CN103021356B - 固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路及驱动方法，驱动电路包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一半桥驱动器、第二半桥驱动器、第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管、第四开关晶体管、与非门；驱动方法包括正向充电阶段、正向电场保持阶段、正向放电阶段、正向零电场保持阶段、反向充电阶段、反向电场保持阶段、反向放电阶段、反向零电场保持阶段。本发明液晶光阀充放电回路中具有很小的导通电阻，且通过半桥驱动器驱动功率MOSFET，减小了MOSFET的开关时间，提高了大尺寸液晶光阀的充放电速度；液晶光阀正反向交替充放电，不仅消除了单极性电场对电路系统干扰和影响，而且提高了液晶光阀的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及固态体积式真三维显液晶光阀快速驱动技术，尤其涉及固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路及其驱动方法。
背景技术
固态体积式真三维显示是将具有不同深度信息的三维物体的多层切片图像，通过高速投影装置依次顺序投影到对应深度的一组液晶光阀上，从而在三维空间产生具有真实物理深度的真三维图像。固态体积式真三维显示的液晶光阀一般用PDLC（Polymer Dispersed Liquid Crystal，聚合物分散液晶）材料制成。在无外加电压的状态下，PDLC呈现不透明的散射态；而在外加电压的驱动下，PDLC呈现透明态，因此PDLC可以作为光开关应用在固态体积式真三维显示中。
相比于常规DLP显示，固态体积式真三维显示的投影频率很高，例如20层液晶光阀，60Hz显示刷新率的情况下，投影频率为1200Hz，要求液晶光阀至少具有0.83ms的响应速度。为了得到较好的光电响应曲线，要求上升时间（液晶光阀从透明态转换为散射态的时间）和下降时间（液晶光阀从散射态转换为透明态的时间）均小于0.1ms。对于液晶光阀而言，随着尺寸的增大，其等效电阻和等效电容随之增大，充放电时间随之延长，液晶光阀的状态转换速度下降。因此，在固态体积式真三维显示系统设计中，液晶光阀，尤其是大尺寸液晶光阀的快速驱动电路设计既十分重要，又具有很大的设计难度，要求驱动电路开关速度快，导通电阻低，能承受瞬间大电流，安全性高。并且，为了消除单极性驱动电场对电路系统的干扰与损坏，增加液晶光阀的使用寿命，驱动电路及驱动方法应采用正负极交替驱动的方法。目前业内尚无专门应用在固态体积式真三维显示中的大尺寸液晶光阀（如32英寸以上）快速驱动电路及驱动方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路及其驱动方法。该驱动电路可应用在液晶光阀，尤其是大尺寸液晶光阀的快速驱动上，具有开关速度快，导通电阻低，能承受瞬间大电流的特点，采用正负极交替驱动，并且安全性高。 本发明的目的通过采用如下技术方案实现：
固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路，该驱动电路包括：
第一光电耦合器：阳极接第一扫描线的限流电阻，阴极接数字地端，集电极接电源线，发射极接第一半桥驱动器的逻辑输入端，并通过限流电阻接模拟地端；
第二光电耦合器: 阳极接第二扫描线的限流电阻，阴极接数字地端，集电极接电源线，发射极接第二半桥驱动器的逻辑输入端，并通过限流电阻接模拟地端；
第一半桥驱动器：低端及逻辑固定供电脚接电源线，并接自举升压二极管阳极，逻辑关断输入脚接与非门输出脚，低端回路脚接模拟地端，低端门驱动输出脚接第二开关晶体管栅极，高端悬浮供电回路脚接第二开关晶体管漏极，并接尖峰抑制二极管阴极以及自举升压电容的B端，高端门驱动输出脚接第一开关晶体管栅极，高端悬浮供电脚接自举升压二极管阴极，并接自举升压电容的A端；
第二半桥驱动器：低端及逻辑固定供电脚接电源线，并接自举升压二极管阳极，逻辑关断输入脚接与非门输出脚，低端回路脚接模拟地端，低端门驱动输出脚接第四开关晶体管栅极，高端悬浮供电回路脚接第四开关晶体管漏极，并接尖峰抑制二极管阴极以及自举升压电容的B端，高端门驱动输出脚接第三开关晶体管栅极，高端悬浮供电脚接自举升压二极管阴极，并接自举升压电容的A端；
第一开关晶体管：源极接尖峰抑制二极管阳极，漏极接液晶光阀驱动电源线；
第二开关晶体管：源极接模拟地端；
第三开关晶体管：源极接尖峰抑制二极管阳极，漏极接液晶光阀驱动电源线；
第四开关晶体管：源极接模拟地端；
与非门：逻辑输入a脚接第一光电耦合器发射极，逻辑输入b脚接第二光电耦合器发射极。
上述第一半桥驱动器，第二半桥驱动器为具有高端和低端门驱动输出、可驱动N沟道功率金属氧化物场效应晶体管的半桥驱动器；
上述第一开关晶体管，第二开关晶体管，第三开关晶体管，第四开关晶体管为N沟道功率金属氧化物场效应晶体管；
上述固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路，所采用的驱动方法，包括下列步骤：
正向充电阶段：第一扫描控制线由低电平跳变至高电平，第二扫描控制线处于低电平，此时第一开关晶体管打开，第二开关晶体管关闭，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀被正向充电；
正向电场保持阶段：第一扫描控制线处于高电平，第二扫描控制线处于低电平，液晶光阀充电完成，此时第一开关晶体管打开，第二开关晶体管关闭，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀保持透明态；
正向放电阶段：第一扫描控制线由高电平跳变至低电平，第二扫描控制线处于低电平，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀被正向放电；
正向零电场保持阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线处于低电平，液晶光阀放电完成，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀保持散射态；
反向充电阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线由低电平跳变至高电平，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管打开，第四开关晶体管关闭，液晶光阀被反向充电；
反向电场保持阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线处于高电平，液晶光阀充电完成，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管打开，第四开关晶体管关闭，液晶光阀保持透明态；
反向放电阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线由高电平跳变至低电平，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀被反向放电；
反向零电场保持阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线处于低电平，液晶光阀放电完成，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀保持散射态；
上述正向放电阶段，是对液晶光阀放电直到其放电结束；反向放电阶段，是对液晶光阀放电直到其放电结束；正向充电阶段，是对液晶光阀充电直到其饱和；反向充电阶段，是对液晶光阀充电直到其饱和。
本发明与现有技术相比，本发明电路的优点及效果在于：
1、液晶光阀充放电回路中具有很小的导通电阻，且通过半桥驱动器驱动功率MOSFET，减小了MOSFET的开关时间，提高了大尺寸液晶光阀的充放电速度；
2、采用对称结构的正反向充放电回路，通过采用本发明的驱动方法可以实现对液晶光阀的正反向交替充放电，不仅可以消除单极性电场对电路系统干扰和影响，而且可以提高液晶光阀的使用寿命。
3、采用光电耦合器隔离了数字控制信号与模拟高压电路，采用与非门屏蔽非法逻辑状态，使电路更加安全可靠；
附图说明
图1 是本发明固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路原理图。
图2 是本发明固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路的信号时序图。
图3 是本发明固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路液晶光阀两端的电压瞬态响应图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路，包括第一光电耦合器OP1，第二光电耦合器OP2，第一半桥驱动器U1，第二半桥驱动器U2，第一开关晶体管Q1，第二开关晶体管Q2，第三开关晶体管Q3，第四开关晶体管Q4，与非门NAND1。
该第一光电耦合器OP1的阳极接第一扫描线Scan1的限流电阻R1，阴极接数字地端DGND，集电极接+5V电源线，发射极接第一半桥驱动器U1的逻辑输入端，并通过限流电阻R2接模拟地端AGND。
该第二光电耦合器OP2的阳极接第二扫描线Scan2的限流电阻R3，阴极接数字地端DGND，集电极接+5V电源线，发射极接第一半桥驱动器U2的逻辑输入端，并通过限流电阻R4接模拟地端AGND。
该第一半桥驱动器：低端及逻辑固定供电脚接+12V电源线，并接自举升压二极管阳极D1，逻辑关断输入脚接与非门NAND1输出脚，低端回路脚接模拟地端AGND，低端门驱动输出脚接第二开关晶体管Q2栅极，高端悬浮供电回路脚接第二开关晶体管Q2漏极，并接尖峰抑制二极管D3阴极以及自举升压电容C1的B端，高端门驱动输出脚接第一开关晶体管Q1栅极，高端悬浮供电脚接自举升压二极管D1阴极，并接自举升压电容C1的A端。
该第二半桥驱动器：低端及逻辑固定供电脚接+12V电源线，并接自举升压二极管阳极D2，逻辑关断输入脚接与非门NAND1输出脚，低端回路脚接模拟地端AGND，低端门驱动输出脚接第四开关晶体管Q4栅极，高端悬浮供电回路脚接第四开关晶体管Q4漏极，并接尖峰抑制二极管D4阴极以及自举升压电容C4的B端，高端门驱动输出脚接第三开关晶体管Q3栅极，高端悬浮供电脚接自举升压二极管D2阴极，并接自举升压电容C2的A端。
该第一开关晶体管：源极接尖峰抑制二极管D3阳极，漏极接液晶光阀驱动电源线VCC_HV。
该第二开关晶体管：源极接模拟地端AGND。
该第三开关晶体管：源极接尖峰抑制二极管D4阳极，漏极接液晶光阀驱动电源线VCC_HV。
该第四开关晶体管：源极接模拟地端AGND。
该与非门：逻辑输入a脚接第一光电耦合器OP1发射极，逻辑输入b脚接第二光电耦合器OP2发射极。
第一半桥驱动器，第二半桥驱动器采用具有高端和低端门驱动输出、可驱动N沟道功率金属氧化物场效应晶体管的半桥驱动器；第一开关晶体管，第二开关晶体管，第三开关晶体管，第四开关晶体管采用N沟道功率金属氧化物场效应晶体管。
液晶光阀快速驱动电路工作时，通过控制第一扫描线Scan1和第二扫描线Scan2的输入使液晶光阀按照一定时序在各状态之间转换。数字信号线的输入如图2所示。
固态体积式真三维液晶光阀快速驱动方法，通过下列步骤实现：
正向充电阶段：第一扫描控制线Scan1由低电平跳变至高电平，第二扫描控制线Scan2处于低电平，此时第一开关晶体管Q1打开，第二开关晶体管Q2关闭，第三开关晶体管Q3关闭，第四开关晶体管Q4打开，液晶光阀被正向充电；
正向电场保持阶段：第一扫描控制线Scan1处于高电平，第二扫描控制线Scan2处于低电平，液晶光阀充电完成，此时第一开关晶体管Q1打开，第二开关晶体管Q2关闭，第三开关晶体管Q3关闭，第四开关晶体管Q4打开，液晶光阀保持透明态；
正向放电阶段：第一扫描控制线Scan1由高电平跳变至低电平，第二扫描控制线Scan2处于低电平，此时第一开关晶体管Q1关闭，第二开关晶体管Q2打开，第三开关晶体管Q3关闭，第四开关晶体管Q4打开，液晶光阀被正向放电；
正向零电场保持阶段：第一扫描控制线Scan1处于低电平，第二扫描控制线Scan2处于低电平，液晶光阀放电完成，此时第一开关晶体管Q1关闭，第二开关晶体管Q2打开，第三开关晶体管Q3关闭，第四开关晶体管Q4打开，液晶光阀保持散射态；
反向充电阶段：第一扫描控制线Scan1处于低电平，第二扫描控制线Scan2由低电平跳变至高电平，此时第一开关晶体管Q1关闭，第二开关晶体管Q2打开，第三开关晶体管Q3打开，第四开关晶体管Q4关闭，液晶光阀被反向充电；
反向电场保持阶段：第一扫描控制线Scan1处于低电平，第二扫描控制线Scan2处于高电平，液晶光阀充电完成，此时第一开关晶体管Q1关闭，第二开关晶体管Q2打开，第三开关晶体管Q3打开，第四开关晶体管Q4关闭，液晶光阀保持透明态；
反向放电阶段：第一扫描控制线Scan1处于低电平，第二扫描控制线Scan2由高电平跳变至低电平，此时第一开关晶体管Q1关闭，第二开关晶体管Q2打开，第三开关晶体管Q3关闭，第四开关晶体管Q4打开，液晶光阀被反向放电；
反向零电场保持阶段：第一扫描控制线Scan1处于低电平，第二扫描控制线Scan2处于低电平，液晶光阀放电完成，此时第一开关晶体管Q1关闭，第二开关晶体管Q2打开，第三开关晶体管Q3关闭，第四开关晶体管Q4打开，液晶光阀保持散射态。
图3所示为上述各阶段的液晶光阀两端的的电压瞬态响应。
上述正向放电阶段，是对液晶光阀放电直到其放电结束；反向放电阶段，是对液晶光阀放电直到其放电结束；正向充电阶段，是对液晶光阀充电直到其饱和；反向充电阶段，是对液晶光阀充电直到其饱和。
在本发明固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路中，液晶光阀的充电时间和放电时间是影响液晶光阀驱动电路性能的重要因素。在本发明的驱动电路中，影响液晶光阀的充电时间和放电时间的主要有两个因素，即充放电回路的等效电阻和开关晶体管的开关速度。本发明的驱动电路的充放电回路等效电阻包括VCC_HV的电源内阻、开关晶体管的导通电阻、尖峰抑制二极管的导通电阻以及电极与液晶光阀的接触电阻等。通过选择合适的元器件型号和焊接结构工艺可以将等效电阻控制在很小的范围内。另外，本发明的驱动电路通过采用半桥驱动器来驱动开关晶体管，使开关晶体管的栅极获得很大的驱动电流，从而加快了开关晶体管的开关速度。
在本发明固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路中，采用对称结构的正反向充放电回路，通过采用本发明的驱动方法可以实现对液晶光阀的正反向交替充放电。交变电场不仅可以消除单极性电场对电路系统干扰和影响，而且可以提高液晶光阀的使用寿命。
在本发明固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路中，采用第一光电耦合器OP1和第二光电耦合器OP1隔离了数字控制信号与后级模拟高压电路，避免了高压电路对数字电路可能产生的干扰与损坏。另外，根据本发明的驱动方法可知，第一扫描控制线Scan1和第二扫描控制线Scan2同时处于高电平属于非法逻辑状态，驱动电路通过采用与非门NAND1,在此状态时关闭第一半桥驱动器U1和第二半桥驱动器U2，充放电电路停止工作，使电路更加安全可靠。
上述实施例仅是本发明的较佳实现方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的修改、替代、组合、简化，均应为等效置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路，其特征在于，包括有两个光电耦合器、两个半桥驱动器、四个开关晶体管、一个与非门；
第一光电耦合器的阳极接第一扫描线的限流电阻，阴极接数字地端，集电极接电源线，发射极接第一半桥驱动器的逻辑输入端，并通过限流电阻接模拟地端；
第二光电耦合器的阳极接第二扫描线的限流电阻，阴极接数字地端，集电极接电源线，发射极接第二半桥驱动器的逻辑输入端，并通过限流电阻接模拟地端；
第一半桥驱动器的低端及逻辑固定供电脚接电源线，并接自举升压二极管阳极，逻辑关断输入脚接与非门输出脚，低端回路脚接模拟地端，低端门驱动输出脚接第二开关晶体管栅极，高端悬浮供电回路脚接第二开关晶体管漏极，并接尖峰抑制二极管阴极以及自举升压电容的B端，高端门驱动输出脚接第一开关晶体管栅极，高端悬浮供电脚接自举升压二极管阴极，并接自举升压电容的A端；
第二半桥驱动器的低端及逻辑固定供电脚接电源线，并接自举升压二极管阳极，逻辑关断输入脚接与非门输出脚，低端回路脚接模拟地端，低端门驱动输出脚接第四开关晶体管栅极，高端悬浮供电回路脚接第四开关晶体管漏极，并接尖峰抑制二极管阴极以及自举升压电容的B端，高端门驱动输出脚接第三开关晶体管栅极，高端悬浮供电脚接自举升压二极管阴极，并接自举升压电容的A端；
第一开关晶体管的源极接尖峰抑制二极管阳极，漏极接液晶光阀驱动电源线；
第二开关晶体管的源极接模拟地端；
第三开关晶体管的源极接尖峰抑制二极管阳极，漏极接液晶光阀驱动电源线；
第四开关晶体管的源极接模拟地端；
与非门的逻辑输入a脚接第一光电耦合器发射极，逻辑输入b脚接第二光电耦合器发射极。
2. 根据权利要求1所述的固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路，其特征在于，所述第一半桥驱动器、第二半桥驱动器为具有高端和低端门驱动输出、可驱动N沟道功率金属氧化物场效应晶体管的半桥驱动器。
3. 根据权利要求1所述的固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路，其特征在于，所述第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管、第四开关晶体管为N沟道功率金属氧化物场效应晶体管。
4. 一种基于权利要求1所述的固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路的驱动方法，其特征在于，包括下列步骤：
正向充电阶段：第一扫描控制线由低电平跳变至高电平，第二扫描控制线处于低电平，此时第一开关晶体管打开，第二开关晶体管关闭，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀被正向充电；
正向电场保持阶段：第一扫描控制线处于高电平，第二扫描控制线处于低电平，液晶光阀充电完成，此时第一开关晶体管打开，第二开关晶体管关闭，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀保持透明态；
正向放电阶段：第一扫描控制线由高电平跳变至低电平，第二扫描控制线处于低电平，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀被正向放电；
正向零电场保持阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线处于低电平，液晶光阀放电完成，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀保持散射态；
反向充电阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线由低电平跳变至高电平，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管打开，第四开关晶体管关闭，液晶光阀被反向充电；
反向电场保持阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线处于高电平，液晶光阀充电完成，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管打开，第四开关晶体管关闭，液晶光阀保持透明态；
反向放电阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线由高电平跳变至低电平，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀被反向放电；
反向零电场保持阶段：第一扫描控制线处于低电平，第二扫描控制线处于低电平，液晶光阀放电完成，此时第一开关晶体管关闭，第二开关晶体管打开，第三开关晶体管关闭，第四开关晶体管打开，液晶光阀保持散射态。
5.根据权利要求4所述的固态体积式真三维液晶光阀快速驱动电路的驱动方法，其特征在于，正向放电阶段，是对液晶光阀放电直到其放电结束；反向放电阶段，是对液晶光阀放电直到其放电结束；正向充电阶段，是对液晶光阀充电直到其饱和；反向充电阶段，是对液晶光阀充电直到其饱和。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20140924 Termination date: 20181128 |