LCD显示屏的器件选择和驱动电路设计说明.docx

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LCD显示屏的器件选择和驱动电路设计说明

LCD显示屏的器件选择和驱动电路设计

如何实现LCD平板显示屏驱动电路的高性能设计是当前手持设备设计工程师面临的重要挑战。

本文分析了LCD显示面板的分类和性能特点，介绍了LCD显示屏设计中关键器件LDO和白光LED的选择要点，以及电荷泵LED驱动电路的设计方法。

    STN-LCD彩屏模块的内部结构如图1所示，它的上部是一块由偏光片、玻璃、液晶组成的LCD屏，其下面是白光LED和背光板，还包括LCD驱动IC和给LCD驱动IC提供一个稳定电源的低压差稳压器（LDO），二到八颗白光LED以及LED驱动的升压稳压IC。

    STN-LCD彩屏模块的电路结构如图2所示，外来电源Vcc经LDO降压稳压后，向LCD驱动IC如S6B33BOA提供工作电压，驱动彩色STN-LCD的液晶显示图形和文字；外部电源Vcc经电荷泵升压稳压，向白光LED如NACW215/NSCW335提供恒压、恒流电源，LED的白光经背光板反射，使LCD液晶的65K色彩充分表现出来，LED的亮度直接影响LCD色彩的靓丽程度。

    LCD属于平板显示器的一种，按驱动方式可分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）以及有源矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

其中，单纯矩阵型又可分为扭转式向列型（TwistedNematic，TN）、超扭转式向列型（SuperTwistedNematic，STN），以及其它无源矩阵驱动液晶显示器。

有源矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型（ThinFilmTransistor，TFT）及二端子二极管型（Metal/Insulator/Metal，MIM）两种。

TN、STN及TFT型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理的不同，在视角、彩色、对比度及动画显示品质上有优劣之分，使其在产品的应用范围分类亦有明显差异。

以目前液晶显示技术所应用的范围以及层次而言，有源矩阵驱动技术是以薄膜式晶体管型为主流，多应用于笔记本电脑及动画、影像处理产品；单纯矩阵驱动技术目前则以扭转向列以及STN为主，STN液晶显示器经由彩色滤光片（colorfilter），可以分别显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例的调和，可以显示出全彩模式的真彩色。

目前彩色STN-LCD的应用多以手机、PDA、数码相机和视屏游戏机消费产品以及文字处理器为主。

    器件选择

    1.LDO选择。

由于手机、PDA、数码相机和视屏游戏机消费产品都是以电池为电源，随着使用时间的增长，电源电压逐渐下降，LCD驱动IC需要一个稳定的工作电压，因此设计电路时通常由一个LDO提供一个稳定的2.8V或3.0V电压。

LCM将安装在手机的上方，与手机的射频靠得很近，为了防止干扰，必须选用低噪音的LDO，如LP2985、AAT3215。

    2.白光LED。

按背光源的设计要求，需要前降电压（VF）和前降电流（IF）小、亮度高（500-1800mcd）的白光LED。

以手机LCM为例，目前都使用3-4颗白光LED，随着LED的亮度增加和手机厂商要求降低成本和功耗，预计到2004年中LCM都会选用2颗高亮度白光LED（1200-2000mcd），PDA和智能手机由于LCD屏较大会按需要使用4-8颗白光LED。

NACW215/NSCW335和EL99-21/215UCW/TR8是自带反射镜的白光LED，EL系列其亮度分为T、S、R三个等级，T为720-1000mcd，S为500-720mcd，都是在手机LCD背光适用之列。

    LED驱动电路设计

    白光LED的驱动需要供给恒定的电压或恒定的电流，而手机电源一开始工作后，其电压就开始往下降，因而需要升压器件升压、稳压。

为了减少升压器件的工作频率对手机射频的影响，一般选用以电容器为电能传递中间体的电容式电荷泵，而以电感器为电能传递中间体的升压器能输出较高电压。

    电容式电荷泵的效率按其升压方法分倍频和分数倍频二种，前者效率约90%，后者效率约93-95%；电感式升压器效率约83-85%。

电容式电荷泵按其输出分恒压输出、恒流输出，按其对LED驱动的方法分并联恒压驱动、单个恒流驱动和串联恒流驱动。

电感式升压器都是恒流输出，输出电压较高，对LED串联驱动。

    倍频升压的电容式电荷泵如AAT3110，5V恒压输出，最大电流120mA，并联驱动LED，如图3所示。

    分数倍频升压的电容式电荷泵如AAT3113，有4-6路恒流输出，每路能输出20mA电流，单个恒流驱动LED，具有32级调光功能。

AAT3134将输出DAC模块分成二块，其输出可分别驱动双屏显示的大小LCM模块。

    NCP5009是带光敏传感器的背光LED驱动升压器，适用于自动调光的高档手机LCM，对LED串联驱动。

LM2704是可恒流驱动4颗串联LED、PWM调光的背光LED驱动升压器。

    新型的电荷泵、升压器输出端都内置MOSFET，可动态地调整负载内阻，省却为平衡由于LED内阻不一致需要外加的匀流电阻。

开关工作频率高的电容式电荷泵其所需的滤波电容器容量小，对RF的干扰也小。

    电容器最好选择陶瓷电容器，因为陶瓷电容器无极性并具有较低的等效串联电阻（ESR），典型值小于100mΩ。

陶瓷电容器的等效串联电阻值、电介质材料优劣、电容值的大小对输出纹波有重大影响。

X7R电容器电介质是最好的，成本略高；X5R电容器电介质居中上，可以选用；Y5V电介质较差，不推荐选用。

手机相机的低压闪光灯设计

2007-03-0919:

03:

27  作者：

国防科学技术大学计算机学院姚信安  来源：

互联网  浏览次数：

49  

手机的周边设计是增加手机附加功能、卖点和新利润的主要方法。

每年推出的数百种新款手机，无非是改变或增加了手机的外观形状和颜色、键盘灯和显示屏的颜色和亮度、声音重现的方式和质量、铃声和弦的变化、拍照、上网、接收电视和电台以及播放MP3的功能等等。

手机增加拍照功能几乎成了手机新设计方案的必然趋势，目前市场上的手机相机大多是选用30万像素VGA格式的CMOS镜头，100万至200万像素的CMOS镜头已经成为当前手机设计的主流。

为了给手机相机拍照时补光，闪光灯也就成了手机的必需品。

以高亮度LED为闪光灯源的低压闪光灯电路简单、高效、省电、低成本、占PCB面积小，特别适用于手机、数码相机和手持设备。

图1借助于电感器的升压电路图2借助于电容器升压的电荷泵电路（a）借助于电感器的升压电路（b）借助于电容器升压的电荷泵电路图3两种不同升压方法的实验PCB板图[b]FlashLED的选用[/b]选用LED闪光灯的第一要点是高亮度和能通过大电流。

LED发光的亮度与通过电流成正比：

用在手机键盘的LED，其使用电流大约是7"12mA，其亮度大约是20"40mcd；用在STN-LCD屏背光的LED，其使用电流大约是14"20mA，其亮度大约是100"1000mcd；而用作闪光灯的LED，其使用电流大约是120"250mA，其亮度大约是2000"7500mcd。

由此可见，手机上不同用途的LED，其性能也是完全不同的。

闪光灯用FlashLED选用的主要技术参数是：

1）亮度（Iv），目前产品能达到的最高亮度大约是7500mcd；2）脉冲峰值电流（IFP），一般要求100"400mA；3）封装，一般是5.2%26;#215;5.2%26;#215;2.5mm3。

随着LED技术的突飞猛进，用作闪光灯的FlashLED技术参数提高很快。

早期的FlashLED为了提高亮度在一个芯片封装中放入5个管芯，随着单颗管芯亮度的不断提高，分别出现4个、3个，乃至2个管芯。

FlashLED的主要技术参数是亮度、视角、前向电压、前向电流、功耗、峰值电流、管芯数量和外形尺寸。

常用FlashLED的性能如表1所示。

[b]FlashLED驱动电路设计[/b]手机相机的低压闪光灯电路设计本着高效、低成本、占位面积小的原则来选择FlashLED的驱动IC。

要求驱动IC能在低电压下输出150-300mA电流，周边使用的器件要少，这样可以有效地减少PCB板的面积；要将手机锂电池不稳定的低电压转换成稳定的4"5V和能输出150"300mA电流的FlashLED驱动工作源。

就目前的IC来说，有两种可以考虑，一种借助于电感器的升压电路（见图1），另一种借助于电容器升压的电荷泵电路（见图2）。

它们的实验PCB板如图3所示。

为了演示方便，实验PCB板用按钮替代触发IC。

选用电容器升压的电荷泵电路比较经济，PCB板上除了电荷泵和FlashLED两个IC外，只需要三个电容器、两个电阻器和一个0.5A电流的MOSFET，占用PCB板面积较小；选用电感器的升压电路，除了升压和FlashLED两个IC外，还需要一个电感器、一个肖特基二极管和数个电容器、电阻器。

从手机的特殊应用来考虑，手机的LCD显示屏和相机镜头、闪光灯都位于手机的上方，与射频电路靠得很近，因此如何防止幅射和串扰十分重要。

[b]结语[/b]手机相机用低压闪光灯电路的设计关键是选择高亮度的FlashLED和能够节省能源以及生产成本的驱动IC。

综上所述，SLMW250FlashLED和电荷泵IC升压电路是比较理想的选择。

彩色LCD驱动电路设计

作者：

shtiger提交日期：

2004-8-2413:

31:

00

摘要：

本文介绍了彩色STN-LCD模块的内部结构、主要器件，以及设计选用要求。

关键词：

彩色STN-LCD模块LCMLED电荷泵升压器LDO背光板

越来越多的手机、PDA、数码相机和视屏游戏机采用STN-LCD全彩色显示器，因此，STN-LCD彩屏模块（LCM—LCDModule）的需求量激增，国产的LCD液晶显示器的质量已可与国外的媲美，许多手机设计、生产厂商开始要求使用国内LCD厂家生产的LCD彩屏模块。

2001年全世界生产手机3.8亿部，2003年将增长到4.3亿部，2005年将增长到5.2亿部。

2004年LCM彩屏手机会占整个手机产量的35-40%，因此STN-LCD彩屏模块（LCM）的年需求量会增长到几亿块。

LCM内部结构

STN-LCD彩屏模块的内部结构如图1所示，它的上部是一块由偏光片、玻璃、液晶组成的LCD屏，其下是白光LED和背光板，还包括LCD的驱动IC，和给LCD驱动IC提供一个稳定电源的低压差稳压器（LDO），二到八颗白光LED，LED驱动的升压稳压IC。

LCM电路结构

STN-LCD彩屏模块的电路结构如图2所示，外来电源Vcc经LDO降压稳压，向LCD驱动IC如三星的S6B33BOA提供工作电压，驱动彩色STN-LCD的液晶显示图形和文字；外来电源Vcc经电荷泵升压稳压，向白光LED如99-21UWC提供恒定的恒压、恒流电源，LED的白光经背光板反射，使LCD液晶的65K色彩充分表现出来，LED的亮度直接影响LCD色彩的靓丽程度。

LCM主要光电器件

lColourSTN-LCD

lLCDDriver：

S6B33BOA

lLCDDriverLDO：

AAT3221-2.8VAAT3221-3.0V

lWhiteLED：

99-21UWC/TR899-215UWC/TR8

lLEDDriver：

AAT3110AAT3113AAT3123AAT3134NCP5007NCP5008/9

lBacklightBoard

LCD

LCD液晶显示器是英文LiquidCrystalDisplay的简称，LCD属于平面显示器的一种，依驱动方式来分类可分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）以及主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

其中，被动矩阵型又可分为扭转式向列型（TwistedNematic；TN）、超扭转式向列型（SuperTwistedNematic；STN）及其它被动矩阵驱动液晶显示器；而主动矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型（ThinFilmTransistor；TFT）及二端子二极管型（Metal/Insulator/Metal；MIM）二种方式。

TN、STN及TFT型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理之不同，在视角、彩色、对比及动画显示品质上有高低层次之差别，使其在产品的应用范围分类亦有明显区隔。

以目前液晶显示技术所应用的范围以及层次而言，主动式矩阵驱动技术是以薄膜式晶体管型（TFT）为主流，多应用于笔记本电脑及动画、影像处理产品。

而单纯矩阵驱动技术目前则以扭转向列（TN）、以及超扭转向列（STN）为主，STN液晶显示器经由彩色滤光片（colorfilter），可以分别显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，可以显示出全彩模式的真彩色。

目前彩色STN-LCD的应用多以手机、PDA、数码相机和视屏游戏机消费性产品以及文书处理器为主。

LCD驱动IC

LCD驱动IC多选用日立、三星公司产品，如三星公司的S6B33BOA是一颗具有很好性能/价格比的65K色彩饱和度的STN-LCD驱动IC。

由于手机、PDA、数码相机和视屏游戏机消费性产品都是以电池为电源的，随着使用时间的增长，电源电压波动较大，LCD驱动IC需要一个稳定的工作电压，因此设计电路时往往经由一个低压差稳压器（LDO）提供一个稳定的2.8V或3.0V电压，如AAT3221。

白光LED

按背光源的设计要求，需要前降电压（VF）、前降电流（IF）小，亮度高（500-1800mcd）的白光LED。

以手机LCM为例，目前都使用3--4颗白光LED，随着LED的亮度增加和手机厂商要求降低成本和功耗，予计到2004年中LCM都会选用2颗高亮度白光LED（1200—2000mcd）。

PDA和Smartphone由于LCD屏较大会按需要使用4--8颗白光LED。

EL99-21/215UCW/TR8是具有很好性能/价格比、自带反射镜的白光SMDLED，其亮度分为T、S、R三个等级，T为720-1000mcd，S为500-720mcd，都是在手机LCD背光适用之列。

其品质等同于NACW215/NSCW335。

LED驱动

白光LED的驱动需要供给恒定的电压或恒定的电流，而手机电源一开始工作电压就往下降，因而需要升压器件升压、稳压。

为了减少升压器件的工作频率对手机射频（RF）的影响，一般选用以电容器为电能传递中间体的电容式电荷泵；以电感器为电能传递中间体的升压器能输出较高电压。

电容式电荷泵的效率按其升压方法分有倍频和分数倍频二种，前者效率约90%，后者效率约93-95%；电感式升压器效率约83-85%；电容式电荷泵按其输出分有恒压输出、恒流输出；按其对LED驱动的方法分有并联恒压驱动、单个恒流驱动、串联恒流驱动；电感式升压器都是恒流输出，输出电压较高，对LED串联驱动。

倍频升压的电容式电荷泵如AAT3110，5V恒压输出，最大电流120mA，并联驱动LED，如图3所示。

分数倍频升压的电容式电荷泵如AAT3113，有4-6路恒流输出，每路能输出20mA电流，单个恒流驱动LED，具有32级调光功能，如图4所示。

AAT3134将输出DAC模块分成二块，其输出可分别驱动双屏显示的大小LCM模块。

NCP5009是带光敏传感器的背光LED驱动升压器，适用于自动调光的高档手机LCM，对LED串联驱动，如图5所示。

NCP5007是可恒流驱动5颗串联的LED、PWM调光的背光LED驱动升压器，如图6所示。

新型的电荷泵、升压器输出端内部都内置MOSFET，可动态地调整负载内阻，省却为平衡由于LED内阻不一需要外加的匀流电阻；

开关工作频高的电容式电荷泵其所需的滤波电容器容量也小，对RF的干扰也小。

电容器最好选择陶瓷电容器，因为陶瓷电容器无极性和具有较低的等效串联电阻（ESR），典型值小于100mΩ。

陶瓷电容器的等效串联电阻值（ESR）、电介质材料优劣、电容值的大小对输出纹波有重大影响。

X7R电容器电介质是最好的，成本略高；X5R电容器电介质居中上，可以选用；Y5V电介质较差，不推荐选用。