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會發(fā)光，ＯＬＥＤ與目前的ＬＣＤ技術(shù)相比具有許多優(yōu)點。其中一個優(yōu)點是容易制造，最終可形成更低成本的顯示器。性能的優(yōu)勢包括更快的響應(yīng)時間、更寬的視角、更低的功耗和更亮／更高對比度的圖像。最核心的優(yōu)點是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，顯示器被連接成為二極管柵格，每個二極管構(gòu)成一個獨立的ＯＬＥＤ像素?？梢允褂猛獠框?qū)動電路一次點亮一行柵格。相反，有源矩陣顯示器內(nèi)含晶體管，像素可以被連續(xù)點亮。然而ＯＬＥＤ與ＬＣＤ不同的是，ＯＬＥＤ采用電流驅(qū)動矩陣模式，這會增加有源矩陣設(shè)計的復(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

因為目前許多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，延長電池壽命，特別是在顯示器不工作的時候。

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)動的，因此峰值電流要求取決于同一時間被點亮的像素總數(shù)量以及驅(qū)動它們的最大電流值。顯示驅(qū)動電路也會消耗部分電流。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)動器所需的開銷；ＶＲＤ是行驅(qū)動器所需的開銷；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像素是一次點亮的像素數(shù)量；ＩＣＤ是供給列驅(qū)動器的電流；ＩＲＤ是供給行驅(qū)動器的電流。

便攜顯示器的節(jié)能

對于帶ＬＣＤ顯示器的便攜式設(shè)備來說，如果一段時間不工作，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，因此一段時間不工作后通常屏幕就會暗下來，再過一段時間斷電。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，這一能量就不會再消耗在列驅(qū)動器上，系統(tǒng)效率也就得到了提高。

圖１：ＯＬＥＤ顯示器驅(qū)動

ＯＬＥＤ電源芯片

目前市場上已經(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)電流等功能對降低顯示器不被照明時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)計還將集成升壓ＦＥＴ和肖特基二極管，從而減少對外部元件的需求。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，因為它們將影響到升壓控制環(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)計要求電感和電容值在一定范圍內(nèi)，設(shè)計手冊中通常會提供表格幫助選擇器件。電感值將影響到電感尺寸。為了實現(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。采用兩條獨立的反饋路徑就可實現(xiàn)這一功能，而且這兩條反饋路徑可以通過簡單的邏輯輸入進(jìn)行選擇。因此通過這種方法就可簡單地實現(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，ＦＢ０反饋引腳就與參考電壓進(jìn)行比較，ＦＢ１引腳接地，用以提供反饋參考地。當(dāng)ＳＥＬ為高時，ＦＢ１用作參考電壓，ＦＢ０接地。輸出電壓可用公式５和公式６計算：

當(dāng)ＳＥＬ＝０時，

當(dāng)ＳＥＬ＝１時，

故障檢測

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，器件停止工作；

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

時鐘同步

在便攜式設(shè)備中，時鐘噪聲和串?dāng)_將成為主要考慮的因素。將開關(guān)設(shè)備與外部時鐘同步從而將所有時鐘鎖定于單一頻率，有助于產(chǎn)品設(shè)計師減少這些問題。對于時鐘沒有問題的設(shè)備來說，電源也應(yīng)能自己同步。在１ＭＨｚ范圍內(nèi)的高頻率時鐘可提供最佳的效率，也有助于減小器件尺寸。一個高效的ＩＣ應(yīng)能夠自同步于１ＭＨｚ時鐘，也能通過將該時鐘連接到同步輸入引腳，方便地與６００ｋＨｚ和１．４ＭＨｚ之間的外部時鐘同步。

軟啟動控制和輸入電壓斷開

當(dāng)電源芯片剛開始工作時，電流需要對系統(tǒng)中的電容充電，從而產(chǎn)生明顯的輸入電流需求。如果這個電流太高，電池電壓就會降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中的器件進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，或產(chǎn)生錯誤的操作。為了克服這一缺點，在啟動時應(yīng)采用軟啟動機(jī)制來限制電流。此時ＩＣ的電流是緩慢增長的，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，這個開關(guān)將打開從而斷開與ＯＬＥＤ顯示器、驅(qū)動器和反饋網(wǎng)絡(luò)的連接，因而不會有漏電流。在這種斷電模式下，內(nèi)部ＩＣ的功耗會降至最小。

當(dāng)器件工作時，負(fù)載連接到輸入端，從輸入到輸出建立了一條直流通路，在輸入電容充電時將形成很大的電流尖峰。分?jǐn)嚅_關(guān)也應(yīng)提供軟啟動模式，在輸出電容充電時限制電流，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)品中的一個例子，它具有軟啟動控制、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ＯＬＥＤ供電的要求。

圖３是ＩＳＬ９７７０２的軟啟動操作過程。

圖３：ＩＳＬ９７７０２的軟啟動

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％。