Истинно черный цвет и высокое качество цветопередачи для автомобильных TFT-LCD-экранов

Качественная фоновая подсветка предусматривает локальное затемнение для «действительно черного» цвета, гамма-буфер и схему со смещением TFT bias - все это позволяет обеспечить высокоточную цветопередачу автомобильных ЖК-дисплеев.

Рис. 1. Локальное затемнение для получения экрана с истинно черным цветом

Жидкокристаллические дисплеи на тонкопленочных транзисторах (TFT-LCD) широко используются в современных автомобилях - от приборной панели (рис. 1) до центральных сенсорных экранов управления, систем развлечений для пассажиров и т. д. Поскольку дисплеи играют все более важную роль, в частности, применяются для помощи водителю сориентироваться в дороге, их способность точно сообщать информацию имеет решающее значение для безопасности пассажиров автомобиля. В то же время экраны для пассажиров на задних сиденьях требуют высококачественного изображения, которое не снижает драматических эффектов фильма.

Размер и разрешение экранов, использующихся для автомобилей, растет, поэтому их электронные устройства становятся все сложнее, но при этом еще ограничены размером и ценой печатных плат (ПП). Например, наблюдается увеличение сложности в массивах шин питания, которые могут влиять на TFT-LCD-панели, в нескольких источниках опорного напряжения для коррекции градаций яркости и мощности фоновой подсветки.

Среди недостатков традиционных жидко-кристаллических (ЖК) экранов отмечается использование боковой светодиодной подсветки. Светодиоды располагаются по краям панели и не выключаются полностью из-за широтно-импульсной модуляции (PWM), дисплей становится не совсем черным, а скорее темно-серым.

Рис. 2. Укрупненный вид светодиодной панели с полной подсветкой

Новые ЖК-дисплеи решают эту проблему за счет изменения конструкции подсветки - с переходом подсветки по краям на полноразмерные светодиоды (рис. 2). Теперь светодиоды равномерно распределены по поверхности панели, и каждый светодиод или небольшой блок из нескольких светодиодов (от одного до четырех) и могут индивидуально регулироваться - от полной яркости до полной темноты. Благодаря локальному затемнению достигается более глубокий черный цвет и более впечатляющий контраст изображения. Но они потребляют большое количество энергии, а значит, требуют тщательного управления питанием, при этом можно достичь максимальной эффективности драйвера светодиода в сочетании с мощными регулируемыми источниками питания.

В статье рассматривается новая схема драйвера светодиода с возможностью локального затемнения, которая обеспечивает высокую контрастность и высокий коэффициент затемнения, а также отличается высоким уровнем тока и большой точностью, низким уровнем электромагнитных помех и малым размером. Встроенный гамма-буфер поддерживает опорное напряжение в 16 В с 10-битным разрешением, наименьшее изменение коэффициента гамма и низкую погрешность смещения при доступной стоимости. Полная микросхема управления питанием включает повышающий преобразователь токового режима, два драйвера двухтактного запуска с накачкой заряда и VCOM-буфер, управляющий объединительной платой LCD. Наконец, несколько резервных регуляторов напряжения POL с шумоподавлением - для необходимой регулировки высокого и низкого напряжения.

СИСТЕМЫ TFT-LCD

Стандартные экраны, предназначенные для автомобильных систем, -это цветные ЖК-экраны на активной матрице, популярные благодаря высокой яркости, высокому разрешению, разумной цене и доказанной надежности при применении в сложных автомобильных условиях. Жидкие кристаллы имеют способность изменять свой коэффициент пропускания в зависимости от подводимого напряжения. Каждый подпиксель в активной матрице TFT-LCD-экрана получает собственное напряжение смещения (которое устанавливает его коэффициент пропускания) через TFT-транзистор, действующий как переключатель. Пиксель состоит из трех подпикселей, по одному на каждый основной цвет: красный, зеленый и синий.

Рис. 3. Блок-схема для системы питания экранов TFT-LCD

На рисунке 3 показаны основные элементы экрана TFT-LCD. Драйвер локального затемнения (на рис. обозначен 1) управляет светодиодами фоновой подсветки. TFT BIAS (2) питает источник, драйвер управления затвором и гамма-буфер; вся последовательность питания управляется микроконтроллером. Количество вспомогательных регуляторов (HL/LV LDOs, HV/LV DC-DC) обеспечивает необходимый диапазон напряжения.

Пример матричной фоновой подсветки

В качестве примера рассмотрим 12,3-дюймовый экран с фоновой подсветкой для панели приборов с матрицей из 256 светодиодов. Управление локальным затуханием всех светодиодов, размещенных в 64 зоны по четыре светодиода в каждой, производится с помощью четырех 16-канальных управляющих микросхем. Конфигурация 2s2p четырех светодиодов в одной зоне обеспечивает целостность строки, даже если один диод в каждом параллельном элементе показывает обрыв. Каждый диод выдерживает максимальное падение напряжения в 3,5 В и несоответствие между ними составляет ±50 мВ.

Рис. 4. Схема для одного из 16 каналов управляющего драйвера

Один из 16 каналов показан на рис. 4. Операционный усилитель MOSFET выступает здесь как приемник тока, питающий светодиодную строку 2s2p, яркость которой может быть уменьшена переключателем через операционный усилитель(OA)или отключена. Две схемы-компаратора обеспечивают защиту от перенапряжения (V_THH) и короткого замыкания на «землю» (V_THL). Минимальное выходное напряжение канала составляет Vout 0,8 В.

Каждая микросхема должна работать в разных условиях, даже при рассеивании мощности, связанной с одновременной работой 16 каналов. Приведенная выше микросхема имеет тепловое сопротивление переход-среда (R), равное 29°С/Вт с температурой T_A = +85°C. V_DD должно быть установлено на как можно более низком значении и компенсировать рассогласование ±50 мВ между диодами. В худшем случае 2-с рассогласование будет составлять 100 мВ.

Самым худший случай при рассеивании мощности - когда у одной 2s2p-строки диодов падение напряжения составляет 7 В, а у других 15 строк 6,9 В. Если DC/DC-выход установлен на 7,9 В, то V_OUT будет составлять 0,9 В (на 0,1 В выше минимального V_OUT(MIN) = 0.8 В) и остальные 15 каналов будут на 1 В. Соответственно, рассеивание мощности при самом худшем сценарии будет составлять: P = (15 х 1 + 0,9) х 60 мА = 0,954 Вт. Температура перехода микросхемы будет ниже предельной +150°C: T = T_A + R х P = 85 + 29 х 0,954 = 112,7°C

Рис. 5. Схема применения локального затемнения фоновой подсветки

Выходной контакт (обозначен как FB на рис. 5) необходим для управления внешним DC/DC-преобразователем, чтобы оптимизировать запас по напряжению и снизить общее количество рассеиваемой мощности системы.

ИНТЕГРИРОВАННЫМ ДРАЙВЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ФОНОВОЙ ПОДСВЕТКОЙ

MAX21610 - это 16-канальный модульный драйвер управления фоновой подсветкой автомобильных экранов (рис. 5). Встроенные токовые выходы могут поддержать ток светодиода до 100 мА, в зависимости от температуры окружающей среды. Питание устройства производится от внешнего источника на 3,3 или 5 В, тогда как токоприемные выходы могут работать с напряжением до 17 В. Общий ток светодиода для всех светодиодных строк устанавливается через последовательный периферийный интерфейс (SPI), с индивидуальными установками широтно-импульсной модуляции для каждого канала. Можно подключить последовательно до 10 устройств. Микросхема поставляется в корпусе TQFN размера 5х5 мм с 32 контактными выводами и способна работать в диапазоне -40...+ 125°C.

При монтаже на 4-слойную плату тепловое сопротивление переход-среда составляет 29°С/Вт, что позволяет рассеивать более 2 Вт мощности. 15-битное соотношение затемнения позволяет совершать до 32,768 шага изменения широтноимпульсной модуляции при 200 Гц, что обеспечивает расширенный динамический диапазон (HDR) экрана. Другие характеристики включают обнаружение и защиту светодиодных строк от разрыва и короткого замыкания, защиту от перенапряжений, предупреждение и отключение при перегреве. Расширенный спектр и фазовый сдвиг в канале минимизируют электромагнитные помехи, а точность установки тока в 1% обеспечивает высокую точность цветопередачи. Локальное затемнение увеличивает контрастность дисплея, делая черный цвет более глубоким.

DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ высокого ТОКА

Рис. 6. Высоковольтный понижающий преобразователь

DC/DC-преобразователь, показанный на рис. 5, может быть выполнен с использованием MAX20006, небольшим синхронным понижающим преобразователем с МОП-транзистором с драйверами нижнего и верхнего плеча (рис. 6). Устройство поддерживает до 6 A с входным напряжением (SUPSW, SUP) 3,5-36 В, при этом собственный потребляемый ток составляет 25 мкА без нагрузки. Уровень выходного напряжения может отслеживаться с помощью активного сигнала сброса RESET низкого уровня. Устройство работает в режиме выключения на 98% уровне нагрузки, что подходит для автомобильных применений. Микросхема располагается в корпусе FC2QFN размером 3,5*3,75 мм с 17 контактными пинами.

МОЩНЫЙ ПОВЫШАЮЩИЙ/ ПОНИЖАЮЩИЙ КОНТРОЛЛЕР

Рис. 7. Мощный понижающий/повышающий контроллер

Для автомобильного питания, которое может меняться с 6 В (запуск двигателя) до 16 В, лучшим способом обеспечения промежуточных напряжений и высокой мощности становится использование повышающего-понижающего контроллера (например, MAX20048, рис. 7). Здесь применяется только один индуктор, тогда как для операций повышения и понижения необходимо два индуктора. Контроллер выполнен в корпусе TQFN-EP SW размером 4*4 мм с 24 контактными пинами и обеспечивает высокочастотные операции до 2,2 МГц.

Контроллер оснащен устройством синхронного выпрямления, I_Q = 55 мкА; выход регулируется в пределах 4-25 В или может быть зафиксирован на 5 В. Устройство с расширенным спектром сигнала и возможностью выбора конкретного выхода для подключения улучшает сопротивляемость электромагнитным помехам, а наличие входов и выходов сигнала синхронизации по частоте позволяют работать в двухфазном режиме, когда используется несколько устройств. Вход и выход синхросигналов и входной контакт поддерживают работу при напряжении 40 В. Кроме того, поддержка напряжения V_IN(MIN) в 2 В после запуска двигателя обеспечивает работу в холодном запуске. Микросхема функционирует при температуре окружающей среды -40..+125°C и при температуре перехода +150°C.

РЕЗЕРВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Рис. 8. LDO с ультранизким собственным током потребления и широким диапазоном входного напряжения

Регулятор резервного напряжения присоединяется напрямую к аккумулятору и имеет очень низкий собственный потребляемый ток и широкий диапазон входного напряжения. Один из примеров - линейный регулятор MAX16910, специально разработанный для автомобильных и аккумуляторных систем (рис. 8). Входное напряжение устройства варьируется в диапазоне 3,5-30 В, ток нагрузки достигает 200 мА, собственный потребляемый ток равен 20 мкА при отсутствии нагрузки. Рекомендуется использовать резистор на10 кОм между SETOV и OUT, если ожидается, что переходные процессы в линии питания будут быстрее 0,03 В/мкс. Устройство поставляется в термически защищенном корпусе TDFN SO размером 5*4 мм с 8 контактными выводами.

ГАММА-БУФЕР

Рис. 9. Гамма-буфер и опорное напряжение VCOM

Если локальное затемнение для фоновой подсветки необходимо для получения действительно черного экрана, то гамма-коррекция относится ко всему спектру цветов, воспринимаемых человеческим глазом. Гамма-коррекция изображения с цифровым кодированием состоит из распределения доступной полосы пропускания в соответствии с нелинейным восприятием света и цвета человеческим глазом. Для этого микросхема MAX9669 оснащена 16 выходами опорного напряжения для гамма-коррекции в TFT-LCD-экранах и одним выходом опорного напряжения для VCOM (рис. 9). Каждая точка опорного напряжения для гамма-коррекции имеет собственный 10-битный цифро-аналоговый преобразователь (DAC) и буфер для гарантии стабильного напряжения. Опорное напряжение VCOM также имеет свой 10-битный преобразователь DAC и усилитель для стабильности напряжения на критических уровнях.

Микросхема оснащена памятью с множественным циклом записи (MTP) для хранения значений гамма-коррекции и напряжения VCOM на одном чипе, что отменяет необходимость использования внешних схем памяти EEPROM. Поддерживает до 100 операций записи на встроенное энергонезависимое запоминающее устройство. Гамма-выходы поддерживают пиковый переходный ток до 200 мА, регулировка производится в течение 1 мкс. Выход VCOM обеспечивает пиковый переходный ток 600 мА и устанавливается в течение 1 мкс. Напряжение аналогового источника питания составляет 9-20 В, а напряжение цифрового источника находится в пределах 2,7-3,6 В. Значения гамма и VCOM задаются в регистрах с помощью интерфейса I²C. Микросхема поставляется в корпусе TQFN размером 5*5 мм с 28 контактными выводами.

МИКРОСХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ СО СХЕМОЙ СМЕЩЕНИЯ

Рис. 10. Трехканальная микросхема со схемой смещения для TFT-экранов для автомобилей

Микросхемы со смещением обеспечивают несколько шин питания, необходимых ЖК-экранам. Например, трехканальная микросхема MAX20067 специально создана для автомобильных применений, оснащена повышающим преобразователем постоянного тока (HVINP) и двумя двухтактными драйверами (VGON и VGOFF) (рис. 10). Микросхема включает двухтактную схему сдвига уровня с функцией компенсации, которая может быть использована для улучшения однородности экрана (при необходимости), а также преобразователь DAC и буфер VCOM. Все блоки на микросхеме могут работать в автономном режиме или с использованием интерфейса I²C. Микросхема MAX20067 поставляется в корпусе TQFN размером 4*4 мм с 32 контактными выводами.

Рис. 11. Четырехканальная схема со сдвигом для TFT

Четырехканальная микросхема MAX25221, также с функцией смещения, имеет симметричный положительный выход AVDD (вывод, питающий аналоговую часть микросхемы) и отрицательный вывод NAVDD, выходы VGON и VGOFF. Диапазон буфера VCOM ниже заземления, блок измерения температуры может измерять температуру, позволяя выходному контакту VCOM регулироваться в зависимости от полученного значения температуры (рис. 11). Настройка проводится по интерфейсу I²C, который также может использоваться для проверки диагностической информации. Режим автономной работы доступен после программирования устройства. Микросхема оснащена корпусом TQFN размером 5*5 мм с 32 контактными выводами.

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ POL-РЕГУЛЯТОРЫ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Рис. 12. Схема двойного POL-регулятора

Система локального затемнения фоновой подсветки требует и применения нескольких низковольтных высокоэффективных локализованных к нагрузке (POL) регуляторов напряжения, таких как DC/DC-преобразователи MAX20416 с двойным выходом и низким энергопотреблением (рис. 12). Синхронные понижающие конвертеры работают на входном напряжении 3,0-5,5 В и обеспечивают выходное напряжение в диапазоне 0,8-3,8 В с током до 3 A. Понижающие преобразователи имеют погрешность по выходу ±1,5% по всей линии, нагрузке и температурному диапазону.

LDO-РЕГУЛЯТОРЫ С НИЗКИМ ШУМОМ

Рис. 13. Схема LDO-регулятора для 100-мВ запаса по напряжению

Другой важный компонент для автомобильных экранов - это регуляторы с малым падением напряжения (LDO). Например, линейные регуляторы MAX8902A/MAX8902B с низким шумом (рис. 13) обеспечивают выходной ток до 500 мА, при этом снижая выходной шум до 16 мк V_RMS в полосе частот 100 кГц. Эти устройства удерживают свое выходное напряжение выше входного диапазона 1,7-5,5 В, при этом требуя лишь 100 мВ запаса напряжения входа/выхода при полной нагрузке.

Данные LDO-регуляторы обеспечивают ток питания 80 мкА, вне зависимости от тока нагрузки и падения напряжения. Схема управления

регулятором включает программируемую схему плавного пуска и защиту от короткого замыкания, обратного тока и тепловой перегрузки. Выходное напряжение MAX8902A может устанавливаться на 1,5; 1,8; 2,0; 2,5; 3,0; 3,1; 3,3; 4,6 или 4,7 В с помощью выходов SELA и SELB. Выходное напряжение MAX8902B устанавливается в диапазоне 0,6-5,3 В через внешний делитель напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автомобильные TFT-LCD-экраны требуют истинно черного цвета и передачи цвета высокой достоверности. Поиск решений для получения действительного черного цвета в ЖК-экранах привел к переходу от боковой к полноразмерной светодиодной подсветке. В статье мы показали, что ЖК-панели размера 12,3 дюймов с фоновой подсветкой, в которых используется массив из 256 светодиодов, может эффективно управляться с помощью всего лишь четырех подключенных последовательно микросхем-драйверов для светодиодов. Низкое тепловое сопротивление обеспечивает максимальную мощность передачи. Контур обратной связи, соединяющий микросхемы драйверов светодиодов и источник постоянного и постоянного напряжения, питающий цепочки светодиодов, обеспечивает надлежащий запас по напряжению на выходе. Это позволяет снизить рассеивание мощности всей системы.

Рис. 14. Схема локального затемнения для TFT-LCD-экранов

Данное решение оснащено гамма-буфером, который обеспечивает 16 опорных напряжений с 10-битным разрешением. Микросхема со сдвигом и POL-регуляторы поддерживают необходимые шины высокого и низкого напряжения питания для TFT-LCD экранов могут обеспечить истинный черный цвет и высокую точность цветопередачи. На рис. 14 показан пример схемы для решения локального затемнения.

Авторы: Зукан Сиен (Szukang Hsien), Назарено Россетти (Nazzareno Rossetti)

Опубликовано в журнале «Современная Светотехника» №5-2020.