以改变光线的偏极性，再利用偏光片决定画素(Pixel)的明暗状态。此外，上层玻璃因与彩色滤光片贴合，形成每个画素(Pixel)各包含红蓝绿三颜色，这些发出红蓝绿色彩的画素便构成了面板上的影像画面。

Intersil公司的ISL78010是汽车电子级TFT-LCD显示器电源，它集成一个升压转换器和2A FET，两个用来产生VON 和 VLOGIC的正向LDO，以及用来产生VOFF的负向LDO。升压转换能编程在P模式工作，以得到最佳的瞬态响应，或工作在PI模式，以改善负载的调整率。本文介绍了ISL78010的主要性能，方框图，升压稳压器方框图和典型的应用电路图以及手提/便携式显示器应用方案(LCD/OLED)。

INTERSIL汽车级TFT-LCD电源

Intersil 公司的ISL78010 - 汽车级 TFT-LCD 电源 IC，是 AEC- Q100 级产品，完全符合 ISO/TS 16949:2002 的要求，其在汽车温度范围(-40ºC~+105ºC)内工作。它是一款高度集成的产品，可以提升性能，并降低跟为 7~15 英寸显示器供电相关的成本。ISL78010 提供了增强型抗瞬变可靠性以及更高的电压能力，可以避免发生转换过程引起的杂散电容和寄生电感。ISL78010 为每条输出通道都整合了排序、调节电荷泵、2A FET和故障保护功能。该集成不仅削减了成本，增加了可用板空间，并且元件数量的减少海改善了系统的总平均故障时间(MTBF)。而且，ISL78010 还拥有4条高度精确的输出通道，从而实现了出色的性能。ISL78010 设计用于提供中型显示面板所需的、高达20V的升压电压，采用 TQFP 封装，可以改善防振可靠性以及适应电路板制造过程中引脚的肉眼检查。

ISL78010主要特性：

2A电流FET

3V — 5V 输入

高达20V的输出电压

精确至1%升压输出

VLOGIC-VBOOST-VOFF-VON or VLOGIC-VOFF-VBOOST-VON 时序控制

可编程序延迟

完善的故障保护

热关断

内部软启动

32 Ld 5x5的TQFP封装