儀表顯示屏工作原理與常見(jiàn)故障分析

包　剛，楊軼贇（上汽大眾汽車有限公司質(zhì)量保證部，上海　201805）

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儀表顯示屏工作原理與常見(jiàn)故障分析

包剛，楊軼贇
（上汽大眾汽車有限公司質(zhì)量保證部，上海201805）

摘要：隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，組合儀表顯示屏所包含的信息也愈發(fā)豐富。本文簡(jiǎn)要介紹車載顯示屏的工作原理并對(duì)其進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上，探討組合儀表常見(jiàn)的顯示缺陷及其整改方向。

關(guān)鍵詞：段碼式液晶顯示器；點(diǎn)陣式液晶顯示器；驅(qū)動(dòng)信號(hào)；軟膜焊接；柔性電路軟線束

隨著汽車電子電器技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的信息需要通過(guò)儀表顯示屏告知用戶，以滿足用戶更直觀清晰了解車輛當(dāng)前狀態(tài)的需求。一般組合儀表顯示屏上可以顯示的信息包括：車速轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)油耗、平均油耗、平均車速、剩余行駛里程、溫度、保養(yǎng)信息、收音機(jī)頻道、CD曲目等，還可以通過(guò)顯示屏對(duì)車輛的舒適性功能進(jìn)行設(shè)置。

本文首先對(duì)目前組合儀表常用的液晶顯示器（Liquid Crystal Display，簡(jiǎn)稱LCD）進(jìn)行分類匯總，介紹其基本工作原理，并重點(diǎn)分析組合儀表顯示屏常見(jiàn)故障，通過(guò)典型案例，研究組合儀表顯示不良問(wèn)題的優(yōu)化方案。

1　LCD的工作原理

1.1結(jié)構(gòu)

液晶顯示器是一個(gè)由上下兩片導(dǎo)電玻璃制成的液晶盒，盒內(nèi)充有液晶，四周用密封材料-膠框 （一般為環(huán)氧樹脂）密封，盒的兩個(gè)外側(cè)貼有偏光片。如圖1所示。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔，即通常所說(shuō)的盒厚，一般為幾個(gè)微米。上下玻璃片內(nèi)側(cè)，對(duì)應(yīng)顯示圖形部分，鍍有透明的氧化銦-氧化錫 （Indium Tin Oxides，簡(jiǎn)稱ITO）導(dǎo)電薄膜，即顯示電極。電極的作用主要是使外部電信號(hào)通過(guò)其加到液晶上去。

圖1LCD顯示屏結(jié)構(gòu)

液晶盒中玻璃片內(nèi)側(cè)的整個(gè)顯示區(qū)覆蓋著一層取向?qū)?（PI）。取向?qū)拥淖饔檬鞘挂壕Х肿影刺囟ǖ姆较蚺帕校@個(gè)取向?qū)油ǔＪ且槐痈叻肿佑袡C(jī)物，并經(jīng)摩擦處理；也可以通過(guò)在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來(lái)制備。

1.2背光源

液晶顯示是一種被動(dòng)的顯示，它不能發(fā)光，只能使用周圍環(huán)境的光，因此，使用背光源作為其光線來(lái)源。

常用的背光源有3種：發(fā)光二極管 （簡(jiǎn)稱LED）、電致發(fā)光片 （Electroluminescence，簡(jiǎn)稱EL）、冷陰極熒 光 燈（ColdCathodeFluorescentLamp，簡(jiǎn) 稱CCFL）。目前，上海大眾常用LED作為儀表顯示屏背光源，與LCD的底色搭配后有白色、綠色2種背光。LED背光優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng) （大于5萬(wàn)h），LED背光缺點(diǎn)是功耗略大 （達(dá)到15mA／燈）。

1.3正顯與負(fù)顯 （圖2）

正顯TN-LCD（白底黑字），當(dāng)未加電壓到電極時(shí)，LCD處于OFF態(tài)，光能透過(guò)LCD呈白態(tài)；當(dāng)在電極上加上電壓時(shí)，LCD處于ON態(tài)，液晶分子長(zhǎng)軸方向沿電場(chǎng)方向排列，光不能透過(guò)LCD，呈黑態(tài)。

反之則稱只為負(fù)顯TN-LCD（黑底白字）。

圖2LCD示意圖

目前上海大眾儀表使用的LCD以白色背光負(fù)顯LCD為主，也少量使用綠色背光的正顯LCD。

2　LCD的基本分類

按顯示內(nèi)容的不同，目前主流的組合儀表主要采用的LCD，可分為段碼式LCD、點(diǎn)陣式LCD、TFTLCD彩屏。低線儀表往往采用段碼式LCD；中線儀表則采用點(diǎn)陣式LCD；而高端儀表采用TFT-LCD彩屏。

2.1段碼式LCD

段碼液晶屏提供簡(jiǎn)單快捷的顯示效果，反應(yīng)速度快，對(duì)比度高，成本低。它由7個(gè)筆段組成，用于顯示數(shù)字0～9，顯示內(nèi)容一般均為數(shù)字，也較簡(jiǎn)單。段碼式LCD常見(jiàn)的故障現(xiàn)象包括缺筆畫等。

2.2點(diǎn)陣式LCD

屏幕上文字的顯示，即由一個(gè)個(gè)小點(diǎn)組成的陣，又稱之為像素，通常點(diǎn)越多其像素越高，由多點(diǎn)數(shù)排列。由許多點(diǎn)陣方格構(gòu)成的，點(diǎn)越多，分辨率越高，也越清晰。點(diǎn)陣式LCD常見(jiàn)的故障現(xiàn)象包括顯示抖動(dòng)、顯示偏暗等。

2.3TFT-LCD彩屏

TFT-LCD即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管LCD，由多層迭加而成，兩面的最外層是透明度極高的玻璃層，在玻璃層中間是薄膜電容以及液晶層，薄膜電容用以生成紅、藍(lán)、綠三原色所必要的色彩濾鏡。對(duì)于采用TFTLCD彩屏的組合儀表，常見(jiàn)的故障模式包括顯示偏色、黑屏等。

3　LCD常見(jiàn)缺陷模式及整改方向

目前組合儀表常見(jiàn)的顯示缺陷包括屏幕抖動(dòng)、顯示缺筆畫、花屏、顯示偏色、黑屏等。而造成這些缺陷的原因主要有以下4大類：由于設(shè)計(jì)問(wèn)題引起的缺陷、由于生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定引起的缺陷、由于來(lái)料問(wèn)題引起的缺陷、由于外部因素引起的缺陷。

3.1設(shè)計(jì)問(wèn)題引起的缺陷

3.1.1由于驅(qū)動(dòng)問(wèn)題引起的顯示抖動(dòng)

部分上海大眾2012年款途觀車型在低溫-25℃以下起動(dòng)時(shí)，組合儀表顯示屏有抖動(dòng)現(xiàn)象，如圖3所示。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間行駛后，當(dāng)車內(nèi)溫度恢復(fù)到正常溫度后，顯示恢復(fù)正常。

顯示屏驅(qū)動(dòng)信號(hào)為方波信號(hào)，為考慮儀表的EMC電磁兼容表現(xiàn)，往往設(shè)計(jì)時(shí)在驅(qū)動(dòng)信號(hào)上疊加一定的振鈴效應(yīng)，如圖4所示。

圖3　顯示抖動(dòng)

圖4　顯示屏驅(qū)動(dòng)信號(hào)

在高速信號(hào)通道中振鈴效應(yīng)是由RLC屬性共振引起的，其幅度必須滿足顯示屏的設(shè)計(jì)規(guī)范。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低溫下該驅(qū)動(dòng)信號(hào)振鈴效應(yīng)被放大，導(dǎo)致信號(hào)上升或下降沿后的第1個(gè)振鈴振幅超出顯示屏的容錯(cuò)要求，如圖5所示。

圖5　低溫下放大后的振鈴效應(yīng) （-30℃）

為解決問(wèn)題，從設(shè)計(jì)角度制定了糾正措施，通過(guò)修正相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，去掉可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)信號(hào)振鈴的電容，優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)波形。修正后，EMC試驗(yàn)可以通過(guò)，并且驅(qū)動(dòng)信號(hào)上的振鈴也同時(shí)消除，如圖6所示。

圖6　修正后的驅(qū)動(dòng)波形

3.1.2由于軟件問(wèn)題引起的屏幕閃爍

部分上海大眾2010年款帕薩特新領(lǐng)馭車型組合儀表在10℃附近出現(xiàn)屏幕閃爍。為保證較大溫度跨度下的顯示效果，LCD驅(qū)動(dòng)芯片存在上下溫區(qū)2種工作模式，其切換的臨界點(diǎn)定義在10℃。當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境溫度在其模式切換的臨界點(diǎn)上下浮動(dòng)時(shí)，將不斷地進(jìn)行工作模式的切換；驅(qū)動(dòng)程序算法上在其切換臨界點(diǎn)沒(méi)有進(jìn)行平順過(guò)渡的處理，此時(shí)將表現(xiàn)為顯示屏閃爍。

因此，解決該問(wèn)題的改進(jìn)方案為修改組合儀表軟件，在顯示屏工作模式切換溫度的臨界點(diǎn)增加滯環(huán)控制，將切換時(shí)對(duì)顯示屏的供電電壓進(jìn)行平緩處理，以避免顯示出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

3.2由于生產(chǎn)過(guò)程引起的缺陷

3.2.1Heat Sealing工藝相關(guān)缺陷

在上海大眾低端車型中 （如波羅、晶銳等），低線組合儀表 （段碼式LCD）內(nèi)部主要采用Heat Sealing工藝，將LCD顯示屏與電路板相連接，如圖7所示，該焊接過(guò)程由Heat Sealing設(shè)備完成。

圖7　電路板與LCD的軟膜焊接

相對(duì)于傳統(tǒng)Pin腳排插式的錫焊，Heat Sealing技術(shù)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，見(jiàn)表1。

但是，由于Heat Sealing技術(shù)對(duì)工藝和設(shè)備要求較高，組合儀表面臨顯示屏缺筆畫問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)也較大。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，與Heat Sealing相關(guān)的品質(zhì)缺陷主要分為3類：一是軟膜焊接斷線；二是軟膜邊沿撕裂；三為焊接偏斜。各種缺陷所占比例及形成原因見(jiàn)表2。

表1　Heat Sealing與Pin腳錫焊技術(shù)比較

圖8　軟膜焊接斷線

圖10　焊接偏斜

針對(duì)不同原因，應(yīng)采用不同的整改措施。對(duì)于軟膜焊接斷線，需優(yōu)化焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)，以保證設(shè)備在焊接時(shí)的穩(wěn)定性及可靠性；對(duì)于軟膜邊沿撕裂，需要對(duì)焊接完畢后的翻轉(zhuǎn)夾具進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)于焊接偏斜，一般應(yīng)采用金屬結(jié)構(gòu)的焊接帶導(dǎo)軌，而避免使用塑料材質(zhì)導(dǎo)軌。

3.2.2操作問(wèn)題造成的缺陷

在上海大眾高端車型中 （如途觀、新帕薩特等），高線組合儀表線路板與顯示屏的連接往往采用柔性電路 （Flexible Printed Circuit，簡(jiǎn)稱FPC）軟線束，連接方式為插接式。操作工安裝過(guò)程插接不到位，可能導(dǎo)致LCD與電路板接觸不良，如圖11所示。

針對(duì)這類問(wèn)題，應(yīng)優(yōu)化插接件結(jié)構(gòu)，并增加在線自動(dòng)檢測(cè)攝像裝置，在軟線束插接歪斜時(shí)自動(dòng)報(bào)警提示。

3.3由于LCD本身問(wèn)題引起的缺陷

顯示屏本身的生產(chǎn)過(guò)程也可能存在異物進(jìn)入的風(fēng)險(xiǎn)，造成的故障模式往往為顯示缺筆畫。一般情況下，需要對(duì)異物作化學(xué)元素成分分析，根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)的異物成分制定相應(yīng)措施。大多情況下成分中都存在金屬物質(zhì)，因此，需要對(duì)顯示屏生產(chǎn)過(guò)程中的金屬材料特別留意，盡量采用非金屬材料，以避免金屬磨損產(chǎn)生的顆粒進(jìn)入顯示屏內(nèi)部。

ITO腐蝕問(wèn)題同樣會(huì)引起的顯示缺筆畫。一般ITO腐蝕會(huì)導(dǎo)致顯示屏內(nèi)部開(kāi)路，也需要對(duì)腐蝕點(diǎn)做電化學(xué)分析，確認(rèn)相應(yīng)成分后制定相應(yīng)措施，如成分中含氯離子，則多為操作工汗液污染。需嚴(yán)格規(guī)范操作工操作，優(yōu)化清洗工藝過(guò)程，避免清洗液二次污染；并增加自動(dòng)化傳動(dòng)帶以減少人手直接觸摸半成品的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，顯示屏封膠材質(zhì)也可能引發(fā)在低溫下顯示偏暗的缺陷。某些材質(zhì)的導(dǎo)電銀膠在低溫下電氣連接阻抗會(huì)增大，使LCD驅(qū)動(dòng)芯片的輸出信號(hào)減弱，導(dǎo)致顯示偏暗。要解決這一問(wèn)題，應(yīng)在顯示屏設(shè)計(jì)之初，明確定義允許使用的銀膠材質(zhì)。

圖11FPC軟線束安裝不到位

4　結(jié)語(yǔ)

隨著車載顯示技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越豐富的內(nèi)容將會(huì)通過(guò)組合儀表展示給汽車用戶，以便為用戶創(chuàng)造更舒適的駕乘體驗(yàn)。因此，保證組合儀表的顯示品質(zhì)也愈發(fā)重要。本文從顯示屏的工作原理入手，并對(duì)組合儀表常用的顯示屏進(jìn)行分類，最后從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及顯示屏自身工藝三方面探討了各種顯示屏常見(jiàn)的缺陷模式及整改方向。

參考文獻(xiàn)：

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［2］張新強(qiáng).點(diǎn)陣LCD驅(qū)動(dòng)顯控原理與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2010.

［3］范志新.液晶器件工藝基礎(chǔ)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社.2000.

（編輯楊景）

中圖分類號(hào)：U463.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1003－8639（2016）05－0055－04

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-03

作者簡(jiǎn)介：包剛 （1976-）男，碩士，從事電子電器零件的品質(zhì)分析工作；楊軼贇 （1984-）男，碩士，從事電子電器零件的品質(zhì)分析工作。

Vehicle Dashboard Working Principal and Common Defect Analysis

BAO Gang，YANG Yi-yun
（Quality Assurance Department，Shanghai Volkswagen Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

Abstract：With the development of automobile electrical technology，the information on dashboard is increasingly rich.The article briefly introduces vehicle dashboard working principal and makes classification on it，accordingly，common defect of combined dashboard is discussed and improvement direction is provided.

Key words：segment code LCD；dot-matrix LCD；driving signal；soft soldering；flexible printed circuit