前言
??本文主要介绍液晶显示技术TCON即时序列控制板的组成和部分原理。本文整合了网络和书籍内容，辅以个人理解，并将参考链接放在文章的末尾。由于作者的个人水平有限，错误是不可避免的，如果有错误，请指出。
文章目录
- 前言
- 一、TCON是什么？
- 二、TFT显示原理
- 三、gamma校正
- 四、极性反转
- 五、TCON组成详解
-
- 1.电源控制
- 2.gamma电路
- 3.时序控制
- 4.削角电路
- 参考资料
一、TCON是什么？
:TCON板全称是timing controller，时序控制器，时序控制电路。TCON作为控制Panel时间动作的核心电路将从主板获得的视频信号转换为数据驱动电路所需的数据信号格式(例如，LVDS转换为miniLVDS），同时将这些数据信号传递到数据驱动电路（COF IC）。何时启动控制驱动电路。
??TCON一般有以下几部分：
- TCON IC TCON主芯片，控制核心时序
- PM IC 、Level Shift IC 一些电源管理芯片和电平转换芯片主要提供屏幕驱动所需的各种电压DCDC为主
- Gamma校正电路提供适当的屏幕gamma值
- GPM IC 主要用于改善屏幕闪烁。
??传统TCON布局主要分为以下两种：X C分离式和X C一体式。 如下图所示，分离是TCON板与Source驱动分离，直接通过FFC连接；一体式是TCON与其中一块Source板材直接集成，通过FFC与另一块Source连接。
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??TCON转换主板传输的视频信号，例如LVDS信号转RSDS由屏幕数据驱动的信号也是如此gate和source通过提供驱动信号COF连接到液晶面板实现显示。
二、TFT显示原理
??在介绍TCON在详细组成之前，让我们先了解一下TFT显示原理。 ??TFT LCD主要由背光、下偏光片、薄膜极板六部分组成(即TFT基板)、液晶、彩色滤光片、上偏光片。
??LCD它能自发光，需要靠背光源提供光。从背光源发出的光通过下偏光片，只有特定方向的偏光才能完全通过。上偏光片的方向垂直于下偏光片。如果中间没有任何处理，最终只能在屏幕上显示黑色。因此，我们在中间添加了液晶层，当下偏光层的光通过液晶层时，液晶分子改变了偏振方向，使它能够顺利通过上偏光片，从而在屏幕上显示白色。 ??要实现黑白控制，需要能够控制液晶层的外部电场。当外部电场发生变化时，液晶分子的方向可以在改变光的方向和不改变之间进行选择。 ??电场的控制是通过的TFT实现层开关。全称为膜场效应晶体管，是一种三端器件，实际上是MOS一种，起到开关的作用。一般来说，源极接显示数据信号，栅极接开关控制信号通过漏极输出到液晶和相应的电容器上。
??面板是矩阵结构，矩阵的每个交叉点对应一个TFT开关。Gate Driver不同行控制驱动信号提供的驱动信号TFT网极开关情况，Source Driver向不同列发送提供的数据信号TFT的源极。打开扫描线信号时TFT当扫描线信号关闭时，信号线从源极向液晶和存储电容充电并保存数据；TFT时，高阻抗ROFF切断电路，防止数据更改。 ??为了显示颜色，还需要添加一层彩色滤光片。一个像素点由三个液晶单元格组成，分别对应RGB三种颜色，同时控制不同的灰阶变化，混合后可显示各种颜色。 ??在放大镜下观察屏幕时，可以发现每个像素点都是由RGB三个部分组成，仔细观察可以发现每个部分RGB点都不是完整的矩形，而是有一部分缺块，这一缺块就是TFT位置。
??数字信号的位数决定了显示颜色的总数，例如8bitRGB信号，RGB三色各有255种灰度，共显示约16种灰度.7M种颜色。
三、gamma校正
??了解完TFT显示原理后，我们还需要了解gamma（γ）值的概念。gamma，也称为灰度系数，表征的是输出光曲线与输入屏电压的关系，主要用于灰度值的计算。 ??举例说明gamma，当房间里有十根蜡烛（对应十个灰阶）时，当第一根蜡烛被点亮时，我们可以清楚地感觉到亮度的变化。当第二根蜡烛被点亮时，我们明显感觉到亮度翻了一番，但当第九根蜡烛到第十根蜡烛被点亮时，我们很难注意到亮度的变化。更直观的例子如下图，上面是人眼感知到的亮度变化，而下面一行是实际物理上的亮度变化。 ??理论上，亮度本身就有规定的单位，为了nit，1nit=1cd/m^2。 ??再次解释上面的例子是从1nit到2nit，人眼可以感知到明显的变化，而500nit到501nit，也增强了1nit，人眼几乎感觉不到变化。假如我们没有图像gamma做任何处理，然后gamma可以认为是1，是线性关系，但是对于大脑来说，要经过人眼的信号处理，而对于人眼来说，感知到的亮度的变化并非线性均匀分布的，人眼感知的灰阶与实际图像输入近似成幂指数的关系，可简单表示为f(x)=x^γ，gamma值一般在1/2.2左右。从表现上看，人眼分辨暗的能力比较强，对亮度比较高的不那么敏感。对于屏幕来说，需要实现亮度与施加电压的线性关系gamma校正，一般来说，控制屏幕gamma值在2.2左右，正好弥补了人眼感知曲线的凸起。
四、极性反转
??为防止液晶分子极化，LCD相反的极性电压需要驱动。对于屏幕上的每个液晶像素，连接源极的数据信号，连接像素公共电压的另一端Vcom作为参考电压。当显示电压高于时Vcom当低于时，是正极性Vcom时为负极性。 ??极性反转的方法主要如图所示。逐点反转（dot）、逐行反转（line）、逐帧反转（frame，第N帧与第N 1帧极性相反，逐列反转（column）。还有一种1 2line inversion，介于dot与column之间，大多数TFT如下图所示。对于每行像素，逐点反转，对于整帧，除了第一行，每两行反转一次。 ??那么如何实现极性反转呢？前面提到，液晶两端施加的一侧是源极驱动信号，另一侧是像素参考电压Vcom，因此，有两种方法可以实现反转，一种是改变源极驱动信号的极性，另一种是改变参考电压Vcom示意图如下所示极性。
五、TCON组成详解
??上图为描述TCON一成的示意图。可以看到TCON功能主要由三个部分实现。DCDC为系统所需的各种电平供电，gamma显示信号产生适当的灰度值，时序控制部分将前主板传输的数据和控制信号转换为屏幕所需的格式。可以进行信号转换LVDS转mini-LVDS，也可以是转RSDS等，根据具体信号格式的要求。
1.电源控制
??首先，DCDC电源是屏幕驱动和TFT提供适当的电压，如开关。对TFT就格栅极驱动信号和源极数据信号而言，它们是由Gate Driver和Source Driver来提供。栅极通常只包括两个电压VGH和VGL。VGH负责开启TFT，VGL负责关闭TFT。VGH，VGL具体典型值随屏幕规格不同。例如，对于某个屏幕，VGL典型值为-23V，VGH典型值为 31V。因此，测量栅极电压也可以帮助我们诊断和检查屏幕故障。 ??对于源极，导通后其上电压直接充电液晶，通过Gamma 芯片输出不同灰度值的对应电压，可以控制屏幕灰度的变化，通常是0-16等电压范围.3V，中间分为256个灰阶。因此，电源需要输出模拟电源AVDD，来作为Gamma芯片的电压划分参考。 ??用于逻辑控制DVDD，一般为3.3V。同时，液晶也需要提供Vcom作为像素参考电压，通常直接通过gamma芯片提供。 ??这里我们举一个实例芯片TPS65160更好160。 ??TPS65160手册链接：https://xcc2.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/d_pdf/DataSheet_Pdf/8bb77f57cc9d782aa1094310b9353507a308bf99.pdf ??TPS65160是一款为tv和TFT LCD panel供电专用电源IC。TPS65160具有8至14V输入电压范围、输出Vs范围高达20V，500KHz/750KHz固定开关频率。
??如图所示，它是一种应用电路参考，可以看到提供所需的屏幕数据驱动电压Vs，栅极驱动电压VGL、VGH，逻辑电压Vlogic。
2.gamma电路
??前面我们简单介绍了一下gamma知道我们需要在屏幕端做一些知识gamma近似2.2.校正。这项校正工作是由gamma实现电路。 ??gamma电路主要分为两种，一种是电阻分压式，通过设置不同的电阻值来获得所需的电阻gamma这压输出成本低，但是精度不易保证，且调整较为繁琐。另一种是P-gamma芯片，也就是可编程的gamma芯片，用户可以通过接口写入寄存器，较为准确的控制gamma输出电压，具有易于调整的特点，同时可以集成Vcom基准电压，但价格会相对较贵。 如上图所示是一种gamma芯片的架构。输入端可以提供几路静态电压基准，在图上由R11至R44调整阻值给出。输出若干路gamma基准电压，送到源极驱动进一步分压，来作为灰阶划分的基准。gamma基准电压平均分成上下两路，分别用于LCD列驱动器的上部、下部gamma曲线。该部分详细的例子可以参考MAX9591的应用。 我们再以美信的MAX9668举例来进一步说明。 MAX9668可输出8路电压基准，用于TFT LCD的gamma校准，同时还有一路电压基准用于VCOM。 该芯片集成了可多次编程(MTP)的存储器，用户可通过I2C接口对寄存器进行写入配置，修改gamma值与Vcom的值，通过10位DAC与缓冲器保证输出的gamma电压稳定。同时对于Vcom采用放大器保持其稳定，保证图像的输出质量。
3.时序控制
TCON板上电稳定后，通过I2C总线读取EEPROM中的启动程序，来完成TCON的初始化工作。读取完毕正常工作后，TCON开始按照时序送出控制信号和数据信号给屏驱动。 某型号时序示意图如下所示： 接下来我们介绍下部分控制信号。 STV，start vertical，列开始信号，同样也是一帧的开始信号。 CPV/CKV，clock pulse vertical，列的时钟信号。 STH，start horizontal，行开始的信号。 CPH/CKH，clock pulse horizontal，行的时钟信号。 OE，output enable，GCOF输出使能信号。当OE被拉高时，会拉低栅极的输出，避免同一个栅极信号传输到相邻的两行。 POL，polarity inversion，极性反转信号。 TP，是一种源极的数据锁存信号，source data latch。TP上升沿时，表明输入数据在data buffer里面准备完毕，可以输入进行灰阶电压转化。当TP下降沿时，说明数据的灰阶电压转化源极完成，output buffer可以开始输出正确的灰阶电压。 L/R，shift direction control，控制数据的传输方向。 XAO，output all-on control，XAO线拉低时，栅极信号为高，此时可以将TFT残留的电荷释放掉。
这其中的控制信号，一部分送给SCOF（源极驱动/列驱动），STH、CPH、POL等；一部分送给GCOF（栅极驱动/行驱动），STV、CPV等。 COF（Chip On Flex，or，Chip On Film），常称覆晶薄膜，是一种将集成电路固定在柔性线路板上的晶粒软膜构装技术，运用软质附加电路板作为封装芯片载体将芯片与软性基板电路结合。SCOF，即source COF，源极COF，对应列驱动，GOF同理，对应gate COF，行驱动。 注意这里SCOF、GCOF信号关于行列的对应关系，例如，栅极控制每行的开关状况，但是提供栅极信号的参考时钟CPV实际是某一列的gate的参考信号（某时刻任意一行的开关状态是确定的，由同一个gate信号提供）。
GCOF驱动信号、gate时序控制大致如下示意： 数据输出时序如下示意图所示： 同样举例一个时序控制芯片，National Semiconductor的FPD8734。 手册地址：http://pdffile.icmartonline.com/pdf_file_A/20200531/pdf_pdf/pdf1/NSC/FPD87346_datasheet_328066/534673/FPD87346_datasheet.pdf 该系统将LVDS信号转变为RSDS信号为屏提供驱动，FPD8734在其中作为时序控制器。 在系统里面，我们也可以看见前面章节所说的构成部分，gary scale reference，灰阶参考部分，即前述做gamma校正的部分，提供合适的灰阶电压参考给RSDS CD（即列驱动）进一步细分灰阶。 时序控制IC FPD8734为行驱动和列驱动提供启动信号start pulse，同时也提供其他时钟和控制信号，例如信号反转，RSDS数据信号等。
4.削角电路
削角电路（GPM，gate pulse modulation）是一种用于控制栅极gate信号的DCDC配合电路，主要用于减少扫描线和像素之间的电容耦合效应，改善馈通电压造成的画面闪烁。其示意波形如下图所示。 TFT作为MOS开关本身是存在寄生电容的，Cds、Cgs、Cgd等。由于寄生电容的耦合作用，当gate获得的控制信号从开启到关闭时，TFT变为截止，寄生电容Cgd仍保留了一定的电压变化量△V，该电压成为馈通电压(feedthrough voltage)。实际上，源极驱动电压的变化和Vcom的波动同样会带来馈通电压，但是一般不如栅极寄生电容Cgd带来的明显。馈通电压的存在使得液晶的Clc与Cs上保存的像素电压发生了一定偏移，造成画面闪烁。 为解决此问题一般有两种方法：一方面可以降低馈通电压来减小影响，另一方面调整Vcom电压进行补偿。 对Cgd、Cs、Clc构成的回路使用电荷守恒Q=CU可以求得馈通电压表达式，如下图所示。 在此也举一个削角处理的IC的例子，RT8901B。此处我没有找到实际相关手册，资料来源于网上博客，找到手册以后会补上。 为解决馈通电压问题，也出现了三阶驱动电路以及更高阶的驱动电路。主要是期望在不改变Vcom的前提下，实现电压补偿。 三阶驱动的主要原理是利用Cs的馈通电压，来补偿Cgd产生的馈通电压。由于需要Cs做补偿，因此该方法只适合Cs On Gate的面板架构。关于面板架构Cs On Gate与Cs On Common的介绍可参考以下链接：http://www.goodlcm.com/article16/info/30.html Cs On Gate的架构，实际上存储电容Cs是来自与显示电极与下一条即将开启的Gate信号线（如图右下半红色部分）。因此，下一条Gate线的开启与关闭，是会影响到Cs存储的电压的，但由于开启的时间（us）一般远小于屏幕刷新时间（ms），因此可以忽略其影响。 了解了这些以后，再回到三阶驱动原理。三阶驱动的波形图如下图示意。从波形我们可以看出，三阶驱动与二阶明显不同的是gate的电平会有三段。当第N行关闭时，首先将gate拉到最低值，然后等待第N+1行信号关闭时，将gate拉回，这个时候由于Cs的馈通电压补偿，可以补偿一部分的N+1行Cgd带来的馈通电压。也就是说，每一行的电压补偿，实际是由上一行的Cs来反馈实现的。我们把这部分拉回的电压记作Ve，计算的参考式也在图中有所表示。
参考资料
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