朱培敏，蘭亞峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

液晶顯示（LCD）技術(shù)出現(xiàn)于20 世紀(jì)70 年代，其憑借工作電壓低、工作壽命長、功率損耗小、集成方便、電磁輻射低、顯示信息量大等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用在顯示儀器中[1]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向低功耗、低成本方向的快速發(fā)展，功耗低的LCD 模塊在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科研生產(chǎn)等領(lǐng)域中發(fā)揮的作用也越來越大，受到眾多學(xué)者的關(guān)注[2-3]。LCD 屏有單色和彩色2 種[4-5]，與彩色相比，單色屏有成本與功耗更低等特點(diǎn)，更適合應(yīng)用在一些特定的領(lǐng)域，如單純數(shù)字、圖標(biāo)、文本、字符顯示等。本文提出的LCD 驅(qū)動(dòng)電路主要針對(duì)低功耗應(yīng)用場景而開發(fā)，其成本低、功能強(qiáng)，更適合日常生活場所。本電路采用平均電壓法來消除交叉效應(yīng)[6]，采用電阻分壓法以及頻率與死區(qū)的選擇實(shí)現(xiàn)功耗與性能的最優(yōu)解。

2 LCD 驅(qū)動(dòng)電路

本文提出的LCD 驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)輸入基于APB協(xié)議，LCD 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括地址和數(shù)據(jù)總線、頻率發(fā)生器、電壓發(fā)生器電路、對(duì)比度控制電路等。

圖1 LCD 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

SEG31～SEG0 是列輸出口，COM7～COM0 是行輸出口，LCDCLK 是MCU 提供的系統(tǒng)時(shí)鐘，COM[7:4]、SEG[31:28]、SEG[15:12]是復(fù)用端口，可提供多種驅(qū)動(dòng)方案以供選擇：

1/8 占空比-1/4 偏置，最大點(diǎn)陣：8×27=216；

1/4 占空比-1/4 偏置，最大點(diǎn)陣：4×32=128；

1/3 占空比-1/4 偏置，最大點(diǎn)陣：3×32=96；

1/2 占空比-1/4 偏置，最大點(diǎn)陣：2×32=64。

2.1 頻率發(fā)生器

降低動(dòng)態(tài)功耗的重要途徑之一是降低工作頻率，在保證顯示屏有足夠刷新率的前提下使LCD 模塊工作在低頻率下，動(dòng)態(tài)功率消耗自然就下降了。

根據(jù)視覺暫留原理[7]，當(dāng)幀頻達(dá)到12 幀/s 時(shí)，LCD 屏幕點(diǎn)亮的像素可被視為連貫顯示。MCU 內(nèi)置的低速外部RC（LSE）與低速內(nèi)部RC（LSI）提供的頻率為32 kHz，為了使頻率自由調(diào)節(jié)，本模塊使用PS 位與DIV 位來分頻系統(tǒng)時(shí)鐘。

PS 為粗分頻，可實(shí)現(xiàn)0～32 768 分頻，分頻后得到的粗分頻時(shí)鐘頻率fCK_PS=fLCDCLK/2p；DIV 位用來再次分頻fCK_PS，為細(xì)分頻，可實(shí)現(xiàn)16～31 分頻，分頻后得到的細(xì)分頻時(shí)鐘頻率fCK_DIV=fCK_PS/(16+D)。因此，通過PS 位粗調(diào)頻率，再通過DIV 線性細(xì)調(diào)頻率，最后頻率發(fā)生器輸出給整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率fCK_DIV可表示為

其中，p 代表PS 調(diào)節(jié)位，D 代表DIV 調(diào)節(jié)位，fLCDCLK是MCU 為該模塊提供的時(shí)鐘頻率。由式（1）可知，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可調(diào)跨度大且精細(xì)，在滿足LCD 屏幕像素顯示不發(fā)生閃爍的前提下，可最大限度降低功耗。

PS 位與DIV 位的存在使得可供給LCD 模塊正常工作的時(shí)鐘頻率fCK_DIV非常多?？紤]到功耗和刷新速率，本設(shè)計(jì)的幀頻率可工作在30～100 Hz。

2.2 平均電壓法驅(qū)動(dòng)行與列

在液晶顯示中為了避免電泳現(xiàn)象出現(xiàn)，一般采用交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。目前比較被業(yè)內(nèi)認(rèn)可的有行反轉(zhuǎn)、列反轉(zhuǎn)、像素反轉(zhuǎn)以及幀反轉(zhuǎn)等技術(shù)[8]。由于幀反轉(zhuǎn)具有功耗低，適合單色小屏幕等特性，本設(shè)計(jì)采用幀反轉(zhuǎn)技術(shù)。幀反轉(zhuǎn)在LCD 像素點(diǎn)激活的一個(gè)周期由一個(gè)奇數(shù)幀與偶數(shù)幀組成，偶數(shù)幀是奇數(shù)幀的倒相，奇數(shù)幀與偶數(shù)幀如圖2 所示。VLCD為LCD 模塊的輸入電壓，本設(shè)計(jì)中當(dāng)一個(gè)像素點(diǎn)被點(diǎn)亮?xí)r，奇數(shù)幀行端口的偏置電壓為VLCD，列端口的偏置電壓為VSS，即像素點(diǎn)2端電壓最大時(shí)，該像素點(diǎn)被激活。與被激活像素點(diǎn)處于同一行或者列的像素點(diǎn)稱為半選擇點(diǎn)，不處于同一行或者列的點(diǎn)稱為非選擇點(diǎn)。如果半選擇點(diǎn)的偏置電壓處于液晶的閾值電壓附近，屏幕上會(huì)出現(xiàn)半顯示現(xiàn)象。為了避免半選擇點(diǎn)出現(xiàn)半顯示現(xiàn)象，本驅(qū)動(dòng)采用平均電壓法驅(qū)動(dòng)行與列[6]。將驅(qū)動(dòng)電壓分為若干檔，假設(shè)檔次為a，平均電壓法會(huì)使未激活像素點(diǎn)電壓為（±1/a）VLCD或（±2/a）VLCD，遠(yuǎn)小于VLCD。其本質(zhì)是將半選擇點(diǎn)的電壓與非選擇點(diǎn)的電壓之差平均化，在提高選擇點(diǎn)顯示對(duì)比度的同時(shí)，又使半選擇點(diǎn)與非選擇點(diǎn)的顯示更均勻、一致。

圖2 奇數(shù)幀與偶數(shù)幀

2.3 電壓發(fā)生器電路

電壓發(fā)生器電路如圖3 所示，各電壓的輸出依靠電阻分壓電路實(shí)現(xiàn)。圖3 中，“!”表示電壓通過一個(gè)反向器，其功能與初始作用相反。EN 為使能位，EN 為高時(shí)，開啟電路。HD 為高驅(qū)動(dòng)位選擇開關(guān)，可使電路在低功耗與高性能間切換。當(dāng)HD 有效時(shí)，左邊低通網(wǎng)絡(luò)有效，為電路提供高驅(qū)動(dòng)；當(dāng)HD 無效時(shí)，右邊高阻網(wǎng)絡(luò)有效，為電路提供低功耗。

圖3 電壓發(fā)生器電路

根據(jù)電阻阻值的不同，再配合檔次選擇開關(guān)A、B、C，使電路能輸出2、3、4 檔。當(dāng)選擇開關(guān)C 有效時(shí)，在Vout2 上輸出1/2 VLCD；當(dāng)B 有效且C 無效時(shí)，在Vout2 上輸出2/3 VLCD，在Vout3 上輸出1/3 VLCD；當(dāng)A與C 均有效時(shí)，在Vout1、Vout2、Vout3 上分別輸出3/4 VLCD、2/4 VLCD和1/4 VLCD，并提供給輸出引腳。

2.4 對(duì)比度調(diào)整電路

對(duì)比度調(diào)整電路如圖4 所示。串行輸入控制數(shù)據(jù)通過一個(gè)數(shù)模電平轉(zhuǎn)換器將數(shù)字電壓VDD轉(zhuǎn)換成模擬電壓VDDA，再通過一個(gè)3-8 譯碼器來選擇電阻分壓電路電壓的輸出，使其在VLCDmin和VLCDmax之間變化，從而達(dá)到對(duì)比度控制。

圖4 對(duì)比度調(diào)整電路

3 數(shù)據(jù)輸入控制

本文采用APB 總線負(fù)責(zé)尋址以及控制數(shù)據(jù)與顯示數(shù)據(jù)的輸入，在顯示數(shù)據(jù)上，使用雙緩沖存儲(chǔ)器來保證顯示數(shù)據(jù)的連貫性，第一級(jí)緩存用來存儲(chǔ)APB 總線上的列顯示數(shù)據(jù)RAMx，當(dāng)請(qǐng)求更新開關(guān)UDR 置1時(shí)，列顯示數(shù)據(jù)會(huì)從第一級(jí)緩存輸入到第二級(jí)緩存。在此期間，第一級(jí)緩存中的數(shù)據(jù)被寫保護(hù)，更新完成后，UDR 數(shù)值清零，之后才能通過APB 總線修改第一級(jí)緩存中的數(shù)據(jù)。當(dāng)UDR 不開啟時(shí)，即使通過APB總線修改了第一級(jí)緩存數(shù)據(jù)，列端口依舊輸出第二級(jí)緩存寄存器的值。

3.1 數(shù)據(jù)對(duì)引腳電壓的控制

數(shù)據(jù)對(duì)輸出引腳的控制如表1 所示。BIAS[1:0]控制輸出偏置；DUTY[2:0]控制占空比，即控制行端口數(shù)；RAM0[31:0]～RAM7[31:0]控制列端口；CC[2:0]與DEAD[2:0]控制對(duì)比度。為實(shí)現(xiàn)2.2 節(jié)平均電壓法驅(qū)動(dòng)的行與列，行輸出用COM[2:0]表示，列輸出用SEG[1:0]表示。

表1 端口功能描述

當(dāng)選擇1/4 偏置與1/4 占空比時(shí)，BIAS 為2’b00，DUTY 為3’b011，行輸出端口為COM0～COM3，列輸出端口為SEG27～SEG0。當(dāng)RAM0 為32’hffff_fffd、RAM1～RAM3 為32’hffff_ffff 時(shí)，1/4 偏置、1/4 占空比下COM 與SEG 的輸出如圖5 所示。

圖5 1/4 偏置、1/4 占空比下COM 與SEG 的輸出

計(jì)數(shù)器循環(huán)從0 計(jì)數(shù)到7，0～3 為奇數(shù)幀前控制信號(hào)，4～7 為偶數(shù)幀前控制信號(hào)。在奇數(shù)幀期間，當(dāng)CNT為0 時(shí)，下一個(gè)時(shí)鐘周期里行只有COM0 有效，為VLCD，其余COM1～COM3 為1/4 VLCD。依次類推，CNT為1 對(duì) 應(yīng)COM1 為VLCD，CNT 為2 對(duì) 應(yīng)COM2 為VLCD，CNT 為3 對(duì)應(yīng)COM3 為VLCD，而在此期間的其余COM 都為1/4 VLCD。在偶數(shù)幀期間，當(dāng)CNT 為4，下一個(gè)時(shí)鐘周期里行COM0 為VSS，其余COM1～COM3 為3/4 VLCD。依 次 類 推，CNT 為5 對(duì) 應(yīng)COM1 為VSS，CNT6 對(duì)應(yīng)COM2 為VSS，CNT7 對(duì)應(yīng)COM3 為VSS，而在此期間的其余COM 都為3/4 VLCD。

而SEG27～SEG0 由RAMx[27:0]的bit 位控制，即RAMx 與COMx 是對(duì)應(yīng)的，因此，配置RAMx 的數(shù)值可控制對(duì)應(yīng)COMx 下的SEG 輸出是開啟還是關(guān)閉。如RAM0[0]置1，則COM0 對(duì)應(yīng)的SEG0 在奇數(shù)幀時(shí)為VSS，在偶數(shù)幀時(shí)為VLCD，從而使得COM0-SEG0在COM0 對(duì)應(yīng)的位置上處于最大電壓，點(diǎn)亮像素點(diǎn)。RAM0[1]置0，則COM0 對(duì)應(yīng)的SEG1 在奇數(shù)幀時(shí)為2/4 VLCD，在偶數(shù)幀時(shí)為2/4 VLCD，該像素點(diǎn)不點(diǎn)亮。

1/3 偏置與1/3 占空比以及1/2 偏置與1/2 占空比下COM 與SEG 的輸出如圖6、7 所示，由循環(huán)的計(jì)數(shù)器來劃分奇數(shù)幀與偶數(shù)幀。在奇數(shù)幀下，COMn 激活時(shí)處于VLC（Dn 為計(jì)數(shù)器CNT 的數(shù)值），未激活時(shí)處于1/3 VLCD（1/3 偏置），1/2 VLCD（1/2 偏置），而SEGn 激活時(shí)處于VSS，如SEG0 未激活時(shí)處于2/3 VLCD（1/3 偏置），VLC（D1/2 偏置），如COM0 激活時(shí)對(duì)應(yīng)SEG1。在偶數(shù)幀下，COMn 與SEGn 的電壓為VLCD減去奇數(shù)幀下的有效電壓。

圖6 1/3 偏置、1/3 占空比下COM 與SEG 的輸出

圖7 1/2 偏置、1/2 占空比下COM 與SEG 的輸出

3.2 死區(qū)對(duì)對(duì)比度的調(diào)節(jié)

對(duì)比度除了通過CC[2:0]控制外，也可以在偶數(shù)幀之后插入一個(gè)由DEAD [2:0]控制的死區(qū)來調(diào)節(jié)對(duì)比度，當(dāng)DEAD[2:0]有效時(shí)，CNTx 計(jì)數(shù)值的歸零點(diǎn)由其原本的值加上DEAD[2:0]控制的周期時(shí)間，DEAD 為2，1/3 偏置、1/3 占空比下COM 與SEG 的輸出如圖8所示。

圖8 DEAD 為2，1/3 偏置、1/3 占空比下COM 與SEG 的輸出

當(dāng)DEAD[2:0]為2 時(shí)，CNTx 在原本計(jì)數(shù)周期后增加了2 個(gè)周期，在這2 個(gè)周期內(nèi)，COM 與SEG 都置為VSS，實(shí)現(xiàn)無需修改幀速率即可降低對(duì)比度與功耗。

4 整體仿真

該模塊的輸出行與列端口眾多，存在多種組合方式，在系統(tǒng)仿真過程中對(duì)眾多組合進(jìn)行一一仿真，記錄了大量相關(guān)波形，1/2 偏置與1/2 占空比、1/3 偏置與1/3 占空比以及1/4 偏置與1/4 占空比的仿真波形分別如圖9～11 所示。在1/2 偏置與1/2 占空比下，COMx 在奇數(shù)幀激活時(shí)為VLCD，未激活時(shí)為1/2 VLCD，在偶數(shù)幀激活時(shí)為VSS，未激活時(shí)為1/2 VLCD；在1/3 偏置與1/3 占空比下，COMx 在奇數(shù)幀激活時(shí)為VLCD，未激活時(shí)為1/3 VLCD，在偶數(shù)幀激活時(shí)為VSS，未激活時(shí)為2/3 VLCD；在1/4 偏置與1/4 占空比下，COMx 在奇數(shù)幀激活時(shí)為VLCD，未激活時(shí)為1/4 VLCD，在偶數(shù)幀激活時(shí)為VSS，未激活時(shí)為3/4 VLCD，均符合設(shè)計(jì)需求。

圖9 1/2 偏置、1/2 占空比仿真波形

圖10 1/3 偏置、1/3 占空比仿真波形

圖11 1/4 偏置、1/4 占空比仿真波形

5 結(jié)論

本文提出了一種高度靈活、幀速率可控的LCD 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案，電壓發(fā)生器的使用使模塊在功耗與性能間自由切換。在偶數(shù)幀后插入可調(diào)死區(qū)，可更精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)對(duì)比度和功耗。此外，在平均電壓法下，多種偏置條件的調(diào)用為用戶提供大量適用于不同狀況的可選偏置。最后，靈活的COM 和SEG 引腳配置為用戶提供了最適宜自己的驅(qū)動(dòng)方案。