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Interaktivität im Fahrzeug

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 2

Spannungen im LCD-Bias-IC

Source-Treiberspannung

Die von einem Aufwärtswandler bereitgestellte Spannung AVDD ist die größte am Flüssigkristall anliegende Treiberspannung und versorgt in der Regel auch die gemeinsame Backplane-Spannung UCOM. AVDD ist direkt mit der Information verbunden, die das Bild wiedergibt, und stellt deshalb sehr strikte elektrische Anforderungen. Zu den Kriterien für AVDD gehören eine geringe Spannungswelligkeit, eine hohe Immunität gegen Leitungs- und Lasttransienten und genügend Strom zur Versorgung des Source-Treibers. Elektrische Störungen müssen minimiert werden, da andernfalls der Gleichstromanteil des Flüssigkristalls ein unerwünschtes Flackern verursachen würde. Die Source-Treiberspannung kann bipolar oder unipolar konfiguriert werden (Bild 5). Bei Panels mit bipolarer AVDD-Struktur liegt UCOM unter dem Massepotenzial, um die parasitären Kapazitäten zu kompensieren.

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Bei Panels mit unipolarer AVDD-Struktur dagegen muss UCOM auf etwa die Hälfte von AVDD eingestellt werden. Die Wahl der Source-Treiberspannung ist vom Source-Treiber-IC abhängig.

Gate-Treiberspannungen (U_GH und U_GL)

U_GH und U_GL sind die Steuerspannungen für die TFTs. Die Spannungen bestimmen den Zeitraum, während ein Pixel ein- oder ausgeschaltet ist, und somit ist die elektrische Performance nicht so wichtig wie bei AVDD. In den meisten Anwendungen erzeugen unterschiedlich konfigurierte Ladungspumpen die erforderlichen Spannungen.

Niedrige Temperaturen wirken sich direkt auf die Leistungsfähigkeit von TFTs aus – sie werden träge. Die Ein- und Ausschaltzeiten der Transistoren verlängern sich, was zu einem reduzierten Datendurchsatz führt. Um den Effekt zu kompensieren, sind einige LCD-Bias-ICs mit einer Temperaturkompensations-Funktion ausgestattet.

Logikspannung

U_CON, die Versorgungsspannung für den TCON (Timing Controller), wird gelegentlich von der LCD-Bias-Versorgung bereitgestellt. Ein Abwärtswandler oder LDO (Low-Dropout-Regler) erzeugt aus der 5 V betragenden Eingangsspannung die vom TCON benötigten 3,3 V.

Common-Spannung

Mit Image Sticking oder Image Retention werden die schwach sichtbaren Umrisse (Geisterbilder) bezeichnet, die auf dem Bildschirm verbleiben, nachdem sich der Bildinhalt geändert hat. Die Unterseite eines jeden Subpixels muss auf UCOM bezogen werden, um eine Polaritätsumkehr zu ermöglichen und dadurch ein Image Sticking zu vermeiden. Ein Puffer stellt die UCOM bereit. Während des Zustandswechsels der Source-Treiberspannung (AVDD) ist eine Einstellung der Spannung notwendig.

Image Sticking entsteht durch die parasitäre Kapazität des TFT, die sich zwischen Gate und Drain des TFT befindet (auch als Miller-Kapazität CGD bezeichnet). Wenn der TFT abschaltet, bilden CGD, CLC und CS einen kapazitiven Spannungsteiler, was zu einem Spannungsabfall an der LC-Kombination führt. Je steiler die fallende Flanke ist, umso höher ist die zurückbleibende DC-Komponente am Flüssigkristall – was sich durch Image Sticking äußert. UCOM kompensiert den Spannungsabfall und stellt die Spannung auf die Mitte der Pixelspannung zum Zeitpunkt des Zustandswechsels ein – siehe rote Linie (Bild 6).

Gate Voltage Shaping (GVS) ist eine weitere Möglichkeit, das Image Sticking zu vermeiden. Das Verfahren wird gelegentlich auch als Gate Pulse Modulation (GPM) bezeichnet und flacht die fallende Flanke des Abschaltsignals etwas ab.

Nachteilige Auswirkungen auf die Display-Performance hat auch horizontales Übersprechen, bei dem benachbarte Pixel fälschlicherweise dieselbe Grauskala anzeigen. Ein Grund kann der eingeschränkte Treiber- (Spitzen-) Strom des UCOM-Puffers während des Ein- oder Ausschaltens sein. Wenn der Treiberstrom begrenzt ist, kann sich UCOM nicht rechtzeitig einregeln, um zu Beginn des nächsten Zyklus den Sollwert wieder zu erreichen.

Die wichtigsten Parameter für einen UCOM-Puffer sind der mögliche Ausgangsstrom, die Bandbreite und die Anstiegsgeschwindigkeit. UCOM muss bei der Produktion jedes Panels individuell eingestellt werden, da die parasitären Kapazitäten je Panel unterschiedlich ausfallen.

Pegelumsetzer

Der Pegelumsetzer überträgt das vom TCON kommende Gate-Signal mit Logik-I/O-Spannungen auf die Pegel, die zum Ansteuern der On-Glass-Transistoren erforderlich sind (U_GH und U_GL). U_GH entspricht dabei einem High-Signal und UGL einem Low-Signal der TCON-Logikausgänge. Beim Pegelumsetzer handelt es sich um einen Ausgangspuffer. GVS oder das Charge Sharing (CS) – eine Technik zur Senkung des Stromverbrauchs durch die Wiederverwendung von Ladung von einem Pegelumsetzer-Ausgangskanal zum anderen – erfordert mehr Output und eine höhere Logikdichte im Pegelumsetzer.
In den meisten Anwendungen stellt der TCON dem Pegelumsetzer eine vorgegebene Anzahl Takt- und Steuersignale zur Verfügung, aus denen er die gleiche Anzahl Ausgangskanäle generiert.

Werden mehrere Panels zu einem großen Display kombiniert, dürfen weder Ränder noch Einfassungen entstehen. Gate-on-Array (GOA) -Panels haben schmale Einfassungen, da der Gate-Treiber direkt auf dem Array angeschlossen ist. Solche Architekturen erfordern einen Pegelumsetzer auf der TCON-Leiterplatte – in das PMIC integriert oder als eigenständige integrierte Schaltung.

Gammakorrektur-Spannung

Die Gammakorrektur-Spannung (UGAM) ist die Referenzspannung für die Source-Treiber-D/A-Umsetzer. Die Gammakorrektur ist zur Kompensation der Bilderkodierung wegen der nicht-linearen Lichtwahrnehmung des menschlichen Auges erforderlich. Der Source-Treiber definiert die Zahl der verschiedenen Spannungssprünge, die auf ein Pixel angewendet werden können. Zum Beispiel reagiert ein 8-Bit-DAC auf 256 mögliche Grauabstufungen. Die Gammakorrektur erfolgt hierbei, indem die Spannungsstufe relativ zur Gammakurve (V/T) des Panels angepasst wird.
Der Gammapuffer kann in das PMIC integriert oder als separater IC implementiert sein. Der eigenständige IC erlaubt eine dynamische Kalibrierung in der Produk-tionslinie, wenn das Display bereits in das Fahrzeug eingebaut ist. Das Kalibrieren in der Produktionslinie ermöglicht den Autoherstellern eine hochpräzise Farbanpassung zwischen Display und Armaturentafel – um Unterschiede im Fertigungsprozess auszugleichen.

Integrationsgrade

Für die elektrischen Anforderungen eines LCD sind unterschiedliche Produkte mit vielen Integrationsgraden erhältlich. Einige Produkte integrieren bipolare oder unipolare AVDD, U_GH/U_GL und U_COM sowie einen integrierten LDO zur Bereitstellung von ULOGIC.

Abhängig von den Integrationsanforderungen des fahrzeugseitigen Display-Systems, können integrierte LCD-Bias-Produkte oder eigenständige ICs für LCD-Bias, Pegelumsetzer, Gamma und U_COM eingesetzt werden.

Source-Treiber

Der auch als Spalten- oder Datentreiber bezeichnete Source-Treiber verwandelt Daten des TCON in die erforderliche Spannung der einzelnen TFTs. Der von mini-LVDS (oder TTL, RSDS) angewandte digitale Teil besteht aus einem Schieberegister und einem Sample-and-Hold-Register. Der analoge Teil, der die Information in die entsprechende Spannung der Datenleitung umwandelt, enthält einen DAC, einen Multiplexer, einen Ausgangspuffer und gelegentlich einen Pegelumsetzer (bei großformatigen Panels).

Zu den wichtigsten Eckdaten eines Source-Treibers gehören nachfolgende Informationen:

Zahl der Kanäle
Betriebsspannung
Gamma-Referenzspannung
Grauskala (8 Bit oder 10 Bit)
Inversionsmethode (Frame, Zeile, Spalte, Punkt)
Ausgangsspannung Interface-Standard (mini-LVDS, TTL, RSDS)
Gehäuse (TCP, Chip-on-Glass, Chip-on-Film [COF])

Gate-Treiber

Der auch als Zeilen- oder Scan-Treiber bezeichnete Gate-Treiber wandelt die vom TCON kommenden Ansteuersignale in die erforderliche Spannung für das Gate der einzelnen TFTs um. Er besteht aus einem Schieberegister, einem Pegelumsetzer und Ausgangspuffern. Ein Startimpuls (STV) wählt jeweils
eine Datenleitung eines Source-Treibers aus. Erreicht der STV das Ende des Gate-Treibers, wird er an den nächsten
Gate-Treiber übertragen, wo er wieder als Startimpuls fungiert.

Zu den wichtigen Eckdaten eines Gate-Treibers zählen nachfolgende Informationen: