液晶顯示技術TCON介紹
摘要
本文主要介紹了液晶顯示技術中的TCON板，包括其組成、工作原理和重要組成部分。TCON板是時序控制器，又稱為邏輯板，控制板，負責將影片訊號轉化為驅動訊號。
TFT顯示原理涉及液晶分子、背光、偏光片和TFT開關。
gamma校正確保灰階正確顯示，極性反轉防止液晶極化，TCON的電源控制、gamma電路、時序控制和削角電路等功能確保了螢幕的正常工作。
TCON是什麼
TCON板全稱是timing controller，即時序控制器，時序控制電路。TCON作為控制Panel時序動作的核心電路，將從主機板處獲得的影片訊號轉化成資料驅動電路所需要的資料訊號格式（例如，LVDS轉換為miniLVDS），同時將這些資料訊號傳遞到資料驅動電路（COF IC）。控制驅動電路何時啟動。
TCON的組成一般主要有以下幾部分：
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TCON IC TCON主晶片，做核心時序控制。
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PM IC 、Level Shift IC 一些電源管理晶片以及電平轉換晶片，提供屏驅動所需要的各種不同電壓，主要以DCDC為主。
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Gamma校正電路，用於提供合適的螢幕gamma值。
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GPM IC 削角電路，主要用於改善螢幕閃爍現象。
傳統TCON的佈局主要分為以下兩種：X+C分離式和X+C一體式。
如下圖所示，分離式即是TCON板與Source驅動分離，直接透過FFC連線；而一體式則是TCON與其中一塊Source板直接整合，透過FFC與另一塊Source連線。
從整個系統的角度看TCON：
TCON將主機板傳輸過來的影片訊號做轉化處理，例如，將LVDS訊號轉RSDS訊號，供螢幕資料驅動使用，同時也為gate和source提供驅動訊號，透過COF連線到液晶皮膚實現顯示。
TFT顯示原理
在介紹TCON的詳細組成之前，我們首先先了解下TFT的顯示原理。
TFT LCD的組成主要是六個部分：背光、下偏光片、薄膜極板（即TFT基板）、液晶、彩色濾光片、上偏光片。
LCD本身不能自發光，因此需要靠背光源提供光線。從背光源發出的光經過下偏光片，只有特定方向的偏振光才能完全透過。
上偏光片方向與下偏光片垂直，如果中間不加任何處理，最終螢幕上只能顯示黑色。
因此，我們在中間新增了液晶層，透過了下偏光層的光經過液晶層時受液晶分子作用改變了偏振方向，使之可以順利透過上偏光片，從而螢幕上會顯示白色。
而要實現黑白的控制，就需要能夠控制液晶層的外加電場。當外加電場發生變化時，液晶分子的取向改變，可以在改變光方向和不改變之間選擇。
電場的控制即透過TFT層的開關來實現。TFT全稱為薄膜場效應電晶體，是一種三端器件，實際上就是MOS的一種，起到開關作用。一般來說，源極接顯示資料訊號，柵極接開關控制訊號，透過漏極輸出到液晶以及對應電容上。
皮膚是一個矩陣結構，矩陣的每個交叉點都對應一個TFT開關。
Gate Driver提供的驅動訊號控制不同行TFT的柵極開關情況，Source Driver提供的資料訊號送到不同列TFT的源極。
當掃描線訊號開啟TFT時，訊號線從源極對液晶和儲存電容充電，儲存資料；當掃描線訊號關閉TFT時，高阻抗ROFF切斷了迴路，防止資料被更改。
為了顯示彩色，還需要再增加一層彩色濾光片。一個畫素點由三個液晶單元格組成，分別對應RGB三種顏色，同時控制不同的灰階變化，混合之後就可以顯示各種顏色。
在放大鏡下觀察螢幕時可以發現每個畫素點都是由RGB三個部分組成的，同時仔細觀察可以發現每個RGB點都不是完整的矩形，而是有一部分缺塊，這一缺塊就是TFT所在的位置。
能顯示顏色的總數目由數字訊號的位數來決定，例如8bitRGB訊號，RGB三色各有255種灰度，共能顯示約16.7M種顏色。
gamma校正
瞭解完TFT顯示原理之後，我們還需要了解一下gamma（γ）值的概念。gamma，也稱為灰度係數，表徵的是輸出光曲線與輸入屏電壓的關係，主要用於灰度值的計算。
舉個例子來說明gamma，當房間內共有十根蠟燭（對應十個灰階），當第一根蠟燭被點亮時，可以明顯感覺到亮度變化，當第二根蠟燭被點亮時，明顯感覺到亮度又翻倍了，但是從第九根到第十根被點亮時，我們卻很難察覺到亮度變化了。更直觀的例子如下圖，上面是人眼感知到的亮度變化，而下面一行是實際物理上的亮度變化。
再回到理論上，亮度本身是有規定單位的，為nit，1nit=1cd/m^2。
把上面的例子再說明一遍就是從1nit到2nit，人眼可以感知明顯的變化，而500nit到501nit，同樣是增強了1nit，人眼幾乎感覺不到變化。如果我們不對影像gamma做任何處理，那麼gamma可以認為是1，是線性關係，但是對於大腦來說，要經過人眼的訊號處理，而對於人眼來說，感知到的亮度的變化並非線性均勻分佈的，人眼感知的灰階與實際影像輸入近似成冪指數的關係，可簡單表示為f(x)=x^γ，gamma值一般在1/2.2左右。
從表現上來說，就是人眼分辨暗的能力比較強，而對亮度較高的則沒那麼敏感。
對於螢幕來說，要實現最終感受到亮度與施加電壓的線性關係，就需要進行gamma校正，一般來說，控制螢幕的gamma值在2.2左右，這恰好彌補了人眼的感知曲線上凸。
極性反轉
為了防止液晶分子的極化，LCD需要採用相反的極性電壓來進行驅動。對於螢幕的每個液晶畫素，一段連線源極而來的資料訊號，另一端連線畫素公共電壓Vcom來作為參考電壓。當顯示電壓高於Vcom時為正極性，當低於Vcom時為負極性。
極性反轉的方式主要有如圖所示幾種。逐點反轉（dot）、逐行反轉（line）、逐幀反轉（frame，第N幀與第N+1幀極性相反）、逐列反轉（column）。還有一種1+2line inversion，介於dot與column之間，被大多數TFT電視所應用，如下圖所示。對於每一行中的畫素，逐點反轉，對於整幀來說，除了第一行之外，每兩行反轉一次。
那麼如何實現極性反轉呢？前面提到，施加在液晶兩端的一邊是源極驅動訊號，一邊是畫素參考電壓Vcom，因此要實現反轉主要有兩種方式，一種是改變源極驅動訊號的極性，另一種是改變參考電壓Vcom的極性，示意圖如下所示。
TCON組成詳解
上圖為描述TCON組成的一種示意圖。可以看到TCON實現的主要是三個部分的功能。DCDC為系統需要的各種電平供電，gamma部分為顯示訊號產生合適的灰度值，時序控制部分將前級主機板傳來的資料與控制訊號轉化成螢幕需要的格式。訊號轉換可以是LVDS轉mini-LVDS，也可以是轉RSDS等，依據具體訊號格式需求而定。
電源控制
首先，DCDC供電為屏驅動和TFT開關等部分提供合適的電壓。
對TFT來說，需要柵極驅動訊號和源極的資料訊號，分別由Gate Driver和Source Driver來提供。對於柵極來說，一般只包括兩個電壓VGH和VGL。VGH負責開啟TFT，VGL負責關閉TFT。
VGH，VGL具體的典型值隨屏規格的不同有所區別。例如，對於某種螢幕，VGL典型值為-23V，VGH典型值為+31V。因此，透過測量柵極電壓也可以幫助我們診斷與排查屏故障。
對於源極來說，導通後其上電壓直接對液晶進行充電，透過Gamma晶片輸出不同灰度值的對應電壓，可以控制螢幕灰度變化，這通常是某一個電壓範圍，例如0-16.3V，中間劃分256個灰階。因此，電源就需要輸出一路模擬電源AVDD，來作為Gamma晶片的電壓劃分參考。
用於邏輯控制的DVDD，一般為3.3V。同時對於液晶來說，還需要提供Vcom作為畫素參考電壓，一般直接由gamma晶片提供。
這裡我們舉個例項晶片TPS65160來更好地說明。
TPS65160手冊連結：https://xcc2.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/d_pdf/DataSheet_Pdf/8bb77f57cc9d782aa1094310b9353507a308bf99.pdf
TPS65160是一款為tv和TFT LCD panel供電專用的電源IC。TPS65160具有8至14V的輸入電壓範圍，輸出Vs範圍高達20V，500KHz/750KHz固定開關頻率。
如圖所示，是其一種應用電路參考，可以看到，提供了所需的屏資料驅動電壓Vs，柵極驅動電壓VGL、VGH，邏輯電壓Vlogic。
gamma電路
前面我們已經簡單介紹了關於gamma的一些知識，知道了我們需要在螢幕端做gamma近似2.2的校正。這項校正工作就是由gamma電路來實現的。
gamma電路主要分為兩種，一種是電阻分壓式，透過設定不同的阻值來獲得對於需要的gamma電壓輸出，這種方式成本低，但是精度不易保證，且調整較為繁瑣。另一種是P-gamma晶片，也就是可程式設計的gamma晶片，使用者可以透過介面寫入暫存器，較為準確的控制gamma輸出電壓，具有易於調整的特點，同時可以整合Vcom基準電壓，但價格會相對較貴。
如上圖所示是一種gamma晶片的架構。輸入端可以提供幾路靜態電壓基準，在圖上由R11至R44調整阻值給出。輸出若干路gamma基準電壓，送到源極驅動進一步分壓，來作為灰階劃分的基準。gamma基準電壓平均分成上下兩路，分別用於LCD列驅動器的上部、下部gamma曲線。該部分詳細的例子可以參考MAX9591的應用。
我們再以美信的MAX9668舉例來進一步說明。
MAX9668可輸出8路電壓基準，用於TFT LCD的gamma校準，同時還有一路電壓基準用於VCOM。
該晶片整合了可多次程式設計(MTP)的儲存器，使用者可透過I2C介面對暫存器進行寫入配置，修改gamma值與Vcom的值，透過10位DAC與緩衝器保證輸出的gamma電壓穩定。同時對於Vcom採用放大器保持其穩定，保證影像的輸出質量。
時序控制
TCON板上電穩定後，透過I2C匯流排讀取EEPROM中的啟動程式，來完成TCON的初始化工作。
讀取完畢正常工作後，TCON開始按照時序送出控制訊號和資料訊號給屏驅動。
某型號時序示意圖如下所示：
接下來我們介紹下部分控制訊號。
STV，start vertical，列開始訊號，同樣也是一幀的開始訊號。
CPV/CKV，clock pulse vertical，列的時鐘訊號。
STH，start horizontal，行開始的訊號。
CPH/CKH，clock pulse horizontal，行的時鐘訊號。
OE，output enable，GCOF輸出使能訊號。當OE被拉高時，會拉低柵極的輸出，避免同一個柵極訊號傳輸到相鄰的兩行。
POL，polarity inversion，極性反轉訊號。
TP，是一種源極的資料鎖存訊號，source data latch。TP上升沿時，表明輸入資料在data buffer裡面準備完畢，可以輸入進行灰階電壓轉化。當TP下降沿時，說明資料的灰階電壓轉化源極完成，output buffer可以開始輸出正確的灰階電壓。
L/R，shift direction control，控制資料的傳輸方向。
XAO，output all-on control，XAO線拉低時，柵極訊號為高，此時可以將TFT殘留的電荷釋放掉。
這其中的控制訊號，一部分送給SCOF（源極驅動/列驅動），STH、CPH、POL等；一部分送給GCOF（柵極驅動/行驅動），STV、CPV等。
COF（Chip On Flex，or，Chip On Film），常稱覆晶薄膜，是一種將積體電路固定在柔性線路板上的晶粒軟膜構裝技術，運用軟質附加電路板作為封裝晶片載體將晶片與軟性基板電路結合。SCOF，即source COF，源極COF，對應列驅動。GOF同理，對應gate COF，行驅動。
注意這裡SCOF、GCOF訊號關於行列的對應關係，例如，柵極控制每行的開關狀況，但是提供柵極訊號的參考時鐘CPV實際是某一列的gate的參考訊號（某時刻任意一行的開關狀態是確定的，由同一個gate訊號提供）。
GCOF驅動訊號、gate時序控制大致如下示意：
資料輸出時序如下示意圖所示：
同樣舉例一個時序控制晶片，National Semiconductor的FPD8734。
手冊地址：http://pdffile.icmartonline.com/pdf_file_A/20200531/pdf_pdf/pdf1/NSC/FPD87346_datasheet_328066/534673/FPD87346_datasheet.pdf
該系統將LVDS訊號轉變為RSDS訊號為屏提供驅動，FPD8734在其中作為時序控制器。
在系統裡面，我們也可以看見前面章節所說的構成部分，gary scale reference，灰階參考部分，即前述做gamma校正的部分，提供合適的灰階電壓參考給RSDS CD（即列驅動）進一步細分灰階。
時序控制IC FPD8734為行驅動和列驅動提供啟動訊號start pulse，同時也提供其他時鐘和控制訊號，例如訊號反轉，RSDS資料訊號等。
削角電路
削角電路（GPM，gate pulse modulation）是一種用於控制柵極gate訊號的DCDC配合電路，主要用於減少掃描線和畫素之間的電容耦合效應，改善饋通電壓造成的畫面閃爍。其示意波形如下圖所示。
TFT作為MOS開關本身是存在寄生電容的，Cds、Cgs、Cgd等。由於寄生電容的耦合作用，當gate獲得的控制訊號從開啟到關閉時，TFT變為截止，寄生電容Cgd仍保留了一定的電壓變化量△V，該電壓成為饋通電壓(feedthrough voltage)。
實際上，源極驅動電壓的變化和Vcom的波動同樣會帶來饋通電壓，但是一般不如柵極寄生電容Cgd帶來的明顯。饋通電壓的存在使得液晶的Clc與Cs上儲存的畫素電壓發生了一定偏移，造成畫面閃爍。
為解決此問題一般有兩種方法：一方面可以降低饋通電壓來減小影響，另一方面調整Vcom電壓進行補償。
對Cgd、Cs、Clc構成的迴路使用電荷守恆Q=CU可以求得饋通電壓表示式，如下圖所示。
在此也舉一個削角處理的IC的例子，RT8901B。此處我沒有找到實際相關手冊，資料來源於網上部落格，找到手冊以後會補上。
為解決饋通電壓問題，也出現了三階驅動電路以及更高階的驅動電路。主要是期望在不改變Vcom的前提下，實現電壓補償。
三階驅動的主要原理是利用Cs的饋通電壓，來補償Cgd產生的饋通電壓。由於需要Cs做補償，因此該方法只適合Cs On Gate的皮膚架構。關於皮膚架構Cs On Gate與Cs On Common的介紹可參考以下連結：http://www.goodlcm.com/article16/info/30.html
Cs On Gate的架構，實際上儲存電容Cs是來自與顯示電極與下一條即將開啟的Gate訊號線（如圖右下半紅色部分）。因此，下一條Gate線的開啟與關閉，是會影響到Cs儲存的電壓的，但由於開啟的時間（us）一般遠小於螢幕重新整理時間（ms），因此可以忽略其影響。
瞭解了這些以後，再回到三階驅動原理。三階驅動的波形圖如下圖示意。從波形我們可以看出，三階驅動與二階明顯不同的是gate的電平會有三段。當第N行關閉時，首先將gate拉到最低值，然後等待第N+1行訊號關閉時，將gate拉回，這個時候由於Cs的饋通電壓補償，可以補償一部分的N+1行Cgd帶來的饋通電壓。也就是說，每一行的電壓補償，實際是由上一行的Cs來反饋實現的。我們把這部分拉回的電壓記作Ve，計算的參考式也在圖中有所表示。
