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Aufbau und Stromversorgung von Automotive-Displays

12. November 2018, 11:00 Uhr | Von Arthi Krishnamurthy, Daniel Ma, Chanakya Mehta und Ilona Weiss

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Bestandteile

Ein typisches TFT-LCD-Modul besteht aus dem TFT-Panel, dem LED-Backlight-Treiber, dem Timing-Controller (TCON), den Source- und Gate-Treibern, der LCD-Bias-Versorgung, den Pegelumsetzern, der U_COM und den Gamma-Puffern (Bild 1).

TFT-LCD-Panel

Ein TFT-LCD kann aus zwei verschiedenen Perspektiven beschrieben werden:

Anhand des Querschnitts
Aus der vertikalen Ansicht

Im Querschnitt eines TFT-LCDs ist eine Sandwich-ähnliche Struktur, bestehend aus Polarisator, Farbfilter, Glas, Flüssigkristall und Backlight, erkennbar (Bild 2). Zwischen Flüssigkristall und Glas befinden sich Elektroden und Dünnfilm-Transistoren (TFTs), die meist aus Indium-Zinn-Oxid bestehen. Ein Treibersignal, das an die Zellenelektrode angelegt wird, bewirkt ein Verdrehen des Flüssigkristalls – abhängig von der Ausrichtung des Polarisators ist das Display entweder normalerweise schwarz (ohne Treibersignal undurchsichtig, wie etwa bei Fernsehgeräten) oder normalerweise weiß (ohne Treibersignal transparent, wie bei Monitoren).

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Bestandteile TFT-LCD

Bilder 1 - 4

In der vertikalen Ansicht (durch eine Lupe auf die Struktur) wird die Ansteuerschaltung in einem AMLCD ersichtlich. Die Anordnung der AMLCD-Adressiermethode ermöglicht das Ansprechen jedes einzelnen Pixels beziehungsweise jedes einzelnen Subpixels. Jeweils drei Subpixel (rot, grün und blau) ergeben dabei ein Pixel (Bild 3).

Die Matrix besteht aus Spalten (Datenleitungen) und Zeilen (Gate-Leitungen). Die Ersatzschaltung für jedes Subpixel ist in dem roten Kreis ersichtlich (Bild 3). Sie besteht aus dem Flüssigkristall, elektrisch als Kondensator parallel zu einem Speicherkondensator dargestellt, und ist mit dem Transistor (TFT) in Reihe geschaltet, der mit der Matrix verbunden ist. Oberhalb befindet sich der Farbfilter.

Als Beispiel ergibt eine HD-Auflösung (1.920 x 720 p) in 1.920 Pixel x drei Spalten x 720 Zeilen insgesamt 4,14 Mio. Subpixel – und die gleiche Anzahl TFTs.

Wenn TCON ein Subpixel adressiert, wird eine positive Spannung (auch als U_GH bezeichnet) an das entsprechende Gate gelegt – der betreffende TFT wird eingeschaltet. Die Bildinformation wird dann übertragen, indem die Kondensatoren (C_LC und C_S) auf die Spannung der Datenleitung (ein Bruchteil von AVDD) aufgeladen werden. Ein weiterer Speicherkondensator parallel zu C_LC fungiert als Puffer und verringert die Folgen der Leck-Effekte von C_LC. Die Ladung wird für eine Frame-Periode (üblicherweise 1/60 Hz) aufrechterhalten. Durch Anlegen einer negativen Spannung an die Gate-Leitung (auch als U_GL bezeichnet) wird der TFT wieder abgeschaltet.
Der Mechanismus zum Adressieren der Pixel in einer Frame-Periode erfolgt zeilenweise (Bild 4).

TFT LCD Timing Controller (TCON)

TCON ist der Teil des Systems, der die Ansteuer- und Bildinformationen an die Source- und Gate-Treiber übergibt. Die Bildinformationen kommen vom Prozessor, der per FPD-Link, Embedded Display Port (eDP), High-Definition Multimedia Interface (HDMI), VGA oder einem anderen Video-Eingangsport auf dem TCON-Board angeschlossen wird.

Bei einem gering auflösenden Display ist die Verbindung zwischen TCON und Source-Treiber mit massebezogener TTL/CMOS-Logik realisiert, die zwischen 0 V und 3,3 V umschaltet.

Höher auflösende Displays erfordern höhere Schaltfrequenzen, die elektromagnetische Interferenzen verursachen können. Zur Senkung des Stromverbrauchs und der Störbeeinflussungen sowie zur Verbesserung der Signalintegrität basieren die heute gebräuchlichen Signalinterface-Standards auf LVDS (Low Voltage Differential Signaling), Reduced Swing Differential Signaling (RSDS) und Current-Mode Logic (CML) FPD-Link II/III.

LCD-Bias

Die Verbauposition der Bias-Stromversorgung im LCD ist von der Panel-Technik abhängig. Chip-on-Glass-Panels integrieren die Treiber für die LCD-Versorgungsspannungen direkt auf das Glas. Solche Panels werden in der Regel für kleine Displays mit weniger als sechs Zoll verwendet. Bei LCDs mit mehr als sechs Zoll Bilddiagonale und solchen mit höherer Auflösung befindet sich die LCD-Bias-Versorgung hingegen auf
einer externen Leiterplatte.

Die Eingangsspannung der LCD-Biasversorgung liegt typischerweise zwischen 3,3 V (bei kleineren Displays) und 12 V (bei größeren Bildschirmen beispielsweise für Fernsehgeräte). Bei Automotive-Displays beträgt die Versorgungsspannung 5 V, um eine zuverlässige und robuste Versorgung zu gewährleisten. Schutz-Features wie beispielsweise Überspannungs-Erkennung, Kurzschluss- oder Überstromschutz, einstellbare Fehlererkennung (Erkennung von Ausgangsspannungs-Fehlern abhängig von der Fehler-Verzögerungszeit) und thermische Abschaltung werden üblicherweise in die LCD-Bias-Versorgung integriert.