液晶显示技术TCON介绍
液晶显示技术TCON介绍
摘要
本文主要介绍了液晶显示技术中的TCON板，包括其组成、工作原理和重要组成部分。TCON板是时序控制器，又称为逻辑板，控制板，负责将视频信号转化为驱动信号。
TFT显示原理涉及液晶分子、背光、偏光片和TFT开关。
gamma校正确保灰阶正确显示，极性反转防止液晶极化，TCON的电源控制、gamma电路、时序控制和削角电路等功能确保了屏幕的正常工作。
TCON是什么
TCON板全称是timing controller，即时序控制器，时序控制电路。TCON作为控制Panel时序动作的核心电路，将从主板处获得的视频信号转化成数据驱动电路所需要的数据信号格式（例如，LVDS转换为miniLVDS），同时将这些数据信号传递到数据驱动电路（COF IC）。控制驱动电路何时启动。
TCON的组成一般主要有以下几部分：
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TCON IC TCON主芯片，做核心时序控制。
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PM IC 、Level Shift IC 一些电源管理芯片以及电平转换芯片，提供屏驱动所需要的各种不同电压，主要以DCDC为主。
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Gamma校正电路，用于提供合适的屏幕gamma值。
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GPM IC 削角电路，主要用于改善屏幕闪烁现象。
传统TCON的布局主要分为以下两种：X+C分离式和X+C一体式。
如下图所示，分离式即是TCON板与Source驱动分离，直接通过FFC连接；而一体式则是TCON与其中一块Source板直接集成，通过FFC与另一块Source连接。
从整个系统的角度看TCON：
TCON将主板传输过来的视频信号做转化处理，例如，将LVDS信号转RSDS信号，供屏幕数据驱动使用，同时也为gate和source提供驱动信号，通过COF连接到液晶面板实现显示。
TFT显示原理
在介绍TCON的详细组成之前，我们首先先了解下TFT的显示原理。
TFT LCD的组成主要是六个部分：背光、下偏光片、薄膜极板（即TFT基板）、液晶、彩色滤光片、上偏光片。
LCD本身不能自发光，因此需要靠背光源提供光线。从背光源发出的光经过下偏光片，只有特定方向的偏振光才能完全通过。
上偏光片方向与下偏光片垂直，如果中间不加任何处理，最终屏幕上只能显示黑色。
因此，我们在中间添加了液晶层，通过了下偏光层的光经过液晶层时受液晶分子作用改变了偏振方向，使之可以顺利通过上偏光片，从而屏幕上会显示白色。
而要实现黑白的控制，就需要能够控制液晶层的外加电场。当外加电场发生变化时，液晶分子的取向改变，可以在改变光方向和不改变之间选择。
电场的控制即通过TFT层的开关来实现。TFT全称为薄膜场效应晶体管，是一种三端器件，实际上就是MOS的一种，起到开关作用。一般来说，源极接显示数据信号，栅极接开关控制信号，通过漏极输出到液晶以及对应电容上。
面板是一个矩阵结构，矩阵的每个交叉点都对应一个TFT开关。
Gate Driver提供的驱动信号控制不同行TFT的栅极开关情况，Source Driver提供的数据信号送到不同列TFT的源极。
当扫描线信号开启TFT时，信号线从源极对液晶和存储电容充电，保存数据；当扫描线信号关闭TFT时，高阻抗ROFF切断了回路，防止数据被更改。
为了显示彩色，还需要再增加一层彩色滤光片。一个像素点由三个液晶单元格组成，分别对应RGB三种颜色，同时控制不同的灰阶变化，混合之后就可以显示各种颜色。
在放大镜下观察屏幕时可以发现每个像素点都是由RGB三个部分组成的，同时仔细观察可以发现每个RGB点都不是完整的矩形，而是有一部分缺块，这一缺块就是TFT所在的位置。
能显示颜色的总数目由数字信号的位数来决定，例如8bitRGB信号，RGB三色各有255种灰度，共能显示约16.7M种颜色。
gamma校正
了解完TFT显示原理之后，我们还需要了解一下gamma（γ）值的概念。gamma，也称为灰度系数，表征的是输出光曲线与输入屏电压的关系，主要用于灰度值的计算。
举个例子来说明gamma，当房间内共有十根蜡烛（对应十个灰阶），当第一根蜡烛被点亮时，可以明显感觉到亮度变化，当第二根蜡烛被点亮时，明显感觉到亮度又翻倍了，但是从第九根到第十根被点亮时，我们却很难察觉到亮度变化了。更直观的例子如下图，上面是人眼感知到的亮度变化，而下面一行是实际物理上的亮度变化。
再回到理论上，亮度本身是有规定单位的，为nit，1nit=1cd/m^2。
把上面的例子再说明一遍就是从1nit到2nit，人眼可以感知明显的变化，而500nit到501nit，同样是增强了1nit，人眼几乎感觉不到变化。如果我们不对图像gamma做任何处理，那么gamma可以认为是1，是线性关系，但是对于大脑来说，要经过人眼的信号处理，而对于人眼来说，感知到的亮度的变化并非线性均匀分布的，人眼感知的灰阶与实际图像输入近似成幂指数的关系，可简单表示为f(x)=x^γ，gamma值一般在1/2.2左右。
从表现上来说，就是人眼分辨暗的能力比较强，而对亮度较高的则没那么敏感。
对于屏幕来说，要实现最终感受到亮度与施加电压的线性关系，就需要进行gamma校正，一般来说，控制屏幕的gamma值在2.2左右，这恰好弥补了人眼的感知曲线上凸。
极性反转
为了防止液晶分子的极化，LCD需要采用相反的极性电压来进行驱动。对于屏幕的每个液晶像素，一段连接源极而来的数据信号，另一端连接像素公共电压Vcom来作为参考电压。当显示电压高于Vcom时为正极性，当低于Vcom时为负极性。
极性反转的方式主要有如图所示几种。逐点反转（dot）、逐行反转（line）、逐帧反转（frame，第N帧与第N+1帧极性相反）、逐列反转（column）。还有一种1+2line inversion，介于dot与column之间，被大多数TFT电视所应用，如下图所示。对于每一行中的像素，逐点反转，对于整帧来说，除了第一行之外，每两行反转一次。
那么如何实现极性反转呢？前面提到，施加在液晶两端的一边是源极驱动信号，一边是像素参考电压Vcom，因此要实现反转主要有两种方式，一种是改变源极驱动信号的极性，另一种是改变参考电压Vcom的极性，示意图如下所示。
TCON组成详解
上图为描述TCON组成的一种示意图。可以看到TCON实现的主要是三个部分的功能。DCDC为系统需要的各种电平供电，gamma部分为显示信号产生合适的灰度值，时序控制部分将前级主板传来的数据与控制信号转化成屏幕需要的格式。信号转换可以是LVDS转mini-LVDS，也可以是转RSDS等，依据具体信号格式需求而定。
电源控制
首先，DCDC供电为屏驱动和TFT开关等部分提供合适的电压。
对TFT来说，需要栅极驱动信号和源极的数据信号，分别由Gate Driver和Source Driver来提供。对于栅极来说，一般只包括两个电压VGH和VGL。VGH负责开启TFT，VGL负责关闭TFT。
VGH，VGL具体的典型值随屏规格的不同有所区别。例如，对于某种屏幕，VGL典型值为-23V，VGH典型值为+31V。因此，通过测量栅极电压也可以帮助我们诊断与排查屏故障。
对于源极来说，导通后其上电压直接对液晶进行充电，通过Gamma芯片输出不同灰度值的对应电压，可以控制屏幕灰度变化，这通常是某一个电压范围，例如0-16.3V，中间划分256个灰阶。因此，电源就需要输出一路模拟电源AVDD，来作为Gamma芯片的电压划分参考。
用于逻辑控制的DVDD，一般为3.3V。同时对于液晶来说，还需要提供Vcom作为像素参考电压，一般直接由gamma芯片提供。
这里我们举个实例芯片TPS65160来更好地说明。
TPS65160手册链接：https://xcc2.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/d_pdf/DataSheet_Pdf/8bb77f57cc9d782aa1094310b9353507a308bf99.pdf
TPS65160是一款为tv和TFT LCD panel供电专用的电源IC。TPS65160具有8至14V的输入电压范围，输出Vs范围高达20V，500KHz/750KHz固定开关频率。
如图所示，是其一种应用电路参考，可以看到，提供了所需的屏数据驱动电压Vs，栅极驱动电压VGL、VGH，逻辑电压Vlogic。
gamma电路
前面我们已经简单介绍了关于gamma的一些知识，知道了我们需要在屏幕端做gamma近似2.2的校正。这项校正工作就是由gamma电路来实现的。
gamma电路主要分为两种，一种是电阻分压式，通过设定不同的阻值来获得对于需要的gamma电压输出，这种方式成本低，但是精度不易保证，且调整较为繁琐。另一种是P-gamma芯片，也就是可编程的gamma芯片，用户可以通过接口写入寄存器，较为准确的控制gamma输出电压，具有易于调整的特点，同时可以集成Vcom基准电压，但价格会相对较贵。
如上图所示是一种gamma芯片的架构。输入端可以提供几路静态电压基准，在图上由R11至R44调整阻值给出。输出若干路gamma基准电压，送到源极驱动进一步分压，来作为灰阶划分的基准。gamma基准电压平均分成上下两路，分别用于LCD列驱动器的上部、下部gamma曲线。该部分详细的例子可以参考MAX9591的应用。
我们再以美信的MAX9668举例来进一步说明。
MAX9668可输出8路电压基准，用于TFT LCD的gamma校准，同时还有一路电压基准用于VCOM。
该芯片集成了可多次编程(MTP)的存储器，用户可通过I2C接口对寄存器进行写入配置，修改gamma值与Vcom的值，通过10位DAC与缓冲器保证输出的gamma电压稳定。同时对于Vcom采用放大器保持其稳定，保证图像的输出质量。
时序控制
TCON板上电稳定后，通过I2C总线读取EEPROM中的启动程序，来完成TCON的初始化工作。
读取完毕正常工作后，TCON开始按照时序送出控制信号和数据信号给屏驱动。
某型号时序示意图如下所示：
接下来我们介绍下部分控制信号。
STV，start vertical，列开始信号，同样也是一帧的开始信号。
CPV/CKV，clock pulse vertical，列的时钟信号。
STH，start horizontal，行开始的信号。
CPH/CKH，clock pulse horizontal，行的时钟信号。
OE，output enable，GCOF输出使能信号。当OE被拉高时，会拉低栅极的输出，避免同一个栅极信号传输到相邻的两行。
POL，polarity inversion，极性反转信号。
TP，是一种源极的数据锁存信号，source data latch。TP上升沿时，表明输入数据在data buffer里面准备完毕，可以输入进行灰阶电压转化。当TP下降沿时，说明数据的灰阶电压转化源极完成，output buffer可以开始输出正确的灰阶电压。
L/R，shift direction control，控制数据的传输方向。
XAO，output all-on control，XAO线拉低时，栅极信号为高，此时可以将TFT残留的电荷释放掉。
这其中的控制信号，一部分送给SCOF（源极驱动/列驱动），STH、CPH、POL等；一部分送给GCOF（栅极驱动/行驱动），STV、CPV等。
COF（Chip On Flex，or，Chip On Film），常称覆晶薄膜，是一种将集成电路固定在柔性线路板上的晶粒软膜构装技术，运用软质附加电路板作为封装芯片载体将芯片与软性基板电路结合。SCOF，即source COF，源极COF，对应列驱动。GOF同理，对应gate COF，行驱动。
注意这里SCOF、GCOF信号关于行列的对应关系，例如，栅极控制每行的开关状况，但是提供栅极信号的参考时钟CPV实际是某一列的gate的参考信号（某时刻任意一行的开关状态是确定的，由同一个gate信号提供）。
GCOF驱动信号、gate时序控制大致如下示意：
数据输出时序如下示意图所示：
同样举例一个时序控制芯片，National Semiconductor的FPD8734。
该系统将LVDS信号转变为RSDS信号为屏提供驱动，FPD8734在其中作为时序控制器。
在系统里面，我们也可以看见前面章节所说的构成部分，gary scale reference，灰阶参考部分，即前述做gamma校正的部分，提供合适的灰阶电压参考给RSDS CD（即列驱动）进一步细分灰阶。
时序控制IC FPD8734为行驱动和列驱动提供启动信号start pulse，同时也提供其他时钟和控制信号，例如信号反转，RSDS数据信号等。
削角电路
削角电路（GPM，gate pulse modulation）是一种用于控制栅极gate信号的DCDC配合电路，主要用于减少扫描线和像素之间的电容耦合效应，改善馈通电压造成的画面闪烁。其示意波形如下图所示。
TFT作为MOS开关本身是存在寄生电容的，Cds、Cgs、Cgd等。由于寄生电容的耦合作用，当gate获得的控制信号从开启到关闭时，TFT变为截止，寄生电容Cgd仍保留了一定的电压变化量△V，该电压成为馈通电压(feedthrough voltage)。
实际上，源极驱动电压的变化和Vcom的波动同样会带来馈通电压，但是一般不如栅极寄生电容Cgd带来的明显。馈通电压的存在使得液晶的Clc与Cs上保存的像素电压发生了一定偏移，造成画面闪烁。
为解决此问题一般有两种方法：一方面可以降低馈通电压来减小影响，另一方面调整Vcom电压进行补偿。
对Cgd、Cs、Clc构成的回路使用电荷守恒Q=CU可以求得馈通电压表达式，如下图所示。
在此也举一个削角处理的IC的例子，RT8901B。此处我没有找到实际相关手册，资料来源于网上博客，找到手册以后会补上。
为解决馈通电压问题，也出现了三阶驱动电路以及更高阶的驱动电路。主要是期望在不改变Vcom的前提下，实现电压补偿。
三阶驱动的主要原理是利用Cs的馈通电压，来补偿Cgd产生的馈通电压。由于需要Cs做补偿，因此该方法只适合Cs On Gate的面板架构。关于面板架构Cs On Gate与Cs On Common的介绍可参考以下链接：http://www.goodlcm.com/article16/info/30.html
Cs On Gate的架构，实际上存储电容Cs是来自与显示电极与下一条即将开启的Gate信号线（如图右下半红色部分）。因此，下一条Gate线的开启与关闭，是会影响到Cs存储的电压的，但由于开启的时间（us）一般远小于屏幕刷新时间（ms），因此可以忽略其影响。
了解了这些以后，再回到三阶驱动原理。三阶驱动的波形图如下图示意。从波形我们可以看出，三阶驱动与二阶明显不同的是gate的电平会有三段。当第N行关闭时，首先将gate拉到最低值，然后等待第N+1行信号关闭时，将gate拉回，这个时候由于Cs的馈通电压补偿，可以补偿一部分的N+1行Cgd带来的馈通电压。也就是说，每一行的电压补偿，实际是由上一行的Cs来反馈实现的。我们把这部分拉回的电压记作Ve，计算的参考式也在图中有所表示。
