??? 摘 要： 分析了目前OLED在便攜式設(shè)備中的功耗問題以及采用Intersil的ISL97702器件設(shè)計(jì)OLED顯示的供電方案，該方案延長(zhǎng)了便攜式電子設(shè)備系統(tǒng)的工作時(shí)間。
??? 關(guān)鍵詞： OLED；軟啟動(dòng)；ISL97702
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?????????????????????????????????????????? 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)帶來革命性的變革。OLED采用在通電時(shí)會(huì)發(fā)光的有機(jī)材料，與現(xiàn)有的液晶顯示器(LCD)技術(shù)相比，OLED具有一系列優(yōu)點(diǎn)：易于制造，可用于研發(fā)更低成本的顯示器；擁有更快的響應(yīng)時(shí)間、更寬的視角、更低的功耗以及更高的亮度/對(duì)比度的圖像；OLED最突出的優(yōu)勢(shì)是采用自發(fā)光技術(shù)，因而不需背光，這不僅可以節(jié)省功耗，而且還可以讓開發(fā)人員設(shè)計(jì)出厚度僅為1mm的顯示器。
??? 與LCD類似，OLED也有無源矩陣和有源矩陣兩種配置。采用無源矩陣時(shí)，顯示器被連接成為二極管柵格，每個(gè)二極管單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)OLED像素，可使用外部驅(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，像素可以連續(xù)被點(diǎn)亮。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采用無源矩陣產(chǎn)品。這些無源矩陣OLED(PMOLED)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的供電方案
??? 目前，由于OLED被廣泛應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品，因此其功耗至關(guān)重要。電源IC必須能以最高的效率工作，并盡可能降低功耗，以便盡可能延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間，尤其是在顯示器不工作時(shí)。
??? OLED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)間需點(diǎn)亮的像素的數(shù)量以及驅(qū)動(dòng)它們所需的最大電流，并且顯示器驅(qū)動(dòng)電路也會(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。OLED驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。
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?? ?文中所需的最大電壓可用如下公式計(jì)算：
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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)器所需的開銷；VRD為行驅(qū)動(dòng)器所需的開銷。
?? ?在典型應(yīng)用中，VIN大約為20V。
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其中：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的便攜設(shè)備，如果一段時(shí)間不工作，先是關(guān)掉背光，幾秒鐘后再把顯示器完全斷電；而OLED中沒有背光燈，因此一段時(shí)間不工作時(shí)屏幕先暗下來，再過一段時(shí)間斷電。從式(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)生額外的功耗和能源浪費(fèi)。通過降低供電電壓，可以降低列驅(qū)動(dòng)器中的消耗，從而提高系統(tǒng)效率。
???????????????????????????????????????? OLED電源IC
??? 當(dāng)前，一些專門為便攜式應(yīng)用中的PMOLED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。理想的器件必須具有外接元件少和封裝尺寸小等特性，從而可以盡量縮小小型手持設(shè)備的顯示器的尺寸。Intersil公司生產(chǎn)的ISL97702中所采用的復(fù)合控制方案可滿足上述應(yīng)用要求。ISL97702的典型電路如圖2 所示。
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?????????????????????????????????????????? 升壓轉(zhuǎn)換器
??? 升壓電路應(yīng)可在2.4V～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工作，此類應(yīng)用所需的輸出電壓范圍是12V～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。元件主要包括電感和輸出電容，其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。例如，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的范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)手冊(cè)中所附的參數(shù)表可以幫助設(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的電感結(jié)合，以減小器件尺寸。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滿足應(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：
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其中：ΔIL是電感電流的紋波峰值，單位為A；L是電感值，單位為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/成本之間綜合考慮。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。在本例中，推薦使用10μF～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)，可以通過降低輸出電壓來顯著地節(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。通過這種簡(jiǎn)單的方式，可以實(shí)現(xiàn)PMOLED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。輸出電壓計(jì)算如下：
?? ?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)電路的功能也非常重要，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；
?? ?過流保護(hù)功能：監(jiān)測(cè)開關(guān)電流，并將其限制在器件允許的最大電流范圍內(nèi)；
?? ?過壓閉鎖功能：當(dāng)輸出電壓超過器件允許的最大電壓時(shí)，設(shè)備工作停止；
?? ?過溫保護(hù)功能：當(dāng)晶片溫度超過預(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)需要特別注意的問題。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)師解決這些問題。對(duì)于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，就可方便地將其與頻率界于600kHz～1.4MHz之間的外部時(shí)鐘同步。
?????????????????????????????????????????軟啟動(dòng)控制
?? ?電源IC第一次開始工作時(shí)，需要向系統(tǒng)中的電容充電，由此會(huì)使輸入電流提高。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。為解決這一問題，可以采用軟啟動(dòng)機(jī)制來限制啟動(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)制通常用于升壓轉(zhuǎn)換器中。
??????????????????????????????????????? 輸入電壓斷開
??? 升壓電路的輸入端上的集成式斷開開關(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)，該開關(guān)會(huì)斷開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斷開開關(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。
?? ?ISL97702的軟啟動(dòng)操作如圖3所示。在A時(shí)間段，流經(jīng)斷開開關(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%。
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???????????????????????????????????????????? 結(jié)? 論
??? 由于供應(yīng)商提供的手持設(shè)備的功能越來越廣泛，且用戶要求電池的使用時(shí)間延長(zhǎng)，手持設(shè)備中的電源已變得越來越重要。OLED只是提供特殊的電源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正在開發(fā)之中，ISL97702是此類產(chǎn)品的代表之一。