TFT-LCD工作原理论文

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1 TFT-LCD工作原理 由于计算技术的发展和对图像清晰度、保真度的要求越来越高，液晶显示器作为一种比较时尚的产品备受人们的青睐。 TFT-LCD是集大规模半导体集成电路技术、驱动IC技术和平板光源技术于一体的高新技术产业。随着人们对图像清晰度、保真度的要求越来越高，TFT－LCD的应用范围越来越广。 十年后，液晶平面显示器将无所不在，成为人类生活中最重要，也是最常用的生活必需品。液晶平面显示器将改变整个人类的生活方式，开创人类文明新纪元。 本文主要介绍TFT-LCD的工作原理，同时也结合工作中的实际经验对笔记本LCD可能出现的故障及其原因进行了整理。 关键字： 液晶、TFT 、LCM、PANEL 、INVERTOR
2 目录 一、 LCD显示架构 …………………………………………………3 二、 PANEL部分介绍 ………………………………………………4 1． 什么是液晶……………………………………………………4 2． 液晶显示原理…………………………………………………4 3． 液晶显示器件的采光技术……………………………………6 4． 液晶显示器件的驱动原理……………………………………7 5． 液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成…………………9 三、 主板部分介绍…………………………………………………10 四、 Inverter部分介绍……………………………………………11 五、 Adapter部分介绍……………………………………………13 六、 笔记本常见故障分析…………………………………………… TFT-LCD工作原理
3 一、 LCD显示器架构 LCD主要由以下几个部分构成： 1、主板：用于外部RGB信号的输入处理，并控制PANEL工作。 2、 Adapter电源适配器：用于将90～240V的交流电压转变为12V的直流电源供给显示器工作。 3、 Inverter逆变器：用于将主板或Adapter输出的12V的直流电压转变为PANEL需要的高频的1500～1800V的高压交流电，用于点亮PANEL的背光灯。 4、PANEL部分：该部分为液晶显示用模块，它是液晶显示器的核心部件，其包含液晶板和驱动电路。 LCD显示器的整体模块图如图1-1 图1-1 LCD整机框图 二、 PANEL部分工作原理
4 Panel部分即是液晶显示模块LCM，它是整个液晶显示器的核心部分。它是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件配在一起的一体化组件。本章将对液晶显示的基本原理，液晶的驱动以及液晶模块的构成进行简要的介绍。 1. 什么是液晶 液晶显示器是以液晶为基本材料的组件，由于液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性，又具有液态流动特性，所以液晶可以说是处于一个中间相的物质。 液晶分子中的电子结构，都具备着很强的电子共轭运动能力，所以，当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性（induced dipolar），这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压控制，再通过液晶分子的光折射特性，以及对光线的偏转能力来获得亮暗差别（或者称为可视光学的对比），进而达到显像的目的。 2. 液晶的显示原理 2．1 液晶的物理特性 当通电施加上电场时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃薄板，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会一排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。但将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子长轴会顺着槽排列。所以，假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。 2．2液晶显示的主要工作模式 由液晶显示的四种基本原理而派生出多种工作模式。主要有：TN模式、STN模式、FLC模和液晶-聚合物模式等。由于液晶显示的众多不同分支，本文只介绍目前应用得最为广泛的TFT-LCD中使用的TN模式。 TN模式是在1971年由Schadt等人发表的，它是在液晶显示中最早获得广泛应用的一种模式。由于它具有电压低，功耗小，寿命长以及易于实现多灰度、全彩色显示等特点，使它始终成为液晶显示的主流工作模式。它是利用液晶材料的旋光性，采用电压调光的工作原理。 TN模式液晶显示器件的基本构成：在涂有透明电极的两块玻璃之间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，液晶厚度约为几微米，电极表面做平行取向处理。为使液晶分子成90°扭曲排列，上下基板的取向方向为正交设置。
5 2．3 TN型液晶显示（LCD）原理 LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90°扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90°。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转 LCD是依赖偏光板和光线本身，自然光线是朝四面八方随机发散的。偏光板实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。偏光板的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个偏光板的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个偏光板相匹配，光线才得以穿透。 光线穿透示意图 LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若给液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。通常显像面积上亮区域都比黑区域大，所以这种方式有利于省电。
6 光线阻断示意图 从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚共约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的在灯管照射下可以再发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压进而改变液晶的旋光状态。液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料的周边是控制电路部分和驱动电路部分，这样就可以用信号来控制图像的生成了。 2．4彩色再现： 目前对于液晶显示而言，主要采用加法混色法来再现彩色。采用红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三基色，简称RGB混色法。通过控制所施加的电压大小，调配三种颜色的比例，从而使屏幕出现各种色彩。 3. 液晶显示器件的采光技术 液晶显示器件是被动型显示器件，它本身不会发光，是靠调制外界光实现显示的。外界光是显示器件进行显示的前提条件。因此在液晶显示装配、使用中，要解决采光问题。目前液晶显示的采光技术分为自然光采光技术和外光源设置技术。而外光源设置有背光源，前光源和投影光源三种技术。这里主要介绍TFT-LCD的背光源技术。 背光源采光技术的两大任务是： A) 使液晶显示器件在有无外界光的环境下都能够使用； B) 提高背景光亮度，改善显示效果。 液晶显示背光源的特点： a.亮度均匀一致，能形成均匀的面光源； b.亮度高，并可调亮度范围； c.平板、薄型，适于装配； d.重量轻； e.光色悦目、基色准确、对液晶显示器件有较好的透过能力； f.功耗低，效率高； 目前TFT-LCD是采用的是冷阴极荧光灯（CCF）做为背光源。这是一种依靠
7 冷阴极气体放电，激发荧光粉而发光的光源。掺有少量水银的稀薄气体在高电压下会产生电离，被电离的气体的二次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫外线，紫外线激发涂布于管壁的荧光粉层，使其发光。由于电致发光的荧光粉品种齐全，转化率高，所以这种光源可制成三基色准确、色温高、亮度高的理想光源。冷阴极荧光灯大都作成管型，所以CCF是管型线光源，用作液晶显示背光源时，必须将其变为面光源。要实现线光源到面光源的转变，需要在液晶显示模块后加背光板。 4．液晶显示器件的驱动原理 液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，改变分子的排列状态就可以改变液晶层光学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础。而液晶分子排列的改变可以通过电、磁、热等外部场的作用来实现。我们把这种通过外场作用来改变分子排列状态的过程称为液晶显示器的驱动。液晶显示器常用的驱动方式分为下表所示的几种类型。 目前，在LCD Monitor方面，使用的都是采用TFT（薄膜式晶体管）LCD，它采用的是有源矩阵的驱动方式。因此本节将对TFT器件进行简要的介绍，并着重介绍有源矩阵的驱动方式。 由于普通的矩阵液晶显示器的电光特性对多路、视频活动图象显示是很难满足要求的，因为每个像素都等效于一个无极电容，显示中会产生串扰。为了改善，又会限制驱动的路数。因此在每个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，从而克服了串扰，解决了大容量多路显示遇到的困难，提高了画面质量，使多路显示画面成为可能。
8 TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构 目前TFT的主流是a-siTFT，a-siTFT是一种非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。它制作容易，基板玻璃成本低，导通比大，可靠性高，容易大面积化。因此受到广泛应用。 同一般液晶显示器件类似，a-SiTFT液晶显示器件也是在两片玻璃之间封入液晶，而且液晶显示器件就是普通的TN型方式。不过，其玻璃基板则与普通液晶显示器件大不相同，在下玻璃板上要配制上扫描线和寻址线（即行、列线），将其组合成一个个矩阵，在其交点上再制作上TFT有源器件和像素电极，如下图所示。 TFT有源矩阵液晶显示屏的电极排布 TFT-LCD矩阵结构是由一块带有TFT三端元件阵列和像素电极阵列的基板与另一块带有彩色膜和公共电极的基板，以及由此两基板叠合后夹入的液晶层构成，此外，此方式的扫描线和信号线都设置在同一个三端子元件的基板上。扫描线与该行上所有TFT元件的栅极相连，而信号线与该列上所有的TFT元件的源电极相连。 在以行顺序驱动方式依次扫描行电极过程中，当某行一旦被选通，则该行上所有的TFT开关元件同时被行脉冲闭合，变成低阻导通状态。与行扫同步，各列信号电荷分别通过列电极从保持电路送入与导通元件TFT相连的各相应像素电容，信号电压被记录在像素电容和储存电容上。当行选一结束，TFT开关元件即断开，被记录的信号电压将被保持并持续驱动像素液晶，直到下帧扫描再次到来。 扫描电压只做TFT元件的开关电压之用，而驱动液晶的电压是信号电压通过导通TFT元件对像素电容充电后在像素电极和公共电极之间形成的电位差，而该电压的大小决定于信号电压。可见，采用TFT元件作有源矩阵驱动，可实现开关电压和驱动电压分开，从而可达到开关元件的开关特性和液晶像素的电光特性的最佳组合，可获得高像质显示。 5． 液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成 液晶显示驱动系统：利用多片液晶驱动器组合成一个点阵液晶显示器件的驱动系统。这个系统包括有行驱动器，列驱动器，偏压电路，驱动电源发生器以及温度补偿电路等。 液晶显示模块的构成：由于点阵型液晶显示器件的引线众多，而且要将这些
9 引线从玻璃上引到驱动系统的PCB板上，这在工艺上不是普通用户所能掌握的。所以液晶显示器件的制造商们将液晶显示器件产品进一步开发，制作出相应的驱动PCB板和压框，然后用压框和导带或导电橡胶条将液晶显示器件固定在PCB板上。PCB板上含有完整的驱动器系统，电路接口包含了驱动器系统所需要的控制信号和电源。这就叫液晶显示模块（LCM）。 三 、主板部分工作原理 主板是由PANEL控制逻辑，亮度控制逻辑，DC to DC转换逻辑，传输TTL电平信号到LCD显示模块电路等组成。
10 主板上各主要IC芯片描述： ① MCU：8051单片机，其主要作用有：电源控制，OSD（屏幕显示菜单）控制，频率计算，RS232通信等。 ② GMZAN1：集成ADC、OSD、SCALER，把计算机输入的RGB模拟视频信号转换为数字信号，并通过差补缩放处理，输出至液晶显示器PANEL时序控制电路。 ③ LM2596：直流电源变换器，用于将12V输入转变为5V的直流输出。 ④ AIC1084：也是直流电源变换器，用于将5V输入转变为3.3V的直流输出。 ⑤ 24LC21：1KB EEPROM，用于存储表示显示设备标志的DDC数据，其中包含有：设备的基本参数，制造厂商，产品名称，最大行频，可支持的分辨率等等。 24C04：4KB EEPROM，用于存储Auto Config数据，白平衡数据，POWER KEY状态及POWER ON计数数据等。 PS: 笔记本上主板部分集成在BareBone上，并非PANEL后面的PCB板。 四、INVERTER部分工作原理 Inverter即逆变器，又叫电压升压板。它是专为Panel的背光灯提供工作电源的。
11 Panel使用的背光灯管的工作电压很高，正常工作时的电压为600～800V，而启动电压则高达1500～1800V，工作电流则为5～9mA。这样的工作特点需要Inverter有如下功能： 1）、能够产生1500V以上的高压交流电，并且在短时间内迅速降至800V左右，这段时间约持续1-2S。 2)、由于Inverter提供电流的大小将影响冷阴极荧光灯管的使用寿命，因此输出的电流应小于9mA，需要有过流保护功能。 3）、出于使用的考虑，要有控制功能，即在显示暗画面的时候，灯管不亮。 Inverter是一种DC TO AC的变压器，它其实与Adapter是一种电压逆变的过程。Adapter是将市电电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出，而Inverter是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了目前用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。其核心部分都是一个PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，Inverter则采用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围3.6～40V，其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。 以下将对Inverter的工作原理进行简要介绍： Inverter工作原理框图 输入接口部分： 输入部分有3个信号，12V直流输入VIN、工作使能电压ENB及Panel电流控制信号DIM。VIN由Adapter提供，ENB电压由主板上的MCU提供，其值为0或3V，当ENB=0时，Inverter不工作，而ENB=3V时，Inverter处于正常工作状态；而DIM电压由主板提供，其变化范围在0～5V之间，将不同的DIM值反馈给PWM控制器反馈端，Inverter向负载提供的电流也将不同，DIM值越小，Inverter输出的电流就越大。 电压启动回路： ENB为高电平时，输出高压去点亮Panel的背光灯灯管。 PWM控制器： 有以下几个功能组成：内部参考电压、误差放大器、振荡器和PWM、过压保护、欠压保护、短路保护、输出晶体管。 直流变换： 由MOS开关管和储能电感组成电压变换电路，输入的脉冲经过推挽放大器放大后驱动MOS管做开关动作，使得直流电压对电感进行充放电，这样电感的另一端就能得到交流电压。
12 LC振荡及输出回路： 保证灯管启动需要的1600V电压，并在灯管启动以后将电压降至800V。 输出电压反馈： 当负载工作时，反馈采样电压，起到稳定Inventer电压输出的作用。 五、Adapter部分工作原理 Adapter即电源适配器，由于LCD是低电压工作，而一般市用电网提供的是110V或220V的交流电压，所以需要在显示器上专门配有电源适配器其作用就
13 是将电网的220V交流电压转换成12V的直流电压向整个LCD Monitor供电。 在LCD Monitor中Adapter采用的是开关电源设计方法。开关电源具有体积小、重量轻、变换效率高等优点，因此被广泛应用于电子产品中，特别是脉宽调制（PWM）型的单片开关电源。PWM型开关电源的特点是固定开关频率，改变脉冲宽度来调节占空比。其基本工作原理：交流220V输入电压经过整流滤波电路变成直流电压，再由开关功率管斩波和高频变压器降压，得到高频矩形波电压，经整流滤波后获得所需要的直流输出电压。脉宽调治器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。 1 Adapter原理框图： 2 输入交流滤波 该部分的主要作用是用于防止由交流输入线引入的噪声，抑制电源内部产生的反馈噪声。 3 桥式整流及滤波 220V交流输入经桥式整流输出后经滤波电容后生成高压的直流电压，同时滤除高频电磁干扰。 4 软启动电路 通过大阻值电阻降低工作电流，电容充电放缓，Vin逐渐上升到16V以上，也就实现了软启动。 5 脉宽调制控制器 为电流控制型，通过误差电压控制流过开关功率管的电流最大峰值。其优点是调整速度快，一旦输入电压发生变化，就立即引起电流的变化，迅速调整输出脉冲的宽度。 6 高压保护回路 7 限流电路 8 直流变换回路 9 输出整流滤波回路 10 电压取样和反馈回路
14 六、笔记本常见故障分析 前面介绍了LCD各部件的工作原理，以下部分是结合实际工作总结的一些笔记本LCD故障现象及原因分析。
15 1．故障部位：PCB板及薄膜排线常见的故障现象包括: 垂直或水平区域块状不良，垂直或水平灰线，垂直或水平亮（暗）线. 而可能造成故障的原因有以下几点： a．薄膜排线破裂 或 PCB芯片破损b. 薄膜排线凹陷(外力造成)c. 薄膜排线接口处 破裂d. 薄膜排线内有导电性异物e. 薄膜排线与Panel间未配合完全f. Panel 不良 2. 故障部位：PANEL 常见的故障现象包括：亮（暗）点，气泡，污迹，白斑，花屏等。 亮（暗）点是Panel內的TFT功能不全导致，而气泡是在上层玻璃和偏光板之间，污迹在偏光板内部。值得一提的是，花屏多和连接PANEL背面与主机的屏线有关。 3．故障部位：LCM电路 常见的故障现象包括：明暗交替显示，白屏，黑屏，屏闪，CROSSTALK以及颜色不均等。 . . . . . . .
16 通常LCM內的任一芯片失去作用， 任一元件虚焊或短路 LCD背部屏线接触不良都有可能造成明暗交替显示，而浪涌电流或操作不当等原因造成的保险丝开路则有可能会出现白屏或黑屏。PANEL內部的一个不合适的电容会产生垂直或水平的CROSSTALK。 LCM內的任一芯片功能不全或发生虚焊，短路则可能造成颜色不均。 4．故障部位：背光灯源，机构件。 通常水波纹的原因是PANEL背面或侧面的机构干涉（螺钉等），无背光的原因可能是灯管损坏或者灯管与电线之间虚焊，背光昏暗可能是因为电线的损坏。屏幕底部或者侧面偏亮（见下图）则是光直接由不规则的背光单元中透出。背光亮度不均是内部反射有褶皱。