手持设备中的无源OLED显示器供电方案

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OLED简介

作为一项新兴技术,有机发光二极管显示器OLED将给显示器行业带来革命性的变革。OLED采用的有机材料,在通电时会发光。与现有的 LCD (液晶显示器)技术相比,OLED具有一系列优点。其中之一是易于制造,最终可形成成本更低的显示器。OLED在性能方面的优势包括更快的响应时间、更宽的视角、更低的功耗以及亮度/对比度更高的图像。OLED最突出的优势在于,它采用自发光技术,因而不需要背光。这不仅可以节省功耗,而且还可以让开发人员设计出厚度仅为1毫米的显示器。

 

LCD显示器类似,OLED显示器也有无源矩阵和有源矩阵两种配置。采用无源矩阵时,显示器被连接成为二极管栅格,每个二极管单独构成一个OLED像素。可以使用外部驱动电路一次点亮一行栅格。相反,有源矩阵显示器内含晶体管,像素可以连续被点亮。但与LCD 不同的是,OLED采用电流驱动,这会增加有源矩阵设计的复杂程度,因此目前绝大多数OLED采用无源矩阵产品。这些PMOLED(无源矩阵OLED)可用于众多产品,包括移动电话、汽车立体声音响、MP3播放器和其他消费类产品。

 

OLED显示器的供电

 

目前,由于OLED显示器被广泛应用于便携式产品,因此其功耗特别重要。电源IC必须能以最高的效率工作,并尽可能降低功耗,以尽可能延长电池的工作时间,特别是在显示器不工作的时候。

 

OLED显示器的功率需求与一系列因素有关。由于显示器采用电流驱动,所以要求的峰值电流取决于同一时间需要点亮的像素的数量,以及驱动他们所需的最大电流值。显示器驱动电子也会消耗部分电流。显示器所需的电压取决于二极管的正向压降、显示器内部互连(往往呈现阻性)的压降以及显示器驱动器所需的压降。(见图1

 

1. OLED显示器驱动

 

本例中,所需的最大电压可用以下公式计算:

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

其中:

       Vdiode为二极管的正向压降

       Idiode为流经二极管的电流

       Rcol为列连接的电阻

       Rrow为行导体的电阻

       VCD为列驱动器所需的开销

       VRD为行驱动器所需的开销

在典型应用中,VIN大约为20V

峰值电流可用如下公式计算:

       Idiode x Xpixels + ICD + IRD   (公式2

 

其中:

       Idiode为流经二极管的电流

       Xpixels为一次点亮的像素的数量

       ICD为供给列驱动器的电流

       IRD为供给行驱动器的电流

 

便携式显示器的节能

对于带LCD显示器的便携设备,如果一段时间不工作,常见的做法是关掉背光,几秒钟后再把显示器完全断电。而OLED显示器中没有背光灯,因此一段时间不工作后通常屏幕就会暗下来,再过一段时间就会断电。从公式1可以看出,如果显示器中的电流减小,所需的最大电压也随之降低。在电源电压恒定的典型应用中,列驱动器的电压会下降,从而产生了额外的功耗和能源浪费。通过降低供电电压,能量就不再被消耗到列驱动器中,系统的效率也就得到了提高。

 

OLED电源IC

现在,一些专门为便携式应用中的PMOLED显示器供电的新器件正陆续上市。适合这类应用的理想器件应该具有一个非常高效的升压转换器,能够在便携式应用中的电池电压下工作,或者在器件中的预整流供电下工作。输出负载断开和低待机电流等功能,对减少显示屏不被照明时电池的漏电有很重要的作用。理想的器件还必须具有外接元件少和封装尺寸小等特性,以尽量缩小用于当今小型手持设备的显示器的尺寸。Intersil公司生产的ISL97702中所采用的复合控制方案,就是可以满足上述应用要求的先进电源IC的杰出代表。此类器件的典型电路如图2 所示。

 

2. 典型ISL97702电路

图中文字:

OSCILLATOR & CONTROL:振荡器与控制

BOOST WITH DUAL REFERENCE:双参考升压

 

升压转换器

升压电路应可在2.4V5.5V的电压范围内工作,这一范围覆盖了所有锂离子电池的输入电压范围,并且还能在预整流的3V5V轨下工作。此类应用所需的输出电压范围是12V25V。最佳的电源IC设计还将整合升压FET和肖特基二极管,从而减少对外部元件的需求。例如,ISL97702中就集成了1.2A FET,支持最高达28V的输出电压,且效率最高可达90%

 

为使升压电路达到最佳工作状态,选择合适的元件非常重要,主要包括电感和输出电容,因为它们将影响到升压控制环路的稳定性。一些升压转换器采用的外部补偿电路同样需要合理选择补偿元件。举例来说,ISL97702带有内部补偿网络。这种设计要求电感和电容值在一定范围内。数据手册中所附的参数表一般可以帮助设计者选择所需的元件。电感值也会影响电感的尺寸大小。ISL97702可与低至3.3μH的电感一起,来实现小器件尺寸。但是,较低的电感值可能导致器件工作不连续,从而增加输出纹波。因此最好选择能保持连续工作模式的电感值,同时,选择的电感还必须能够处理应用要求的峰值和平均电流。这些值可根据如下公式计算:

 

公式1. 

公式 2

 

其中:

       DIL 是电感电流的纹波峰峰值,单位为 A

       L是电感值,单位为H

       fOSC是开关频率

 

输出电容的选择原则是确保升压环路的稳定工作。输出电容的电容越高,输出电压的纹波就越小。具体选择时需要在纹波和元件数量/成本之间做出折衷。

 

输入端电容用于将输入电流和经过电阻的开关电流隔离。在本例中,推荐使用容值为10μF15μF的电容。

 

双输出电压的选择

 

如上所述,当OLED在暗淡模式下工作时,可以通过降低输出电压来显著地节省功耗。因此为OLED电源选择的最佳电源IC应包含能够提供这一功能的电路。使用两条独立的、以一个简单的逻辑输入信号进行选择的反馈电路,就可以实现这一功能。通过这种简单的方式,可以支持PMOLED显示器所采用的亮关节能技术。

 

输出电压由连接在输出引脚和反馈参考引脚间的分压电阻进行设置。反馈电压与内部设置的参考电压比较后用于控制输出电压。输出电压的精度取决于反馈参考的精度和反馈网络中使用的电阻值。

 

ISL97702为例,其反馈电压被设定为1.15V ±2%。当选择引脚(SEL)被设定为低电平时,反馈引脚FB0就与参考电压进行比较,同时引脚FB1接地,用以提供反馈地参考。当引脚SEL为高电平时,引脚FB1被用作参考,引脚FB0接地。输出电压根据公式3计算:

公式3:当SEL = 0时,Vout  = (R1 + R2) / R2 * Vfb

       SEL = 1时,Vout = (R1 + R3) / R3 * Vfb

 

故障检测

 

为保护IC和外部元件,集成众多保护电路也非常重要。这些功能应包括:

欠压闭锁功能,确保器件只在输入电压大于正确操作所需的最小电压时才工作;

过流保护功能,监测开关电流,并将其限制在器件允许的最大电流范围内;

过压闭锁功能,当输出电压超过器件允许的最大电压时,设备工作停止;

过温保护功能,当晶片温度超过预设最大值时关闭器件。

 

时钟同步

 

在便携设备中,时钟噪声和交叉串扰是两个需要特别注意的问题。将开关设备与外部时钟同步从而将所有时钟锁定于单一频率,有助于产品设计师减轻这些问题。对于那些不需要考虑这些噪声的应用,电源也应能自同步。在1MHz范围内的高时钟频率可提供最佳的效率,也有助于减小器件尺寸。例如,ISL97702的自同步频率为1MHz,但只需将时钟连接到同步输入引脚上,就可以方便地将其与频率界于600kHz 1.4MHz之间的外部时钟同步。

 

软启动控制

 

电源IC第一次开始工作时,需要向系统中的电容充电,由此产生的电流需求会显著提高输入电流。如果该电流太大,电池电压就会下降,从而导致系统中的器件进入复位状态,或运行不稳定。为克服这一问题,可以采用软启动机制来限制启动电流,使电源IC中的电流逐渐上升,直至达到满电流负荷。这种机制通常用于当今的许多升压转换器中。

 

输入电压断开

 

升压电路的输入端上的集成式断开开关,有利于进一步延长电池的工作时间。当设备被禁用时,该开关会断开OLED显示器、驱动电路和反馈网络,因而不会产生漏电流。在这种关机模式下,内部IC的功耗也应会降至最小。

 

当设备被启用并且负载与输入连接时,就会形成从输入到输出的直流通路,并在输出电容充电时产生大的电流尖峰。ISL97702断开开关也具备软启动模式,可以限制输出电容充电时的电流,从而进一步增强了其他直流/直流转换器中常用的软启动方案的功能。

 

ISL97702的软启动操作如图3所示。在A时间段,流经断开开关的电流受到限制,以降低负载电容充电时产生的浪涌电流。在B时间段,升压转换器启动,电流限制被设定为25%。在C时间段,电流限制被设定为50%。在D时间段,电流限制被设定为75%。在E时间段,电流限制被设定为100%

3ISL97702的软启动


结论

由于供应商提供的功能越来越多,且用户要求的电池使用时间越来越长,手持设备的电源已变得越来越重要。OLED显示器只是提出特殊的电源IC和新增功能要求的众多新技术之一。为满足这些需求,很多新型IC正在开发之中,ISL97702正是此类产品的代表之一。