AN1428, LCD Biasing and Contrast Control Methods

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1 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 AN1428 LCD のバイアス印加およびコントラスト制御方法 著者 : 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 Naveen Raj Microchip Technology Inc. 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: COM0 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 COMMON Connection SEG7 SEG6 SEG5 SEG4 SEG3 SEG2 SEGMENT Connection SEG1 SEG0 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 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.1

2 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 V 1 COM0 V 0 V 1 SEG0 V 0 V 1 SEG1 V 0 V 1 COM0-SEG0 V 0 -V 1 COM0-SEG1 V 0 1 Frame 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 DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

3 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 SEG1 1/4 MUX, 1/3 Bias COM4 COM3 COM2 COM1 COM0 1/8 MUX, 1/3 Bias SEG0 SEG Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.3

4 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 COMO 1/4 MUX, 1/3 Bias COMMON Signal COMO 1/8 MUX, 1/3 Bias COMMON Signal 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 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 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 DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

5 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 V 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: V V2/3 V1/3 V0 1/8 MUX 1/3 バイアス波形 Frame Freq. 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 V0 通常 スタティック波形のレベルは VSS と です コントラストを制御する場合 各種の方法で 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 図 6: 1/2 MUX 1/2 バイアス波形 V V1/2 V0 Frame Freq Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.5

6 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 Static Bias 1/2 Bias 1/3 Bias VLCD 3 VLCD 2 VLCD 1 VLCD 0 To LCD Driver VLCD 0 VSS VSS VSS VLCD 1 1/2 1/3 VLCD 2 1/2 2/3 VLCD 3 LCD Bias 3 LCD Bias 2 LCD Bias 1 Connections for External R-ladder * Static Bias * 10 k * 10 k * AVSS 1/2 Bias * 10 k * 10 k * 10 k * AVSS 1/3 Bias * 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 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 DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

7 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 図 10: Digital POT 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 SCL SDA LCD Bias 3 COM0 COM1 COM2 COM3 LCD Glass SEG0 SEG1 SEG47 LCD Bias 2 LCD Glass LCD Bias 1 PIC MCU with LCD LCD Bias 3 COM0 COM1 COM2 COM3 SEG0 SEG47 LCD Bias 0 LCD Bias 2 LCD Bias 1 LCD Bias 0 PIC MCU with LCD 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 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 TB Low- Power Techniques for LCD Applications を参照してください 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.7

8 図 11: 外部抵抗ラダーを使った 8 コモン LCD 図 13: 外部抵抗ラダーを使った 8 コモン LCD LCD Glass LCD Glass LCD Bias 3 COM0 COM1 COM6 COM7 SEG0 SEG1 SEG60 LCD Bias 3 COM0 COM1 COM6 COM7 SEG0 SEG1 SEG60 10K LCD Bias 2 2M LCD Bias 2 10K LCD Bias 1 PIC MCU with LCD 2M LCD Bias 1 PIC MCU with LCD 10K LCD Bias 0 2M LCD Bias 0 図 12: 10k 抵抗ラダーを使った 8 コモン LCD の波形 (PIC24FJ128GA310) 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 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 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 DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

9 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 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 図 15: 外部バイアスとバッファによる LCD 駆動 I/O Port LCD Glass 10K LCD Bias 3 LCD Bias 2 COM0 COM1 COM2 COM3 SEG0 SEG1 SEG47 LCD Bias 3 COM0 COM1 COM2 COM3 SEG0 SEG1 SEG47 10K LCD Bias 1 PIC MCU with LCD 2M LCD Bias 2 10K LCD Bias 0 2M LCD Bias 1 PIC MCU with LCD 2M MCP6042 LCD Bias 0 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 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.9

10 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 DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

11 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 FOSC/4 or FOSC/2 Secondary Oscillator Application-Defined 1:16 Prescale To LCD LPRC or LF-INTOSC Prescale Selection Clock Selection 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 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.11

12 表 1: 抵抗ラダーの代表値と 3 V 時の電流 (Typ.) 内部抵抗ラダーによる電力最適化 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 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 3 x VBG or CORE LCDIRS LCDIRE LCDCST<2:0> VLCD3PE LCDBIAS3 VLCD2PE LCDBIAS2 VLCD1PE LCDBIAS1 Low Resistor Ladder Medium Resistor Ladder High Resistor Ladder A Power Mode B Power Mode LRLAT<2:0> LRLAP<1:0> LRLBP<1:0> DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

13 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 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 モード B には 3 つのモードと切断モードがあります 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 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 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 010 = 内部ラダーを 2 クロック電力モード A で動作させ 14 クロックは電力モード B で動作させる 011 = 内部ラダーを 3 クロック電力モード A で動作させ 13 クロックは電力モード B で動作させる 100 = 内部ラダーを 4 クロック電力モード A で動作させ 12 クロックは電力モード B で動作させる 101 = 内部ラダーを 5 クロック電力モード A で動作させ 11 クロックは電力モード B で動作させる 110 = 内部ラダーを 6 クロック電力モード A で動作させ 10 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 図 20: 内部抵抗ラダーバイアスのタイミング T (1) Mode A Mode B Single SEGMENT 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 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.13

14 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 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 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 Low-Power Ladder Medium Power Ladder High-Power Ladder 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 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 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 101 = ラダー抵抗を最大の 5/7 にする 100 = ラダー抵抗を最大の 4/7 にする 011 = ラダー抵抗を最大の 3/7 にする 010 = ラダー抵抗を最大の 2/7 にする 001 = ラダー抵抗を最大の 1/7 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 ) 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 VLCAP 1 VLCAP 2 LCDBIAS3 LCDBIAS2 LCDBIAS1 LCDBIAS0 CFLY µf (1) C µf (1) C µf (1) C µf (1) C µf (1) 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 DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

15 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 図 23: チャージポンプによるバイアス M0 モード 式 1: 動的および静的電流の要件 I = C x dv dt VLCAP 1 VLCAP 2 CFLY µf 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 = 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 LCDBIAS3 LCDBIAS2 LCDBIAS1 LCDBIAS0 (VBIAS up to 3.6V) C µf C µf C µf C µf 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) 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 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 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 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 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) 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.15

16 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 ) 図 25: チャージポンプによるバイアス M2 モード LCDBIAS3 CFLY µf LCDBIAS2 LCDBIAS1 LCDBIAS0 10 k 10 k 10 k C µf C µf C µf Mode 1 (VBIAS < ) 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 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 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 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 ~ 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 図 26: チャージポンプによるバイアス M3 モード LCDBIAS3 LCDBIAS2 LCDBIAS1 LCDBIAS0 10 k 10 k 10 k DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

17 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 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 ) Low Drain Performance 1 ma Constant Current Discharge at 21 C 1.8 AAA Lithium Voltage Internal Resistor Ladder Charge Pump Time (hours) 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 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.17

18 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 電圧を監視できます アプリケーションは 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 ( 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 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(_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 else { } TRISGbits.TRISG7=1; TRISGbits.TRISG8=1; LCDREG=0x802f; LCDREF=0x0700; LCDPS=0x0002; LCDCON=0x8001F; CStatus=1; //internal resistor ladder LCDBiasStatus=RESISTOR; LCDREG=0x0004; LCDREF=0x80FF; LCDPS=0x0002; LCDREFbits.LCDCST=0; LCDCON=0x800f; RStatus=1; //VLCAP1 //VLCAP2 //external //8 common //Internal resistor Ladder //internal resistor ladder // 8 common DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

19 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 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 1/3 マルチプレクス 1/4 マルチプレクス 1/5 マルチプレクス 1/6 マルチプレクス 1/7 マルチプレクス 1/8 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 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.19

20 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) Energizer DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.

21 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 本書に記載されているデバイスアプリケーション等に関する情報は ユーザの便宜のためにのみ提供されているものであり 更新によって無効とされる事があります お客様のアプリケーションが仕様を満たす事を保証する責任は お客様にあります Microchip 社は 明示的 暗黙的 書面 口頭 法定のいずれであるかを問わず 本書に記載されている情報に関して 状態 品質 性能 商品性 特定目的への適合性をはじめとする いかなる類の表明も保証も行いません Microchip 社は 本書の情報およびその使用に起因する一切の責任を否認します 生命維持装置あるいは生命安全用途に Microchip 社の製品を使用する事は全て購入者のリスクとし また購入者はこれによって発生したあらゆる損害 クレーム 訴訟 費用に関して Microchip 社は擁護され 免責され 損害を受けない事に同意するものとします 暗黙的あるいは明示的を問わず Microchip 社が知的財産権を保有しているライセンスは一切譲渡されません 商標 Microchip 社の名称とロゴ Microchip ロゴ dspic FlashFlex KEELOQ KEELOQ ロゴ MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC 32 ロゴ rfpic SST SST ロゴ SuperFlash UNI/O は 米国およびその他の国におけるMicrochip Technology Incorporated の登録商標です FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MTP SEEVAL Embedded Control Solutions Company は 米国におけるMicrochip Technology Incorporatedの登録商標です Silicon Storage Technology は 他の国における Microchip Technology Inc. の登録商標です Analog-for-the-Digital Age Application Maestro BodyCom chipkit chipkit ロゴ CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPF MPLAB Certified ロゴ MPLIB MPLINK mtouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rflab Select Mode SQl Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock ZENA および Z-Scale は 米国およびその他の Microchip Technology Incorporated の商標です SQTP は 米国における Microchip Technology Incorporated のサービスマークです GestIC および ULPP は Microchip Technology Inc. の子会社である Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 社の他の国における登録商標です その他 本書に記載されている商標は各社に帰属します 2014, Microchip Technology Incorporated, All Rights Reserved. ISBN: Microchip 社では Chandler および Tempe ( アリゾナ州 ) Gresham ( オレゴン州 ) の本部 設計部およびウェハー製造工場そしてカリフォルニア州とインドのデザインセンターが ISO/TS-16949: 2009 認証を取得しています Microchip 社の品質システムプロセスおよび手順は PIC MCU および dspic DSC KEELOQ コードホッピングデバイス シリアル EEPROM マイクロペリフェラル 不揮発性メモリ アナログ製品に採用されています さらに 開発システムの設計と製造に関する Microchip 社の品質システムは ISO 9001:2000 認証を取得しています 2014 Microchip Technology Inc. DS01428A_JP - p.21

22 各国の営業所とサービス 北米本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ Tel: Fax: 技術サポート : support URL: アトランタ Duluth, GA Tel: Fax: オースティン TX Tel: ボストン Westborough, MA Tel: Fax: シカゴ Itasca, IL Tel: Fax: クリーブランド Independence, OH Tel: Fax: ダラス Addison, TX Tel: Fax: デトロイト Novi, MI Tel: ヒューストン TX Tel: インディアナポリス Noblesville, IN Tel: Fax: ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: Fax: ニューヨーク NY Tel: サンノゼ CA Tel: カナダ - トロント Tel: Fax: アジア / 太平洋アジア太平洋支社 Suites , 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: Fax: オーストラリア - シドニー Tel: Fax: 中国 - 北京 Tel: Fax: 中国 - 成都 Tel: Fax: 中国 - 重慶 Tel: Fax: 中国 - 杭州 Tel: Fax: 中国 - 香港 SAR Tel: Fax: 中国 - 南京 Tel: Fax: 中国 - 青島 Tel: Fax: 中国 - 上海 Tel: Fax: 中国 - 瀋陽 Tel: Fax: 中国 - 深圳 Tel: Fax: 中国 - 武漢 Tel: Fax: 中国 - 西安 Tel: Fax: 中国 - 厦門 Tel: Fax: 中国 - 珠海 Tel: Fax: アジア / 太平洋インド - バンガロール Tel: Fax: インド - ニューデリー Tel: Fax: インド - プネ Tel: 日本 - 大阪 Tel: Fax: 日本 - 東京 Tel: Fax: 韓国 - 大邱 Tel: Fax: 韓国 - ソウル Tel: Fax: または マレーシア - クアラルンプール Tel: Fax: マレーシア - ペナン Tel: Fax: フィリピン - マニラ Tel: Fax: シンガポール Tel: Fax: 台湾 - 新竹 Tel: Fax: 台湾 - 高雄 Tel: 台湾 - 台北 Tel: Fax: タイ - バンコク Tel: Fax: ヨーロッパ オーストリア - ヴェルス Tel: Fax: デンマーク - コペンハーゲン Tel: Fax: フランス - パリ Tel: Fax: ドイツ - デュッセルドルフ Tel: ドイツ - ミュンヘン Tel: Fax: ドイツ - プフォルツハイム Tel: イタリア - ミラノ Tel: Fax: イタリア - ヴェニス Tel: オランダ - ドリューネン Tel: Fax: ポーランド - ワルシャワ Tel: スペイン - マドリッド Tel: Fax: スウェーデン - ストックホルム Tel: イギリス - ウォーキンガム Tel: Fax: /25/14 DS01428A_JP - p Microchip Technology Inc.