LVDS車載應用傳輸質量分析

摘要：介紹了高速視頻信號低壓差分信號（low voltage differential signaling，LVDS）在薄膜晶體管（thin filmtransistor，TFT）液晶顯示屏（liquid crystal display，LCD）模組中受到的影響因素及改善方向。基于車載顯示屏中的印刷電路板（printed circuit board，PCB）及柔性電路板（flexible printed circuit，FPC）信號傳輸線進行阻抗匹配，分析LVDS 在PCB 到FPC 跨介質傳輸后，FPC 長度對LVDS 造成失真畸變，其原因為寄生電容變化導致容性反射，進而引起信號非單調性。在FPC 長度較長且電磁兼容性（electro magneticcompatibility，EMC）需求較高的情況下，將LVDS 從L 型走線改為T 型走線，可改善LVDS 眼圖的質量。

關鍵詞：TFT LCD 面板；低壓差分信號（LVDS）；柔性電路板（FPC）；印刷電路板（PCB）；信號傳輸

中圖分類號：TN919.8；TN27 文獻標識碼：A

0 引言

車載薄膜晶體管（thin film transistor，TFT）液晶顯示屏（liquid crystal display，LCD）的主流接收信號為低壓差分信號（low voltage differential signaling，LVDS）[1]。在處理高分辨率顯示時，對面板顯示集成電路（integrated circuit，IC）數量的需求增加，導致LVDS 需要級聯拓撲，目前L 型拓撲為主流架構。

LVDS 在TFT LCD 模組中的路徑為從低壓差分信號連接器（LVDS connector）進入，經印刷電路板（printed circuit board，PCB） 到柔性電路板（flexible printed circuit，FPC）再到玻璃（GLASS）及IC，實現跨介質傳輸。跨介質傳輸需要進行阻抗匹配，最佳方案是將FPC 與PCB 進行阻抗管控來保持阻抗值相同，減少信號反射。

L 型拓撲架構非一對一傳輸信號，終端匹配電阻僅設置在主接收端（master RX），如圖1 所示。支路走線對信號完整性影響較大，且跨介質交界處的阻抗難以管控，導致LVDS 眼圖質量較差，并且master RX 和從接收端（slave RX）存在眼圖差異明顯等問題。

本文對PCB 到FPC 跨介質傳輸后的LVDS 眼圖質量進行探究，設計應用于尺寸為15 in （1 in ≈2.54 cm）以下的全高清（full high definition，FHD）顯示屏（分辨率為1 920×1 080 像素），LVDS 數據傳輸速率為500 ～ 800 Mb/s，需要拓撲級聯的車載TFT LCD。本文驗證了FPC 長度對眼圖的影響，即使實現了阻抗匹配，FPC 寄生電容仍會導致信號質量變差，分析并證明寄生電容的影響，并給出LVDS T 型拓撲的改善方案。

1 FPC長度對眼圖效果的影響

PCB 采用L 型走線，PCB 在固定LVDS 走線長度及兩個IC 拓撲架構下，信號傳輸速率為600 Mb/s，LVDS L 型架構仿真模型如圖2 所示。

仿真設定FPC 和PCB 傳輸線阻抗均管控為100 Ω，master RX 處終端匹配電阻為100 Ω；FPC的長度分別為10 mm、20 mm、30 mm。結果顯示，master RX 眼圖受拓撲結構及FPC 長度影響較大，甚至無法達成產品對于眼圖0.6 個單位時間間隔（unit interval，UI）180 mV 的規格要求。

從時域展開對master RX 眼圖波形分析，波形上升沿和下降沿均出現了非單調性，并且FPC 長度越長，非單調性現象越嚴重。

2 FPC對眼圖的關鍵影響因素

2.1 跨介質對眼圖的影響因素

從PCB 到FPC 存在跨介質現象，跨介質影響信號的因素包括：①阻抗不匹配；②介質不匹配；③跨介質引入額外的延遲；④介質改變出現衰減損耗等。

跨介質交界處因顯示屏制程原因，PCB 主體和PCB 上的金手指連接時同一組傳輸線的線寬、線距不同，并且由異方性導電膠膜（anisotropicconductive film，ACF）完成PCB 與FPC 的綁定貼合制程都會導致阻抗不匹配。此外，FPC 在設計時存在單雙層選擇，網格銅、實心銅會影響阻抗，進而產生信號參考面多樣化、不連續等問題，導致FPC 阻抗不連續。但是，最突出的現象是信號出現非單調性的回勾，而非簡單的過沖下凹信號反射現象和信號延遲現象。

2.2 非單調性影響因素

信號呈現非單調性，通常指的是信號在上升沿或下降沿出現不單調的行為，如存在回溝、臺階或其他不規則形狀。信號邊沿非單調性通常是由于信號傳輸路徑過長、寄生電容過大、阻抗不連續等直接原因以及反射、多負載反射、驅動輸出阻抗較大（同時驅動過小）等間接原因，導致接收信號過緩而引起的行為[2]。

跨介質傳輸導致的阻抗不連續及多負載反射無法有效規避，因此容性負載導致的反射對非單調性影響較大。

2.3 寄生電容對傳輸線的影響

容性反射通常出現在電容充電初期，其產生的阻抗較小，小于走線的特性阻抗。信號在電容處發生負反射，這個負電壓信號和原信號疊加，使得發射端的信號產生下沖，引起發射端信號的非單調性。

對于接收端，信號到達接收端后發生正反射，反射回來的信號到達電容位置并且發生負反射，反射回接收端的負反射電壓同樣會使接收端的信號產生下沖現象。

FPC 與PCB 使用的基板材料不同， 相較于PCB，FPC 線間距和層間距往往更小，這意味著其具有更大的寄生電容。通過參考PCB 估算寄生電容公式，計算傳輸線與參考層產生的電容。計算可得，PCB 的每1 mil（1 mil ≈ 0.025 4 mm）走線與參考層產生的電容為0.000 8 pF；相較于PCB，FPC 的走線較細，每1 mil 走線與參考層產生的電容為0.001 2 pF。理論上，FPC 具有較大的寄生電容，考慮到其具有柔性，以及制作工藝和材料特性等因素，FPC 需要彎折與背光模組（back light unit，BLU）金屬層相鄰，因此大大增加了其寄生電容。

由圖3 可知，每隔1 mil 都有較大的寄生電容參與到走線中，引起容性反射，而且傳輸線長度越長參與電容越多，造成的影響也越大[3]。

2.4 寄生電容對傳輸線的影響

將長度為10 mm 的FPC 加入并聯電容，進行FPC 寄生電容模擬，如圖4 所示。

通過分析寄生電容分別為0.5 pF 與1 pF 的信號波形圖，10 mm FPC 出現明顯上升沿和下降沿的回勾，且隨寄生電容的增大而增大。實驗結果證實了FPC 存在寄生電容影響，并且傳輸線長度越長，寄生電容越大，對眼圖質量的影響也越明顯。

在現有的FPC 應用中，傳輸線參考層使用網格銅比實心銅具備更好的傳輸質量，眼圖質量也更佳[4]。網格銅減小了有效的寄生電容面積，但考慮到電磁兼容性（electro magnetic compatibility，EMC）屏蔽性能要求，實心銅的EMC 屏蔽性能更好，具有不可替代性，因此實際使用時需對網格銅、實心銅進行抉擇。

3 T型與L型走線比較

3.1 傳統T 型與L 型走線比較

PCB 采用T 型走線，兩個IC 拓撲架構下PCBLVDS 走線傳輸到master RX 和slave RX 的距離相同，信號傳輸速率為600 Mb/s，FPC 和PCB 傳輸線阻抗均管控為100 Ω，master RX 和slave RX 處均配置終端匹配電阻100 Ω，如圖5 和圖6 所示。

在FPC 長度同為30 mm 的條件下，相較于L型走線，T 型走線雖然在拓撲后會產生分流分壓效果，但因master RX 和slave RX 均有匹配電阻，整體的反射現象得到較好抑制，信號完整性更佳。雖然T 型走線眼圖的幅值小，但相較于L 型走線眼圖的眼型塌陷，T 型走線眼圖的睜眼效果更好，能達到產品對于眼圖0.6 UI 180 mV 的規格要求，且master RX 和slave RX 眼圖基本一致。

基于當前T 型走線拓撲架構，可適當調節PCB阻抗至120 Ω，增加終端匹配電阻至150 Ω，從而改善T 型走線拓撲分流分壓效果，使得眼圖效果更佳。

3.2 新型T 型架構

傳統T 型走線拓撲需要保持PCB LVDS 走線傳輸至master RX 和slave RX 的線路長度相等，所以占用PCB 板面積較大。當PCB 尺寸較小時，傳統T 型走線拓撲的應用受限。故采用L 型拓撲走線，master RX 和slave RX 端均接入終端匹配電阻架構，此架構依舊會產生分流分壓效果，但整體的反射得到較好的抑制，信號完整性也更佳。

相較于傳統T 型架構，新型T 型架構masterRX 和slave RX 因走線不同，眼圖無法保持基本一致，但高速信號線占用板面積與L 型架構相當。

4 實際顯示屏T型與L型走線眼圖驗證

本文對3 種PCB 走線眼圖進行驗證，分別采用傳統L 型走線拓撲、傳統T 型走線拓撲及新型T型走線拓撲，信號傳輸速率為600 Mb/s，FPC 采用長度為30 mm 的設計。

如圖7 所示，實測波形與仿真結論保持一致，傳統L 型走線拓撲架構眼圖塌陷嚴重，無法滿足0.6 UI180 mV 的規格要求；傳統T 型走線拓撲架構反射最小，新型T 型走線拓撲因走線架構原因存在輕微反射，但二者均能滿足0.6 UI 180 mV 的規格要求。

5 結論

本文分析了PCB 因背折需求所導致的FPC 較長、車載顯示屏LVDS 信號較差的原因，探究了FPC 阻抗匹配后仍有反射的原因，確認了RX 接收端傳輸線信號較差是因為傳輸線上仍存在反射現象，進而導致信號發生非單調性。該反射現象存在的主要原因是FPC 的寄生電容產生的容性反射較大。此外，本文還驗證了FPC 長度越長，其寄生電容產生的影響越大，證明了容性反射的真實性。

對需要較長FPC 的車載顯示屏，提出了LVDS 使用T 型走線拓撲架構的改善方法。通過實際測量與仿真，驗證了FPC 的長度相同時，T 型眼圖的質量較L 型更好，基于T 型拓撲型雙端匹配的優勢提出了新型T 型架構。結果表明，對于FPC 模組架構，PCB 使用雙終端電阻匹配架構能兼顧LVDS 信號質量與EMC 需求。

參考文獻

[1] 廖燕平，宋勇志，邵喜斌，等. 薄膜晶體管液晶顯示器顯示原理與設計[M]. 北京：電子工業出版社，2016：207-213.

[2] BOGATIN E. 信號完整性與電源完整性分析：第三版[M]. 李玉山，劉洋，初秀琴，等譯. 北京：電子工業出版社，2019：170-175.

[3] 布魯克斯. PCB 電流與信號完整性設計[M]. 丁扣寶，韓雁，譯. 北京：機械工業出版社， 2015：126-130.

[4] PAUL C R. 電磁兼容導論：第2 版[M]. 聞映紅，等譯. 北京：人民郵電出版社， 2007：523.