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AN1428LCD のバイアス印加およびコントラスト制御方法

注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください。最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願います。

はじめに

このアプリケーションノートは、液晶ディスプレイ (LCD) にバイアス電圧を供給する方法について説明します。本書は、LCD コントローラ内蔵 PIC® マイクロコントローラを使う場合のバイアス方法のほとんどを網羅しています。

LCD のタイプ

LCD のタイプと LCD の波形で、必要なバイアスのタイプが決まります。LCD バイアスには、構成に応じて各種の方法があります。

LCD 波形を駆動する 2 つの電極があります。それらは、セグメント (SEG) とコモン (COM) と呼ばれます。LCDでは、これらの電極間に AC 波形を印加する必要があります。

LCDは、セグメントおよびコモン電極の数に基づいて、以下の 2 つの基本タイプに分類できます。

1. スタティックまたは直接駆動

2. マルチプレクスディスプレイ

スタティックまたは直接駆動 LCD

スタティック波形の場合、ただ 1 つのコモン電極と複数のセグメント電極があります。駆動できるピクセル数は、LCD のセグメント数です。

図 1 に、LCD のスタティック構成を示します。1 つのコモンと 8 つのセグメントがあります。従って駆動できるピクセル数は、COM 数に SEG ピン数を乗算した8 ピクセルです。

図 1: スタティックディスプレイのコモンおよびセグメント接続

セグメントとコモンには AC 電圧を印加する必要があります。スタティックディスプレイの場合、印加する電圧は 2 レベルのみです。LCD を駆動するこれらのレベルはバイアス電圧と呼ばれます。スタティック LCDの波形は矩形波のように見えます。

図 1 の SEG0 は ON、SEG1 は OFF 状態で、どちらもCOM0 に接続されています。図 2 に、COM0、SEG0、SEG1 の波形を示します。図には、コモンを基準とした SEG1 と SEG0 の実効電圧も示しています。

著者 : Naveen RajMicrochip Technology Inc.

COM0

SE

G0

SE

G1

SE

G2

SE

G3

SE

G4

SE

G5

SE

G6

SE

G7

COMMON SEGMENT ConnectionConnection

2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.1

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図 2: スタティックディスプレイのコモンおよびセグメント波形

SEG0 は COM0 から 180 度位相がずれているため、COM0/SEG0 間の実効電圧は -V1 と V1 の間で切り換わります。SEG1 と COM0 は位相が一致しているため、SEG1/COM1 間の実効電圧は 0 です。

この単純な構成の長所は、コントラストが最適になる事です。この構成の短所は、駆動可能なピクセル数がセグメントピン数に制限される事です。より多くのピクセルを駆動するには、より多くのピンが必要となり、ボードから LCD グラスへの接続が増えます。

COM0

SEG0

SEG1

COM0-SEG0

COM0-SEG1

V1

V0

V1

V0

V1

V0

V1

-V1

V0

V0

1 Frame

DS01428A_JP - p.2 2014 Microchip Technology Inc.

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マルチプレクスディスプレイ

マルチプレクスディスプレイの場合、複数のコモン電極と複数のセグメント電極があります。コモン電極数に応じて、LCD グラスは 1/2 MUX、1/3 MUX、1/4 MUX、1/8 MUX 等に定義できます。

ほとんどの Microchip LCD マイクロコントローラは、スタティックおよび最大 1/4 MUX のマルチプレクスモードをサポートします。PIC24FJ128GA310 ファミリ等の新しいデバイスでは、1/8 MUX までサポートします。マルチプレクスディスプレイで駆動可能なピクセル数は、COM 数に SEG 数を乗算する事で求められます。例えば、PIC24FJ128GA310 にはコモンが 8 個、セグメントが 60 個あります。従って、駆動可能なピクセル数は 60 x 8 = 480 ピクセルです。

PIC MCU は 7 通りのマルチプレクス設定が可能なドライバを備え、以下の LCD マルチプレクス機能を提供します。

• 1/2 マルチプレクス (COM0、COM1 を使用 )

• 1/3 マルチプレクス (COM0、COM1、COM2 を使用 )

• 1/4 マルチプレクス (COM0、COM1、COM2、COM3を使用 )

• 1/5 マルチプレクス (COM0、COM1、COM2、COM3、COM4 を使用 )

• 1/6 マルチプレクス (COM0、COM1、COM2、COM3、COM4、COM5 を使用 )

• 1/7 マルチプレクス (COM0、COM1、COM2、COM3、COM4、COM5、COM6 を使用 )

• 1/8 マルチプレクス (COM0、COM1、COM2、COM3、COM4、COM5、COM6、COM7 を使用 )

図 3: マルチプレクス LCD

COM3

COM2

COM1

COM0

SE

G0

SE

G1

COM3

COM2

COM0

COM1

SE

G0

COM4

1/4 MUX, 1/3 Bias

1/8 MUX, 1/3 Bias


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コモンを 2 つマルチプレクスするディスプレイの場合、3 レベル以上の電圧 ( バイアス電圧 ) が必要です。バイアス電圧の生成方法にはいくつかありますが、そ

れぞれ長所と短所があります。グラスタイプによって、2 種類の波形 ( タイプ A と B) があります。図 4 に、タイプ A の波形を示します。

図 4: マルチプレクス LCD のコモン波形

マルチプレクス波形の長所は、セグメントおよびコモン数に対して最大数のピクセルを駆動できる事です。ピクセル数に対してはPCB上のトレース数が最少です。この波形の短所は、スタティックディスプレイに比べてコントラストが劣る事です。さらに、マルチプレクスディスプレイには3つ以上の電圧レベルが必要であり、これらの中間レベルのバイアス電圧をハードウェア ( 例 : LCD コントローラ ) で発生させる必要があります。

弁別比

弁別比は LCD のコントラストを決定します。弁別比が高いほど LCD のコントラストは向上します。弁別比は、ON ピクセルの RMS 電圧を OFF ピクセルの RMS 電圧で除算した値です。スタティックディスプレイの弁別比は無限大です。マルチプレクスディスプレイではマルチプレクス数が増えると、弁別比が低下します。スタティックディスプレイに比べてマルチプレクスディスプレイのコントラストが劣るのは、これが理由です。バイアスレベルを高くすると弁別比が大きくなり、よってコントラストも向上します。弁別比計算の詳細は、アプリケーションノート AN658、『LCD Fundamentals Using PIC16C92X Microcontrollers』を参照してください。

フレーム周波数

LCD のフレーム周波数とは、コモンおよびセグメント出力が変化する周波数です。フレーム周波数は、表示画質を決める重要な要因です。周波数が低過ぎるとフリッカが発生します。周波数が高過ぎると消費電力が増大します。フリッカと周波数の関係は、「クロック分周」のセクションで詳述します。

コントラスト

LCD のコントラストは、LCD 波形の振幅と、使用環境の照明状態で決まります。LCD メーカーは、LCD グラスを動作させる際の仕様を提供しています。LCD グラスから最適性能を引き出すには、メーカーのデータシートで規定された電圧でLCDを動作させる必要があります。LCD グラスを仕様より高電圧で駆動すると、ピクセルがOFFであるべき場合にONに見える場合があります。これは「ゴースト」とも呼ばれます。

ゴーストは、弁別比が不足している場合、または LCDを不適切な視野角で見ている場合に発生します。視野角はメーカーが指定しています。ゴーストは、メーカー仕様よりも高温で LCD を動作させた場合にも発生します。液晶の特性は高温により変化します。

発光の弱いピクセルは LCD グラスの駆動不足が原因です。液晶の応答時間が増す低温における動作も発光不足を招く事があります。適切なコントラストを得るには、LCD に適切な電圧を供給する必要があります。LCD 電圧波形の振幅を変化させる事で、コントラストのソフトウェア制御が可能です。

COMO

COMO

1/4 MUX, 1/3 Bias COMMON Signal

1/8 MUX, 1/3 Bias COMMON Signal


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LCD のバイアスレベル

タイプと波形に応じて LCD を検討する場合、LCD 波形を発生させるため複数の電圧レベルを提供する必要があります。

スタティックディスプレイの場合、必要なレベルは 2 つだけです ( 図 5 参照 )。

図 5: スタティック波形

1/2バイアスの場合、3つ以上の電圧レベルがあります。複数のコモンが存在する場合(マルチプレクスの場合 )、3 つ以上の電圧レベルがあります。図 6 に、1/2 バイアス、1/2 MUX 波形を示します。V1/2 は V0 と V の間にあります。

図 6: 1/2 MUX、1/2 バイアス波形

1/3 バイアス波形の場合、必要な波形を発生させるための電圧レベルが 1/2 バイアスよりも 1 つ増えます。この場合のレベルは、V0、V1/3、V2/3、V の 4 つです。図7 に、1/3 バイアスの波形を示します。

図 7: 1/8 MUX、1/3 バイアス波形

通常、スタティック波形のレベルは VSS と VDD です。コントラストを制御する場合、各種の方法で VDD 電圧レベルを変化させます。LCD グラスに印加可能な電圧は仕様で決まっており、これは LCD グラスメーカーが提供するデータシートに記載されています。

V

V0

FrameFreq.

V

V1/2

V0

VV2/3V1/3

V0 FrameFreq.


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抵抗ラダーによるバイアス

外部抵抗ラダー

バイアス電圧を発生させる最も単純な方法の 1 つは、基板上で抵抗ラダーを使う事です。LCD ピクセルはコンデンサと見なせるため、LCD グラスのサイズに応じ

て静電容量が変化します。抵抗ラダーでバイアスを発生させる事で、LCD グラスのサイズに応じて抵抗を選択する柔軟性が得られます ( 図 8 参照 )。

抵抗とコンデンサ ( ピクセル ) の値が高い場合、RC 充電時間を考慮する必要があります。

図 8: 抵抗ラダーによるバイアス

バイアス信号の VLCD0、VLCD1、VLCD2、VLCD3 は、それぞれ LCDBIAS0、LCDBIAS1、LCDBIAS2、LCDBIAS3に接続します。1/2 バイアスの場合、中間ノードを短絡させて LCDBIAS2 と LCDBIAS1 の両方に接続します。抵抗値は、LCD グラスのサイズと電力要件に基づいて選びます。

PIC18、PIC16、PIC24 LCD マイクロコントローラは、全て外部抵抗ラダーによるバイアスに対応しています。

VLCD 3VLCD 2VLCD 1VLCD 0

ToLCDDriver

Connections for External R-ladder

10 k* 10 k* 10 k*

LCD Bias 2 LCD Bias 1LCD Bias 3

* これらの値は設計の手引きとしてのみ提供するものです。実際の設計ではアプリケーション向けに最適化する必要があります。

AVSS

Static Bias

1/2 Bias 1/3 Bias

VLCD 0 VSS VSS VSS

VLCD 1 — 1/2 VDD 1/3 VDD

VLCD 2 — 1/2 VDD 2/3 VDD

VLCD 3 VDD VDD VDD

10 k* 10 k*AVSS

VDD*

VDD*

VDD*

Static Bias

1/2 Bias

1/3 Bias


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外部抵抗ラダーによるコントラスト制御

外部抵抗ラダー回路網にポテンショメータを追加すると、抵抗ラダーによるコントラスト制御が可能です。ポテンショメータを調整してLCD波形の振幅を変える事でコントラスト制御が可能です。図 9 では、ポテンショメータの値「R」を変える事でコントラストを変化させる事ができます。抵抗は外付けであるため、ポテンショメータを手動で変化させない限り、コントラストをソフトウェアで制御する事はできません。

図 9: 抵抗ラダーバイアスのコントラスト制御

Microchip 社が提供する新しいデバイスのほとんどは内部バイアスとソフトウェアコントラスト制御機能を備えています。ソフトウェアコントラスト制御が不可欠であるのにデバイスが実装していない場合、デジタルポテンショメータを使う事で実現できます。

温度または周囲の照明に合わせてコントラストを変える必要があるアプリケーションでは、MCP40D17 等のデジタルポテンショメータを使います。PIC MCU からシリアル通信を介してこのポテンショメータを調整し、コントストを調整できます。

図 10: 抵抗ラダーバイアスによるソフトウェアコントラスト制御

外部抵抗ラダーによる電力最適化

抵抗ラダーによるバイアス方式では、このラダーを通して常時電流損失が発生します。設計に消費電力の制約がある場合、抵抗ラダーの損失を最小限に抑える必要があります。損失を避ける 1 つの方法は、ラダーの抵抗値を高くする事です。しかしこの方法は、ある段階を超えるとコントラストに影響が出始めるため、必ずしも最適の選択肢とは言えません。コントラストに影響するのは、存在するためです。抵抗ラダーには、コントラストに影響を与えずに電流損失を最小限に抑えられる最適な値を選ぶ事が重要です。

図 12 に、8 コモン LCD に 10k の抵抗ラダーを使った場合の COM0 の波形を示します。この場合、良好なコントラストが得られます。3 V における総消費電力が重要となるバッテリ駆動のデバイスの場合、10k抵抗3 段のラダーでは常時 100 A の損失が発生します。この電流は、抵抗ラダーの値を高くすれば減らせます。しかし、抵抗ラダーの値を高くしていくと、ある点でコントラストに影響が出始め、波形が変形します。従って、コントラストと LCD グラス上のピクセルサイズに基づいて最適の抵抗値を選ぶ必要があります。抵抗ラダーの選定に関する詳細は、技術概要『TB1098 - Low- Power Techniques for LCD Applications』を参照してください。

LCD Glass

PIC® MCU with LCD

VDD

LCD Bias 3

LCD Bias 2

LCD Bias 1

LCD Bias 0

CO

M0

CO

M1

SE

G0

CO

M2

CO

M3

SE

G4

7

LCD GlassVDD

LCD Bias 3

LCD Bias 2

LCD Bias 1

LCD Bias 0

DigitalPOT

SCLSDA

PIC® MCU with LCD

CO

M0

CO

M1

CO

M2

CO

M3

SE

G0

SE

G1

SE

G4

7


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図 11: 外部抵抗ラダーを使った 8 コモン LCD

図 12: 10k抵抗ラダーを使った 8 コモン LCDの波形 (PIC24FJ128GA310)

図 13 では、抵抗ラダーをそれぞれ 2Mまで増やしています。この場合、3 V 時の総電流損失は 0.5 A です。これはバッテリ駆動には有利ですが、抵抗値が高いため LCD 波形が変形します。

図 13: 外部抵抗ラダーを使った 8 コモン LCD

図 14 に、8 コモン LCD 信号の COM0 波形を示します。図の通り波形が変形し、コントラストにも影響します。この波形の変形に対処する別のバイアス回路を設けない限り、LCD 波形に影響が出るような大きな値の抵抗ラダーの使用は推奨しません。

図 14: 2MΩ抵抗ラダーを使った 8 コモン LCDの波形

もう 1 つの方法は、「低電流ドライバ」セクションで説明するように、十分な電流を供給できるドライバを追加する事です。

VDD

LCD Bias 3

LCD Bias 2

LCD Bias 1

LCD Bias 0

10K

10K

10K

PIC® MCU with LCD

CO

M6

CO

M7

SE

G1

SE

G0

SE

G6

0

CO

M0

CO

M1

LCD Glass LCD Glass

PIC® MCU with LCD

VDD

LCD Bias 3

LCD Bias 2

LCD Bias 1

LCD Bias 0

2M

2M

2M

CO

M0

CO

M1

SE

G0

SE

G1

CO

M6

CO

M7

SE

G6

0


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低電流ドライバ

LCD グラスとピクセルのサイズが大きく、抵抗ラダーの値が高い場合 (「外部抵抗ラダーによるコントラスト制御」のセクションで説明した Mのような場合 )、LCD 波形が変形します。LCD Bias 2 と LCD Bias 1 の間に MCP6042 (600 nA のレールツーレール入出力オペアンプ ) を接続すると、コントラストを下げる事なく、抵抗ラダー値を最高にできます。低消費電力である事が重要なバッテリ駆動デバイスでも、低静止電流(600 nA) の MCP6042 ならば使えます。図 16 に、2 M抵抗ラダーと MCP6042 を使った場合の COM0 信号を示します。こうする事で LCD 波形が変形せず、コントラストへの影響も生じません。また、LCD のサイズに関係なく電流消費を最適化できます。図16に、MCP6042を使った 8 コモン LCD 信号波形を示します。

図 15: 外部バイアスとバッファによるLCD駆動

図 16: 外部抵抗 2MΩとバッファでバイアスした場合の COM0 信号波形

非使用時のバイアスの遮断

消費電力を低減するもう 1 つの方法は、LCD 非使用時および非表示時に抵抗ラダーへの電源をOFFにする事です。抵抗ラダーの動作時間を短縮する事で、バッテリ寿命は大幅に延びます。その方法の1つが、PIC MCU 出力ポートによるLCDバイアス抵抗ラダーの駆動です( 図 17)。この方法により、LCD 非使用時にバイアス電圧を OFF にできます。さらに、LCDCON をクリアする事で LCD モジュールも OFF にできます。

図 17: LCD を OFF にできる I/O ポートによるLCD 給電

LCD Glass

PIC® MCU with LCD

VDD

LCD Bias 3

LCD Bias 2

LCD Bias 1

LCD Bias 0

2M

2M

2M MCP6042

CO

M2

CO

M3

SE

G1

SE

G0

SE

G47

CO

M0

CO

M1

LCD Glass

PIC® MCU with LCD

LCD Bias 3

LCD Bias 2

LCD Bias 1

LCD Bias 0

10K

10K

10K

I/O Port

CO

M2

CO

M3

SE

G1

SE

G0

SE

G4

7

CO

M0

CO

M1


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クロックとスリープによる省電力

クロック速度を変更し、デバイスをスリープに移行させる事で消費電力を低減できます。各方法にはそれぞれ長所と短所があります。

スリープでの動作

LCDを有効にしたままデバイスをスリープに移行させる事で消費電力を低減できます。この時 PIC MCU は、 LCD を有効にしたままで可能な最小消費電力モードです。デバイスによっては、通常のスリープよりも低いコア電圧で動作する低電圧スリープをサポートしています。低電圧スリープ中、LCD は非常に小さなスリープ電流で動作できます。

LCD が機能するにはクロックが必要です。LCD クロックにはいくつかの選択肢があります。LCD のクロック源として、以下を使えます。

• デバイスのメインクロック FOSC/4 または FOSC/2 ( 分周器あり )

• セカンダリオシレータクロック

• LPRC または LF-INTOSC クロック

これらのクロックは、それぞれさらに分周して、LCDが動作可能な公称周波数を生成できます。ソフトウェアでクロックをさらに分周して、特定の LCD に最適な周波数を得る、追加の分周器があります。

スリープ中、マイクロコントローラのメインクロックは消費電力節減のために OFF にされます。しかし、セカンダリクロックまたは LPRC クロックは、LCD または他の周辺モジュールで使われている場合は動作を続けます。LCD は、スリープ中に動作または停止するように設計できます。ソフトウェアを使ってスリープ中も LCD を動作させ続ける事も可能です。

LCD をスリープに移行させると電力を節減できます。コモンおよびセグメント信号は全てアクティブのままであるため、LCD は ON のままです。スリープ中はメインクロックがOFFになるため表示内容は変更できません。従ってスリープ中、LCD は ON のままで SLEEPコマンド実行前の内容を表示します。


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クロック分周

LCD で使う 3 つのクロックには、それぞれ専用の内蔵分周器が実装されています。この分周されたクロックは LCD モジュールに供給され、さらにモジュール内でユーザ定義のプリスケールオプションで分周できます。

図 18: LCD クロックの選択とプリスケール

LCD にはプリスケールオプション適用後のクロックが印加されます。周波数はこのプリスケールで定義できます。周波数が高いほど、LCD モジュールの消費電流が増加します。フレームレートを定義する際、フリッカ融合周波数という用語が使われます。

フリッカ融合周波数は、連続的な動きを生成するのに必要な、1 秒あたりのフレーム数です。フリッカ融合周波数は、画像を見る環境の照明によって異なってきます。部屋が明るいほど、フリッカをなくすために必要なフリッカ融合周波数は上昇します。映画館は暗いため、通常明かりの点いた部屋で見る TV (60 Hz) よりもフリッカ融合周波数は低下します。LCD の場合、30 ～50 Hz のフリッカ融合周波数 ( フレーム周波数 ) があれば、フリッカのない良好な表示が得られます。

LCD をより低い周波数で動作させると、消費電力は小さくなりますがフリッカを生じます。周波数が必要以上に高いと、無駄に電力を消費します。従って、周囲環境の照明に応じてコントラストと消費電力が最適な周波数を選択する必要があります。

内部抵抗ラダー

新しい PIC16/PIC18/PIC24 の一部は抵抗ラダーを内蔵しています。この内部抵抗ラダーを使うと、特定の LCDグラスに対して最適な抵抗ラダーを構成できます。

内部抵抗ラダーには、以下のような利点があります。

1. 基板上の部品点数が減り、これにより設計コストを低減できます。

2. 内蔵ソフトウェアコントラスト制御により、動作中に抵抗ラダーを変更できます。

3. LCD 非使用時に抵抗ラダーを OFF にできます。これにより、LCD 非使用時の消費電力を低減できます。

4. バイアス電圧を内部で生成するため、外部抵抗ラダー用のバイアスピンは汎用ポートとして使えます。

この設計では 3 つの抵抗ラダーを使います。これらの抵抗ラダーは動作中のLCDフレーム内で自動的に変更できます。抵抗ラダーは、高電力、中電力、低電力に分類します。表 1 に、それぞれの代表値を示します。ピクセルサイズが大きい LCD グラスの場合、充電にはより多くの電流が必要です。このため、高電力モードの抵抗ラダーを使う必要があります。ピクセルの小さい、ごく小型の LCD をアプリケーションで動作させる場合、低電力のラダーを使います。この機能により、アプリケーションに応じてラダーを切り換えられます。

FOSC/4 or FOSC/2

LPRC or LF-INTOSC

Clock Selection

Application-Defined1:16 Prescale

Prescale Selection

To LCDSecondary Oscillator


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内部抵抗ラダーによる電力最適化

バッテリ駆動のデバイスでは、電流消費がきわめて重要です。抵抗ラダーの動作は電流を消費します。電流消費が最大になるのはスイッチング時です。スイッチング時は高電力を適用し、そうでない期間は低電力にする事で、コントラストを下げる事なく消費電流を低減できます。内部抵抗ラダーは常時切り換える事ができるため、コントラストを失う事なく電力を節減できます。

図 19: 内部抵抗ラダーによるバイアス

表 1: 抵抗ラダーの代表値と3 V時の電流 (Typ.)

電力モードラダーの公称抵抗値 IDD

低電力 3 M 1 µA

中電力 300 k 10 µA

高電力 30 k 100 µA

LCDBIAS3

LCDBIAS2

LCDBIAS1

VLCD3PE

VLCD2PE

VLCD1PE

LCDCST<2:0>

LCDIRELCDIRS

VDD

LRLAT<2:0>

A Power Mode

B Power Mode

LRLAP<1:0> LRLBP<1:0>

LowResistorLadder

MediumResistorLadder

HighResistorLadder

3 x VBG or VDDCORE


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電力モードの選択

電力モードには「モード A」と「モード B」の 2 つがあります。モード A は高電力モード、モード B は低電力モードです。電力モード A は LCD セグメント波形の遷移から始まり、その期間はプログラミング可能です。

これら 2 つのモードには、それぞれ 2 ビットが割り当てられ、その特定のモードで接続するラダーを決定します。

モード A には 3 つのモードと切断モードがあります。

モード B には 3 つのモードと切断モードがあります。

ユーザは、これらのビットを使ってモード A およびモード B で接続するラダーを設定できます。両方のモードで低電力ラダーを使うと消費電力は最小となりますが、高電力抵抗ラダーが原因でコントラストが失われる恐れがあります。モード A はスイッチング段階で使い、より多くの電流の供給を必要とします。このモードでは、より大電流のラダーを選び、モード B ではより小電流のラダーを選ぶ事を推奨します。

電力モードの期間

モード A とモード B の抵抗ラダー値を選択後、セグメント期間内のモード A とモード B の動作期間を決めます。

これらの抵抗ラダーは 3 つのビットで有効にします。ソフトウェアビットでモード A の有効期間を選択します。モード B が有効なのは、セグメントまたはコモンが再度変化するまでの残り時間です。モード A とモード B を合計した期間は「T」です。「T」の期間内で、各モードが ON になる期間を決定する 3 つのソフトウェアビットは以下の通りです。

図 20: 内部抵抗ラダーバイアスのタイミング

11 = 内部ラダーに高電力モードで給電する

10 = 内部ラダーに中電力モードで給電する

01 = 内部ラダーに低電力モードで給電する

00 = 内部ラダーへの給電を停止し、切断する

11 = 内部ラダーに高電力モードで給電する

10 = 内部ラダーに中電力モードで給電する

01 = 内部ラダーに低電力モードで給電する

00 = 内部ラダーへの給電を停止し、切断する

000 = 内部ラダーを常に電力モード B で動作させる

001 = 内部ラダーを 1 クロック電力モード A で動作させ、15クロックは電力モードBで動作させる






111 = 内部ラダーを 7 クロック電力モードAで動作させ、9クロックは電力モードBで動作させる

Mode A

T(1)

Mode B

SingleSEGMENT

Time

Note 1: T = モード A の時間 + モード B の時間モード A とモード B の時間を変え、モード A と

モード B の期間の抵抗ラダーの電力モードを変

えることによって、最適な電力で適切なコント

ラストが得られます。


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内部抵抗バイアスによるコントラスト制御

3つの抵抗ラダーは、それぞれ専用の内部ポテンショメータを備え、その抵抗値を変更できます。ラダー抵抗は、コントラスト制御のソフトウェアビット (LCDCST<2:0>) で変更できます。最大コントラストから最小コントラストまで 7 つのモードがあります。

図 21: 内部抵抗ラダーコントラスト制御レジスタ

LCDCST<2:0>: LCD コントラスト制御ビット

このビットはLCDコントラスト制御抵抗ラダーの抵抗を選択します。

使用中のラダーに対応するポテンショメータを調整する事で、そのラダー適用期間のコントラストを制御します。動作中のコントラスト制御機能は、周囲の照明に応じてコントラストを変えるアプリケーションで便利です。値を「000」に設定すると、抵抗ラダーからコントラスト制御用の抵抗を取り除く事ができます。

チャージポンプによるバイアス

バッテリ駆動アプリケーション向けに設計された 3 V デバイスの一部は、バイアス電圧を生成するチャージポンプを内蔵しています。

チャージポンプには、以下のような利点があります。

• LCD をデバイスの最低電圧 (2 V、typ.) で動作させる機能 : 3 V LCD のほとんどは約 2.7 V まで電圧が低下すると適切なコントラストを維持できません。チャージポンプを使うとVDDが 2 Vにまで低下しても LCD 信号を 3 V に維持できます。

• チャージポンプによるソフトウェアコントラスト制御が可能です。

• チャージポンプを使う事で、バッテリ容量を活用できます。

図 22 に、チャージポンプの接続を示します。

図 22: チャージポンプによるバイアス

111 = ラダー抵抗を最大にする ( 最小コントラスト )

110 = ラダー抵抗を最大の 6/7 にする






000 = ラダー抵抗を短絡して抵抗値を最小にする ( 最大コントラスト )

Medium PowerLadder

Low-PowerLadder

High-PowerLadder

Note 1: これらの値は設計の目安としてのみ提供す

るものです。実際の設計では LCD の仕様を

基に各アプリケーション向けに最適化する

必要があります。

VDD

VLCAP 1

VLCAP 2

LCDBIAS3

LCDBIAS2

LCDBIAS1

LCDBIAS0

VDD

CFLY

0.047 µF(1)

C3

0.047 µF(1)

C2

0.047 µF(1)

C1

0.047 µF(1)

C0

0.047 µF(1)


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LCD チャージポンプの設計に関する注意事項

チャージポンプとLCDコントローラを使うアプリケーションを設計する場合、ディスプレイの動的電流および RMS( 静的 ) 電流要件、チャージポンプの電流供給能力を考慮する必要があります。動的電流と静的電流は、どちらも式 1 から求める事ができます。

式 1: 動的および静的電流の要件

動的電流の場合、C は LCDBIAS3 と LCDBIAS2 に接続したコンデンサの容量を表します。dV は LCD ディスプレイの電圧スイッチング中にC2およびC3で許容される電圧降下、dT はクロックパルス発生後の過渡電流の期間です。実用回路では C = 0.047 µF、dV = 0.1 V、 dT = 1 µs と想定できます。これらの値から、動的電流は 4.7 mA (1 µs 間 ) と求まります。

このように計算した電流供給能力とLCDの要求電流を比較する必要があります。dV と dT の値はデバイス設計でほぼ決まっていますが、CFLY と LCDBIAS ピンのコンデンサは電流を増減するために変更できます。これらの値の変更がアプリケーションに及ぼす影響は、常に実際の回路で評価する必要があります。

チャージポンプを使った動作モード

LCD には以下の 4 つの動作モードがあります。

• M0: レギュレータ ( 昇圧あり )

• M1: レギュレータ ( 昇圧なし )

• M2: 抵抗ラダー ( ソフトウェアコントラスト )

• M3: 抵抗ラダー ( ハードウェアコントラスト )

M0: レギュレータ ( 昇圧あり )

M0 動作では、LCD チャージポンプ機能が有効になります。これにより、レギュレータは LCD に向けてLCDBIAS3 で最大 +3.6 V の電圧を生成できます。M0 は、VLCAP1 と VLCAP2 の間に接続されたフライバックコンデンサと、LCDBIAS0 ～ LCDBIAS3 に接続されたフィルタコンデンサを使って必要な電圧まで昇圧します ( 図 23)。

図 23: チャージポンプによるバイアス、 M0 モード

出力電圧 (VBIAS) は、LCDBIAS3 と LCDBIAS0 間の電位差です。この電位差は、BIAS<2:0> ビットで VSS に対するLCDBIAS0のオフセット電圧を調整する事で設定します。フライバックコンデンサ (CFLY) は、大きなLCD負荷に対する電荷貯蔵エレメントとして機能します。M0 モードは、LCD がマイクロコントローラのVDD よりも高い電圧を要求する場合に便利です。またM0 モードでは、BIASx ビットの値を変更してバイアス電圧を調整する事で、ディスプレイのコントラストをソフトウェアで制御できます。

M1: レギュレータ ( 昇圧なし )

M1 の動作は、LCD チャージポンプを使わない点を除けば M0 と同様です。M1 では、LCDBIAS3 に直接供給される電圧レベル以下の VBIAS を生成できます。M1は、VDD が LCD で適正コントラストを維持するのに必要な電圧レベルよりも低下しないと予測されるアプリケーション向けに使えます。外付け部品の接続方法は、LCDBIAS3 を直接 VDD に接続する点を除けば、M0とほぼ同じです。

M1 でも、BIAS<2:0> ビットを使って VBIAS を変更する事で、ソフトウェアによるコントラスト調整が可能です。M0 と同様に、これらのビットを変更すると VSS

に対する LCDBIAS0 のオフセットが変化します。M1の場合、これは LCDBIAS3 に接続される電圧とLCDBIAS0 間の電位差に反映されます。従って、VDD

が変化すると VBIAS も変化します。これに対して、M0では VBIAS のレベルは変化しません ( 図 24)。

I = C xdV

dT

(VBIAS up to 3.6V)

VDD

VLCAP 1

VLCAP 2

LCDBIAS3

LCDBIAS2

LCDBIAS1

LCDBIAS0

VDD

CFLY

0.047 µF

C3

0.047 µF

C2

0.047 µF

C1

0.047 µF

C0

0.047 µF


AN1428

図 24: チャージポンプによるバイアス、M1( ソフトウェアコントラスト付き抵抗ラダー )

M2: 抵抗ラダー ( ソフトウェアコントラスト )

M2 でも LCD レギュレータを使いますが、チャージポンプは無効になります。コントラストの調整用に、レギュレータの内部参照電圧はアクティブ状態を保ちます。M2 は、LCD の要求電流がレギュレータのチャージポンプの能力を超える場合に使います。

このコンフィグレーションでは、LCDBIAS0～LCDBIAS3に接続した外付け抵抗分圧器 ( 上端を VDD に接続 ) を使ってLCDバイアス電圧レベルを生成します (図24)。ラダー下端の電位は、内部で LCDBIAS0 に接続されたLCD レギュレータの参照電圧で決まります。バイアスタイプは、抵抗ラダーの構成に基づく各 LCDBIAS ピンの電圧で決まります。

M1 と同様に、LCDBIAS ビットによるコントラストの制御は、デバイスに供給される VDD レベルで制限されます。また、VLCAP 1 と VLCAP 2 の間のコンデンサは不要であるため、これらのピンはデジタル I/O ポート(RG2、RG3) として使えます。


M3( ハードウェアコントラスト )

M3 では、LCD レギュレータを完全に無効にします。M2と同様に、LCD バイアスレベルは外付け分圧器を使って生成し、ラダー上端は VDD に接続します。M2 とは異なり、M3 では内部参照電圧も無効にし、ラダー下端をグランド (VSS) に接続します。図 26 を参照してください。コントラストのレンジは、抵抗の値と VSS ～ VDD

間の電位差で決まり、ソフトウェアによる調整はできません。このコンフィグレーションは、LCD の要求電流がチャージポンプの能力を超えており、かつソフトウェアによるコントラスト制御が不要な場合に使えます。


Mode 1

VDD

CFLY

0.047 µF

C2

0.047 µF

VDD

C1

0.047 µF

C0

0.047 µF

(VBIAS < VDD)

VDD

LCDBIAS3

LCDBIAS2

LCDBIAS1

LCDBIAS0

10 k

10 k

10 k

VDD

LCDBIAS3

LCDBIAS2

LCDBIAS1

LCDBIAS0

10 k

10 k

10 k


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バッテリ電源とコントラスト

3 V 動作向けに設計された LCD グラスのほとんどは、約 2.8 ～ 2.7 V でも適切なコントラストで動作します。しかし 2.7 V を下回ると、LCD セグメントピン、コモンピンへ駆動波形を印加しても、コントラストが不足します。

バッテリ寿命を最大限に生かすために、チャージポンプを使って LCD をバイアスできます。

「M0: レギュレータ ( 昇圧あり )」で説明した通り、VDD が LCD の仕様または最小電圧を下回っても、LCD を動作させる事ができます。

図 27: ENERGIZER®Ultimate Lithium AAA (L92) バッテリの放電曲線 ( 動作中バイアス切り換え実施 )

図 27 に、Energizer® Ultimate Lithium AAA (L92) のドレイン性能を示します。新品のバッテリ 2 個を直列に接続すると、残り容量の 15% になるまで 3.0 V (2 x 1.5 V) を超える出力が維持されます。この点まで、内部抵抗ラダーによる高効率バイアスを使います。バッテリ電圧が低下し始めたら、チャージポンプに切り換える事でアプリケーション寿命を延ばし、バッテリ容量を全て使い切る事ができます。

LCDモジュールに内部抵抗ラダーとチャージポンプの両方を実装したマイクロコントローラファミリの1つとして PIC24FJ128GA310 があります。

Low Drain Performance1 mA Constant Current Discharge at 21°C

AAA Lithium1.8

1.7

1.6

1.5

0.9

0 500 1000 2000 2500 3000

Time (hours)

Vo

lta

ge

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1500 3500

Internal Resistor Ladder Charge Pump


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PIC24FJ128GA310 の A/D コンバータは内部バンドギャップ参照電圧を生成し、VDD 電圧を監視できます。アプリケーションは、VDD 電圧に応じて内部バイアスとチャージポンプバイアスを切り換える事ができます。

LCD Explorer Boardのデモコード(www.microchip.com より入手可能 ) を実行すると、チャージポンプのバイアス切り換え動作とVDDを監視する内部抵抗ラダーをお試し頂けます。

例 1: 抵抗ラダーとチャージポンプを切り換えるサンプルコード

if(VDD_RES2<2700) // Monitor if Vdd is below 2.7V LCDBiasStatus=CHARGEPUMP; //Charge Pump enabled TRISBbits.TRISB6=1; //Bias3 TRISEbits.TRISE5=1; //Bias2 TRISEbits.TRISE6=1; //Bias1 TRISEbits.TRISE7=1; //Bias0

TRISGbits.TRISG7=1; //VLCAP1 TRISGbits.TRISG8=1; //VLCAP2

LCDREG=0x802f; LCDREF=0x0700; //external LCDPS=0x0002; LCDCON=0x8001F; //8 common

CStatus=1; else //internal resistor ladder

LCDBiasStatus=RESISTOR; //Internal resistor Ladder LCDREG=0x0004; LCDREF=0x80FF; //internal resistor ladder LCDPS=0x0002; LCDREFbits.LCDCST=0; LCDCON=0x800f; // 8 common RStatus=1;


http://www.microchip.com

AN1428

画質とコントラスト

波形の振幅制御以外にもコントラストに影響を与える要因があります。LCD アプリケーションを設計する時は、これらの要因を考慮する必要があります。その要素の 1 つが、いわゆる視野角です。これは通常、LCDメーカーが推奨値を示します。カスタム LCD を注文する場合、ユーザはベンダーに対して用途を指定できます。例えば、掛け時計のように壁の高い位置に設置して下から見る製品に使うのか、または机上に置いて上から見る製品に使うのかといった事です。

LCDが下方視野 (6時方向視野 )向けに設計されている場合、上方 (12 時方向視野 ) から見た場合のコントラストは劣化します。しかし、コントラストを調整すればある程度まで改善できます。

アプリケーションで最良または最適のコントラストと良好な画像を実現するには、以下の要因を考慮する必要があります。

• 周囲の照明またはバックライト (LCD がバックライトを搭載している場合 )

• LCD 仕様に対する LCD 波形の振幅

• LCD を仕様温度レンジで動作させる事

• LCD を仕様視野角内で使う事

• LCD を仕様フレームレート ( フリッカ融合周波数 )で動作させる事

LCD PIC® マイクロコントローラ

Microchip 社は様々なバイアス方式、セグメント数、マルチプレクス設定のLCD PICマイクロコントローラを幅広く提供しています。今後さらに多くの、先進の低消費電力機能を備えたデバイスの提供を予定しています。アプリケーション、消費電力要件、LCD ピン数に応じて、LCD PIC MCU コントローラは多種多様な機能を提供できます。

提供中の製品は、以下のウェブページからご覧頂けます。 http://www.microchip.com/lcd

デバイスは、以下の機能をサポートします。

マルチプレクスとバイアス :

• スタティック駆動

• 1/2 マルチプレクス







バイアスレベルのサポート :

• スタティック

• 1/2 バイアス

• 1/3 バイアス

バイアス電圧発生 :

• 外部抵抗ラダー

• 内部抵抗ラダー (ソフトウェアコントラスト制御付き)

• チャージポンプバイアス (ソフトウェアコントラスト制御付き )

LCD セグメント数 :

• 最大64セグメントのスタティック方式は64ピクセルを駆動可能

• 60セグメントの1/8マルチプレクス方式は480ピクセルを駆動可能

低消費電力動作機能 :

• スリープ中に LCD が動作可能

• 低電圧 /リテンションスリープ中にLCDが動作可能

• 電力を最適化する LCD 用クロックの分周器

• 動的電力モードを備えた内部抵抗ラダー

• 内部抵抗ラダーとチャージポンプバイアスの切り換え


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参考文献

AN658 - LCD Fundamentals Using PIC16C92X Microcontrollers (DS00658)

LCD PIC® MCU Tips 'n Tricks (DS41261)

TB084 - Contrast Control Circuits for the PIC16F91X (DS91084)

2012 - Energizer®


Microchip 社製デバイスのコード保護機能に関して以下の点にご注意ください。

• Microchip 社製品は、該当する Microchip 社データシートに記載の仕様を満たしています。

• Microchip 社では、通常の条件ならびに仕様に従って使用した場合、Microchip 社製品のセキュリティレベルは、現在市場に

流通している同種製品の中でも最も高度であると考えています。

• しかし、コード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です。弊社の理解では、こうした手法

は Microchip 社データシートにある動作仕様書以外の方法で Microchip 社製品を使用する事になります。このような行為は知

的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えます。

• Microchip 社は、コードの保全性に懸念を抱いているお客様と連携し、対応策に取り組んでいきます。

• Microchip 社を含む全ての半導体メーカーで、自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありません。コード保

護機能とは、Microchip 社が製品を「解読不能」として保証するものではありません。

コード保護機能は常に進歩しています。Microchip 社では、常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいます。Microchip 社の

コード保護機能の侵害は、デジタルミレニアム著作権法に違反します。そのような行為によってソフトウェアまたはその他の著作

物に不正なアクセスを受けた場合、デジタルミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利があります。

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