基于無(wú)源逆變器的全模擬液晶驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

張其遠(yuǎn)， 穆繼亮， 韓曉濤， 李正陽(yáng)， 丑修建

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

1 引 言

液晶是一種介于液體和晶體之間、由不完全周期性排列的長(zhǎng)棒狀或扁平狀分子組成的中間物質(zhì)[1-2]，具有獨(dú)特的取向有序流動(dòng)性和光學(xué)各向異性[3]等特點(diǎn)。對(duì)其施加電場(chǎng)調(diào)控，可改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)或方向。經(jīng)過(guò)液晶的不斷研究以及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，液晶在顯示、光閥器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著便攜式智能可穿戴設(shè)備興起，越來(lái)越多新型器件集成了液晶盒、液晶膜[4-5]等液晶器件，如焊工面罩、護(hù)目鏡等。面向電子產(chǎn)品輕量化、簡(jiǎn)約化的應(yīng)用需求，人們對(duì)液晶驅(qū)動(dòng)電路的尺寸、成本、功能提出了更高要求。

現(xiàn)有液晶驅(qū)動(dòng)電路多是針對(duì)不同分辨率基于晶體管原理的TFT-LCD屏幕設(shè)計(jì)的專用集成電路[6]，設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本高。針對(duì)單純的液晶盒或液晶膜的最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方法為使用單片機(jī)(MCU)和H橋進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。中國(guó)科學(xué)院光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)輸出特定的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)大幅提高了液晶的響應(yīng)速度[7]；國(guó)立交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用全數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)液晶電路的驅(qū)動(dòng)，降低了功耗，其中交流信號(hào)通過(guò)生成PWM信號(hào)和使用電平轉(zhuǎn)換單元生成[8]。但上述驅(qū)動(dòng)方法的電路設(shè)計(jì)成本高、體積大，且需要編寫(xiě)和燒錄程序，難以適應(yīng)缺少固定電壓供電或者微型化的產(chǎn)品應(yīng)用要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于RC施密特振蕩電路和反相器的液晶驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)可在無(wú)額外供電的條件下，將輸入的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓的交流信號(hào)。由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用常見(jiàn)的電子元件和芯片大幅降低了電路的成本和體積，更加適合在微型化智能可穿戴設(shè)備上應(yīng)用。

2 驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

基于無(wú)源逆變器設(shè)計(jì)的液晶驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，對(duì)外有4個(gè)接口，其中包括一個(gè)直流信號(hào)輸入接口、地線接口和兩個(gè)接口組成的交流信號(hào)輸出端。電路由兩部分組成，分別為施密特振蕩電路和反相器，前者用于生成一定頻率的直流方波信號(hào)，后者的輸入端和輸出端可以形成一個(gè)正負(fù)交替變換的電壓差，從而使得驅(qū)動(dòng)電路可以輸出一個(gè)交流方波信號(hào)。RC施密特振蕩電路的電源和輸入端與直流信號(hào)相連；反相器的輸入端與施密特振蕩電路的輸出端相連，電源和直流信號(hào)相連；反相器的輸入端和輸出端分別與液晶器件的兩個(gè)電極相連。

圖1 電路結(jié)構(gòu)圖

基于驅(qū)動(dòng)電路微型化的要求，本設(shè)計(jì)采用施密特觸發(fā)器、電容和電阻組成RC施密特振蕩電路，反相器同樣使用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)反相功能。因此驅(qū)動(dòng)電路僅用一片SN74LVC2G14DBVR雙施密特觸發(fā)器、一個(gè)電阻和一個(gè)電容即可實(shí)現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的功能，該驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。最終將驅(qū)動(dòng)電路集成于尺寸僅為1.05 cm×0.7 cm的PCB板上，實(shí)物樣機(jī)如圖3所示。

圖2 電路原理圖

圖3 電路實(shí)物圖

3 驅(qū)動(dòng)方法分析

3.1 驅(qū)動(dòng)原理分析

由于液晶配向膜而產(chǎn)生的“直流阻絕”效應(yīng)和液晶未完全鈍化而產(chǎn)生的“直流殘留”現(xiàn)象，液晶需要用“極性反轉(zhuǎn)”的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)[9-10]。考慮到人眼和液晶的反應(yīng)時(shí)間，常用一定頻率的交流方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此如何產(chǎn)生一個(gè)交流方波信號(hào)是液晶器件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。采用RC施密特振蕩器和反相器組成的逆變電路，其核心為SN74LVC2G14DBVR雙施密特觸發(fā)器，其電氣參數(shù)如表1所示。

表1 SN74LVC2G14DBVR電氣參數(shù)

圖4 驅(qū)動(dòng)電路工作各點(diǎn)電壓示意圖

除聚合物分散液晶器件外，大部分液晶器件的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為0～5 V[11-13]。SN74LVC2G1-

4DBVR雙施密特觸發(fā)器的工作電壓范圍滿足驅(qū)動(dòng)液晶器件的要求，并且可以提供50 mA的驅(qū)動(dòng)電流。由于芯片電源連接至直流信號(hào)輸入端，根據(jù)其電氣參數(shù)可知驅(qū)動(dòng)電路輸出交流方波的峰值由輸入的直流信號(hào)決定，交流方波的頻率取決于電阻、電容的取值以及輸入直流信號(hào)的電壓。其驅(qū)動(dòng)原理為電容根據(jù)施密特觸發(fā)器的特性不斷充電放電，使施密特觸發(fā)器U1A不斷輸出由輸入直流信號(hào)電壓決定的直流方波。再根據(jù)反相器的特性可知U1B輸入輸出端之間的高低信號(hào)始終相反，因此驅(qū)動(dòng)電路可輸出交流方波。驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)各點(diǎn)的電壓示意圖如圖4所示。

3.2 輸出信號(hào)特性

輸出交流方波的特性主要由電容兩端電壓變化和施密特觸發(fā)器特性決定。電容的充放電公式為：

.

(1)

當(dāng)U1A輸入端電壓為VT-，輸出端電壓為VOH時(shí)，電容C1通過(guò)電阻R1充電至VT+，所需時(shí)間為tH。當(dāng)U1A輸入端電壓為VT+，輸出端電壓為VOL時(shí)，電容C1通過(guò)電阻R1放電至VT-，所需時(shí)間為tL。帶入式(1)分別可得到：

(2)

(3)

由式(4)和式(5)可計(jì)算出占空比和頻率：

(4)

(5)

理想狀態(tài)下VOL為0 V，VOH為Vcc，頻率計(jì)算可簡(jiǎn)化為式(6)，用于該電路RC取值的估算。

(6)

圖5 C=10 μF，不同R取值下頻率-電壓關(guān)系圖。

實(shí)際電路VCC不是固定值，根據(jù)芯片電氣特性可知VOH、VOL、VT+、VT-的值不是固定值，且芯片存在寄生電容，因此需要針對(duì)不同RC取值對(duì)液晶驅(qū)動(dòng)電路的頻率、波形、響應(yīng)速度以及輸出電壓進(jìn)行測(cè)量與分析。

圖6 C=10 μF，輸入電壓1 V，不同R取值下輸出波形圖。

圖7 C=10 μF，R=1.8 kΩ，不同輸入電壓下的輸出波形占空比。

圖5為電容C=10 μF，電阻R不同時(shí)，波形頻率隨輸入電壓的變化關(guān)系曲線。測(cè)量結(jié)果表明，隨著R值的增大，波形頻率減小，與式(6)理論計(jì)算相符。同時(shí)隨著輸入電壓的提高，波形頻率也逐漸提高。由于SN74LVC2G14DBVR的建議工作電壓為1.65 V，因此在低輸入電壓時(shí)頻率變化幅度較大，且波形不為方波，圖6為1 V輸入電壓時(shí)的輸出波形。實(shí)際測(cè)量這5種RC取值在1.1 V以上輸入電壓可輸出方波信號(hào)，取C為10 μF，R取1.8 kΩ，其占空比如圖7所示，方波波形在不同輸入電壓下較為穩(wěn)定，與理論計(jì)算相符，1.5 V輸入電壓時(shí)輸出波形如圖8所示。

圖8 C=10 μF，R=1.8 kΩ，輸入電壓1.5 V的輸出波形。

圖9 R、C乘積為固定值，不同參數(shù)下的輸出波形圖。

在滿足R、C乘積為固定值，R、C取不同值驅(qū)動(dòng)電路在1 V和2 V的輸出波形如圖9所示。在低輸入電壓時(shí)R越大，波形越趨近與方波。由于芯片本身存在寄生電容，即使外部R、C乘積相同，輸出方波的頻率依然不同，但高輸入電壓時(shí)的波形和占空比沒(méi)有較大差別。

液晶器件的響應(yīng)速度主要由液晶材料響應(yīng)速度和驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)速度決定，為測(cè)試該驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度，調(diào)節(jié)輸入電壓并用2.5 MSa/s采樣率測(cè)量輸入輸出信號(hào)波形，測(cè)量結(jié)果如圖10所示。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在該采樣率下輸出信號(hào)沒(méi)有延遲，即驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度小于0.4 μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液晶材料本身毫秒級(jí)的響應(yīng)速度[14]。相較于使用數(shù)字電路的驅(qū)動(dòng)方式[15]，該驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有使用同步時(shí)鐘信號(hào)以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換，因此提升了響應(yīng)速率。

圖10 驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)速度測(cè)試

在某些典型應(yīng)用場(chǎng)合還需明確驅(qū)動(dòng)電路的輸入輸出電壓關(guān)系。由圖9可知，不同R、C取值在相同的輸入電壓下，輸出的交流信號(hào)的電壓峰值沒(méi)有明顯變化，因此在R取1.8 kΩ，C取10 μF的條件下測(cè)量輸入-輸出電壓關(guān)系，測(cè)量結(jié)果如圖11所示。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，輸入電壓與輸出電壓峰值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，易于對(duì)后端液晶器件的控制。

圖11 輸入-輸出電壓關(guān)系

3.3 驅(qū)動(dòng)電路功耗

圖12 輸入電壓與電路功耗關(guān)系

功耗是可穿戴設(shè)備的重要指標(biāo)。在輸入端施加不同的直流信號(hào)，在輸出端開(kāi)路的條件下，測(cè)量輸入電流大小可計(jì)算出電路功耗，測(cè)量計(jì)算結(jié)果如圖12所示。輸入電壓3 V以下時(shí)電路功耗小于1 mW，5 V時(shí)電路功耗為64 mW。因此，在驅(qū)動(dòng)低飽和電壓液晶器件時(shí)電路本身功耗極低；而驅(qū)動(dòng)液晶器件時(shí)，應(yīng)在滿足使用要求的前提下盡量降低輸入電壓以降低電路功耗。

3.4 驅(qū)動(dòng)效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)液晶效果，本文選用一款液晶太陽(yáng)鏡上的液晶鏡片進(jìn)行測(cè)試。該液晶鏡片由鏡片、液晶膜和偏光片組成，在不施加電信號(hào)時(shí)其可見(jiàn)光透過(guò)率為35.8%。在64 Hz交流方波下測(cè)試條件下，閾值電壓為1 V，飽和電壓為1.65 V。將液晶鏡片與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端相連，取C為10 μF，R為1.8 kΩ，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路施加直流信號(hào)，對(duì)液晶鏡片的透過(guò)率進(jìn)行測(cè)量，透過(guò)率-電壓曲線如圖13所示。可以看到輸入閾值電壓在1 V左右，之后隨著輸入電壓升高，透過(guò)率逐漸降低且變化明顯，2 V輸入電壓之后透過(guò)率變化逐漸趨于平緩，輸入電壓達(dá)到3.4 V時(shí)已趨于飽和。測(cè)量表明該驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶鏡片透過(guò)率的控制。

圖13 鏡片透過(guò)率-輸入電壓關(guān)系圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)源逆變器的全模擬液晶驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路體積小、成本低、無(wú)需額外供電，只需要輸入直流信號(hào)即可驅(qū)動(dòng)液晶器件。通過(guò)對(duì)該驅(qū)動(dòng)電路的理論分析和實(shí)際測(cè)量，結(jié)論如下：(1)該電路在合適的參數(shù)條件下可產(chǎn)生一定頻率的交流方波；(2)該電路具有相對(duì)穩(wěn)定的占空比、極快的響應(yīng)速度以及良好的輸入輸出電壓線性關(guān)系；(3)電路自身功耗在低輸入電壓時(shí)極低。通過(guò)驅(qū)動(dòng)液晶鏡片驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)在無(wú)固定電壓供電的條件下對(duì)液晶器件透過(guò)率的精準(zhǔn)控制。