如何为（不那么遥远的）未来的汽车TFT-LCD显示器供电

用于汽车信息娱乐TFT-LCD显示器的电子设备必须最小，以限制PCB尺寸和成本。在回顾了典型的低集成度解决方案的缺点之后，我们介绍了一种使用具有串行通信的PMIC的新方法，该方法紧密集成了复杂的电源轨阵列，这些电源轨偏置TFT-LCD面板并为其背光供电。这种新解决方案可轻松执行所需的诊断，以满足严格的ASIL-B安全等级，同时减少紧凑的汽车应用所需的PCB空间。

介绍

随着驾驶员信息技术的快速发展，我们可以预期未来的汽车将配备多个显示器，每辆车可能配备十几个甚至更多。这些“信息娱乐”显示器将包括仪表盘、中央信息显示器、后视镜更换显示器以及可选的后排座椅的多个娱乐显示器。

虽然汽车显示器的尺寸和分辨率不断增长，但它们的电子器件变得更加复杂，但PCB尺寸和成本都受到限制。复杂性增加的一个例子是偏置TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）面板并为其背光供电的电源轨阵列。另一个例子是显示系统需要严格的诊断水平，将安全相关信息传递给驾驶员。

该设计解决方案回顾了不断发展的汽车信息娱乐集群的典型电源管理解决方案的缺点。然后，它为尺寸问题提供了解决方案，同时促进了操作显示器所需的复杂协议的动态编排，同时满足汽车安全水平。

液晶显示器

汽车系统中使用的标准显示器是有源矩阵彩色TFT-LCD，由于其高亮度，高分辨率，合理的成本以及在具有挑战性的汽车环境中表现出的可靠性，它已变得无处不在。液晶能够随着施加的电压而改变其透射率。有源矩阵TFT-LCD显示器中的每个子像素通过充当开关的TFT晶体管接收其偏置电压（设置其透射率）。像素由三个子像素组成，每个子像素对应一个原色：红色、绿色和蓝色。

图2显示了TFT-LCD显示电源系统的主要元件。TFT_LCD PS的电源（PS）模块通过微控制器驱动的所有电源排序为源极和栅极驱动器供电。

图2.TFT-LCD显示框图。

图3显示了驱动显示器所需的整套电压轨，这需要LTPS（低温多晶硅）显示器等双极性电源。在本例中，源极驱动器提供两种电压：VPOS和VNEG。栅极驱动器提供电压VGVDD和VGVEE，>用于打开和关闭每个子像素中的TFT开关。

源驱动器将VPOS（+7V）和VNEG（-7V）之间的电压施加到子像素（由电容器CPIX和存储电容器CS表示），从而设置其透射率。当 TFT 关闭 （VDGVEE = -10V） 时，像素会保留其电荷并“记住”其透射率设置，直到在下一个视频帧期间更新。

图3.TFT-LCD显示框图。

为了避免显示器“老化”并延长液晶材料的使用寿命，有源矩阵LCD的晶体由反转方法驱动，该方法交替施加到子像素的电压相对于公共背面电极的极性（如图3中的接地所示）。

TFT 液晶显示器电压轨

VIN = 3.3V 的典型 TFT-LCD 电源 IC（图 4）通过升压转换器产生 V>POS （+7V），通过逆变器产生 VNEG （-7V）。两个电荷泵产生正（VDGVDD）和负（VDGVEE）栅极驱动电压。为简单起见，此处省略了每个电荷泵所需的四个外部二极管，但在图7的完整PCB布局中，作为一对用于VDGVDD（D3，D6和D7，D9）的双二极管和一对用于VDGVEE（D5，D6和D11，D12）的二极管。

图4.TFT-LCD 电压轨生成。

背光源

由于LCD不是自发光显示器，因此需要白光源来使彩色图像可见。现代显示器使用白光LED（发光二极管）作为光源。LED放置在显示器的一侧或多侧，并在扩散器的帮助下照亮显示区域。LED 通常排列成“串”，由多个串联的 LED 组成。

由于白光LED的高正向电压（3V至4V），驱动每个灯串所需的总电压通常需要使用升压转换器。多个字符串用于获得所需的总亮度，以使显示器在阳光下可读。在图5中，典型的升压控制器IC驱动TFT-LCD背光的LED矩阵。

图5.背光。

这种低集成度解决方案采用两个独立的集成电路和相关无源元件为TFT-LCD显示器和背光供电，但从PCB空间利用率和完全控制所有电压轨的角度来看，这不是最佳的。在LCD显示器中，需要控制各种电源IC的所有使能输入，以实现电源轨所需的顺序和时序。低集成度解决方案中的这种控制需要在微控制器上安装大量GPIO引脚，并增加软件开销。

集成解决方案

图 6 显示了一个集成解决方案。TFT-LCD 电源轨和 LED 背光控制器都集成在单个 PMIC 中，以实现严格控制并减少 PCB 空间。

图6.TFT-LCD和LED背光PMIC。

具有串行控制接口的集成PMIC解决方案可以具有单独的位来控制每个内部转换器，从而释放微控制器上的许多引脚。这允许使用外部微控制器完全控制输出的时序和它们之间的时序。或者，可以通过提供内部预设序列来进一步减轻外部微控制器的负担。

符合 ASIL-B 标准

I 的集成2与PMIC的C通信功能有助于控制和诊断。汽车系统需要额外的诊断才能获得安全评级，例如，向驾驶员提供安全相关信息的仪表盘显示屏。样品诊断包括：

输出端过压/欠压检测。

内部存储器上的纠错（如果存在）。

将这些功能包含在单个集成电路中，使系统更容易达到ASIL-B的完整性水平。

示例设备

例如，MAX20069是一款高度集成的TFT电源和LED背光驱动器，适用于汽车TFT-LCD应用。该器件集成了一个降压-升压转换器、一个升压转换器、两个栅极驱动器电源和一个升压/SEPIC转换器，可为显示器背光中的一至四串LED供电。芯片上所有转换器的默认开关频率为2.2MHz，这减小了外部无源元件的尺寸，并具有不会在AM无线电频段引起电磁干扰的额外优势。

PMIC 将所有这些功能集成在一个带裸焊盘的小型 6mm x 6mm 40 引脚 TQFN 封装中。所有电源域的启动和关断序列均使用七种预设模式之一进行控制，这些模式可通过 SEQ 上的电阻器或通过 I 进行选择2C 接口。或者，可以使用适当的寄存器位控制各个输出。图7显示了整个LCD-TFT电源系统，仅限于仅3.45cm的PCB区域2.

图7.集成 TFT-LCD 和 LED 背光 PMIC PCB （2.65 厘米 x 1.3 厘米 = 3.45 厘米2).

结论

TFT-LCD显示器在现代汽车中无处不在，在未来的汽车中将更加如此。驱动显示器所需的电子设备必须减小到最低限度，以限制PCB尺寸和成本。这包括复杂的电源轨阵列，这些电源轨偏置TFT-LCD面板并为其背光供电。我们回顾了低集成度电源管理解决方案的缺点，并介绍了一种紧密集成各种电压轨和串行通信的单芯片PMIC解决方案。这种新解决方案可轻松执行所需的诊断，以满足严格的ASIL-B安全等级，同时减少紧凑的汽车应用所需的PCB空间。

审核编辑：郭婷