段式LCD驱动原理详解

LCD Driver(液晶驱动器)

在单片机的应用中，人机界面占据相当重要的地位。人机界面主要包括事件输入和结果指示，事件输入包括键盘输入，通讯接口，事件中断等，结果指示包括LED/LCD显示、通讯接口、外围设备操作等。而在这些人机界面当中，LCD 显示技术由于其具有界面友好，成本较低等特点而在很多应用场合得以广泛应用。

1.LCD的显示原理

在讲解LCD driver之前，我们先就LCD的显示原理作一简单的介绍。

LCD(Liquid Crystal Display)是利用液晶分子的物理结构和光学特性进行显示的一种技术。液晶分子的特性：

液晶分子是介于固体和液体之间的一种棒状结构的大分子物质；

在自然形态，具有光学各向异性的特点，在电(磁)场作用下，呈各向同性特点；

下面以直视型简单多路TN/STN LCD Panel(液晶显示面板)的基本结构介绍LCD的基本显示原理，示意图如图-1：

图-1 LCD的基本显示原理

整个LCD Panel 由上下玻璃基板和偏振片组成，在上下玻璃之间，按照螺旋结构将液晶分子有规律的进行涂层。液晶面板的电极是通过一种ITO 的金属化合物蚀刻在上下玻璃基板上。如图所示，液晶分子的排列为螺旋结构，对光线具有旋旋光性，上下偏振片的偏振角度相互垂直。在上下基板间的电压为0时，自然光通过偏振片后，只有与偏振片方向相同的光线得以进入液晶分子的螺旋结构的涂层中，由于螺旋结构的的旋旋光性，将入射光线的方向旋转90度后照射到另一端的偏振片上，由于上下偏振片的偏振角度相互垂直，这样入射光线通过另一端的偏振片完全的射出，光线完全进入观察者的眼中，看到的效果就为白色。而在上下基板间的电压为一交流电压时，液晶分子的螺旋结构在电(磁)场的作用下，变成了同向排列结构，对光线的方向没有作任何旋转，而上下偏振片的偏振角度相互垂直，这样入射光线就无法通过另一端的偏振片射出，光线无法进入观察者的眼中，看到的效果就为黑色。这样通过在上下玻璃基板电极间施加不同的交流电压，即可实现液晶显示的两种基本状态亮(On)和暗(Off)。

在实际的液晶模以驱动电压中，有几个参数非常关键：

交流电压，液晶分子是需要交流信号来驱动的，长时间的直流电压加在液晶分子两端，会影响液晶分子的电气化学特性，引起显示模糊，寿命的减少，其破坏性为不可恢复；

扫描频率，直接驱动液晶分子的交流电压的频率一般在60～100Hz 之间，具体是依据LCD Panel 的面积和设计而定，频率过高，会导致驱动功耗的增加，频率过低，会导致显示闪烁，同时如果扫描频率同光源的频率之间有倍数关系，则显示也会有闪烁现象出现。

图-2 帧频(Frame)示意图

液晶分子是一种电压积分型材料，它的扭曲程度(透光性)仅仅和极板间电压的有效值有关，和充电波形无关。电压的有效值用COM/SEG 之间的电压差值的均方根VRMS 表示：

[]dt t V T

RMS V T

2

)(1

)(∫=

LCD 显示黑白(透光和不透光)的电压有效值的分界电压称为开启电压Vth，当电压有效值超过Vth，螺旋结构的旋光角度加大，透光率急剧变化，透明度急剧上升。反之，则透明度急剧下降。光线的透射率与交流电压的有效值的关系如图-3：

10090

100

T r a n s p a r e n t D e g r e e (R e l a t i v e )

Voltage(Vrms)

Von(rms)

Voff(rms)

图-3 光线的透射率与交流电压的有效值的关系图

LCD 类单片机内嵌的LCD driver(液晶驱动器)，正是通过系统的控制，按照用户定义的显示图案，产生点亮LCD(Liquid Crystal Display，液晶)所需的模拟驱动波形，接到LCD Panel(液晶显示屏)上点亮对应的像素而达到显示的效果。

占空比(Duty)

该项参数一般也称为Duty 数或COM 数。由于STN/TN 的LCD 一般是采用时分动态扫描的驱动模式，在此模式下，每个COM 的有效选通时间与整个扫描周期的比值即占空比(Duty)是固定的，等于1/COM 数。 偏置(Bias)

LCD 的SEG/COM 的驱动波形为模拟信号，而各档模拟电压相对于LCD 输出的最高电压的比例称为偏置，而一般来讲，Bias 是以最低一档与输出最高电压的比值来表示，如图-4所示(1/4 Duty,1/3 Bias):

SEGn V3

COM4 - SEGn

SEGn+1

0COM4

COM3

COM2

COM1

COM4

COM3

COM2

COM1V2V1

V3

0V2V1

00

V 0V2

V1V SEGn+1SEGn

Select

COMX

Light

SEGX Unselect

Unlight

Unlight Unlight

SEGX

V3V2

V10V3

V2

V10V3V2

V1

Select

Unselect

图-4 LCD driver 驱动波形图

该图对应的是1/4 duty，1/3 bias的液晶驱动波形，COM数为4，每个COM的有效选通时间与整个扫描周期的比值(Duty)=1/4，驱动波形的模拟电压共分3档，V3位输出最高电压，V2，V1为输出中间电压，并且V1/V3=1/3，所以上述波形图对应的Duty=1/4，Bias=1/3。

一般而言，Bias和Duty之间是有一定关系的，duty数越多，每根COM对应的扫描时间变短，而要达到同样的显示亮度和显示对比度，VON的电压就要提高，选电平和非选电平的差异需要加大，即Bias需要加大，Duty和Bias间有一经验公式，即

Bias+

1

=

)1

Duty

/(

2.LCD驱动器的电源

液晶驱动波形为由若干档直流电平组合而成的模拟波形，各档直流电平的比例关系反映驱动波形的Bias比例关系，各档电平的具体幅值取决于LCD Panel的液晶特性和Duty数的多少。图-5为一LCD驱动电源部分的示意图：

COM1~COMn

SEG1~SEGn

图-5 LCD驱动电源部分的示意图

电源调整器部分(Power Regulator)：

产生LCD驱动所需的最高直流电平，一般分为三种：

a) LCD驱动所需的最高直流电平等于外部输入电源VDD的，此部分就直接

将VDD输入至后续电路；

b) LCD驱动所需的最高直流电平大于外部输入电源VDD，且不需要稳压输出

的，如固定等于1.5VDD或2.0VDD，此部分通常做法是将外部输入电源VDD通

过升压电路(pump)升至所需的电压，输入至后续电路；

c) LCD驱动所需的最高直流电平大于外部输入电源VDD，且需要稳压输出的，即驱

动所需的最高直流电平不随VDD的变化而变化的，如要求VDD =2.4～5.5V全电

压范围里，VLCD的输出电压都保持不变，此部分通常做法是首先产生一个误差

范围符合要求的电压基准源，然后将此电压基准源比例放大至所需的电压，同

时外部输入电源VDD通过升压电路(pump)升至一定的电压，如2VDD，作为比例

放大部分的电源。如图-6：