手持設(shè)備中的無(wú)源OLED顯示器供電方案

 OLED簡(jiǎn)介

作為一項(xiàng)新興技術(shù)，有機(jī)發(fā)光二極管顯示器OLED將給顯示器行業(yè)帶來(lái)革命性的變革。OLED采用的有機(jī)材料，在通電時(shí)會(huì)發(fā)光。與現(xiàn)有的 LCD (液晶顯示器)技術(shù)相比，OLED具有一系列優(yōu)點(diǎn)。其中之一是易于制造，最終可形成成本更低的顯示器。OLED在性能方面的優(yōu)勢(shì)包括更快的響應(yīng)時(shí)間、更寬的視角、更低的功耗以及亮度/對(duì)比度更高的圖像。OLED最突出的優(yōu)勢(shì)在于，它采用自發(fā)光技術(shù)，因而不需要背光。這不僅可以節(jié)省功耗，而且還可以讓開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)出厚度僅為1毫米的顯示器。

與LCD顯示器類似，OLED顯示器也有無(wú)源矩陣和有源矩陣兩種配置。采用無(wú)源矩陣時(shí)，顯示器被連接成為二極管柵格，每個(gè)二極管單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)OLED像素?？梢允褂猛獠框?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，像素可以連續(xù)被點(diǎn)亮。但與LCD 不同的是，OLED采用電流驅(qū)動(dòng)，這會(huì)增加有源矩陣設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，因此目前絕大多數(shù)OLED采用無(wú)源矩陣產(chǎn)品。這些PMOLED(無(wú)源矩陣OLED)可用于眾多產(chǎn)品，包括移動(dòng)電話、汽車立體聲音響、MP3播放器和其他消費(fèi)類產(chǎn)品。

OLED顯示器的供電

目前，由于OLED顯示器被廣泛應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品，因此其功耗特別重要。電源IC必須能以最高的效率工作，并盡可能降低功耗，以盡可能延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間，特別是在顯示器不工作的時(shí)候。

OLED顯示器的功率需求與一系列因素有關(guān)。由于顯示器采用電流驅(qū)動(dòng)，所以要求的峰值電流取決于同一時(shí)間需要點(diǎn)亮的像素的數(shù)量，以及驅(qū)動(dòng)他們所需的最大電流值。顯示器驅(qū)動(dòng)電子也會(huì)消耗部分電流。顯示器所需的電壓取決于二極管的正向壓降、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)器所需的壓降。(見(jiàn)圖1)

圖1. OLED顯示器驅(qū)動(dòng)

本例中，所需的最大電壓可用以下公式計(jì)算：

VIN=Vdiode + Idiode x (Rcol + Rrow) + VCD + VRD. (公式1)

其中：

Vdiode為二極管的正向壓降

Idiode為流經(jīng)二極管的電流

Rcol為列連接的電阻

Rrow為行導(dǎo)體的電阻

VCD為列驅(qū)動(dòng)器所需的開(kāi)銷

VRD為行驅(qū)動(dòng)器所需的開(kāi)銷

在典型應(yīng)用中，VIN大約為20V。

峰值電流可用如下公式計(jì)算：

Idiode x Xpixels + ICD + IRD (公式2)

其中：

Idiode為流經(jīng)二極管的電流

Xpixels為一次點(diǎn)亮的像素的數(shù)量

ICD為供給列驅(qū)動(dòng)器的電流

IRD為供給行驅(qū)動(dòng)器的電流

便攜式顯示器的節(jié)能

對(duì)于帶LCD顯示器的便攜設(shè)備，如果一段時(shí)間不工作，常見(jiàn)的做法是關(guān)掉背光，幾秒鐘后再把顯示器完全斷電。而OLED顯示器中沒(méi)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(lái)，再過(guò)一段時(shí)間就會(huì)斷電。從公式1可以看出，如果顯示器中的電流減小，所需的最大電壓也隨之降低。在電源電壓恒定的典型應(yīng)用中，列驅(qū)動(dòng)器的電壓會(huì)下降，從而產(chǎn)生了額外的功耗和能源浪費(fèi)。通過(guò)降低供電電壓，能量就不再被消耗到列驅(qū)動(dòng)器中，系統(tǒng)的效率也就得到了提高。

OLED電源IC

現(xiàn)在，一些專門為便攜式應(yīng)用中的PMOLED顯示器供電的新器件正陸續(xù)上市。適合這類應(yīng)用的理想器件應(yīng)該具有一個(gè)非常高效的升壓轉(zhuǎn)換器，能夠在便攜式應(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(kāi)和低待機(jī)電流等功能，對(duì)減少顯示屏不被照明時(shí)電池的漏電有很重要的作用。理想的器件還必須具有外接元件少和封裝尺寸小等特性，以盡量縮小用于當(dāng)今小型手持設(shè)備的顯示器的尺寸。Intersil公司生產(chǎn)的ISL97702中所采用的復(fù)合控制方案，就是可以滿足上述應(yīng)用要求的先進(jìn)電源IC的杰出代表。此類器件的典型電路如圖2 所示。

圖2. 典型ISL97702電路

圖中文字：

OSCILLATOR & CONTROL：振蕩器與控制

BOOST WITH DUAL REFERENCE：雙參考升壓

升壓轉(zhuǎn)換器

升壓電路應(yīng)可在2.4V到5.5V的電壓范圍內(nèi)工作，這一范圍覆蓋了所有鋰離子電池的輸入電壓范圍，并且還能在預(yù)整流的3V或5V軌下工作。此類應(yīng)用所需的輸出電壓范圍是12V至25V。最佳的電源IC設(shè)計(jì)還將整合升壓FET和肖特基二極管，從而減少對(duì)外部元件的需求。例如，ISL97702中就集成了1.2A FET，支持最高達(dá)28V的輸出電壓，且效率最高可達(dá)90%。

為使升壓電路達(dá)到最佳工作狀態(tài)，選擇合適的元件非常重要，主要包括電感和輸出電容，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。舉例來(lái)說(shuō)，ISL97702帶有內(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)。數(shù)據(jù)手冊(cè)中所附的參數(shù)表一般可以幫助設(shè)計(jì)者選擇所需的元件。電感值也會(huì)影響電感的尺寸大小。ISL97702可與低至3.3μH的電感一起，來(lái)實(shí)現(xiàn)小器件尺寸。但是，較低的電感值可能導(dǎo)致器件工作不連續(xù)，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，同時(shí)，選擇的電感還必須能夠處理應(yīng)用要求的峰值和平均電流。這些值可根據(jù)如下公式計(jì)算：

公式1.

公式 2

其中：

DIL 是電感電流的紋波峰峰值，單位為 A

L是電感值，單位為H

fOSC是開(kāi)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。輸出電容的電容越高，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(guò)電阻的開(kāi)關(guān)電流隔離。在本例中，推薦使用容值為10μF至15μF的電容。

雙輸出電壓的選擇

如上所述，當(dāng)OLED在暗淡模式下工作時(shí)，可以通過(guò)降低輸出電壓來(lái)顯著地節(jié)省功耗。因此為OLED電源選擇的最佳電源IC應(yīng)包含能夠提供這一功能的電路。使用兩條獨(dú)立的、以一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯輸入信號(hào)進(jìn)行選擇的反饋電路，就可以實(shí)現(xiàn)這一功能。通過(guò)這種簡(jiǎn)單的方式，可以支持PMOLED顯示器所采用的亮→暗→關(guān)節(jié)能技術(shù)。

輸出電壓由連接在輸出引腳和反饋參考引腳間的分壓電阻進(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的精度和反饋網(wǎng)絡(luò)中使用的電阻值。

以ISL97702為例，其反饋電壓被設(shè)定為1.15V ±2%。當(dāng)選擇引腳(SEL)被設(shè)定為低電平時(shí)，反饋引腳FB0就與參考電壓進(jìn)行比較，同時(shí)引腳FB1接地，用以提供反饋地參考。當(dāng)引腳SEL為高電平時(shí)，引腳FB1被用作參考，引腳FB0接地。輸出電壓根據(jù)公式3計(jì)算：

公式3：當(dāng)SEL = 0時(shí)，Vout = (R1 + R2) / R2 * Vfb

當(dāng)SEL = 1時(shí)，Vout = (R1 + R3) / R3 * Vfb

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：

欠壓閉鎖功能，確保器件只在輸入電壓大于正確操作所需的最小電壓時(shí)才工作;

過(guò)流保護(hù)功能，監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)電流，并將其限制在器件允許的最大電流范圍內(nèi);

過(guò)壓閉鎖功能，當(dāng)輸出電壓超過(guò)器件允許的最大電壓時(shí)，設(shè)備工作停止;

過(guò)溫保護(hù)功能，當(dāng)晶片溫度超過(guò)預(yù)設(shè)最大值時(shí)關(guān)閉器件。

時(shí)鐘同步

在便攜設(shè)備中，時(shí)鐘噪聲和交叉串?dāng)_是兩個(gè)需要特別注意的問(wèn)題。將開(kāi)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)師減輕這些問(wèn)題。對(duì)于那些不需要考慮這些噪聲的應(yīng)用，電源也應(yīng)能自同步。在1MHz范圍內(nèi)的高時(shí)鐘頻率可提供最佳的效率，也有助于減小器件尺寸。例如，ISL97702的自同步頻率為1MHz，但只需將時(shí)鐘連接到同步輸入引腳上，就可以方便地將其與頻率界于600kHz 和1.4MHz之間的外部時(shí)鐘同步。

軟啟動(dòng)控制

電源IC第一次開(kāi)始工作時(shí)，需要向系統(tǒng)中的電容充電，由此產(chǎn)生的電流需求會(huì)顯著提高輸入電流。如果該電流太大，電池電壓就會(huì)下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中的器件進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，或運(yùn)行不穩(wěn)定。為克服這一問(wèn)題，可以采用軟啟動(dòng)機(jī)制來(lái)限制啟動(dòng)電流，使電源IC中的電流逐漸上升，直至達(dá)到滿電流負(fù)荷。這種機(jī)制通常用于當(dāng)今的許多升壓轉(zhuǎn)換器中。

輸入電壓斷開(kāi)

升壓電路的輸入端上的集成式斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，有利于進(jìn)一步延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。當(dāng)設(shè)備被禁用時(shí)，該開(kāi)關(guān)會(huì)斷開(kāi)OLED顯示器、驅(qū)動(dòng)電路和反饋網(wǎng)絡(luò)，因而不會(huì)產(chǎn)生漏電流。在這種關(guān)機(jī)模式下，內(nèi)部IC的功耗也應(yīng)會(huì)降至最小。

當(dāng)設(shè)備被啟用并且負(fù)載與輸入連接時(shí)，就會(huì)形成從輸入到輸出的直流通路，并在輸出電容充電時(shí)產(chǎn)生大的電流尖峰。ISL97702斷開(kāi)開(kāi)關(guān)也具備軟啟動(dòng)模式，可以限制輸出電容充電時(shí)的電流，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了其他直流/直流轉(zhuǎn)換器中常用的軟啟動(dòng)方案的功能。

ISL97702的軟啟動(dòng)操作如圖3所示。在A時(shí)間段，流經(jīng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的電流受到限制，以降低負(fù)載電容充電時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流。在B時(shí)間段，升壓轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，電流限制被設(shè)定為25%。在C時(shí)間段，電流限制被設(shè)定為50%。在D時(shí)間段，電流限制被設(shè)定為75%。在E時(shí)間段，電流限制被設(shè)定為100%。

圖3：ISL97702的軟啟動(dòng)

結(jié)論

由于供應(yīng)商提供的功能越來(lái)越多，且用戶要求的電池使用時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，手持設(shè)備的電源已變得越來(lái)越重要。OLED顯示器只是提出特殊的電源IC和新增功能要求的眾多新技術(shù)之一。為滿足這些需求，很多新型IC正在開(kāi)發(fā)之中，ISL97702正是此類產(chǎn)品的代表之一。