OLED 顯示器技術及功能：電源供應是否會影響顯示器畫質？

2011年06月02日15:11:26 本網站我要評論(2)字號：T | T | T

作者：Oliver Nachbaur，德州儀器顯示電源系統工程經理

有機發光二極管 (OLED) 顯示器越來越普遍，在手機、媒體播放器及小型入門級電視等產品中較為顯著。不同于標準的液晶顯示器，OLED 像素是由電流源所驅動。若要了解 OLED 電源供應如何及為何會影響顯示器畫質，必須先了解 OLED 顯示器技術及電源供應需求。本文將說明較新的 OLED 顯示器技術，并探討主要的電源供應需求及解決方案，另外也介紹專為 OLED 電源供應需求而提出的創新性電源供應架構。

市場環境

各大手機公司現在都推出一款或多款采用 OLED 顯示器的機型，Sony 則率先量產 OLED 電視，其它多家公司也推出首款樣品機種。OLED 顯示器具有廣色域、高對比度、寬視角及快速反應時間等特性，這使得這類顯示器相當適用于多媒體應用。自體發光的 OLED 技術不需要采用背光，而且耗電量視顯示內容而定，其耗電量遠低于使用背光的 LCD。面板尺寸加大之后，OLED 的高畫質特性更為明顯，因此愈來愈多 OLED 面板的顯示器尺寸都大于 3 吋，而未來的應用層面仍將以電視面板為大宗。另一個 OLED 顯示器市場是軟性顯示器。目前 OLED 及電泳顯示器技術的前景相當看好，應用于電子閱讀器的電泳或雙穩態顯示器需要提升色彩質量。另一方面，在使用完全軟性材質的情況下，OLED 顯示器目前仍不適合量產，這主要取決于背板技術的發展。

背板技術造就軟性顯示器

高分辨率彩色主動式矩陣有機發光二極管 (AMOLED) 顯示器需要采用主動式矩陣背板，此背板使用主動式開關進行各像素的開關。目前液晶 (LC) 顯示器非晶硅制程已臻成熟，可供應低成本的主動式矩陣背板，并且可用于 OLED。許多公司目前正針對軟性顯示器開發有機薄膜晶體管 (OTFT) 背板制程，此一制程也可用于 OLED 顯示器，以實現全彩軟性顯示器的推出。不論是標準或軟性 OLED，都需要運用相同的電源供應及驅動技術。若要了解 OLED 技術、功能及其與電源供應之間的互動，必須深入剖析這項技術本身。OLED 顯示器是一種自體發光顯示器技術，完全不需要任何背光。OLED 采用的材質屬于化學結構適用的有機材質。

OLED 技術需要電流控制驅動方法

圖 1 是僅顯示一個像素的簡易電路示意圖。OLED 具有與標準有機發光二極管 (LED) 相當類似的電氣特性，亮度均取決于 LED 電流。若要開啟和關閉 OLED 并控制 OLED 電流，需要使用薄膜晶體管 (TFT)的控制電路。

圖 1.簡易的主動式矩陣 OLED 單一像素控制范例 (ITO – 透明導電膜)

在圖 1 中，晶體管 T2 是開啟和關閉像素的像素控制晶體管，這類似于其它任何主動式矩陣液晶顯示器技術。T1 被當作電流來源，電流就是由此閘極電壓源所驅動。儲存電容為 Cs，它用來維持穩定的 T1 閘極電壓，并鎖定供應電流的大小，一直到像素被重新配置。在圖 1 中，簡易的單一晶體管電流源具有重大的成本優點，因為只需要兩個晶體管。這類簡易電路的缺點是電流會產生變化，變化的因素包括過程變化及 Vdd 電壓變化。OLED 電源供應電路通常提供 Vdd 和 Vss 兩種電壓電源軌。電壓軌 Vdd 必須達到極嚴格的調節效用，才能發揮較佳畫質并避免影像閃爍。Vss 通常是負電壓，其電壓調節準確度可降低，因為此電壓較不會影響 LED 電流。圖 2 顯示 Vdd 對于 OLED 顯示器所產生的電壓波動效應。

圖 2.電源軌的電壓波動造成水平條紋

當電壓供應的 Vdd 變動時，OLED 亮度也會隨之變動。Vdd 上的迭加電壓鏈波(superimposed voltage ripple)會讓影像出現水平條紋，這是因為亮度不同所致。視顯示器而定，大于 20mV 的電壓鏈波就可能會造成這種現象。水平條紋的顯現程度與迭加電壓鏈波的振幅及頻率有關。一旦頻率干擾訊框頻率，就會出現條紋。在一般的實驗環境下，Vdd 上的迭加電壓鏈波通常小于 20mV。將顯示器與電源供應整合成為系統時，這個問題就會出現。一旦系統中任何的子電路從系統電源供應器汲取脈動電流（pulsating current），就會出現電壓鏈波，所有連接系統電源供應器的電路都是如此。一般汲取脈動電流的子電路包括手機中的GSM 功率放大器、馬達驅動器、音訊功率放大器等等。在這些系統中，系統供應電源軌都會出現迭加電壓鏈波。如果 AMOLED 電源供應不抑制這種鏈波，鏈波便會出現在輸出端，并造成前述的影像失真。為避免這類問題的發生，AMOLED 的電源供應需要有極高的電源抑制比及線路瞬時響應。

對于 AMOLED 的電源供應而言，正電壓電源軌Vdd 需要升壓轉換器，負電壓電源軌 Vss 需要升降壓轉換器或反相器。這對于提供適用電源供應的 IC 制造商而言是一大挑戰，因為制造商需要提供相當準確的正電壓電源軌 Vdd 與負電壓電源軌 Vss，以達到較低的組件高度與較小的解決方案尺寸。

為了符合所有這些要求，需要選擇全新的電源供應拓樸架構，以便在僅使用單一電感的情況下從鋰離子電池提供正輸出及負輸出的電壓電源軌。

SIMO 穩壓器技術可達到同級產品中較佳的畫質

圖 3. 支持雙重輸入的 TPS65136 降壓升壓轉換器拓樸

圖 3 顯示使用 TPS65136 的一般應用電路，此裝置采用單一電感多重輸出 (SIMO) 穩壓器技術，并且以四開關的降壓升壓轉換器拓樸進行運作。SIMO 技術可達到同級產品中較佳的線路瞬時調節、兩個輸出的降壓升壓模式，以及整體負載電流范圍的較高效率。

進階節能模式可達到較高效率

和任何電池供電的設備一樣，只有在轉換器以整體負載電流范圍的較高效率進行運作時，才能達到較長的電池待機時間，這對于 OLED 顯示器尤其重要。OLED 顯示器呈現全白時會耗用較大的電源，對于其它任何顯示色彩則電流相對較小，這是因為只有白色需要所有紅、綠、藍子像素都全亮。舉例來說，2.7 吋顯示器需要 80mA 電流來呈現全白影像，但只需要 5mA 電流顯示其它圖標或圖形。因此，OLED 電源供應需要針對所有負載電流達到高轉換器效率。為了達到如此的效率，需要運用進階的節能模式技術來減少負載電流，以降低轉換器切換頻率。由于這是透過電壓控制震蕩器 (VCO) 完成，因此能夠將可能的 EMI 問題降至較低，并且能夠將較低切換頻率控制在一般 40kHz 的音訊范圍以外，這可避免陶瓷輸入或輸出電容產生噪音。在手機應用中使用這類裝置時，這特別重要，而且可簡化設計流程。

結論

由于 OLED 顯示器技術尚在起步階段，對于節能、提升 OLED 效率以及將整體解決方案尺寸降至較低等方面仍有許多改善空間，由于 OLED 日益成熟，因此可將 OLED 應用于建筑照明或液晶顯示器背光的用途。相較于傳統的照明解決方案，OLED為這兩種用途提供更低的耗電量及較高的設計彈性，因此很有商機。對于 OLED 技術而言，未來必然是一片光明。

作者

Oliver Nachbaur 現任美商德州儀器德國分公司技術小組成員，并身兼顯示器電源轉換器部門系統工程經理，本身擁有 10 年以上關于半導體產業電源管理產品的應用工程師及系統工程師等資歷，并且在德國里根斯堡獲得電子工程學位。

TI感謝工程師影片：http://www.ti.com/thanks-tw。

參考文獻

1. TPS65136數據表 http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps65136.html

2. TI電源管理 www.ti.com.cn/powermanagement

3. TI照明解決方案 http://focus.ti.com.cn/cn/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=analog&familyId=690&uiTemplateId=NODE_STRY_PGE_T

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