LCD液晶显示鬼影问题

in cn-reader •  17 days ago 

众所周知,我是一名研发工程师,我专门设计各种便携式仪表已经十多年,经验丰富。做研发工作,经常会遇到问题,查找线索解决问题对我来说是很大的乐趣。这次,就又碰到了一个问题。

有些问题能够通过不同的方法来解决,这篇文章,我就来说说原因的查找以及不同的解决方案。

我设计的一款仪表已经正常出货,这次又生产5000台。结果产线发现,有相当一部分仪表组装完成后,LCD在正常状况(室温,湿度50~60%)下显示正常,像这样:

但是在高湿环境(室温,75%湿度)中放置几小时后,会出现鬼影:

也就是不应该被点亮的段码,有一部分隐隐约约会有显示,造成观感不好。

产线试着交换良品和不良品,发现问题是跟着LCD走的,因此下结论,说是LCD不良,需要厂商召回检查,重新发货。

本来这算一份比较完整的品异单报告,不需要我进一步参与。但是,研发人员的直觉告诉我,事情没有这么简单,好奇心也驱使我进一步查找问题。

初步分析

LCD驱动有专门的波形,显示上不正常,首先就要检查MCU产生的驱动波形是否正常。

用示波器观察正常显示的LCD驱动波形,是这样的:

理论上应该是很分明的阶梯状,不过由于LCD阻抗不同,还有MCU的性价比制约,这样的波形有稍许失真,算是合格的,显示外观没有问题。

而用示波器观察显示不正常的LCD驱动波形,长的这样:

可以看出红圈圈出的部分已经明显失真,参差不齐,从而造成LCD显示有鬼影。

而显示不良的仪表,放到低于60%湿度的环境中,会逐步恢复正常。结合波形分析,直观上感觉,是MCU在高湿环境下变得驱动能力不足而产生波形失真,而驱动能力不足,一个是可能MCU受湿度影响,另一个可能是LCD特性受湿度影响。

解决方案1

而前面已经说过,问题是跟着LCD走的,和MCU所在的主板无关。所以应该是LCD被高湿影响造成鬼影。

MCU驱动LCD,其波形受LCD的电容影响,电容越大,所需要的驱动信号能力就越大。而我们LCD的供应商是小厂,并没有提供详细的电容参数说明,我也只能按照经验判断,面积越大,电容越大,而这款仪表面积很小,所以不需要很大的驱动能力。

我修改了MCU程序,增大了LCD驱动能力,很简单:

setReg8(LCDSUPPLY, 0x03);
//LCD charge pump is disabled. Drive VLL3 externally

改成了

setReg8(LCDSUPPLY, 0x33);
//LCD charge pump is disabled. Drive VLL3 externally, full driver

效果立竿见影,原来显示不良的,立即恢复正常。

如果就此结束,解决了问题,也不影响出货,但唯一的问题是,因为驱动能力的增强,仪表功耗有所增加,大约是0.1mA左右。这个电流算是很小的一个存在,但是会影响电池使用寿命,仪表原来平均电流是1mA,现在增加了10%,电池寿命会缩短10%左右。


解决方案2

但是为什么LCD在高湿状态下会电容增大?这个不符合逻辑,严谨的工程师认为有必要打破砂锅问到底。

根据十几年的经验,高湿状态下出问题,多数是目标物不干净,在高湿状态下会产生微导通,电信号四处乱串造成的。

仔细观察PCB,发现焊接状况良好,没有助焊剂残留。拆下PCB,再清洗一下金手指和LCD导电橡胶

重新安装好,在高湿状态下观察24小时,问题消失。所以,这才算找到了根本原因,不会产生后患。


追根溯源

普通的工程师,能找到这个根本原因,就算任务圆满解决了。但是,工程师应该和产线密切结合,把产品从元件开始追溯到合格出厂,才是负责人的。

那么,为什么导电橡胶(或是PCB金手指)上会有灰尘呢?

产线操作有严格的SOP,放置导电橡胶和LCD时必须佩戴手指套,并用洁净的压缩空气清洁接触面,就是为了防止汗渍灰尘等污染目标物产生异常。经查询后,产线是严格遵守这些规定的,因此不会有问题。

这时,生管有些吞吞吐吐地说,有没有可能是导电橡胶厂商供货时就被污染?这几乎是不可能的事,因为我们每年要进几十万条导电橡胶,至今为止没有出过问题,去仓库检查了库存也没有问题。

倒是生管的吞吞吐吐引起了我的怀疑。追问之下才真相大白:
产线在装配完成检查湿度时,发现湿度不良,因此启动湿度sensor恢复流程,就是需要把湿度sensor在100摄氏度烘烤12小时后,再在高湿环境下水解24小时。

湿度sensor在一块小的PCB上,然后通过排针焊接在主PCB上。而产线为了及时出货,偷了懒,没有焊接下小PCB,连着主PCB一起烘烤并水解。烤箱环境内非常干燥,有风扇循环送风。经检查有部分烤箱内部灰尘较多,在烘烤的过程中落在PCB上,接着在水解过程中附着在金手指上,简单的吹气无法将其清洁,才出现了开篇所说的问题。


结论

工程问题五花八门,有些是自己设计的时候考虑不周产生的,有些是产线生产过程中由于“人”的因素导致的,我们只有不放过每一次出现的问题,都找出根上的原因,积累经验,在接下来的设计生涯中才能举一反三,快速解决问题。

出现问题后,一定要详细了解产品生产的整个过程,任何细节都不能放过,否则,可能永远无法真正解决问题。


以上由 @kissfirer原创,非经允许禁止转载,谢谢

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