STN-LCD彩屏模块技术及设计 - 音频/视频/显示 - 电子工程师俱

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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—LCD Module)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

  l Colour STN-LCD
  l LCD Driver ： S6B33BOA
  l LCD Driver LDO ：AAT3221-2.8VAAT3221-3.0V
  l White LED ： 99-21UWC/TR8 99-215UWC/TR8
  l LED Driver ： AAT3110AAT3113AAT3123AAT3134 NCP5007 NCP5008/9
  l Backlight Board

LCD

LCD液晶显示器是英文Liquid Crystal Display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（Simple Matrix）以及主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。其中，被动矩阵型又可分为扭转式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭转式向列型（Super Twisted Nematic；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（Thin Film Transistor；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（color filter），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。

EL 99-21/215UCW/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720-1000 mcd，S为500-720 mcd，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。