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手持设备中的无源OLED显示供电方案

2009-03-20
作者:Intersil公司

    摘 要: 分析了目前OLED在便携式设备中的功耗问题以及采用Intersil的ISL97702器件设计OLED显示的供电方案,该方案延长了便携式电子设备系统的工作时间。
    关键词: OLED;软启动;ISL97702

 

                                           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采用在通电时会发光的有机材料,与现有的液晶显示器(LCD)技术相比,OLED具有一系列优点:易于制造,可用于研发更低成本的显示器;拥有更快的响应时间、更宽的视角、更低的功耗以及更高的亮度/对比度的图像;OLED最突出的优势是采用自发光技术,因而不需背光,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1mm的显示器。
    与LCD类似,OLED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。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。这些无源矩阵OLED(PMOLED)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的供电方案
    目前,由于OLED被广泛应用于便携式产品,因此其功耗至关重要。电源IC必须能以最高的效率工作,并尽可能降低功耗,以便尽可能延长电池的工作时间,尤其是在显示器不工作时。
    OLED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点亮的像素的数量以及驱动它们所需的最大电流,并且显示器驱动电路也会消耗部分电流。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。OLED驱动电路如图1所示。

 


    文中所需的最大电压可用如下公式计算:
    
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。
    
其中: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的便携设备,如果一段时间不工作,先是关掉背光,几秒钟后再把显示器完全断电;而OLED中没有背光灯,因此一段时间不工作时屏幕先暗下来,再过一段时间断电。从式(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,从而产生额外的功耗和能源浪费。通过降低供电电压,可以降低列驱动器中的消耗,从而提高系统效率。
                                         OLED电源IC
    当前,一些专门为便携式应用中的PMOLED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。理想的器件必须具有外接元件少和封装尺寸小等特性,从而可以尽量缩小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可满足上述应用要求。ISL97702的典型电路如图2 所示。

 


                                           升压转换器
    升压电路应可在2.4V~5.5V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3V或5V工作,此类应用所需的输出电压范围是12V~25V。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。元件主要包括电感和输出电容,其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。例如,ISL97702带有内部补偿网络,这种设计要求电感和电容值在一定的范围内。数据手册中所附的参数表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的电感结合,以减小器件尺寸。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满足应用要求的峰值和平均电流。这些值可根据如下公式计算:
   
其中:ΔIL是电感电流的纹波峰值,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/成本之间综合考虑。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10μF~15μF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,可以实现PMOLED所采用的“亮→暗→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。
    以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。输出电压计算如下:
    当SEL=0时,Vout=(R1+R2)/R2×VFB
    当SEL=1时,Vout=(R1+R3)/R3×VFB
                                            故障检测
    为保护IC和外部元件,集成众多保护电路的功能也非常重要,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,有助于产品设计师解决这些问题。对于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,由此会使输入电流提高。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。为解决这一问题,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。
    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%。

 


                                             结  论
    由于供应商提供的手持设备的功能越来越广泛,且用户要求电池的使用时间延长,手持设备中的电源已变得越来越重要。OLED只是提供特殊的电源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是此类产品的代表之一。

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