- OLED顯示器的結(jié)構(gòu)
- OLED的電源驅(qū)動(dòng)方案
- 采用無(wú)需電感的電壓控制器
- 采用高時(shí)鐘速率和相應(yīng)的電感器的升壓轉(zhuǎn)換器
不可以不變應(yīng)萬(wàn)變：根據(jù)OLED顯示器類(lèi)型的不同，所需的電源電壓和電流也隨之改變。在功率轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用系統(tǒng)清單上，“OLED”這個(gè)詞并不保證該器件適合您的顯示器。
提高成品率和降低制造成本這兩個(gè)因素正在促進(jìn)OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）顯示器的使用量穩(wěn)定攀升。作為響應(yīng)，一些半導(dǎo)體制造商已經(jīng)開(kāi)始提供用于OLED和LCD偏置電源的功率轉(zhuǎn)換IC，為OEM設(shè)計(jì)師在如何實(shí)現(xiàn)顯示器電源子系統(tǒng)方面帶來(lái)靈活性。盡管IC制造商沒(méi)有嚴(yán)格地優(yōu)化這些供OLED用的功率控制器，但這些器件確實(shí)有助于保持OLED優(yōu)異的能量效率，并發(fā)揮顯示器市場(chǎng)中像LCD所能提供的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
黑白OLED的首次商業(yè)應(yīng)用是便攜式測(cè)量?jī)x器和娛樂(lè)設(shè)備中的小型低分辨率前面板顯示器。由于制造工藝已經(jīng)成熟，OLED作為翻蓋手機(jī)中的第二顯示器業(yè)已取得了更大的商業(yè)成功。
彩色OLED作為取景器首次應(yīng)用于模擬攝錄機(jī)、數(shù)字?jǐn)z錄機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中。在這一方面，彩色OLED很好地順應(yīng)了OEM向更小型、更高分辨率照相機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。自彩色OLED首次應(yīng)用以來(lái)，顯示器制造商一直在改進(jìn)制造工藝和顯示器的設(shè)計(jì)，以降低成本，改善性能，增強(qiáng)可靠性。
LCD類(lèi)似于壓控半透明光閘。與LCD不同，OLED是光發(fā)射器，因而不需要背光照明。當(dāng)前的OLED顯示器具有比LCD更佳的能量效率、圖像質(zhì)量、堅(jiān)固性以及低溫性能。OLED暫時(shí)還比較昂貴，不過(guò)，成品率和市場(chǎng)滲透力的不斷提高正在逐漸縮小OLED和LCD的價(jià)格差距。
正如iSuppli公司的技術(shù)與戰(zhàn)略研究總監(jiān)KimberlyAllen所指出的，“Kodak公司的原始（OLED技術(shù)）專(zhuān)利開(kāi)始過(guò)期。”OLED廠商一直承擔(dān)的相關(guān)許可費(fèi)用負(fù)擔(dān)也同樣即將過(guò)期。LCD制造商已經(jīng)做出了回應(yīng)，價(jià)差繼續(xù)有利于其顯示器，而圖像質(zhì)量和效率則趨近于OLED顯示器。
用微瓦功率驅(qū)動(dòng)毫瓦設(shè)備
并非所有制造出來(lái)的OLED顯示器都是一樣的，它們對(duì)電源的需求反映出它們之間的差別。兩種基本的顯示器結(jié)構(gòu)是無(wú)源矩陣和有源矩陣。
STMicroELectronics公司的OLED產(chǎn)品系列經(jīng)理JoelRoibet評(píng)述道：“材料是類(lèi)似的……不過(guò)，因?yàn)槲覀儾捎酶蟮碾娏鱽?lái)驅(qū)動(dòng)PMOLED（無(wú)源矩陣OLED），所以我們具有更高的壓降。因此PMOLED要求高達(dá)20V的電壓，而AMOLED（有源矩陣OLED）則由于電流低得多只需要低于10V的電壓。PMOLED顯示器的驅(qū)動(dòng)電流范圍為每列幾十到幾百微安，而AMOLED顯示器則為每列幾微安到幾十微安。”
AdvancedAnalogicTechnologies公司的副總裁JanNilsson評(píng)述道：“許多手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及其它便攜式設(shè)備中的有源矩陣LCD和OLED……子系統(tǒng)要求正負(fù)兩種小電流偏置電源。”這種情況使得電源前景復(fù)雜化。AdvancedAnalogicTechnologies公司推出的AAT3190能滿(mǎn)足這種需求，因?yàn)樗柚粔K采用自同步雙電荷泵體系結(jié)構(gòu)其工作于標(biāo)稱(chēng)1MHz的開(kāi)關(guān)頻率芯片來(lái)生成正負(fù)兩種電源（圖1）。這種電荷泵可利用2.7V～5.5V的單極性輸入電源產(chǎn)生最大可達(dá)±25V的可調(diào)輸出電壓。
[page]這種電壓控制器不需要任何電感器，而電感器通常會(huì)影響小型便攜式設(shè)備中電路板的高度極限。取而代之的是，每一個(gè)電荷泵驅(qū)動(dòng)外部二極管/電容器倍增器級(jí)。你可以級(jí)聯(lián)倍增器級(jí)來(lái)增大輸出電壓。每個(gè)輸出端有一個(gè)外部電阻分壓器，用來(lái)為轉(zhuǎn)換器提供反饋信號(hào)。
正電源的反饋調(diào)整電壓容差為50mV，即大約4%，而負(fù)電源則是100mV。AAT3190芯片的每一根電荷泵驅(qū)動(dòng)引腳均可提供200mA最大絕對(duì)值電流，而AdvancedAnalogicTechnologies公司使該芯片的效率高，負(fù)載調(diào)整能力達(dá)到40mA。由于兩根驅(qū)動(dòng)引腳可按給定極性泵浦所有倍增級(jí)，所以倍增器級(jí)聯(lián)能夠提供的負(fù)載電流與級(jí)數(shù)成反比。
AAT3190可提供軟啟動(dòng)、欠壓切斷以及關(guān)機(jī)模式。關(guān)機(jī)模式可使轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流從最大的800mA降低到只有1mA。AAT3190的售價(jià)為1.73美元(1000件批量)。AdvancedAnalogicTechnologies公司提供的AAT3190有MSOP-8和TSOP-12兩種封裝形式。
提升OLED
FairchildSemiconductor公司推出的FAN5331升壓轉(zhuǎn)換器，可供單極性顯示器系統(tǒng)使用。與AAT3190一樣，F(xiàn)AN5331工作于很高的開(kāi)關(guān)速率（在本例中為1.6MHz），以縮小外部電抗元件的尺寸，因此，盡管這種升壓轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)電感器，但只需要10mH的電感器。FAN5331因其SOT23-5封裝尺寸小和外部元件較少而有助于縮小顯示器的電源尺寸。
在其整個(gè)輸入范圍內(nèi)，F(xiàn)AN5331能夠以穩(wěn)定的狀態(tài)在15V電壓下輸出35mA的最小電流。在同樣的工作條件下，如果輸入電壓為3.2V或更高，則輸出電流上升到50mA。此外，這種轉(zhuǎn)換器的分?jǐn)?shù)歐姆（fractional-ohm）輸出開(kāi)關(guān)可提供1A的峰值電流；一個(gè)逐周期限流監(jiān)視電路可確保峰值輸出電流保持在這一極限值之內(nèi)。
這種售價(jià)為50美分(1000件批量)的IC在關(guān)機(jī)模式下消耗2mA電流。一個(gè)電阻分壓器能將輸出電壓設(shè)置在輸入電壓和轉(zhuǎn)換器的20V最大輸出電壓之間。標(biāo)稱(chēng)1.23V的反饋電壓具有25mV的容差。
時(shí)鐘速率高和相應(yīng)的電感器小這兩點(diǎn)說(shuō)明小巧便攜設(shè)備用的升壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢(shì)，而傳統(tǒng)的較低時(shí)鐘速率則要求使用較大的磁性元件，從而對(duì)布局設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。盡管有這些挑戰(zhàn)以及其它挑戰(zhàn)，小型電源設(shè)計(jì)師歷來(lái)鐘情于升壓轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)勢(shì)。
正如LinearTechnology公司的資深設(shè)計(jì)師EddyWells所指出的，“傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器工作效率較高，升壓比范圍較大，但是，升壓轉(zhuǎn)換器電源通常占用更大的空間，而且浪涌電流和短路保護(hù)等系統(tǒng)問(wèn)題往往需要利用附加的外部電路來(lái)解決。”
LinearTechnology公司推出的LTC3459是解決這些應(yīng)用問(wèn)題的一系列升壓轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)例子。LTC3459這種器件有一種突發(fā)模式，用以在輕載電流下保持轉(zhuǎn)換器的效率。它還具有浪涌電流限制、短路保護(hù)和關(guān)機(jī)期間負(fù)載隔離等功能。盡管具有這些功能，但典型的應(yīng)用電路只要求在開(kāi)關(guān)電路中有三只電容器、兩只電阻器和一個(gè)升壓電感器（圖2）。Wells說(shuō)，因?yàn)?ldquo;轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的峰值電流小約75mA，所以一個(gè)0805小型電感器……能輕易達(dá)到與一個(gè)集成電荷泵相同的占用電路板面積。”
[page]這種SOT23-6封裝的IC，其輸入電壓為1.5V～5.5V，輸出電壓為2.5V～10V，適合于有源矩陣OLED顯示器。與許多采用固定時(shí)鐘頻率的低功耗轉(zhuǎn)換器不同，LTC3459采用可變開(kāi)關(guān)頻率，這一開(kāi)關(guān)頻率可根據(jù)輸入-輸出電壓差別在大約0.6MHz～高于2.6MHz的范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié)。反饋基準(zhǔn)為1.22V，容差為30mV。這種售價(jià)為1.95美元(1000件批量)的轉(zhuǎn)換器，其最大靜態(tài)電流為20mA。當(dāng)轉(zhuǎn)換器處于關(guān)閉模式時(shí)，其剩余工作電流降低到低于1mA。
這些升壓控制器都采用2.7V~5.5V輸入電源；輸出電壓可調(diào)的轉(zhuǎn)換器具有3V~28V的輸出電壓范圍并具有19mV的基準(zhǔn)容差。857x系列轉(zhuǎn)換器具有軟啟動(dòng)、欠壓切斷和電流限制等功能。一根低電平有效關(guān)機(jī)引腳可使該轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流從50mA降低到1mA。Maxim公司提供的857x系列均采用SOT23-6封裝，其售價(jià)為1.25美元(1000件批量)。
對(duì)Maxim公司、LinearTechnology公司和Fairchild公司提供的三種升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的比較表明，對(duì)提高和降低集成度都有微妙的好處，這要視你的應(yīng)用系統(tǒng)而定；這一比較再次表明，即使是概念上與升壓轉(zhuǎn)換器一樣簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，也不存在一種處理這種布局的最佳方法。LTC3459利用一個(gè)典型溝道電阻約為4Ω的片上PMOS器件，將其輸出與升壓電感器隔離開(kāi)來(lái)。結(jié)果，應(yīng)用電路就不需要許多升壓轉(zhuǎn)換器電路常用的肖特基二極管，從而相應(yīng)地減小布局面積以及材料與裝配費(fèi)用。
Fairchild公司的FAN5331和Maxim公司的MAX8570及其同一系列產(chǎn)品都使用一個(gè)外部肖特基二極管，從而引入大約400mV的結(jié)電壓以及幾歐姆的增量正向電阻。然而，正如Maxim公司在其應(yīng)用電路中所指出的使用外部肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)在于，它能將開(kāi)關(guān)波形從芯片中引出到你能使用它的地方。
TexasInstruments公司提供的TPS65130升壓控制器/轉(zhuǎn)換器可利用2.7V～5.5V輸入產(chǎn)生±15V的輸出。這種控制電路結(jié)構(gòu)采用一個(gè)1.25MHz固定頻率PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)。其低功耗模式采用脈沖跳越方式來(lái)供應(yīng)輕載電流。TPS65130可提供高達(dá)200mA的負(fù)載電流，而且，這種轉(zhuǎn)換器的500mA靜態(tài)電流在關(guān)機(jī)模式下可降低到1.5mA。
這種售價(jià)為2.95美元(1000件批量)的IC與大多數(shù)其它器件相比有更多的引腳，因而采用QFN-24封裝。不過(guò)，額外的連線也提供額外的功能，例如單獨(dú)的正電源使能輸入端和負(fù)電源使能輸入端可以控制電源順序。一個(gè)控制外部PMOS器件的輸出端可將電池與升壓電路隔離開(kāi)來(lái)。
然而，除了外部PMOS器件之外，應(yīng)用電路還包括2個(gè)電感器、2個(gè)肖特基二極管、5只電阻器和8只電容器。這些外部元件看起來(lái)好像很多，尤其是在與較低電流單輸出升壓轉(zhuǎn)換器相比時(shí)更是如此，但其元件數(shù)與雙電荷泵處于同一數(shù)量級(jí)。
隨著OLED在整個(gè)顯示器技術(shù)市場(chǎng)上建立更強(qiáng)的市場(chǎng)地位，OLED用的電源轉(zhuǎn)換器的多樣性肯定會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，特別是在電流能力和功能方面。iSuppli公司的Allen預(yù)言：OLED顯示器市場(chǎng)“在從黑白向彩色轉(zhuǎn)變的推動(dòng)下將快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2006年將超過(guò)10億美元。”除了向彩色顯示器轉(zhuǎn)變之外，還有一個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)就是向有源矩陣OLED的發(fā)展，因?yàn)橛性淳仃嘜LED支持的屏幕要比無(wú)源矩陣顯示器大得多。
矩陣：顯示器用OLED
構(gòu)成OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）像素陣列的方法基本上有兩種，即：無(wú)源矩陣（PMOLED）和有源矩陣（AMOLED）。這兩種方法所用LED結(jié)構(gòu)相同（圖A），但對(duì)每個(gè)單元的尋址方法則各異。電子從陰極流到陽(yáng)極，而空穴則從陽(yáng)極流到陰極。有機(jī)發(fā)光材料層內(nèi)的電子與空穴的復(fù)合會(huì)放出光子。因此，除去光損耗之后，光輸出正比于電流。
這樣的像素結(jié)構(gòu)與其它諸如LCD等的薄型顯示器技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。LCD需要背光照明，并且采用光閘似的像素來(lái)局部控制顯示器的光傳播。從能量的角度來(lái)看，這種方法類(lèi)似于汽車(chē)駕駛，當(dāng)需要使用剎車(chē)來(lái)調(diào)節(jié)速度時(shí)將氣動(dòng)踏板踩向地板。
而OLED顯示器則產(chǎn)生構(gòu)成圖像所需的光，這類(lèi)似于僅僅將汽車(chē)引擎節(jié)流閥開(kāi)啟到你希望的行駛速度所需的位置。OLED與LCD背光照明并不以同樣的效率產(chǎn)生光子。然而，LCD背光照明發(fā)出的光子大多數(shù)都從不出現(xiàn)，所以O(shè)LED顯示器的總能量效率更高。
兩種OLED顯示器的像素尋址方法各不相同。在無(wú)源顯示器中，導(dǎo)電的行和列構(gòu)成一個(gè)矩陣。制造工藝在各個(gè)交叉點(diǎn)上的矩陣導(dǎo)體之間的空間內(nèi)形成OLED結(jié)構(gòu)。當(dāng)顯示器控制器掃描各行時(shí)，電流流到包含被照亮像素的各列。
然而，像素只是在控制器尋址到其所在的行時(shí)才被照亮，所以電流占空因素反比于行數(shù)，而峰值電流則正比于行數(shù)。察覺(jué)到的亮度正比于幀間隔內(nèi)電流的時(shí)間積分。在下一幀期間內(nèi)，控制器可以刷新該像素，給觀察者一種持久圖像的印象。
AMOLED顯示器利用每個(gè)像素的TFT（薄膜晶體管）在幀間隔持續(xù)時(shí)間內(nèi)獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如同PMOLED一樣，控制器掃描各行，但卻利用一個(gè)在各次刷新之間保持的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為像素編程。TFT像素控制器設(shè)定并維持OLED電流。在一幀之內(nèi)，峰值電流和平均電流是一樣的。因?yàn)閷?duì)于一個(gè)有n行的顯示器來(lái)說(shuō)，AMOLED電流是PMOLED電流的n分之一，所以陰極、陽(yáng)極和矩陣內(nèi)的電阻性損耗也同樣降低到n分之一。
能量效率提高并非是AMOLED結(jié)構(gòu)的唯一優(yōu)點(diǎn)。由于占空因數(shù)隨顯示器變大而縮小，所以PMOLED局限在大約200行以?xún)?nèi)。200行這一數(shù)字既不精確，又非固定不變；隨著加工工藝和發(fā)光聚合物化學(xué)特性的改進(jìn)，這一數(shù)字還會(huì)增大。無(wú)論如何，對(duì)于任意給定的工藝和化學(xué)特性來(lái)說(shuō)，最大實(shí)用的行數(shù)都是有限的。有源矩陣顯示器在這方面不受限制，許多制造商聲稱(chēng)制作任意大的顯示器的前景僅受制造缺陷密度和控制器能力的限制。
AMOLED顯示器的另一優(yōu)點(diǎn)是，其像素的峰值電流與平均電流之比為1，而不是PMOLED像素的n:1。這種差別使兩種顯示器的老化效應(yīng)大不相同，因?yàn)槔匣?yīng)正比于電流密度。
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