1 引言
随着液晶显示技术的迅速发展，由于薄模晶体管有源矩阵液晶显示器（TFT-LCD）具有出色的色彩饱和度、色还原能力和较高的对比度，画质好，响应速度快等优点，使得液晶产品占据了市场，关于液晶方面的研究越来越受关注。
当采用 Common 电压固定的方式来驱动 TFT-LCD 液晶显示设备时，Common 电压的误差会使得正负极性的同一灰阶电压产生误差，在不停切换画面的情况下，正负极性画面的交替，使人感觉到明显的闪烁现象。为了防止这种现象的发生，减小栅驱动器的馈通现象以及栅走线与液晶显示面板的耦合效应[1]，通过引入门宽调制控制器电路来解决上述问题。
该设计方法使门宽调制控制器电路的输出下降延时可调，并且下降斜率可调，其输出输入到栅驱动器中，减小了液晶显示的功耗，避免了液晶显示设备的错误显示。采用该门宽调制控制器的基于电流模 PWM 升压型 DC-DC 和可调电荷泵的芯片已在 UMC 0.6μm BCD 工艺线投片，测试结果表明该门宽调制控制器电路工作良好。
2 TFT-LCD 液晶显示驱动拓扑结构
图 1 是 TFT-LCD 液晶显示驱动拓扑结构，DC-DC、电荷泵和门宽调制控制器电路集成于片内，VGH 是可调电荷泵电路产生的电压，作为门宽调制控制器电路的电源；VADD 是 DC-DC 的输出，作为门宽调制控制器电路的输出 VGH-M 的低电平，同时作为电荷泵和栅驱动器的电源。Timing&logic 模块产生使能信号（enable）和时钟信号 VFLK，Enable 使能门宽调制控制器电路。VFLK 为高电平“1”时，门宽调制控制器的输出 VGH-M 为 VGH，栅驱动器打开 TFT-LCD；当 VFLK 为低电平“0”时，VGH-M 为 VADD，栅驱动器关闭 TFT-LCD。
在 TFT-LCD 液晶显示设备中，等效架构如图 1 所示，TFT 管作为选择开关串接在每一个子像素液晶单元的一个电极上，其栅极与行驱动线相连，源极与列驱动线相连。其中行扫描线由栅驱动器电路控制，列驱动线由源驱动器电路控制。当栅驱动器的输出波形中有一行为高电平时，这一行的 TFT 管全部导通，同时源驱动器将准备好的驱动电压通过导通的 TFT 加载到液晶显示电极上，对各像素点的等效电容和存储电容进行充电到相应的灰度等级电压，并由存储电容存储该电压直到下一次 TFT 管打开时才被改变。
2.1 芯片系统构成
芯片系统功能框图如图 2 所示，主要包含升压型 DC-DC、输出可调电荷泵、门宽调制控制器电路。升压型 DC-DC 的输出 VADD 作为栅驱动器、电荷泵的电源，同时作为门宽调制控制器的输出低电平。输出可调电荷泵的输出 VGH，作为门宽调制控制器的电源和输出 VGH-M 的高电平。门宽调制控制器电路，通过延时控制和可调下降斜率，输入到栅驱动器从而驱动 TFT-LCD 液晶显示设备，有效地抑制闪烁现象。
2.2 升压型 DC-DC
图 2 中升压型 DC-DC 主要由基准、振荡器、斜坡补偿、启动和故障控制（包括软启动、欠压锁定、过流保护、过温保护、过压保护等）、误差放大器、PWM 比较器和驱动电路[2] 等主要模块组成。基准模块产生了1.2V，0.8V，0.35V，0.3V 和 0.15V 等 5 种基准电压。芯片的电流峰值限制值为 3A。振荡器的频率为 1MHz。在欠压锁定模块中，当电源电压 VIN 低于 2.0V 时，关断芯片，避免芯片工作在不稳定的模式当中。斜坡补偿模块主要是产生斜坡补偿信号[3]，与电感电流采样信号进行叠加，进而与误差放大器产生的信号进行比较得到电感电流峰值检测信号。
反馈电压 VFB 与基准信号 VREF 比较得到差值放大信号 V-EA，电感电流峰值采样信号与斜坡信号叠加后产生信号 Vsigma，V-EA 与 Vsigma 比较得到峰值监测信号，对每个周期信号进行监测。当电感电流在每个周期达到峰值时，电感电流峰值为 ISW，主开关管导通电阻为 RDSON，电感电流峰值限制为 ILIM，则
V-EA=Vsigma=ISWRDSON+mslopeDT(RI-V+Rsense)，  0≤ISW≤ILIM       (1)
DC-DC 最大负载电流为：
 ，

             (2)
DC-DC 的输出为：
          (3)
2.3 可调输出电荷泵
图 2 中可调输出电荷泵[4~6] 主要由振荡器、误差放大器EA，Bufferp，Buffern，M1，M2，Cl，C2，D1，D2，  RF3，RF4 等组成，设计中采用饱和区 MOS 管 M2 作为输出调节。反馈网络由反馈电阻 RF3、RF4、误差放大器 EA   组成。开关管 M1 和 M2 由占空比为 50％ 的振荡器信号  CLKP，CLKN 控制。误差放大器 EA 的输出为 EAOUT，Buffern 和 CLKN 信号将误差放大器的输出 EAOUT 转化为占空比为 50％ 的 Vadj，Vadj 振幅由误差放大器的输出电压控制。
CLKP 和 CLKN 是振荡器产生的时钟信号，时钟周期为 TOSC，幅度为 VIN。对于任意一个 m 时钟周期，当 mTOSC<t<mTOSC+TOSC/2 时，CLKP 为低电平“0”，CLKN 为高电平“1”时，M1 关断，M2 导通，二极管 D1 导通，D2 截止，VADD 开始对泵电容 C1 充电，充电时间为ΔT，充电电流为 I1，C1 两端的电压差为 VC1，饱和区 MOS 管 M2 的导通电阻 RONM2，其大小由 Vadj 控制。

                   (4)

VC1=VOSC/2<t<VD1-I1RONM2                                         (5)
当 mTOSC+TOSC/2<t<mTOSC+TOSC 时，CLKP 为高电平“1”和 CLKN 为低电平“0”时，M1 导通，M2 关断，二极管 D1 截止，D2 导通，泵电容 C1 开始向负载电容 C2 放电，放电电流大小为 I2，放电时间为 ΔT，此时负载电容 C2 上的电压为 VGH，线性区 MOS 管 M1 的导通电阻为 RONM1，其大小由 VIN 决定。

                    (6)

VGH=VADD-VC1-I2RONM1                                            (7)
在泵电容 C1 充电阶段，当 mTOSC<t<mTOSC+ΔT，泵电容 C1 两端的电荷变化量为 |ΔQCl|充电；在泵电容 C1 放电阶段，当 mTOSC+TOSC/2<t<mTOSC+TOSC/2+ΔT，泵电容 C1 两端电荷变化量 |ΔQCl| 放电，在稳定状态，泵电容 C1 两端的电压 VC1 保持恒定，由此可知，   
|ΔQCl|充电=|ΔQC1|放电                       (8)
在稳定状态的时间远大于充电和放电时间 ΔT 时，即
C1RONM2≥NΔT，C1RONMl≥NΔT，N≥10            (9)
    |I1|=|I2|                                     (10)
M1 和 M2 周期性导通，通过对泵电容 C1 的充放电控制，能量从电源电压 VADD 传输到负载电容 C2 上。在任意一个时钟周期，在对泵电容 C1 充电阶段，负载电容 C2 向负载供电；泵电容 C1 放电阶段，向负载电容 C2 充电。在电荷泵闭环负反馈系统中，电荷泵充电能量等于负载消耗能量，使得输出电压 VGH 为一个稳定值。在泵电容 C1 放电阶段，若负载消耗的电流为 Iload，则，
    2ΔTIload=ΔTI2=ΔT|Il|                       (11)
由 (7) 和 (11) 式可得，
VGH=VREF(1+RF3/RF4)=2VADD-VDl-VD2-2Iload(RONMl+RONM2) (12)
饱和区 MOS 管 M2 由振幅受误差放大器控制的振荡信号 Vadj 控制，其导通电阻通过反馈环路来调节。当电源电压或负载电流变化时，由 (12) 式可以看出，通过调节反馈电阻 RF3 和 RF4 的比例，可以改变输出电压 VGH，电荷泵反馈环路通过调节 M2 的导通电阻使得输出电压稳定在一个固定值。
3 门宽调制控制器电路设计
3.1 TFT-LCD 液晶显示闪烁现象和栅驱动器的馈通现象分析
TFT-LCD 液晶显示[7]的显示电压分成了两种极性，一个正极性，另一个负极性，当显示电极的电压高于 Common 电极电压时，显示电压成正极性，而当显示电压低于 Common 电极的电压时，显示电压为负极性。在使用 Common 电压固定的方式来驱动 TFT-LCD 液晶显示设备时，当 Common 电压有一点误差，如图 3 所示，正负极性的同一灰阶电压会产生差别，在不停切换画面时，由于正负极性画面交替出现，就会产生闪烁现象。
馈通电压的产生主要是因为 TFT-LCD 液晶显示面板上其他电压的变化，经由寄生电容或存储电容，影响到显示电极电压的正确性。在 TFT-LCD 面板上主要变化来源有 3 个，分别是：(1) 栅驱动电压的变化；(2) 源驱动电压的变化；(3) Common 电压的变化。图 4 是馈通电压形成的示意图。当栅走线打开或关闭的一瞬间，电压的变化是最激烈的，大约有 30V～40V，再经由寄生电容 Cgd，影响到显示电极的电压。在图 4 中，帧 N 的栅驱动电压打开时，会产生一个向上的馈通电压到显示电极上，源驱动器仍将显示电极充到正确的电压上，影响便不会太大。当栅驱动走线关闭的时候，由于源驱动器不再对显示电极充电，所以栅驱动器关闭时的电压压降，经由寄生电容 Cgd 馈通到显示电极上，造成显示电极电压有一个馈通的压降，而影响到灰阶显示的正确性。由于此时源驱动器已经不再对显示电极充电，馈通电压压降会一直影响显示电极的电压，直到下一次栅驱动走线再打开的时候，所以这个馈通电压对于显示画面的灰阶的影响，人眼可以明显感觉到它的存在。
为解决闪烁现象，设计了一种门宽调制控制器电路，能有效解决闪烁现象和栅驱动器馈通问题，通过延时控制避免 TFT-LCD 液晶设备的错误显示。该门宽调制控制器电路易于在芯片内集成，提高了芯片的集成度，减小了 TFT-LCD 外围电源电路的 PCB 面积，静态电流小于 1μA，有效降低了系统的功耗。
3.2 门宽调制控制器电路的实现
图 5 所示为传统的门宽调制控制器电路，由于传统的门宽调制电路输出是个完整的方波，其输出到栅驱动器从而驱动 TFT-LCD 会引起闪烁现象的发生。图 6 是新设计的门宽调制控制器电路[2]，与传统门宽调制控制器相比，延时可调且下降斜率可调，能有效地避免传统的门宽调制控制器电路所引起的闪烁现象。它由使能单元、延时控制单元、放电控制单元、时序逻辑控制、电平移位、缓冲器 Bufferl、缓冲器 Buffer2 等组成。延时控制单元由M1，M2，M3，M4，M5，CE，COMP，I4，I6，M20 等组成。当 Enable 信号为低电平“0”时，门宽调制控制器电路停止工作，IREF1 为零温度系数电流，VFLK 为占空比为 50％ 的方波信号，VGH-M 的容性负载 Cload 大小为 1nF，此时门宽调制电路的输出为 VGH-M，电容 CE 上的电压为 f (VCE)，对于任意一个时钟周期，当 nT<t<nT+T/2时，
VGH-M=0，f (VCE)=0                           (13)
当 Enable 信号为高电平“1”，VFLK 为低电平“0”时，电容 CE 开始充电，当电容 CE 的电压达到 VREF 时，比较器输出高电平“1”，经过逻辑关断 M4，停止对电容 CE 充电，由此可得，当 nT+T/2<t<nT+T/2+CEVREF/KIREF1 时，经由控制逻辑和 M6，M7，M8，M9，M10，R1，R2，R3 组成的电平转换电路，M11 保持导通，电容 CE 充电到 VREF 的延时时间为 Tdelay，输出 VGH-M 的负载电容 Cload 的电压保持为 VGH. (W/L)M1：(W/L)M2=1:1，(W/L)M3: (W/L)M4=1: K1，此时有，
                        (14)

          (15)

当在下一个时钟周期到来之前，即 nT+T/2+CEVREF/K IREFl<t<(n+1)T 时，电容 CE 上的电压保持为 VREF，控制逻辑和电平转换电路关断 M11 和 M19，通过由 Bufferl，Buffer2，R1，RE，M12，M14，M15，M16，M17，M18 组成的放电控制单元放电，负载电容放电至 VADD，放电电流大小为 Idch，斜率为 Slope，下降时间为 Tf，(W/L)M17: (W/L)M16=1: 1，(W/L)M15: (W/L)M14=1: K2，此时，

VGH-M=VADD ，   f (VCE)=VREF                (17)
当 Enable 信号为高电平“1”，VFLK 为高电平“1”时，电容 CE 放电到“0”，比较器 COMP 输出为 0，控制逻辑和电平转换电路打开 M11，关断 M12 和 M19，完成对负载电容 Cload 的快速充电，此时，
VGH-M=VGH ，   f (VCE)=0                                        (18)
最终设计的门宽调制控制器电路的输出 VGH-M 为三态输出，通过下降延时有效地避免了栅驱动器的馈通现象，从而抑制了 TFT-LCD 液晶显示设备的闪烁现象和错误显示，则系统在任意一个时钟周期内有

转载于《半导体学报》