引言
一些面板由于設計和工藝等原因，存在著液晶分子特性易遭破壞等問題，所以在設計驅動液晶面板的驅動電路時需要增加特殊的功能電路，來實現液晶分子偏轉方向的控制。本文介紹了一種控制液晶顯示器像素電壓的極性變換的方法，克服了現有技術中由于極性變換信號的單一極性變換規律使得液晶分子的特性容易遭到破壞的問題。
1 系統總體框圖
本設計系統的基本單元由時序控制器（T- CON）、微控制單元（MCU）、極性保護電路、液晶面板構成。系統框圖如圖1 所示。時序控制器是驅動液晶面板的核心器件，它的主要功能是為TFT- LCD 面板中的柵極驅動器和源極驅動器提供必要的時序控制信號。它將接收前端送過來的LVDS（Low Voltage Differential Signaling,低壓差分信號）信號轉化為MINI- LVDS 信號，通過輸出相應的時序控制信號來驅動液晶面板，使每一個像素點顯示對應的像素電壓。微控制器在本系統中起到計數控制作用，它通過計數T- CON 送過來的相應的控制信號，來實現POL 翻轉信號翻轉的時序控制。極性保護電路在本設計中的主要功能是考慮到如果MCU 不正常工作而導致POL 翻轉信號不正常輸出給液晶面板的情況下，通過控制STV 信號而使驅動液晶面板的信號沒有輸出，以達到防止屏在很短的時間內極化的作用。系統中還包括電源管理芯片，其主要作用是給T- CON、MCU 和保護電路提供正常工作所需的電源電壓，電源管理單元使用的芯片是DC/DC 芯片和LDO（Low Dropout Regulator,低壓差線性穩壓器） 轉換，DC/DC 芯片將輸入的12V 電壓經過BUCK 電路（降壓式變換電路）轉換成3.3V,LDO 將3.3V 電壓線性轉換為1.8V電壓。
2 整體設計
2.1 時序控制器及輸出波形介紹
時序控制器輸出的四個主要控制信號分別為STV、CPV、TP、POL 信號，如圖2 所示。STV 信號是一幀圖像的起始信號；CPV 信號是T- CON 輸出給柵極驅動器的時鐘信號，通過移位寄存器后依序輸出給每一行的薄膜晶體管（thin filmtransistor,TFT）， 來控制TFT 的開啟與關閉；TP信號為T- CON 輸出給源極驅動器的數據源行鎖存信號，當某一行的TFT 開啟時，源極驅動器將輸入的數字信號轉換為模擬信號輸出給TFT的源極端，TP 上升沿鎖存數據，下降沿輸出數據；POL 信號為控制像素電壓的極性翻轉信號，本設計采用的是Z INVERSION 的極性反轉方式，由于特殊的面板架構（即相鄰兩列相同極性的像素點都是連在一起的），使它的極性反轉頻率等于幀頻，這樣可以大大降低POL 信號的頻率，同時也相應地降低了源極驅動器的功耗和溫度。在一幀圖像到來之前，POL 信號會根據已經設定的極性翻轉方式來控制這一幀圖像像素電壓的極性。以60Hz 1,366×768 分辨率的液晶面板為例， 圖2 是這幾個控制信號的時序關系圖，由圖中可以看出，POL 翻轉信號發生在上一幀的BLANK 區域（無效數據區域），在下一幀的STV 來臨之前已經翻轉完畢，距離STV 上升沿有23.6μs 的時間，也就是說某一幀的像素電壓的極性在這一幀起始的時候已經設定好了。在這一幀圖像要傳輸數據時，首先STV 信號來一個脈沖寬度為21μs 的高電平， 后延遲4.8μs的時間CPV 開始動作，將第一行的所有TFT 打開，再延遲4.4μs 的時間第一個TP 開始動作，TP 上升沿將數據鎖存，TP 高電平的時間為2μs,在下降沿的時刻將第一行的數據輸出給TFT 的源極端來顯示第一行的數據。依照此時序關系，待這一幀數據全部顯示完需要768 個TP信號，60Hz 面板前端設定的TP 數為789 個，從769 到789 個TP 這段時間為BLANK 區域，該時間里的TP 都為無效的TP,也就是說這段時間內沒有數據DATA 送入。
2.2 MCU 及反轉機制
本設計中采用8 位C- MOS 閃存單片機，該單片機有5 個I/O 口， 分別為GP0、GP1、GP2、GP4、GP5,以及一個僅用作輸入用的接口GP3,通過單片機編程可以實現POL 信號的翻轉。
MCU 管腳定義分別為1- VDD、2- TP、3- POL_IN、4- STV、5- 默認低電平、6- POL_OUT、7- 28s 翻轉觸發電平、8- VSS, 信號輸入端分別接一個100Ω 的電阻作為MCU I/O 口的保護電阻。
T- CON 送出來的TP、POL_IN、STV 信號作為輸入信號，分別輸入到MCU 的2、3、4 引腳作為計數信號，當MCU 正常工作時設定5 腳輸出為低電平，6 腳是經過反轉后的POL 輸出信號。為了在每隔28s 的時間內能夠觸發到POL 翻轉信號，所以設定一個觸發電平，當28s 反轉的時刻，該電平會發生由高到底或由低到高的電平翻轉，易于觸發。實現28s 翻轉的機制是通過MCU 計數STV 和TP 個數來實現的，以60Hz 來說，1s 是60幀圖面，一幀圖像有一個STV,所以28s 的時間有28×60=1,680 個STV 信號，計數的機制就是通過MCU 計數1,679 個STV 后，然后計數780 個TP 后將POL 翻轉。由于MCU 的指令周期，所以需要限定POL 反轉結束的時刻要落在當前圖像幀有效的數據源行鎖存信號結束之后，以及下一圖像幀的起始信號之前。
如圖4 所示，1 為觸發電平，2 為POL 翻轉后的信號，3 為STV 信號，4 為TP 信號，從圖中可以看出，POL 翻轉脈沖結束時刻確實發生在下一幀的STV 信號來之前，這個翻轉脈沖的寬度大約是150μs,MCU 從檢測到第1,679 個STV 和780個TP 信號后計數到POL 信號反轉，由于MCU尋址語句的執行需要3 個TP 的時間，所以在翻轉脈沖來之前有3 個TP 的時間。由圖中可以看出，POL 翻轉前后的電平是一樣的，正常情況時下一幀POL 信號應該是高電平，但是圖中經過反轉后POL 仍然是低電平，也就是說POL 經過了一個電平的翻轉后將POL_OUT 信號與POL_IN信號反向輸出， 實現了每隔28s 的時間將POL_OUT 與POL_IN 做一次反向輸出的功能。
2.3 POL_IN 與POL_OUT 波形
如圖5 所示，1 為POL_IN 信號，2 為POL_OUT 信號，3 為翻轉觸發電平，常規的POL信號是標準高低電平的方波信號，每個高低電平分別控制一幀圖像的像素電壓極性，高電平和低電平的圖像幀像素電壓極性不同。從圖中可以看出，MCU 將輸入的POL_IN 信號進行了反轉，在翻轉脈沖之前28s 時間里POL_OUT 信號和POL_IN 信號是同步的，翻轉脈沖之后的28s 時間里POL_OUT 和POL_IN 是反向的，也就是說每隔28s 的時間，MCU 將POL_IN 信號做一次反向輸出，這樣做是為了防止POL 極性變換信號的單一變換規律而導致液晶分子的特性遭到破壞發生極化現象。
2.4 保護電路工作原理
極性保護單元的電路結構圖如圖3 所示，單片機的引腳5 通過阻值為4.7KΩ 的電阻R6 與NPN 三級管的基極端電連接，并且通過阻值為4.7KΩ 的電阻R5 與電壓端（3.3V）電連接。NPN三極管的集電極端通過阻值為4.7KΩ 的電阻R7 與電壓端（3.3V）電連接，并且時序控制器輸出的STV 信號輸入到NPN 三極管的集電極端。
NPN 三極管的發射極接地。保護電路工作的原理是利用一個NPN 型三極管來控制圖像的起始信號STV 信號來達到保護液晶屏的目的，當MCU 正常工作時，編程輸出第5 腳為低電平，三極管截止，STV 信號只是加了一個上拉電阻到3.3V,增加了STV 信號的驅動電流，不影響信號圖像的正常輸出。當MCU 一旦不正常工作，第5 腳默認為高阻態， 三極管的基極接兩個4.7KΩ 的電阻到3.3V, 三極管基極電壓大于0.7V 正常導通，接在集電極端的STV 信號被強制拉到地，使畫面沒有輸出，可以保護液晶屏顯示因為沒有POL 信號的輸出而在很短的時間里發生極化的現象。
3 結論
應用MCU 搭建翻轉電路實現了控制液晶分子像素電壓極性的功能，該設計具有系統簡單、低成本、低損耗和高效率等優點，已成功解決了由于極性控制信號單一翻轉產生的極化問題。