OLED显示器及其馈电技术

要 点
·OLED（有机发光二极管）显示器与LCD相比，虽然成本较高，但功耗却很低。
·随着OLED制造工艺的成熟和产量的攀升，功率转换器制造商正在开始制造用于OLED显示器的IC。
·不可以不变应万变：根据OLED显示器类型的不同，所需的电源电压和电流也随之改变。在功率转换器的应用系统清单上，“OLED”这个词并不保证该器件适合您的显示器。
      提高成品率和降低制造成本这两个因素正在促进OLED（有机发光二极管）显示器的使用量稳定攀升。作为响应，一些半导体制造商已经开始提供用于OLED和 LCD偏置电源的功率转换IC，为OEM设计师在如何实现显示器电源子系统方面带来灵活性。尽管IC制造商没有严格地优化这些供OLED用的功率控制器，但这些器件确实有助于保持OLED优异的能量效率，并发挥显示器市场中像LCD所能提供的规模经济优势。
      黑白OLED的首次商业应用是便携式测量仪器和娱乐设备中的小型低分辨率前面板显示器。由于制造工艺已经成熟，OLED作为翻盖手机中的第二显示器业已取得了更大的商业成功。
      彩色OLED作为取景器首次应用于模拟摄录机、数字摄录机和数码相机中。在这一方面，彩色OLED很好地顺应了OEM向更小型、更高分辨率照相机发展的趋势。自彩色OLED首次应用以来，显示器制造商一直在改进制造工艺和显示器的设计，以降低成本，改善性能，增强可靠性。
      LCD类似于压控半透明光闸。与LCD不同，OLED是光发射器，因而不需要背光照明。当前的OLED显示器具有比LCD更佳的能量效率、图像质量、坚固性以及低温性能。OLED暂时还比较昂贵，不过，成品率和市场渗透力的不断提高正在逐渐缩小OLED和LCD的价格差距。正如iSuppli公司的技术与战略研究总监Kimberly Allen所指出的，“Kodak公司的原始（OLED技术）专利开始过期。”OLED厂商一直承担的相关许可费用负担也同样即将过期。LCD制造商已经做出了回应，价差继续有利于其显示器，而图像质量和效率则趋近于OLED显示器。
用微瓦功率驱动毫瓦设备
      并非所有制造出来的OLED显示器都是一样的，它们对电源的需求反映出它们之间的差别。两种基本的显示器结构是无源矩阵和有源矩阵（参见附文《矩阵：显示器上的OLED》）。    STMicroelectronics公司的OLED产品系列经理Joel Roibet评述道：“材料是类似的……不过，因为我们采用更大的电流来驱动PMOLED（无源矩阵OLED），所以我们具有更高的压降。因此 PMOLED要求高达20V的电压，而AMOLED（有源矩阵OLED）则由于电流低得多只需要低于10V的电压。PMOLED显示器的驱动电流范围为每列几十到几百微安，而AMOLED显示器则为每列几微安到几十微安。” 
      Advanced Analogic Technologies公司的副总裁Jan Nilsson评述道：“许多手机、数码相机及其它便携式设备中的有源矩阵LCD和OLED……子系统要求正负两种小电流偏置电源。”这种情况使得电源前景复杂化。Advanced Analogic Technologies公司推出的AAT3190能满足这种需求，因为它借助一块采用自同步双电荷泵体系结构其工作于标称1MHz的开关频率芯片来生成正负两种电源（图1）。这种电荷泵可利用2.7V～5.5V的单极性输入电源产生最大可达±25V的可调输出电压。

      这种电压控制器不需要任何电感器，而电感器通常会影响小型便携式设备中电路板的高度极限。取而代之的是，每一个电荷泵驱动外部二极管/电容器倍增器级。你可以级联倍增器级来增大输出电压。每个输出端有一个外部电阻分压器，用来为转换器提供反馈信号。正电源的反馈调整电压容差为50mV，即大约4%，而负电源则是100mV。AAT3190芯片的每一根电荷泵驱动引脚均可提供200 mA最大绝对值电流，而Advanced Analogic Technologies公司使该芯片的效率高，负载调整能力达到40 mA。由于两根驱动引脚可按给定极性泵浦所有倍增级，所以倍增器级联能够提供的负载电流与级数成反比。
      AAT3190可提供软启动、欠压切断以及关机模式。关机模式可使转换器的静态电流从最大的800mA降低到只有1mA。AAT3190的售价为1.73 美元 (1000件批量)。Advanced Analogic Technologies公司提供的AAT3190有MSOP-8和TSOP-12两种封装形式。
提升OLED
      Fairchild Semiconductor公司推出的FAN5331升压转换器，可供单极性显示器系统使用。与AAT3190一样，FAN5331工作于很高的开关速率（在本例中为1.6 MHz），以缩小外部电抗元件的尺寸，因此，尽管这种升压转换器需要一个电感器，但只需要10mH的电感器。FAN5331因其SOT23-5封装尺寸小和外部元件较少而有助于缩小显示器的电源尺寸。
      在其整个输入范围内，FAN5331能够以稳定的状态在15V电压下输出35 mA的最小电流。在同样的工作条件下，如果输入电压为3.2V或更高，则输出电流上升到50 mA。此外，这种转换器的分数欧姆（fractional-ohm）输出开关可提供1A的峰值电流；一个逐周期限流监视电路可确保峰值输出电流保持在这一极限值之内。
      这种售价为50美分(1000件批量)的IC在关机模式下消耗2mA电流。一个电阻分压器能将输出电压设置在输入电压和转换器的20V最大输出电压之间。标称1.23V的反馈电压具有25 mV的容差。
      时钟速率高和相应的电感器小这两点说明小巧便携设备用的升压转换器的发展趋势，而传统的较低时钟速率则要求使用较大的磁性元件，从而对布局设计和机械设计提出了挑战。尽管有这些挑战以及其它挑战，小型电源设计师历来钟情于升压转换器的性能优势。正如Linear Technology公司的资深设计师Eddy Wells所指出的，“传统升压转换器工作效率较高，升压比范围较大，但是，升压转换器电源通常占用更大的空间，而且浪涌电流和短路保护等系统问题往往需要利用附加的外部电路来解决。”
      Linear Technology公司推出的LTC3459是解决这些应用问题的一系列升压转换器中的一个例子。LTC3459这种器件有一种突发模式，用以在轻载电流下保持转换器的效率。它还具有浪涌电流限制、短路保护和关机期间负载隔离等功能。尽管具有这些功能，但典型的应用电路只要求在开关电路中有三只电容器、两只电阻器和一个升压电感器（图2）。Wells说，因为“转换器工作时的峰值电流小约75 mA，所以一个0805小型电感器……能轻易达到与一个集成电荷泵相同的占用电路板面积。”

      这种SOT23-6封装的IC，其输入电压为1.5V～5.5V，输出电压为2.5V～10V，适合于有源矩阵OLED显示器。与许多采用固定时钟频率的低功耗转换器不同，LTC3459采用可变开关频率，这一开关频率可根据输入-输出电压差别在大约0.6 MHz～高于2.6 MHz的范围内自行调节。反馈基准为1.22V，容差为30 mV。这种售价为1.95美元 (1000件批量) 的转换器，其最大静态电流为20mA。当转换器处于关闭模式时，其剩余工作电流降低到低于1mA。
      Maxim公司推出一个适用于包括OLED显示器和LCD在内的小电流设备的升压转换器系列，该系列由五个升压转换器组成，MA8570是其中之一。 MA8570的特点是输出电压可调，而Maxim公司规定该转换器的负载电流为5mA。该公司规定这一系列中其它转换器的负载电流，其中MA8571和 MA8573为15mA MA8574和MA8575为25mA。该公司还提供负载电流为15mA和25mA的、输出电压可调和固定15V的升压转换器。  
      这些升压控制器都采用2.7V~5.5V输入电源；输出电压可调的转换器具有3V~28V的输出电压范围并具有19mV的基准容差。857x系列转换器具有软启动、欠压切断和电流限制等功能。一根低电平有效关机引脚可使该转换器的静态电流从50mA降低到1mA。Maxim公司提供的857x系列均采用 SOT23-6封装，其售价为1.25美元 (1000件批量)。 
      对Maxim公司、Linear Technology公司和Fairchild公司提供的三种升压转换器进行的比较表明，对提高和降低集成度都有微妙的好处，这要视你的应用系统而定；这一比较再次表明，即使是概念上与升压转换器一样简单的产品，也不存在一种处理这种布局的最佳方法。LTC3459利用一个典型沟道电阻约为4Ω的片上 PMOS器件，将其输出与升压电感器隔离开来。结果，应用电路就不需要许多升压转换器电路常用的肖特基二极管，从而相应地减小布局面积以及材料与装配费用。 
      Fairchild公司的FAN5331和Maxim公司的MAX8570及其同一系列产品都使用一个外部肖特基二极管，从而引入大约400 mV的结电压以及几欧姆的增量正向电阻。然而，正如Maxim公司在其应用电路中所指出的使用外部肖特基二极管的优点在于，它能将开关波形从芯片中引出到你能使用它的地方，例如，用它泵浦一个粗调的负电源（图3）。

      Texas Instruments公司提供的TPS65130升压控制器/转换器可利用2.7V～5.5V输入产生±15V的输出。这种控制电路结构采用一个 1.25MHz固定频率 PWM开关信号。其低功耗模式采用脉冲跳越方式来供应轻载电流。TPS65130可提供高达200 mA的负载电流，而且，这种转换器的500mA静态电流在关机模式下可降低到1.5mA。 
      这种售价为2.95美元 (1000件批量) 的IC与大多数其它器件相比有更多的引脚，因而采用QFN -24封装。不过，额外的连线也提供额外的功能，例如单独的正电源使能输入端和负电源使能输入端可以控制电源顺序。一个控制外部PMOS器件的输出端可将电池与升压电路隔离开来。然而，除了外部PMOS器件之外，应用电路还包括2个电感器、2个肖特基二极管、5只电阻器和8只电容器。这些外部元件看起来好像很多，尤其是在与较低电流单输出升压转换器相比时更是如此，但其元件数与双电荷泵处于同一数量级。 
      随着OLED在整个显示器技术市场上建立更强的市场地位，OLED用的电源转换器的多样性肯定会继续扩展，特别是在电流能力和功能方面。iSuppli公司的Allen预言：OLED显示器市场“在从黑白向彩色转变的推动下将快速增长，预计到2006年将超过10亿美元。”除了向彩色显示器转变之外，还有一个明显的发展趋势就是向有源矩阵OLED的发展，因为有源矩阵OLED支持的屏幕要比无源矩阵显示器大得多。
附文：矩阵：显示器用OLED 
      构成OLED（有机发光二极管）像素阵列的方法基本上有两种，即：无源矩阵（PMOLED）和有源矩阵（AMOLED）。这两种方法所用LED结构相同（图 A），但对每个单元的寻址方法则各异。电子从阴极流到阳极，而空穴则从阳极流到阴极。有机发光材料层内的电子与空穴的复合会放出光子。因此，除去光损耗之后，光输出正比于电流。

      这样的像素结构与其它诸如LCD等的薄型显示器技术相比，其优点是很明显的。LCD需要背光照明，并且采用光闸似的像素来局部控制显示器的光传播。从能量的角度来看，这种方法类似于汽车驾驶，当需要使用刹车来调节速度时将气动踏板踩向地板。而OLED显示器则产生构成图像所需的光，这类似于仅仅将汽车引擎节流阀开启到你希望的行驶速度所需的位置。OLED与LCD背光照明并不以同样的效率产生光子。然而，LCD背光照明发出的光子大多数都从不出现，所以 OLED显示器的总能量效率更高。 
      两种OLED显示器的像素寻址方法各不相同。在无源显示器中，导电的行和列构成一个矩阵。制造工艺在各个交叉点上的矩阵导体之间的空间内形成OLED结构。当显示器控制器扫描各行时，电流流到包含被照亮像素的各列。然而，像素只是在控制器寻址到其所在的行时才被照亮，所以电流占空因素反比于行数，而峰值电流则正比于行数。察觉到的亮度正比于帧间隔内电流的时间积分。在下一帧期间内，控制器可以刷新该像素，给观察者一种持久图像的印象。 
      AMOLED 显示器利用每个像素的TFT（薄膜晶体管）在帧间隔持续时间内获得驱动信号。如同PMOLED一样，控制器扫描各行，但却利用一个在各次刷新之间保持的栅极驱动电压为像素编程。TFT像素控制器设定并维持OLED电流。在一帧之内，峰值电流和平均电流是一样的。因为对于一个有n行的显示器来说， AMOLED电流是PMOLED电流的n分之一，所以阴极、阳极和矩阵内的电阻性损耗也同样降低到n分之一。 
      能量效率提高并非是AMOLED结构的唯一优点。由于占空因数随显示器变大而缩小，所以PMOLED局限在大约200行以内。200行这一数字既不精确，又非固定不变；随着加工工艺和发光聚合物化学特性的改进，这一数字还会增大。无论如何，对于任意给定的工艺和化学特性来说，最大实用的行数都是有限的。有源矩阵显示器在这方面不受限制，许多制造商声称制作任意大的显示器的前景仅受制造缺陷密度和控制器能力的限制。 
      AMOLED显示器的另一优点是，其像素的峰值电流与平均电流之比为1，而不是PMOLED像素的n:1。这种差别使两种显示器的老化效应大不相同，因为老化效应正比于电流密度。