無源OLED顯示器在手持設(shè)備中的供電解決方案

有機(jī)發(fā)光二極管顯示器(OLED)是一種即將給顯示器產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化的新興技術(shù)。OLED采用的有機(jī)材料在有電流流過時(shí)會(huì)發(fā)光，OLED與目前的LCD技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是容易制造，最終可形成更低成本的顯示器。性能的優(yōu)勢(shì)包括更快的響應(yīng)時(shí)間、更寬的視角、更低的功耗和更亮/更高對(duì)比度的圖像。最核心的優(yōu)點(diǎn)是OLED采用一種自發(fā)光技術(shù)，因此不需要背光。這不僅能節(jié)省功耗，而且可以實(shí)現(xiàn)只有1mm厚度的顯示器。

與LCD顯示器相似，OLED顯示器提供無源矩陣和有源矩陣兩種配置。在采用無源矩陣時(shí)，顯示器被連接成為二極管柵格，每個(gè)二極管構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的OLED像素。可以使用外部驅(qū)動(dòng)電路一次點(diǎn)亮一行柵格。相反，有源矩陣顯示器內(nèi)含晶體管，像素可以被連續(xù)點(diǎn)亮。然而OLED與LCD不同的是，OLED采用電流驅(qū)動(dòng)矩陣模式，這會(huì)增加有源矩陣設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因此目前大批量的OLED仍采用無源矩陣產(chǎn)品(PMOLED)。這些PMOLED可用于各種設(shè)備，包括蜂窩電話、汽車立體聲音響、MP3播放器和其它消費(fèi)類產(chǎn)品。

OLED顯示器的供電

因?yàn)槟壳霸S多OLED顯示器被用于便攜應(yīng)用，因此功耗特別重要。任何電源芯片都必須工作在最高效率，以盡可能節(jié)省功率，延長(zhǎng)電池壽命，特別是在顯示器不工作的時(shí)候。

OLED顯示器的電源要求與許多因素有關(guān)。由于顯示器是電流驅(qū)動(dòng)的，因此峰值電流要求取決于同一時(shí)間被點(diǎn)亮的像素總數(shù)量以及驅(qū)動(dòng)它們的最大電流值。顯示驅(qū)動(dòng)電路也會(huì)消耗部分電流。電壓要求取決于二極管的前向壓降、顯示器內(nèi)部互連(往往呈現(xiàn)阻性)的壓降以及顯示器驅(qū)動(dòng)器所需的所有壓降(見圖1)。

在本例中，所需的最大電壓由以下公式給出：

其中：V二極管是二極管的前向壓降;I二極管是流經(jīng)二極管的電流;Rcol是列連接的電阻;Rrow是行金屬的電阻;VCD是列驅(qū)動(dòng)器所需的開銷;VRD是行驅(qū)動(dòng)器所需的開銷;在典型應(yīng)用中，VIN大約為20V。

峰值電流等于：

其中：I二極管是流經(jīng)二極管的電流;X像素是一次點(diǎn)亮的像素?cái)?shù)量;ICD是供給列驅(qū)動(dòng)器的電流;IRD是供給行驅(qū)動(dòng)器的電流。

便攜顯示器的節(jié)能

對(duì)于帶LCD顯示器的便攜式設(shè)備來說，如果一段時(shí)間不工作，常見的做法是關(guān)掉背光燈，幾秒鐘后再把顯示器完全斷電。而OLED顯示器沒有背光燈，因此一段時(shí)間不工作后通常屏幕就會(huì)暗下來，再過一段時(shí)間斷電。從公式1可以看出，如果減少顯示器的電流，所需的最大電壓也會(huì)降低。在供電電壓恒定的典型應(yīng)用中，這一額外電壓將降在列驅(qū)動(dòng)器上，從而造成額外的功耗和能源浪費(fèi)。通過減少供電電壓，這一能量就不會(huì)再消耗在列驅(qū)動(dòng)器上，系統(tǒng)效率也就得到了提高。

OLED電源芯片

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有專門給便攜式設(shè)備中的PMOLED顯示器供電的新型器件。適合這類應(yīng)用的理想電源器件應(yīng)該具有一個(gè)非常高效的升壓轉(zhuǎn)換器，能夠在便攜應(yīng)用中的電池電壓下工作，或者在器件中的預(yù)整流供電下工作。輸出負(fù)載斷開和低待機(jī)電流等功能對(duì)降低顯示器不被照明時(shí)電池的漏電有很重要的作用。理想的器件還要求外部元件少和封裝尺寸小，以盡可能減小目前緊湊型手持設(shè)備的外形尺寸。

升壓轉(zhuǎn)換器

使用的升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)該能在2.4V到5.5V電壓范圍內(nèi)工作。這一范圍覆蓋了鋰離子電池的全部輸入范圍，還應(yīng)能在預(yù)整流的3V或5V軌下工作。這類應(yīng)用要求的輸出電壓范圍是12￣25V。最優(yōu)化的電源芯片設(shè)計(jì)還將集成升壓FET和肖特基二極管，從而減少對(duì)外部元件的需求。1.2A　FET一般支持高達(dá)28V的輸出電壓，效率可達(dá)90%。

為了使升壓電路工作在最佳狀態(tài)下，選擇正確的元件非常重要。需要考慮的主要元件是電感和輸出電容，因?yàn)樗鼈儗⒂绊懙缴龎嚎刂骗h(huán)路的穩(wěn)定性。一些升壓轉(zhuǎn)換器采用的外部補(bǔ)償電路同樣需要合理選擇補(bǔ)償元件。另外一種方法是采用內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。這種設(shè)計(jì)要求電感和電容值在一定范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)手冊(cè)中通常會(huì)提供表格幫助選擇器件。電感值將影響到電感尺寸。為了實(shí)現(xiàn)較小的器件尺寸，推薦使用能與3.3uH的小電感工作的器件。然而，低的電感值可能導(dǎo)致器件工作在不連續(xù)的模式，從而增加輸出紋波。因此最好選擇能保持連續(xù)工作模式的電感值。選擇的電感還必須能夠承受應(yīng)用要求的峰值和平均電流。這些值由以下公式得到：

其中：ΔIL是電感電流的紋波峰峰值，單位是A;L是電感值，單位是H;FOSC是開關(guān)頻率。

輸出電容的選擇原則是確保升壓環(huán)路的穩(wěn)定工作。輸出電容容量越高，輸出電壓的紋波就越小。具體選擇時(shí)需要在紋波和元件數(shù)量/成本之間做出折衷。輸入端電容用于將輸入電流和經(jīng)過電阻的開關(guān)電流隔離。在本應(yīng)用中，推薦使用10￣15UF范圍的電容。

雙輸出電壓選擇

如上所述，當(dāng)OLED工作在暗的模式時(shí)可以通過降低輸出電壓顯著地節(jié)省功耗。因此為OLED電源選擇的最佳電源芯片應(yīng)包含能夠提供這一功能的電路。采用兩條獨(dú)立的反饋路徑就可實(shí)現(xiàn)這一功能，而且這兩條反饋路徑可以通過簡(jiǎn)單的邏輯輸入進(jìn)行選擇。因此通過這種方法就可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)PMOLED中使用的亮→暗→關(guān)節(jié)電技術(shù)。

輸出電壓由連接在輸出引腳和反饋參考引腳間的分壓器進(jìn)行設(shè)置。反饋電壓與內(nèi)部設(shè)置的參考電壓比較后用于控制輸出電壓。輸出電壓的精度取決于反饋參考電壓的精度和反饋網(wǎng)絡(luò)中使用的電阻值。

典型的反饋電壓是1.15V±2%。當(dāng)選擇引腳(SEL)設(shè)置為低時(shí)，F(xiàn)B0反饋引腳就與參考電壓進(jìn)行比較，F(xiàn)B1引腳接地，用以提供反饋參考地。當(dāng)SEL為高時(shí)，F(xiàn)B1用作參考電壓，F(xiàn)B0接地。輸出電壓可用公式5和公式6計(jì)算：

當(dāng)SEL=0時(shí)，

當(dāng)SEL=1時(shí)，

故障檢測(cè)

為保護(hù)IC和外部元件，集成眾多保護(hù)電路也非常重要。這些功能應(yīng)包括：

1.　欠壓閉鎖，確保器件只在輸入電壓大于最小要求電壓時(shí)才工作;

2.　過流保護(hù)，監(jiān)視開關(guān)電流，將電流限制在器件允許的最大電流值以下;

3.　過壓閉鎖，當(dāng)輸出電壓超過器件允許的最大值時(shí)，器件停止工作;

4.　過溫保護(hù)，當(dāng)裸片溫度超過預(yù)設(shè)最大值時(shí)關(guān)閉器件。

時(shí)鐘同步

在便攜式設(shè)備中，時(shí)鐘噪聲和串?dāng)_將成為主要考慮的因素。將開關(guān)設(shè)備與外部時(shí)鐘同步從而將所有時(shí)鐘鎖定于單一頻率，有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師減少這些問題。對(duì)于時(shí)鐘沒有問題的設(shè)備來說，電源也應(yīng)能自己同步。在1MHz范圍內(nèi)的高頻率時(shí)鐘可提供最佳的效率，也有助于減小器件尺寸。一個(gè)高效的IC應(yīng)能夠自同步于1MHz時(shí)鐘，也能通過將該時(shí)鐘連接到同步輸入引腳，方便地與600kHz和1.4MHz之間的外部時(shí)鐘同步。

軟啟動(dòng)控制和輸入電壓斷開

當(dāng)電源芯片剛開始工作時(shí)，電流需要對(duì)系統(tǒng)中的電容充電，從而產(chǎn)生明顯的輸入電流需求。如果這個(gè)電流太高，電池電壓就會(huì)降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中的器件進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，或產(chǎn)生錯(cuò)誤的操作。為了克服這一缺點(diǎn)，在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)采用軟啟動(dòng)機(jī)制來限制電流。此時(shí)IC的電流是緩慢增長(zhǎng)的，直到達(dá)到滿電流負(fù)荷。這種機(jī)制在如今許多升壓轉(zhuǎn)換器中很常見。

為了進(jìn)一步改進(jìn)電池壽命，升壓電路的輸入端集成的分?jǐn)嚅_關(guān)非常有用。當(dāng)器件不工作時(shí)，這個(gè)開關(guān)將打開從而斷開與OLED顯示器、驅(qū)動(dòng)器和反饋網(wǎng)絡(luò)的連接，因而不會(huì)有漏電流。在這種斷電模式下，內(nèi)部IC的功耗會(huì)降至最小。

當(dāng)器件工作時(shí)，負(fù)載連接到輸入端，從輸入到輸出建立了一條直流通路，在輸入電容充電時(shí)將形成很大的電流尖峰。分?jǐn)嚅_關(guān)也應(yīng)提供軟啟動(dòng)模式，在輸出電容充電時(shí)限制電流，從而進(jìn)一步加強(qiáng)在其它直流/直流轉(zhuǎn)換器中常見的軟啟動(dòng)機(jī)制。

滿足功能要求的OLED器件

OLED顯示器只是提出特殊的電源芯片和新增功能要求的眾多新技術(shù)之一。正在開發(fā)的許多新型IC可滿足這些挑戰(zhàn)。Intelsil公司的ISL97702只是這些類型產(chǎn)品中的一個(gè)例子，它具有軟啟動(dòng)控制、輸入電壓斷開和其它適合該應(yīng)用的功能。ISL97702中使用的復(fù)雜控制機(jī)制代表了目前先進(jìn)電源芯片的優(yōu)秀例子，它完全可以滿足緊湊型手持設(shè)備對(duì)OLED供電的要求。

圖3是ISL97702的軟啟動(dòng)操作過程。

在A部分，通過限制流過分?jǐn)嚅_關(guān)的電流來減少負(fù)載電容充電時(shí)的浪涌電流;在B部分，升壓轉(zhuǎn)換器的開始電流限制在25%;在C部分，電流限制設(shè)在50%;在D部分電流限制為75%;在E部分，電流限制為100%。