儀表顯示屏工作原理與常見故障分析

包　剛，楊軼贇（上汽大眾汽車有限公司質量保證部，上海　201805）

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儀表顯示屏工作原理與常見故障分析

包剛，楊軼贇
（上汽大眾汽車有限公司質量保證部，上海201805）

摘要：隨著汽車電子技術的發展，組合儀表顯示屏所包含的信息也愈發豐富。本文簡要介紹車載顯示屏的工作原理并對其進行分類，在此基礎上，探討組合儀表常見的顯示缺陷及其整改方向。

關鍵詞：段碼式液晶顯示器；點陣式液晶顯示器；驅動信號；軟膜焊接；柔性電路軟線束

隨著汽車電子電器技術的發展，越來越多的信息需要通過儀表顯示屏告知用戶，以滿足用戶更直觀清晰了解車輛當前狀態的需求。一般組合儀表顯示屏上可以顯示的信息包括：車速轉速、瞬時油耗、平均油耗、平均車速、剩余行駛里程、溫度、保養信息、收音機頻道、CD曲目等，還可以通過顯示屏對車輛的舒適性功能進行設置。

本文首先對目前組合儀表常用的液晶顯示器（Liquid Crystal Display，簡稱LCD）進行分類匯總，介紹其基本工作原理，并重點分析組合儀表顯示屏常見故障，通過典型案例，研究組合儀表顯示不良問題的優化方案。

1　LCD的工作原理

1.1結構

液晶顯示器是一個由上下兩片導電玻璃制成的液晶盒，盒內充有液晶，四周用密封材料-膠框 （一般為環氧樹脂）密封，盒的兩個外側貼有偏光片。如圖1所示。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔，即通常所說的盒厚，一般為幾個微米。上下玻璃片內側，對應顯示圖形部分，鍍有透明的氧化銦-氧化錫 （Indium Tin Oxides，簡稱ITO）導電薄膜，即顯示電極。電極的作用主要是使外部電信號通過其加到液晶上去。

圖1LCD顯示屏結構

液晶盒中玻璃片內側的整個顯示區覆蓋著一層取向層 （PI）。取向層的作用是使液晶分子按特定的方向排列，這個取向層通常是一薄層高分子有機物，并經摩擦處理；也可以通過在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來制備。

1.2背光源

液晶顯示是一種被動的顯示，它不能發光，只能使用周圍環境的光，因此，使用背光源作為其光線來源。

常用的背光源有3種：發光二極管 （簡稱LED）、電致發光片 （Electroluminescence，簡稱EL）、冷陰極熒 光 燈（ColdCathodeFluorescentLamp，簡 稱CCFL）。目前，上海大眾常用LED作為儀表顯示屏背光源，與LCD的底色搭配后有白色、綠色2種背光。LED背光優點是壽命長 （大于5萬h），LED背光缺點是功耗略大 （達到15mA／燈）。

1.3正顯與負顯 （圖2）

正顯TN-LCD（白底黑字），當未加電壓到電極時，LCD處于OFF態，光能透過LCD呈白態；當在電極上加上電壓時，LCD處于ON態，液晶分子長軸方向沿電場方向排列，光不能透過LCD，呈黑態。

反之則稱只為負顯TN-LCD（黑底白字）。

圖2LCD示意圖

目前上海大眾儀表使用的LCD以白色背光負顯LCD為主，也少量使用綠色背光的正顯LCD。

2　LCD的基本分類

按顯示內容的不同，目前主流的組合儀表主要采用的LCD，可分為段碼式LCD、點陣式LCD、TFTLCD彩屏。低線儀表往往采用段碼式LCD；中線儀表則采用點陣式LCD；而高端儀表采用TFT-LCD彩屏。

2.1段碼式LCD

段碼液晶屏提供簡單快捷的顯示效果，反應速度快，對比度高，成本低。它由7個筆段組成，用于顯示數字0～9，顯示內容一般均為數字，也較簡單。段碼式LCD常見的故障現象包括缺筆畫等。

2.2點陣式LCD

屏幕上文字的顯示，即由一個個小點組成的陣，又稱之為像素，通常點越多其像素越高，由多點數排列。由許多點陣方格構成的，點越多，分辨率越高，也越清晰。點陣式LCD常見的故障現象包括顯示抖動、顯示偏暗等。

2.3TFT-LCD彩屏

TFT-LCD即薄膜場效應晶體管LCD，由多層迭加而成，兩面的最外層是透明度極高的玻璃層，在玻璃層中間是薄膜電容以及液晶層，薄膜電容用以生成紅、藍、綠三原色所必要的色彩濾鏡。對于采用TFTLCD彩屏的組合儀表，常見的故障模式包括顯示偏色、黑屏等。

3　LCD常見缺陷模式及整改方向

目前組合儀表常見的顯示缺陷包括屏幕抖動、顯示缺筆畫、花屏、顯示偏色、黑屏等。而造成這些缺陷的原因主要有以下4大類：由于設計問題引起的缺陷、由于生產過程不穩定引起的缺陷、由于來料問題引起的缺陷、由于外部因素引起的缺陷。

3.1設計問題引起的缺陷

3.1.1由于驅動問題引起的顯示抖動

部分上海大眾2012年款途觀車型在低溫-25℃以下起動時，組合儀表顯示屏有抖動現象，如圖3所示。經過一段時間行駛后，當車內溫度恢復到正常溫度后，顯示恢復正常。

顯示屏驅動信號為方波信號，為考慮儀表的EMC電磁兼容表現，往往設計時在驅動信號上疊加一定的振鈴效應，如圖4所示。

圖3　顯示抖動

圖4　顯示屏驅動信號

在高速信號通道中振鈴效應是由RLC屬性共振引起的，其幅度必須滿足顯示屏的設計規范。試驗發現，在低溫下該驅動信號振鈴效應被放大，導致信號上升或下降沿后的第1個振鈴振幅超出顯示屏的容錯要求，如圖5所示。

圖5　低溫下放大后的振鈴效應 （-30℃）

為解決問題，從設計角度制定了糾正措施，通過修正相關驅動電路，去掉可能導致驅動信號振鈴的電容，優化了驅動波形。修正后，EMC試驗可以通過，并且驅動信號上的振鈴也同時消除，如圖6所示。

圖6　修正后的驅動波形

3.1.2由于軟件問題引起的屏幕閃爍

部分上海大眾2010年款帕薩特新領馭車型組合儀表在10℃附近出現屏幕閃爍。為保證較大溫度跨度下的顯示效果，LCD驅動芯片存在上下溫區2種工作模式，其切換的臨界點定義在10℃。當檢測到環境溫度在其模式切換的臨界點上下浮動時，將不斷地進行工作模式的切換；驅動程序算法上在其切換臨界點沒有進行平順過渡的處理，此時將表現為顯示屏閃爍。

因此，解決該問題的改進方案為修改組合儀表軟件，在顯示屏工作模式切換溫度的臨界點增加滯環控制，將切換時對顯示屏的供電電壓進行平緩處理，以避免顯示出現閃爍現象。

3.2由于生產過程引起的缺陷

3.2.1Heat Sealing工藝相關缺陷

在上海大眾低端車型中 （如波羅、晶銳等），低線組合儀表 （段碼式LCD）內部主要采用Heat Sealing工藝，將LCD顯示屏與電路板相連接，如圖7所示，該焊接過程由Heat Sealing設備完成。

圖7　電路板與LCD的軟膜焊接

相對于傳統Pin腳排插式的錫焊，Heat Sealing技術具有明顯的優點，見表1。

但是，由于Heat Sealing技術對工藝和設備要求較高，組合儀表面臨顯示屏缺筆畫問題的風險也較大。

根據統計，與Heat Sealing相關的品質缺陷主要分為3類：一是軟膜焊接斷線；二是軟膜邊沿撕裂；三為焊接偏斜。各種缺陷所占比例及形成原因見表2。

表1　Heat Sealing與Pin腳錫焊技術比較

圖8　軟膜焊接斷線

圖10　焊接偏斜

針對不同原因，應采用不同的整改措施。對于軟膜焊接斷線，需優化焊接設備結構，以保證設備在焊接時的穩定性及可靠性；對于軟膜邊沿撕裂，需要對焊接完畢后的翻轉夾具進行優化；對于焊接偏斜，一般應采用金屬結構的焊接帶導軌，而避免使用塑料材質導軌。

3.2.2操作問題造成的缺陷

在上海大眾高端車型中 （如途觀、新帕薩特等），高線組合儀表線路板與顯示屏的連接往往采用柔性電路 （Flexible Printed Circuit，簡稱FPC）軟線束，連接方式為插接式。操作工安裝過程插接不到位，可能導致LCD與電路板接觸不良，如圖11所示。

針對這類問題，應優化插接件結構，并增加在線自動檢測攝像裝置，在軟線束插接歪斜時自動報警提示。

3.3由于LCD本身問題引起的缺陷

顯示屏本身的生產過程也可能存在異物進入的風險，造成的故障模式往往為顯示缺筆畫。一般情況下，需要對異物作化學元素成分分析，根據分析發現的異物成分制定相應措施。大多情況下成分中都存在金屬物質，因此，需要對顯示屏生產過程中的金屬材料特別留意，盡量采用非金屬材料，以避免金屬磨損產生的顆粒進入顯示屏內部。

ITO腐蝕問題同樣會引起的顯示缺筆畫。一般ITO腐蝕會導致顯示屏內部開路，也需要對腐蝕點做電化學分析，確認相應成分后制定相應措施，如成分中含氯離子，則多為操作工汗液污染。需嚴格規范操作工操作，優化清洗工藝過程，避免清洗液二次污染；并增加自動化傳動帶以減少人手直接觸摸半成品的風險。

另外，顯示屏封膠材質也可能引發在低溫下顯示偏暗的缺陷。某些材質的導電銀膠在低溫下電氣連接阻抗會增大，使LCD驅動芯片的輸出信號減弱，導致顯示偏暗。要解決這一問題，應在顯示屏設計之初，明確定義允許使用的銀膠材質。

圖11FPC軟線束安裝不到位

4　結語

隨著車載顯示技術的發展，越來越豐富的內容將會通過組合儀表展示給汽車用戶，以便為用戶創造更舒適的駕乘體驗。因此，保證組合儀表的顯示品質也愈發重要。本文從顯示屏的工作原理入手，并對組合儀表常用的顯示屏進行分類，最后從設計、生產及顯示屏自身工藝三方面探討了各種顯示屏常見的缺陷模式及整改方向。

參考文獻：

［1］馬群剛.TFT-LCD原理與設計［M］.北京：電子工業出版社.2011.

［2］張新強.點陣LCD驅動顯控原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社.2010.

［3］范志新.液晶器件工藝基礎［M］.北京：北京郵電大學出版社.2000.

（編輯楊景）

中圖分類號：U463.7

文獻標識碼：B

文章編號：1003－8639（2016）05－0055－04

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-03

作者簡介：包剛 （1976-）男，碩士，從事電子電器零件的品質分析工作；楊軼贇 （1984-）男，碩士，從事電子電器零件的品質分析工作。

Vehicle Dashboard Working Principal and Common Defect Analysis

BAO Gang，YANG Yi-yun
（Quality Assurance Department，Shanghai Volkswagen Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

Abstract：With the development of automobile electrical technology，the information on dashboard is increasingly rich.The article briefly introduces vehicle dashboard working principal and makes classification on it，accordingly，common defect of combined dashboard is discussed and improvement direction is provided.

Key words：segment code LCD；dot-matrix LCD；driving signal；soft soldering；flexible printed circuit