（计算机科学与技术专业论文）液晶显示驱动芯片内置电源电路研究.pdf

摘要 论文源于国家“8 6 3 ”项目j 手机用1 1 叮彩色液晶显示驱动控制电路芯片开发 ( 2 0 0 5 a a l z l l 9 3 ) ”。研究了单片集成的衅l c d 驱动芯片内置电源电路。采用 自顶向下的设计方法，完成了内置电源电路中所有子电路模块的设计、验证和芯 片测试。所设计的电源电路能够生成整个芯片的全部工作电压和驱动电压。作者 所做的工作主要包括： 1 根据单片集成1 1 f t - l c d 驱动芯片的电压需求和c m o s 电源电路的特点， 完成了t f t - l c d 驱动芯片内置电源电路的系统设计。将内置电源电路分 为电荷泵升压反压电路、低压降线性稳压电路( l d o ) 、v c o m 驱动电路 和v g o 岳驱动电路等四大模块。采用v 舒l o 哥a 语言对电源电路中各子模块 进行了行为级建模，并进行了系统级功能仿真和验证。 2 研究了电容式电荷泵电路的基本类型和动作原理，建立了一个理论模型， 给出了电荷泵电路的性能评估方法。完成了t n l c d 驱动芯片电源电路 中内置电荷泵升压，反压电路的设计，并采用v 赫l o g a 行为级模型和s p i c e 网表相结合的混合仿真方法完成了电荷泵电路的验证。 3 介绍了低压降线性稳压电路的基本理论，完成了l ( d 驱动芯片电源 电路中幅度可调节l ，d o 线性稳压电路模块的电路设计，采用动态l e a l ( c r 技术对l d o 的瞬态响应进行了优化。 4 分析了t _ l c d 的面板结构和负载特性，根据公共电极电压( v c o m ) 和 薄膜晶体管的关断电压( v g o f 】p 的关系及减小回馈电压的方法，完成了 t f l 二l c d 驱动芯片电源电路中v c o m 和v g o f r 驱动电路的设计和仿真验 证。 本论文研究的内容和设计结果已经成功应用于我们自主研发的手机用2 6 万色、 ，1 3 2 r g b 1 7 6 分辨率t f t l c d 驱动控制电路芯片龙腾t 1 ”中，经过工程样片测试 和手机显示模组验证，所设计电路的性能指标完全满足设计要求。 关键词：m l c d ；驱动芯片；电源电路；l d o ；电荷泵：混合仿真； a b s t r a c t b 1 l i l t - i 1 1p o w e rs u p p l yc i r c u i 协f o ro n c c h i pt f t l c dd r i v e ri ca r es t l l d i e d 锄d d e s i 弘e d i nn l i sd i s s e r t a t i o n ，w i l i c hc o m e s 疔o mn l ep r o j e c t 一d e v c l o p m e n to f t n l c d 血v e ri c 璐e df o rm o b i i ep h o n e ，s u p p o r t c db yn a t i o n a lh i g l lt e c l u l o i o g y r e s e a r c l la i l dd e v e l 叩m e n tp r o g r a mo f c h i n a n 圯r e s e a r c hw o r ko f t h i sd i s s e r t a t i m a i n l yi n c l u d e s ： 1 1 1 1 ec h a r a c t c r i s t i c so f b u i l t i i lp o w c rs u p p l yc i r c l l i t sf o r e c h i pt f t l c d d f i v e ri ca r e 卸a l i z e d 锄dt h es y s t 唧a r c h i t e c t i l r co fp o w e rs u p p l yc i r c u i t si s w o r l 湖o u t c o r d i n gt 0t h e 棚l y s i so fv 0 1 t a g e ss p e c i f i c a t i o nf o rt f t - l c d d r i v e ri c b u i n i np o 、槌rs u p p l yc i r c u i t sa r ed i v i d c d 船f o t l rs u b b l o c k s 辄c h 觞 c h a r g ep l 】i i l pc n i l i t ，l d or e g m l a t o r ，v c o m 蹦v i n gc i f c l l i t 锄dv g o f rd r i v 嗡 c i r c u i t b e h a v i o f so fp o w e r 吼巾p l yc i r c u i t s 瓤ni t s 乱l b - b l o c k sa r en l o d e l e db y v e r i l o g a 2 d 懿i 印锄d 叩t i m i z a t i o nm e t l l o d so fs w i t c h e d - c a p a c i t o rc h a f g cp u r n pc i r c u i t s a s t l l d i e dt h m u 曲m e 柚a l y s i so ft l l e i fc 1 嬲s i f i c a t i o i l ，t o p o l o g y 她do p e n t i 0 董l a l p r o c e 韶v o n a g es t 印- u pa n di n v e r s i o nc i r c u i tb u i l t - i i lt f t - l c d 耐v c ri c 撕 d e s i 印c d 锄da l s o v c r i f i e db ym i x e d s i m u l a t i o nu s i n gv 舐l o 争ab e h a v ，o r m o d e l 卸ds p i c en e t l i s t 3 d e s i 盟锄do p t i i n i z a t i m e t h o d so fi o w 出o p o u tv o l t a g er c g l i l a t o ra r es n l d i e d m r o u g ht l l e 姐a l y s i so ft l i e i rt o p 0 1 0 9 ya l l do p e r a t i o n a lp r o c e s s u ) ov o l t a g e r e g u l a t o r b l o c kb l l i l t 抽t f t - l c d “v e ri ci sd e s i 印e da n ds i l l l u l a t e d t l l e 仃锄s i t i r e s p o n s eo f l d o i so p t i m i z c du s i n gd y i l a m i cl e a l 【c rt e c l l l i o l o 夥 4 v c o m 妊v e rb l o c ka 1 1 dv g o f r “v c rb l o c ka r ed e s i 印c d 趴ds i m u l 雏沮u s i n g h s p i c ea f i c rt h e 蛆a l y s i s c o n s t n i c t u r c 锄dl o a dc o n d i t i o ft f t - l c d p 锄e 1 1 t l cr e s u l t ss t u d i c di l l l i sd i s s c n a t i o na r c 蛳c c e s s 凡l l y 印p l i e d 矗) r2 6 0 kc o l o r 1 3 2 r g b 1 7 6 一d o t0 n h h i pt 盯l c d 拍v e ri c n 垂i l l l n t 1 ni si i l d i c 删m a tt h c m 船s 咖锄tr c 鲫l t se x 邪t l ys a t i s f yt h es p e c i f i c a t i o n k e y w o r d s ：n - 【c d ；d r i v e ri c ；p o w e rs u p p l y ；l d o ；c h a r g ep u m p ； m i x e d ，s i m u l a t i o n i i 艏北l 业大学顾t = 学位论文关键词解释 关键词解释 英文缩写中、英文解释 t h i nf i l m1 y a n s i s t o r t f t 薄膜晶体管 s u p 盱t w i s e dn e m a l 主c s t n 超扭曲向列 l i q u i dc f y s t a ld i s p l a y l c d 液晶显示器 l i q u i d sc r y s t a lm o d u l e l c m 液晶( 显示) 模组 t i n l i n gc o n t r d l l 盯 。t c o n 对序控制器 g m p l l i cr a i l d o ma c c e s sm e m o r y ” g r a m 图像随机存储器 p e r s o n a 】d i g i 翻a s s i s l a n t p d a 个人数码助手 a p p l i c a t i o ns p c c i 丘ch l t e 口a t e dc i r c u i t a s i c 专用集成电路 s y s t 锄一0 1 1 c h i p s o c 系统芯片 v 田l a r g es c a l em t e g m t i o n v l s i 超大规模集成 m i c r op r o c e s s r o ru i l i t m p u 微处理器单元 l o w d r o p o u t l d o 低压降( 稳压器) v 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：塑 泸9 年争月乒矗 接导教师签名： 沙夕年 跑融 年月牛日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究i 作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容襁残谁的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写趱能研究成果不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 知扣7 曲北r 业大学硕 中 工论文第一章绪论 1 1 课题背景与来源 第一章绪论 随着人类进入信息时代，平板显示技术被广泛应用于人们生活中，而液晶显 示技术已经逐渐占据平板显示的主要领域。t f t l c d 支持大屏幕显示及完美的动 画显示，还兼具色彩丰富，高对比度，高亮度，易于实现灰度控制和超薄等优点， 大量用于笔记本电脑，液晶显示器，便携式信息终端( 手机，p d a 、数码相机和 m p 3 等) 和液晶电视等，被称为“产业之纸m 咖，m “曲，7 枷1 j “棚】。 近几年来，液晶显示产业发展迅猛。产业链上下游也在不断协调进步，其中 最为明显的是t f l ：l c d 控制和驱动i c 需求的增长。t f t - l c d 控制和驱动i c 已经 成为需求量最大的专用集成电路( a s i c ) 之一【x “。大尺寸液晶显示驱动芯片随 着笔记本电脑、液晶显示器和液晶电视需求的增长而增长，据i s u p p l i 估算，大尺 寸液晶显示驱动芯片的2 0 0 6 年出货量为2 8 5 8 亿颗，2 0 0 7 年出货量为3 2 9 2 亿预， 年增长1 5 2 ，到2 0 0 9 年出货量将达到4 1 5 9 亿颗。对于中小尺寸液晶显示驱动 芯片，普遍采用单片集成( o n e c h j ps 0 1 u t i o n ) 的方式将行、列驱动电路，电源电 路和s r j 蛳存储器等电路集成到一块集成电路芯片上。随着手机、p d a 和数码相 机市场爆炸性的需求，中小屏幕液晶显示呈现出快速增长的趋势，单片集成液晶 显示驱动芯片成为集成电路产业的巨大市场。在未来的几年内，t 兀二l c d 在手机 显示市场仍具有主导位置，相应的显示驱动芯片的需求量也会增加i 4 0 1 ，d “0 6 删。 但是，国产t f r 彩色液晶显示驱动控制电路芯片尚属空白，完全依赖进口， 手机生产厂家受到国外产品在价格及货源供应方面的诸多制约，产品更新换代慢， 利润空间小，核心竞争能力弱，这种状况严重制约着我国信息产业的发展。 西北工业大学航空微电子中心在对国内市场和需求进行广泛调研的基础上， 于2 0 0 4 年开始组建了液晶显示驱动控制电路芯片研发团队和软硬件开发环境，开 发彩色液晶显示驱动控制电路系列芯片。先后得到了国家8 6 3 计划项目 ( 2 0 0 5 a a l z l l 9 3 ) 、国家及陕西省外专局重点引智项目( i u z 2 0 0 5 6 1 0 0 0 6 7 ， 西北i 一业人中硕仁学付论文 第一蕈绪论 2 0 0 4 6 1 0 0 1 2 9 ) 、陕西省重大科技创新项目( 2 0 0 5 z k c 0 1 0 1 ) 、陕西省科技计划项目 ( 2 0 0 4 k 0 5 一g 3 ) 以及陕西省外专局留学回国人员科技活动择优资助项目等的大力 支持。 基于以上背景，结合t f t - l c d 驱动控制电路芯片j 龙腾t l ”研发项目，作 者对液晶显示驱动芯片电源电路进行了详细的研究，参与并完成了“龙腾t 1 ”芯片 中内置电源电路的设计。另外，本论文还受到2 0 0 6 年西北工业大学研究生创新种 子基金项目( z 2 0 0 6 4 8 ) 的资助。 1 2t f t _ l c d 基础及其国内外发展动态 l 。2 。l 液晶显示技术的发展 液晶最早是由奥地利植物学家莱尼茨尔( f r e i n “z 砷在1 8 8 8 年首先发现的，它 是一种几乎完全透明的物质，同时星现固体与液体的某些特征。二十世纪六十年 代起，人们发现给液晶充电会改交它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射。 经过反复测试，1 9 6 8 年在美国发明了液晶显示器件，随后l ( d 液晶显示屏就正式 面世了【蝌。 二十世纪七十年代仞，日本开始生产1 n l c d ( 扭曲阵列) ，并推广应用；二 十世纪八十年代初，t n l c d 产品在计算器上得到广泛应用；在1 9 8 4 年，欧美国 家提出t 盯- l c d 和s t n 。l c d 显示技术之后，l c d 产业获得飞速发展。从八十年 代末起，日本掌握了s t n l c d 的大规模生产技术，但t f t l c d 技术和制程仍不 够成熟。1 9 9 3 年，在日本掌握t n l c d 的生产技术后，液晶显示器开始向两个方 向发展：一方向是朝着价格低、成本低的s t n l c d 显示器方向发展，随后又推出 了d s 耵q l c d ( 双层超扭曲阵列) ；而另一方向却朝高质量的薄膜式晶体管t f l c d 发展。于是，市场上出现了s t n l c d 和t f l 二l c d 同时共存的局面。但是s t n l c d 响应时间慢，不适合动画显示和大信息量显示。t f t - l c d 刚好弥补s t n l c d 这 一缺陷，支持大屏幕显示及完美的动画显示，还兼具色彩丰富，超薄，高对比度， 高亮度和易于实现灰度控制等优点，大量用于笔记本电啮，液晶显示器，便携式 信息终端和液晶电视等i ”“9 9 7 ”h 0 1 ，x q 叫。 2 i 珂北t l 业大学硕七学f 市论文第一章绪论 1 2 2t f t - l c d 的显示和驱动原理 l c d 的子像素结构如图l ，l ( a ) 所示，每个子像素都是由耶1 、开关，液晶， 存储电容、像元电极，公共电极和数据走线等组成。彩色显示时在液晶表面加入 一层彩膜实现，三个子像素组成一个像素点，每个子像素对应红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三基色中的一种。子像素一般排列在水平方向( 即行驱动宅极t ) ，其结构妇图1 i ( b ) 所示。 ( a ) 子像素单元 s o u r c e ( b ) 彩色像素点 s o u r c e 碍 用于下l c d 的液晶都是工作在1 n 模式，通常工作在常自方式，邵像素电 极上加上信号电压时像素显示黑色，不加电压时显示白色。液晶对彩膜透过的光 具有选通作用，像素电极加电之后，阻止三色光通过，不加电时让光线穿透，这 样就可以通过控制加在子像素电极上的电压来控制液晶对光线的选通，从而使液 晶能够显示颜色。加在予像素上的电压一般不都是相同的，用来控制予像素灰度 的大小。这些电压叫做灰度电压。灰度电压与数字显示数据一一对应。这样，改 变数字显示数据就可以改变灰度电压的大小，从而使液晶屏上r 、g 、b 三色不 同灰度的光叠加在一起，显示各种各样不同的颜色。 t f l ：【c d 面板一般有两种结构，一种是将存储电容电极与液晶的公共电极连 在一起的c s o n c o 舳o n 结构，等效图如图l ，l ( c ) 所示。另一种是将存储电容 电极与上一行g a t e 走线连在一起的c s o n - g a t e 结构，等效图如图l l ( d ) 所示。 西北j 二业人学硕 ：子何论文 第一章绪论 t f t 器件和m o s 器件的工作原理一致，唯一的区别为m o s 器件的半导体材 料是单晶，t f t 的半导体材料是薄膜晶体管。t f t 在显示过程中起到电予开关的 作用，t f t 的栅极都接在行扫描线上，t f t 的源极接在列驱动线上，t f t 的漏极 接在液晶的予像素电极上，这样当加在行扫描线的电压为该行的选通电压时，该 行的所有t f t 被选通，列驱动线上的信号就能够通过t f t 加到液晶的子像素电极 上驱动液晶工作。t f t 的漏极电流与栅极电压特性曲线如图1 2 所示。当v g v d + v 。h 时，开关导通，这时v g 高达十几伏；当v b 一5 v 时，开关关断。 朋一5 2 0 图i - 2 h 叮开关的导通特性 要驱动一块t f t 液晶显示屏，需要两组信号：列驱动信号和行扫描信号。从 驱动的角度来看，这两组信号分别由两种驱动电路来实现，即列驱动器( s o u r c e d r i v e r ) 和行驱动器( g a t ed r i v e r ) 。列驱动器负责r 、g 、b 三色数据的接受、采 样和保持，经d a 转换后输出驱动液晶的具体电平信号。行驱动器产生逐行扫描 信号，从而实现对l c d 显示像素的寻址。除此之外，行、列两个驱动电路需要时 序控制电路( t c 0 n 或t i m i n gc o n 仰1 l e r ) 来提供正确的时序，需要图像存储器来 存储r 、g 、b 显示数据，需要电源管理电路( 包括d c d c 电压转换电路，v c o m 驱动电路和g a m m a 基准电压电路) 来生成所有的工作电压和驱动电压。所有这些 电路模块和液晶显示屏组合在一起就形成n 可液晶显示模组( l c m 或l i q u i d s c r y s t a lm o d u l e ) 。 驱动t f t 液晶屏一般采用有源矩阵驱动方法，常用的有二阶驱动和三阶驱动。 二阶驱动波形可以用于c s o n g a f e 结构，也可用于c s o n - c o 栅0 i l 结构。但是，三 阶驱动波形只能用于c s o n g a t e 结构f ”c 0 4 】。 二阶驱动波形如图1 3 ( a ) 所示，v g a t e 有两个电压，一个开启电压v g h 和 一个关断电压v g o 肮采用极性反转驱动时，当v c 咖电压固定不变时，灰度电压 4 【均北 业大。7 颂士学位论文 第一章绪论 经过t f t 不会发生变化。但是，当v c o m 电压变化时，就会因为开关的切换( 即 v g a t e 在v g h 和v g o f rj 日j 变化) 产生f e e dt h o u g h 电压，使加载到液晶电极上的电 压与灰度电压有一个偏差，为了解决这个问题，需采用三阶驱动疗法l ”科】。 v v s o u ! ! r 1 几厂 厂 n ( a ) 二阶驱动波形 v 唑nn 几厂 厂 几厂 三阶驱动波形 图1 3 像素结构与驱动波形 三阶驱动波形如图1 3 ( b ) 所示，v g a 有三个电压，分别是v g h ，v g o 衄 和v g o f m 。这里，v g h 与二阶驱动的电平相同，v g o f r 采用两个电压v g o f 珊和 v g o l f 来补偿v c o m 变化时产生的f e e d t l l o u 曲电压。 1 2 3t f t - l c d 模组结构 液晶显示模组由矸- l c d 面板和驱动芯片组成。对于大屏幕的m l c d ，由 于分辨率较高，行和列的数目都比较大，采用分立的t c o n 芯片、s o u r c ed r i v e r 芯片、g a t ed r i v e r 芯片和电源管理芯片组合的方法驱动【“b 0 2 1 。如图1 - 4 所示。 _ 一q 衄l 基准电压电路 t c o n， _ 踟蹦研n q l 卜一s o 跏v c r n q l o 上上一。 o 。 n啊“n勺啊h 恢“n“n“n、1 d 甘 puuup ipuuuu n & 电 暑 “n“n“n7 t 1“n“n。n勺弛、u p u 压 2upuu 转 o 换 t 啊“n啊奠一_ 丁_ 塑磐b“ 电 upu r - 1v r l _ u ， 罄储惦占 “ u 路 啧气j气奇 两州 电极 “n l ： ，# g e 动g 上一 p口l。砂 善 。 言“n啧啊啊“n 暑 口uuupp pu 驱 = 动 _ 啊“n呵 啊“n啊“nn“n“n 电2uuuuuuuuuu 路 o 图l - 4 大尺寸液晶屏驱动解决方案 西北l ：业大学硕y ：付论文第一章绪企 其中，各驱动芯片的功能如下： t c o n 芯片为时序控制器，控制液晶显示模组中各模块协调动作，也是 m p u 与液晶显示模组的接口，将差分小信号数据进行转换得到数字电平数 据，送给s o u r c ed r i v e r 做为d a c 变换时的选通数据。 - g 锄m a 基准电压电路调节g a m m a 校正曲线所用的基准电压。这些基准电 压在s o u r c ed r i v e r 中进行进一步的分压得到多阶灰度电压。 -s o u r c ed r i v e r 主要功能是进行多阶灰度电压生成，显示时序调整，数字显 示数据到模拟灰度电压变换及输出信号放大等，是大屏幕t f t - l c d 显示 最核心的器件。一颗s o u r c ed r i v e r 一般为3 8 4 信道或4 8 0 信道，而大屏 t f l ：l c d 分辨率一般在1 2 8 0 r g b x l 0 2 4 以上，因此驱动一块- l c d 面 板需要8 l o 颗以上的s o u r c ed r i v e r 芯片。 _ g a t e d r i v e r 产生行扫描信号，选通或者关闭t f t 开关，来配合s o u r c e d r i v e r 的动作。 一d c - d c 电压转换电路产生整个模组系统所需要的各种电压。 一v c o m 驱动电路产生t f t - l c d 面板上的公共电极的驱动电压 中小屏的聊：l c d 应用于手机、p d a 、m p 3 、m p 4 和数码相机等便携式电子 产品的显示设备中。由于其分辨率相对较低，行和列的数目较小，一般采用单片 集成的解决方案( o n e c h i ps 0 1 u t i o n ) ，将行、列芯片、t c o n 和电源管理芯片整合 到一颗芯片中，减小了l c m 的成本和功耗，增加了系统的可靠性。如图1 5 所示。 m p ui n p u t 图1 5小尺寸t f l ：l c d 模组的示意图 小尺寸t f l 二l c d 模组由t f t 液晶显示屏、背光源、单片驱动控制芯片和f p c 组成。f p c 是驱动芯片的外围电路，是连接t f l ：l c d 驱动芯片和m p u 的纽带。 两北r 业人学硕十学化论文第一章绪沧 1 - 2 4t f t l c d 驱动芯片的国内外发展动态 t f t - l c d 的控制i c 由于进入门槛较高，涉及专利的问题比较多，目前主要由 g e n e s i s 、p i x e l w o r k s 、t d e n t 、p h i l 口s 、s t 等国际大厂拧制，而中国台湾地区厂 商如联发科( m e d i a t e k ) 、晨星( m s t 哪、凌泰( a v e r l o 百c ) 、兆宏( m a g i 印i x e l ) ，联咏 ( n o v a t e k ) 、瑞昱( r e a l t e k ) 、凌阳( s u 岬l ，u s ) 、视传( v x i s ) 等厂家在小部分大屏幕和 部分中小屏市场也取得了一定的份额。中国内地由于对t f t - l c d 控制i c 介入较 晚，涉及专利的问题又很多，目前仅有成都威斯达在进行这方面的研发和设计， 其主打方案w s c l l l 5 、w s c 2 0 0 0 也已经得到了成功的应用。 目前，提供t f t 彩色液晶显示驱动控制电路芯片的境外厂商主要有日立、三 星、松下、晶门科技( s o l o m o n ) 、奇景等，单片集成的t f t - l c d 驱动主要规 格有2 6 万色1 3 2 r g b 1 7 6 d o t ，1 7 6 r g 2 2 0 d o t ，2 4 0 r g b 3 2 0 d o t 三种。内地i c 设计公司中，从事t f t l c d 驱动i c 开发的厂商相对控制i c 厂商要多了一些，但 仍然没形成气候。内地l c d 驱动芯片厂商大部分处于研发期。 西北工业大学航空微电子中心研制的手机用t f t 彩色液晶显示驱动控制电路 芯片“龙腾t l ”工程样片在2 0 0 6 年5 月一次性流片成功，并于2 0 0 6 年1 2 月2 5 日 通过陕西省科技厅组织的成果鉴定，是国内首款研制成功的小尺寸n m l c d 驱动 控制芯片，该芯片达到并部分超过国外芯片的性能，实现量产后可以取代进口芯 片。“龙腾t 1 ”不仅可以应用于t f t - l c d 彩屏手机，也可用于p d a 、m p 3 、m p 4 和数码相机等由电池供电的便携式电子仪器的显示设备中。 1 3 使用价值与理论意义 单片集成t f t 彩色液晶显示驱动芯片是数模混合信号超大规模集成电路实现 的高端芯片，高度集成了l c d 模组中除背光源驱动外的所有电路，包括时序控制 电路( t c o n ) ，源驱动电路( s o u r c ed r i v 砷，栅驱动电路( g a t ed 由e r ) ，图像存储器 ( s r a m ) 和内置电源电路等。开发拥有自主知识产权的高性能液晶显示驱动控制 电路芯片具有广阔的产业化应用前景，能够增强手机生产厂家的产品研发能力和 扩大其利润空间，从而显着提高我国液晶产业的核心竞争力，经济及社会效益非 常可观。另外，对这种复杂的高端单片集成芯片的研制，可以有效促进我国模拟 和混合信号i c 设计水平，缩小与国外i c 设计和制造技术上的差距。 7 两北r 业人7 7 硕十学付论文第一章绪论 t f t 彩色液晶显示驱动芯片电源电路是便携式v l s i 应用的片内电源管理单元 的典型代表，也是d c d c 电压转换电路的典型代表。根掘便携v l s i 应用的特点， 对t f t _ l c d 驱动芯片电源电路研究的结论可以直接推广应用到其它芯片的片上 电源电路的设计应用中。 1 4 本文工作 本论文根据t f t - l c d 驱动控制电路芯片的电压需求，深入研究了用于 矸- l c d 驱动控制电路芯片内置电源电路的电路结构和设计方法，并完成了该电 源电路的系统设计、行为级建模、各子模块电路和版图设计及仿真验证和测试等 工作。作者参与的具体工作包括： 研究了彩色下l c d 的显示和驱动原理，分析了t f t _ l c d 驱动控制电路 的电压需求，完成了t f l ：l c d 驱动芯片的系统设计、电源电路的功能模 块划分和接口定义。研究了混合信号电路行为级建模的原理和方法，采厢 v 狐l o g a 对t f p l c d 驱动芯片电源电路进行了行为级建模，并进行了系 统级功能仿真。 研究了电容式电荷泵升压反压电路、l d 0 线性稳压电路的基本类型、结 构、动作原理和设计优化方法，完成了t f l 二l c d 驱动芯片内置电源电路 中电荷泵升压反压电路模块和l d 0 线性稳压电路模块的设计。根据 t 丌- l c d 面板结构、负载特性和回馈电压产生的原理和减小方法，完成了 t 兀：l c d 驱动芯片电源电路中v c o m 驱动电路和v g o f r 驱动电路的设计。 针对电源电路特别是开关电容式电荷泵电路的特点，采用行为级模型和 s p i c e 网表混合仿真的方法，完成了所有电源电路的仿真验证。 1 5 文章安排 本论文的研究对象是应用于t f t 彩色液晶显示驱动芯片电源电路的设计技 术，因此本论文从t f t l c d 及其驱动芯片入手，分析了驱动芯片的电压需求，采 用自顶向下的方法介绍了电源电路的设计过程。论文的安排如下： 第一章绪论。主要介绍了本课题的研究背景与来源、t f t - l c d 驱动芯片 西北 业大学硕 7 汀论文 第一章绪论 和电源电路的国内外发展动态、以及本论文的使用价值和理论意义。 第二章液晶显示驱动芯片电源电路系统设计。首先介绍了t f t l c d 驱动 芯片的设计流程，行为级建模的基本原理和、愤i l o g a 语言。结合t f t - l c d 驱动 芯片的结构和电压需求，分析了电源电路的特点和设计考虑，最后给出了电源电 路的结构和行为级仿真结果。 第三章电荷泵升压反压电路模块设计。介绍了电荷泵的基本类型和动作 原理，结合电荷泵电路的理论模型给出了其性能评估方法，完成了m 二l c d 驱动 芯片电荷泵电路设计。 第四章l d o 线性稳压电路模块设计。介绍了l d 0 线性稳压电路的基本理 论，完成了t n l c d 驱动芯片内置的l d o 线性稳压电路模块的设计。 第五章- v c o m 驱动电路和v g o f r 驱动电路设计。首先介绍了v c 响和v g o 仃 电压关系，完成了t n l c d 驱动芯片中v c o m 驱动电路和v g o f r 驱动电路的设计。 第六章版图设计与测试。介绍了c m o s 混合电压双阱工艺、芯片布局和 走线原则、给出了电源电路的最终版图。另外，介绍了t f t - l c d 驱动芯片测试的 流程，给出了电源电路的测试结果和模组测试结果。 第七章结束语。总结了论文的工作。 9 曲北- r 业大学顶士学竹论文第二章t f t _ l c d 驱动芯片电源电路系统设计 第二章t f t l c d 驱动芯片电源电路系统设计 2 1t f t - l c d 驱动芯片的设计流程 单片集成的砸t - l c d 驱动芯片是复杂的混合信号大规模集成电路芯片，集成 了数字、模拟和s r 伽讧等多种电路类型，因而在设计过程中有其特殊的设计流程。 t f t l c d 驱动芯片自顶向下的设计流程如图2 1 所示。 芯片设计规格书 逻辑关系 芯片系统设计 数字电路源代码编写，仿真 数字电路自动综合 数字电路带时延特性仿真 m t n g 特性 拟电压值 模拟电路模块设计( s c h e m a t 哟 电路模块仂 模拟电路全体仿真 o n e - c h i p 功能验证 二= 二 = = = 模拟电路版图设计 数字电路自动版图设计 o n e c h p 版图设计 版图设计验证( d r c l v s ，e r c ) a c 特性后仿真 【! ! 堕：! 坐j 图2 1 单片集成的饼- l c d 驱动芯片设计流程 数字电路t 0 p - d o w n 设计中，根据系统设计得到各模块和各信号问的逻辑关系， 采用编码、自动综合和特性仿真可得到数字电路部分的门级网表，然后通过自动 布局布线生成数字部分的版图。而模拟电路在系统设计后得到模拟电压值，通过 全定制的方式从最基本的模块设计开始，搭建起整个模拟电路部分的电路，得到 晶体管级网表。然后经过h s p i c e 仿真，确认功能无误后进行版图设计。s r a m 的设计分两部分，s m 控制逻辑电路采用数字电路设计方法，s & a m 体采用全 1 0 西北1 、世人学硕七学何论文第一二章t f l 二l c d 驱动芯片电源 u 路系统设计 定制的设计方法。当数字、模拟和s r a m 三部分的版图发计完毕后，需要进行整 个芯片的布局饰线得剑o n e c h i p 版图。经过d r c l v s e r c 后生成g d s i i 格式数 据t a p e o u t 。 2 2t f t - l c d 驱动芯片结构 q q 里 器 2 1 2 蚤吾吾一一一 8 q 暮吾墓一一一 。器竺 图1 6t f l ：l c d 驱动芯片( 1 3 2 r g b 1 7 6 一d o t ) 结构框图 t f t l c d 驱动控制电路芯片单片集成液晶显示模组中除背光源驱动芯片外的 所有驱动电路，其结构框图如图1 6 所示“，“ 8 “1 。根据功能可分为系统接口 及控制电路、图像存储器、内置电源电路、g a m m a 校正电路、列驱动电路，行驱 动电路等模块。各部分的功能和动作原理如下： 西北工业大学硕士学位论文第二章耵丌- = d 驱动芯片电源电路系统设计 系统接口及控制电路，包括系统接口( s y s t 伽i n t e 嘲c c ) ，时序产生电路( 蜀m i n g g c n c r a t o r ) 和各部分电路的控制模块三部分，功能相当于大屏1 r i l c d 模组 中的t c o n 图像存储器( b u 纰i ng r a m ) 是s i 认m 电路组成的模块，用来存储来自m p u 的数字图像显示数据。图像存储器的大小与1 r i m u d 的分辨率一致。s l 认m 是砸碓“= d 芯片中的关键模块，占据整个芯片面积的1 2 ，消耗较大的静态和 动态电流，其供电电源与数字控制电路相同。 内置电源电路0 b u i l t i l lp o w c fs 印p l ya 枷i t ) 的作用是对输入电压进行d c d c 转换，产生整个芯片动作的工作电压和驱动电压。其中，工作电压包括低、中、 高三种模拟电路的正电源、负电源和数字电路的正电源等。驱动电压包括行、 列驱动电压和液晶公共电极驱动电压等。电源电路利用l i ) o 线性稳压电路来 进行降压和稳压，利用电荷泵电路来进行升压和反压，是整个芯片设计难度最 大的一部分。 g a m m a 校正电路包括g a m m a 调节电路( g 锄ma d j u s t i n gd r c u i t ) 和灰度电压 生成电路两部分( g m y s c a l cv o l t a g eg e n e 豫t o r ) ，分别产生g a m m a 基准电压和多阶 灰度电压。 。 列驱动电路( s o u f c ed r i v e r ) 是一个d ，a 转换电路，根据图像存储器中的6 数据 选出g 枷m a 校正电路中的与之对应的灰度电压，从而生成列驱动信号。其输 出直接与1 r i 叩的源极走线相连并通过1 1 玎给液晶充电。 行驱动电路( g a t cd r i v e r ) 是一个多位高压移位寄存器，产生行驱动电压信号 根据驱动方法的要求，生成二阶或三阶驱动波形。 2 3 哪l c d 驱动芯片的电压需求 t f t l ( m 驱动芯片外部供给电源分别为数字电源电压v o c 3 ( 2 4 v o 3 v ) 、模 拟电源电压v c i ( 2 5 v 3 v ) 和接口电路电源电压1 0 v c c ( 1 6 5 v 弓3 v ) 内置 电源电路的功能包括两个方面：即生成驱动t f t l c d 面板需要的驱动电压和整个 i c 工作的供电电压。 驱动电压包括栅驱动电压g 。( m 为面板上液晶像素点阵列的行数) 、源驱动 电压s 。( n 为面板上液晶像素点阵列的列数) 和v 。g 。采用三阶驱动波形时， 1 2 西北t 业大学硕士学位论文第二章t n u c d 驱动芯片电源电路系统设计 需要三个电平v g h ( + 9 v 一+ 1 6 5 v ) 、v g o f f h ( 1 2 v 5 v ) 和v g o f f 以- 1 6 5 v 4 v ) ，其 中v g h 为芯片的最高电压，也作为高压模拟电路的正电源。s 。为灰度电压v 旷v 6 3 中的一个，v 0 一v 6 3 由g a m m a 校正电路通过树状电阻网络生成。g a m m a 校正电路 的正电压为v r e g l o u l ( 3 v 巧v ) 。v c o m 波形中包括两个电压v c o m h ( 3 v v ) 和 v c o m “一2 5 v 1 v ) 整个芯片工作的供电电压包括低压正电源v c c ( 1 8 v ) 、中压正电源 d d v d h ( 4 5 v 巧5 v ) 、高压正电源v g h 、负压电源电压v g l ( 一1 6 v o 一9 v ) 和 v c “一1 8 v 一一2 7 v ) ，升压电路基准电压v c l l ( 1 6 8 v 之7 5 v ) ，运算基准电压 v l 强g 1 0 u r ( 3 v 。5 v ) 等。 d d y d h + j v - + v v t 即l o u ，m v d d v d * j v v m h ，o v 一t e q 0 呻 v - “v c “n i v l 删 v c * 1 v 2 7 v l v p 目u v 0 0 j v 4 0 v 西北1 二业人学硕七学竹论文 第二章t 兀：l c d 驱动芯片电源i u 路系统硬计 模块的基准电压。 2 4 电源电路的特点和设计考虑 t f l ：l c d 电源电路的特点是产生的电压个数多，幅度和带负载能力各不相同， 同时各电压之间联系紧密，幅度上保持一定的运算关系，因而电源电路各子模块 功能相对复杂，设计难度大。 t f l ：l c d 驱动芯片的电源电路的设计需要考虑的指标如下： ( 1 ) 功耗。对于应用于便携式电子设备的芯片，一般由电池供电，电源电路的功耗 是整个系统功耗最主要的部分，降低电源电路的功耗可以延长电池的工作时 间。根据规格书的要求，整个电源电路的静态功耗不超过5 m w 。 ( 2 ) 面积。电源电路主要由模拟电路组成，占用较大的芯片面积，为了降低制造成 本，必须优化电源电路的面积，从而减小整个芯片的面积。 ( 3 ) 耪度。由于电源电路生成驱动电压用于驱动不同类型的m l c d 屏，而对于 一 某固定的t f l c d 屏，其灰度电压的分辨率仅为几十毫伏，因此要保证显示 功能的正确性，需要对生成电压进行动态的调节，这就需要对一些电压设置相 应的寄存器，控卷4 其幅度的变化。 ( 4 ) 带负载能力。电源电路生成t n l c d 屏的栅、源驱动电压，其负载为整个 t f l ；l c d 屏，因而驱动电压的负载能力直接关系到显示效果的好坏。同时， 电源电路也生成整个芯片电路动作的供电电压，其负载包括数字电路，模拟电 路和s r a m 电路，电压具有足够的带负载能力才能保证整个芯片功能的正确 性 5 ) 响应速度。电源电路负责进行d c d c 转换，在规定时间内生成稳定的工作电 压是系统的必然需求。特别是升压和反压电路，决定了整个芯片的响应速度。 减小电源电路的响应时间可以使t f l 二l c d 快速形成高质量的图像。 2 5 电源电路整体结构 本文设计的电源实现了芯片中与电源相关的所有功能，其模块结构如图2 3 所 示。整个电源电路按功能分为4 个子模块【i “0 7 ，d x 6 0 6 ，l l 0 0 6 1 ，分别为： 1 4 西北。t 廿人学硕七学付沦文 第一章耵下l c d 驱动芯片电源咆路系统设计 1