如何為（不那么遙遠的）未來的汽車TFT-LCD顯示器供電

用于汽車信息娛樂TFT-LCD顯示器的電子設備必須最小，以限制PCB尺寸和成本。在回顧了典型的低集成度解決方案的缺點之后，我們介紹了一種使用具有串行通信的PMIC的新方法，該方法緊密集成了復雜的電源軌陣列，這些電源軌偏置TFT-LCD面板并為其背光供電。這種新解決方案可輕松執(zhí)行所需的診斷，以滿足嚴格的ASIL-B安全等級，同時減少緊湊的汽車應用所需的PCB空間。

介紹

隨著駕駛員信息技術的快速發(fā)展，我們可以預期未來的汽車將配備多個顯示器，每輛車可能配備十幾個甚至更多。這些“信息娛樂”顯示器將包括儀表盤、中央信息顯示器、后視鏡更換顯示器以及可選的后排座椅的多個娛樂顯示器。

雖然汽車顯示器的尺寸和分辨率不斷增長，但它們的電子器件變得更加復雜，但PCB尺寸和成本都受到限制。復雜性增加的一個例子是偏置TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器）面板并為其背光供電的電源軌陣列。另一個例子是顯示系統(tǒng)需要嚴格的診斷水平，將安全相關信息傳遞給駕駛員。

該設計解決方案回顧了不斷發(fā)展的汽車信息娛樂集群的典型電源管理解決方案的缺點。然后，它為尺寸問題提供了解決方案，同時促進了操作顯示器所需的復雜協(xié)議的動態(tài)編排，同時滿足汽車安全水平。

液晶顯示器

汽車系統(tǒng)中使用的標準顯示器是有源矩陣彩色TFT-LCD，由于其高亮度，高分辨率，合理的成本以及在具有挑戰(zhàn)性的汽車環(huán)境中表現(xiàn)出的可靠性，它已變得無處不在。液晶能夠隨著施加的電壓而改變其透射率。有源矩陣TFT-LCD顯示器中的每個子像素通過充當開關的TFT晶體管接收其偏置電壓（設置其透射率）。像素由三個子像素組成，每個子像素對應一個原色：紅色、綠色和藍色。

圖2顯示了TFT-LCD顯示電源系統(tǒng)的主要元件。TFT_LCD PS的電源（PS）模塊通過微控制器驅動的所有電源排序為源極和柵極驅動器供電。

圖2.TFT-LCD顯示框圖。

圖3顯示了驅動顯示器所需的整套電壓軌，這需要LTPS（低溫多晶硅）顯示器等雙極性電源。在本例中，源極驅動器提供兩種電壓：VPOS和VNEG。柵極驅動器提供電壓VGVDD和VGVEE，>用于打開和關閉每個子像素中的TFT開關。

源驅動器將VPOS（+7V）和VNEG（-7V）之間的電壓施加到子像素（由電容器CPIX和存儲電容器CS表示），從而設置其透射率。當 TFT 關閉 （VDGVEE = -10V） 時，像素會保留其電荷并“記住”其透射率設置，直到在下一個視頻幀期間更新。

圖3.TFT-LCD顯示框圖。

為了避免顯示器“老化”并延長液晶材料的使用壽命，有源矩陣LCD的晶體由反轉方法驅動，該方法交替施加到子像素的電壓相對于公共背面電極的極性（如圖3中的接地所示）。

TFT 液晶顯示器電壓軌

VIN = 3.3V 的典型 TFT-LCD 電源 IC（圖 4）通過升壓轉換器產(chǎn)生 V>POS （+7V），通過逆變器產(chǎn)生 VNEG （-7V）。兩個電荷泵產(chǎn)生正（VDGVDD）和負（VDGVEE）柵極驅動電壓。為簡單起見，此處省略了每個電荷泵所需的四個外部二極管，但在圖7的完整PCB布局中，作為一對用于VDGVDD（D3，D6和D7，D9）的雙二極管和一對用于VDGVEE（D5，D6和D11，D12）的二極管。

圖4.TFT-LCD 電壓軌生成。

背光源

由于LCD不是自發(fā)光顯示器，因此需要白光源來使彩色圖像可見?，F(xiàn)代顯示器使用白光LED（發(fā)光二極管）作為光源。LED放置在顯示器的一側或多側，并在擴散器的幫助下照亮顯示區(qū)域。LED 通常排列成“串”，由多個串聯(lián)的 LED 組成。

由于白光LED的高正向電壓（3V至4V），驅動每個燈串所需的總電壓通常需要使用升壓轉換器。多個字符串用于獲得所需的總亮度，以使顯示器在陽光下可讀。在圖5中，典型的升壓控制器IC驅動TFT-LCD背光的LED矩陣。

圖5.背光。

這種低集成度解決方案采用兩個獨立的集成電路和相關無源元件為TFT-LCD顯示器和背光供電，但從PCB空間利用率和完全控制所有電壓軌的角度來看，這不是最佳的。在LCD顯示器中，需要控制各種電源IC的所有使能輸入，以實現(xiàn)電源軌所需的順序和時序。低集成度解決方案中的這種控制需要在微控制器上安裝大量GPIO引腳，并增加軟件開銷。

集成解決方案

圖 6 顯示了一個集成解決方案。TFT-LCD 電源軌和 LED 背光控制器都集成在單個 PMIC 中，以實現(xiàn)嚴格控制并減少 PCB 空間。

圖6.TFT-LCD和LED背光PMIC。

具有串行控制接口的集成PMIC解決方案可以具有單獨的位來控制每個內(nèi)部轉換器，從而釋放微控制器上的許多引腳。這允許使用外部微控制器完全控制輸出的時序和它們之間的時序?；蛘撸梢酝ㄟ^提供內(nèi)部預設序列來進一步減輕外部微控制器的負擔。

符合 ASIL-B 標準

I 的集成2與PMIC的C通信功能有助于控制和診斷。汽車系統(tǒng)需要額外的診斷才能獲得安全評級，例如，向駕駛員提供安全相關信息的儀表盤顯示屏。樣品診斷包括：

輸出端過壓/欠壓檢測。

內(nèi)部存儲器上的糾錯（如果存在）。

將這些功能包含在單個集成電路中，使系統(tǒng)更容易達到ASIL-B的完整性水平。

示例設備

例如，MAX20069是一款高度集成的TFT電源和LED背光驅動器，適用于汽車TFT-LCD應用。該器件集成了一個降壓-升壓轉換器、一個升壓轉換器、兩個柵極驅動器電源和一個升壓/SEPIC轉換器，可為顯示器背光中的一至四串LED供電。芯片上所有轉換器的默認開關頻率為2.2MHz，這減小了外部無源元件的尺寸，并具有不會在AM無線電頻段引起電磁干擾的額外優(yōu)勢。

PMIC 將所有這些功能集成在一個帶裸焊盤的小型 6mm x 6mm 40 引腳 TQFN 封裝中。所有電源域的啟動和關斷序列均使用七種預設模式之一進行控制，這些模式可通過 SEQ 上的電阻器或通過 I 進行選擇2C 接口。或者，可以使用適當?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器位控制各個輸出。圖7顯示了整個LCD-TFT電源系統(tǒng)，僅限于僅3.45cm的PCB區(qū)域2.

圖7.集成 TFT-LCD 和 LED 背光 PMIC PCB （2.65 厘米 x 1.3 厘米 = 3.45 厘米2).

結論

TFT-LCD顯示器在現(xiàn)代汽車中無處不在，在未來的汽車中將更加如此。驅動顯示器所需的電子設備必須減小到最低限度，以限制PCB尺寸和成本。這包括復雜的電源軌陣列，這些電源軌偏置TFT-LCD面板并為其背光供電。我們回顧了低集成度電源管理解決方案的缺點，并介紹了一種緊密集成各種電壓軌和串行通信的單芯片PMIC解決方案。這種新解決方案可輕松執(zhí)行所需的診斷，以滿足嚴格的ASIL-B安全等級，同時減少緊湊的汽車應用所需的PCB空間。

審核編輯：郭婷