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    OLED顯示器及其饋電技術

    2006-03-21 中華液晶網

    要 點
    ·OLED(有機發光二極管)顯示器與LCD相比,雖然成本較高,但功耗卻很低。
    ·隨著OLED制造工藝的成熟和產量的攀升,功率轉換器制造商正在開始制造用于OLED顯示器的IC。
    ·不可以不變應萬變:根據OLED顯示器類型的不同,所需的電源電壓和電流也隨之改變。在功率轉換器的應用系統清單上,“OLED”這個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因素正在促進OLED(有機發光二極管)顯示器的使用量穩定攀升。作為響應,一些半導體制造商已經開始提供用于OLED和 LCD偏置電源的功率轉換IC,為OEM設計師在如何實現顯示器電源子系統方面帶來靈活性。盡管IC制造商沒有嚴格地優化這些供OLED用的功率控制器,但這些器件確實有助于保持OLED優異的能量效率,并發揮顯示器市場中像LCD所能提供的規模經濟優勢。
          黑白OLED的首次商業應用是便攜式測量儀器和娛樂設備中的小型低分辨率前面板顯示器。由于制造工藝已經成熟,OLED作為翻蓋手機中的第二顯示器業已取得了更大的商業成功。
          彩色OLED作為取景器首次應用于模擬攝錄機、數字攝錄機和數碼相機中。在這一方面,彩色OLED很好地順應了OEM向更小型、更高分辨率照相機發展的趨勢。自彩色OLED首次應用以來,顯示器制造商一直在改進制造工藝和顯示器的設計,以降低成本,改善性能,增強可靠性
          LCD類似于壓控半透明光閘。與LCD不同,OLED是光發射器,因而不需要背光照明。當前的OLED顯示器具有比LCD更佳的能量效率、圖像質量、堅固性以及低溫性能。OLED暫時還比較昂貴,不過,成品率和市場滲透力的不斷提高正在逐漸縮小OLED和LCD的價格差距。正如iSuppli公司的技術與戰略研究總監Kimberly Allen所指出的,“Kodak公司的原始(OLED技術)專利開始過期。”OLED廠商一直承擔的相關許可費用負擔也同樣即將過期。LCD制造商已經做出了回應,價差繼續有利于其顯示器,而圖像質量和效率則趨近于OLED顯示器。
    用微瓦功率驅動毫瓦設備
          并非所有制造出來的OLED顯示器都是一樣的,它們對電源的需求反映出它們之間的差別。兩種基本的顯示器結構是無源矩陣和有源矩陣(參見附文《矩陣:顯示器上的OLED》)。    STMicroelectronics公司的OLED產品系列經理Joel Roibet評述道:“材料是類似的……不過,因為我們采用更大的電流來驅動PMOLED(無源矩陣OLED),所以我們具有更高的壓降。因此 PMOLED要求高達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顯示器的驅動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。” 
          Advanced Analogic Technologies公司的副總裁Jan Nilsson評述道:“許多手機、數碼相機及其它便攜式設備中的有源矩陣LCD和OLED……子系統要求正負兩種小電流偏置電源。”這種情況使得電源前景復雜化。Advanced Analogic Technologies公司推出的AAT3190能滿足這種需求,因為它借助一塊采用自同步雙電荷泵體系結構其工作于標稱1MHz的開關頻率芯片來生成正負兩種電源(圖1)。這種電荷泵可利用2.7V~5.5V的單極性輸入電源產生最大可達±25V的可調輸出電壓。

          這種電壓控制器不需要任何電感器,而電感器通常會影響小型便攜式設備中電路板的高度極限。取而代之的是,每一個電荷泵驅動外部二極管/電容器倍增器級。你可以級聯倍增器級來增大輸出電壓。每個輸出端有一個外部電阻分壓器,用來為轉換器提供反饋信號。正電源的反饋調整電壓容差為50mV,即大約4%,而負電源則是100mV。AAT3190芯片的每一根電荷泵驅動引腳均可提供200 mA最大絕對值電流,而Advanced Analogic Technologies公司使該芯片的效率高,負載調整能力達到40 mA。由于兩根驅動引腳可按給定極性泵浦所有倍增級,所以倍增器級聯能夠提供的負載電流與級數成反比。
          AAT3190可提供軟啟動、欠壓切斷以及關機模式。關機模式可使轉換器的靜態電流從最大的800mA降低到只有1mA。AAT3190的售價為1.73 美元 (1000件批量)。Advanced Analogic Technologies公司提供的AAT3190有MSOP-8和TSOP-12兩種封裝形式。
    提升OLED
          Fairchild Semiconductor公司推出的FAN5331升壓轉換器,可供單極性顯示器系統使用。與AAT3190一樣,FAN5331工作于很高的開關速率(在本例中為1.6 MHz),以縮小外部電抗元件的尺寸,因此,盡管這種升壓轉換器需要一個電感器,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。
          在其整個輸入范圍內,FAN5331能夠以穩定的狀態在15V電壓下輸出35 mA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50 mA。此外,這種轉換器的分數歐姆(fractional-ohm)輸出開關可提供1A的峰值電流;一個逐周期限流監視電路可確保峰值輸出電流保持在這一極限值之內。
          這種售價為50美分(1000件批量)的IC在關機模式下消耗2mA電流。一個電阻分壓器能將輸出電壓設置在輸入電壓和轉換器的20V最大輸出電壓之間。標稱1.23V的反饋電壓具有25 mV的容差。
          時鐘速率高和相應的電感器小這兩點說明小巧便攜設備用的升壓轉換器的發展趨勢,而傳統的較低時鐘速率則要求使用較大的磁性元件,從而對布局設計和機械設計提出了挑戰。盡管有這些挑戰以及其它挑戰,小型電源設計師歷來鐘情于升壓轉換器的性能優勢。正如Linear Technology公司的資深設計師Eddy Wells所指出的,“傳統升壓轉換器工作效率較高,升壓比范圍較大,但是,升壓轉換器電源通常占用更大的空間,而且浪涌電流和短路保護等系統問題往往需要利用附加的外部電路來解決。”
          Linear Technology公司推出的LTC3459是解決這些應用問題的一系列升壓轉換器中的一個例子。LTC3459這種器件有一種突發模式,用以在輕載電流下保持轉換器的效率。它還具有浪涌電流限制、短路保護和關機期間負載隔離等功能。盡管具有這些功能,但典型的應用電路只要求在開關電路中有三只電容器、兩只電阻器和一個升壓電感器(圖2)。Wells說,因為“轉換器工作時的峰值電流小約75 mA,所以一個0805小型電感器……能輕易達到與一個集成電荷泵相同的占用電路板面積。”

          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。與許多采用固定時鐘頻率的低功耗轉換器不同,LTC3459采用可變開關頻率,這一開關頻率可根據輸入-輸出電壓差別在大約0.6 MHz~高于2.6 MHz的范圍內自行調節。反饋基準為1.22V,容差為30 mV。這種售價為1.95美元 (1000件批量) 的轉換器,其最大靜態電流為20mA。當轉換器處于關閉模式時,其剩余工作電流降低到低于1mA。
          Maxim公司推出一個適用于包括OLED顯示器和LCD在內的小電流設備的升壓轉換器系列,該系列由五個升壓轉換器組成,MA8570是其中之一。 MA8570的特點是輸出電壓可調,而Maxim公司規定該轉換器的負載電流為5mA。該公司規定這一系列中其它轉換器的負載電流,其中MA8571和 MA8573為15mA MA8574和MA8575為25mA。該公司還提供負載電流為15mA和25mA的、輸出電壓可調和固定15V的升壓轉換器。  
          這些升壓控制器都采用2.7V~5.5V輸入電源;輸出電壓可調的轉換器具有3V~28V的輸出電壓范圍并具有19mV的基準容差。857x系列轉換器具有軟啟動、欠壓切斷和電流限制等功能。一根低電平有效關機引腳可使該轉換器的靜態電流從50mA降低到1mA。Maxim公司提供的857x系列均采用 SOT23-6封裝,其售價為1.25美元 (1000件批量)。 
          對Maxim公司、Linear Technology公司和Fairchild公司提供的三種升壓轉換器進行的比較表明,對提高和降低集成度都有微妙的好處,這要視你的應用系統而定;這一比較再次表明,即使是概念上與升壓轉換器一樣簡單的產品,也不存在一種處理這種布局的最佳方法。LTC3459利用一個典型溝道電阻約為4Ω的片上 PMOS器件,將其輸出與升壓電感器隔離開來。結果,應用電路就不需要許多升壓轉換器電路常用的肖特基二極管,從而相應地減小布局面積以及材料與裝配費用。 
          Fairchild公司的FAN5331和Maxim公司的MAX8570及其同一系列產品都使用一個外部肖特基二極管,從而引入大約400 mV的結電壓以及幾歐姆的增量正向電阻。然而,正如Maxim公司在其應用電路中所指出的使用外部肖特基二極管的優點在于,它能將開關波形從芯片中引出到你能使用它的地方,例如,用它泵浦一個粗調的負電源(圖3)。

          Texas Instruments公司提供的TPS65130升壓控制器/轉換器可利用2.7V~5.5V輸入產生±15V的輸出。這種控制電路結構采用一個 1.25MHz固定頻率 PWM開關信號。其低功耗模式采用脈沖跳越方式來供應輕載電流。TPS65130可提供高達200 mA的負載電流,而且,這種轉換器的500mA靜態電流在關機模式下可降低到1.5mA。 
          這種售價為2.95美元 (1000件批量) 的IC與大多數其它器件相比有更多的引腳,因而采用QFN -24封裝。不過,額外的連線也提供額外的功能,例如單獨的正電源使能輸入端和負電源使能輸入端可以控制電源順序。一個控制外部PMOS器件的輸出端可將電池與升壓電路隔離開來。然而,除了外部PMOS器件之外,應用電路還包括2個電感器、2個肖特基二極管、5只電阻器和8只電容器。這些外部元件看起來好像很多,尤其是在與較低電流單輸出升壓轉換器相比時更是如此,但其元件數與雙電荷泵處于同一數量級。 
          隨著OLED在整個顯示器技術市場上建立更強的市場地位,OLED用的電源轉換器的多樣性肯定會繼續擴展,特別是在電流能力和功能方面。iSuppli公司的Allen預言:OLED顯示器市場“在從黑白向彩色轉變的推動下將快速增長,預計到2006年將超過10億美元。”除了向彩色顯示器轉變之外,還有一個明顯的發展趨勢就是向有源矩陣OLED的發展,因為有源矩陣OLED支持的屏幕要比無源矩陣顯示器大得多。
    附文:矩陣:顯示器用OLED 
          構成OLED(有機發光二極管)像素陣列的方法基本上有兩種,即:無源矩陣(PMOLED)和有源矩陣(AMOLED)。這兩種方法所用LED結構相同(圖 A),但對每個單元的尋址方法則各異。電子從陰極流到陽極,而空穴則從陽極流到陰極。有機發光材料層內的電子與空穴的復合會放出光子。因此,除去光損耗之后,光輸出正比于電流。

          這樣的像素結構與其它諸如LCD等的薄型顯示器技術相比,其優點是很明顯的。LCD需要背光照明,并且采用光閘似的像素來局部控制顯示器的光傳播。從能量的角度來看,這種方法類似于汽車駕駛,當需要使用剎車來調節速度時將氣動踏板踩向地板。而OLED顯示器則產生構成圖像所需的光,這類似于僅僅將汽車引擎節流閥開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生光子。然而,LCD背光照明發出的光子大多數都從不出現,所以 OLED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。在無源顯示器中,導電的行和列構成一個矩陣。制造工藝在各個交叉點上的矩陣導體之間的空間內形成OLED結構。當顯示器控制器掃描各行時,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才被照亮,所以電流占空因素反比于行數,而峰值電流則正比于行數。察覺到的亮度正比于幀間隔內電流的時間積分。在下一幀期間內,控制器可以刷新該像素,給觀察者一種持久圖像的印象。 
          AMOLED 顯示器利用每個像素的TFT(薄膜晶體管)在幀間隔持續時間內獲得驅動信號。如同PMOLED一樣,控制器掃描各行,但卻利用一個在各次刷新之間保持的柵極驅動電壓為像素編程。TFT像素控制器設定并維持OLED電流。在一幀之內,峰值電流和平均電流是一樣的。因為對于一個有n行的顯示器來說, AMOLED電流是PMOLED電流的n分之一,所以陰極、陽極和矩陣內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結構的唯一優點。由于占空因數隨顯示器變大而縮小,所以PMOLED局限在大約200行以內。200行這一數字既不精確,又非固定不變;隨著加工工藝和發光聚合物化學特性的改進,這一數字還會增大。無論如何,對于任意給定的工藝和化學特性來說,最大實用的行數都是有限的。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顯示器的另一優點是,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大不相同,因為老化效應正比于電流密度。


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