功能先進的顯示器漸成為現今消費電子產品的重要特色,這些新型顯示器所發揮的作用,通常會強化使用者對于整體產品的印象,而這樣的印象最終會決定該產品在 市場上會多成功。使用者在面對行動電話和口袋型計算機時,對新型顯示器的印象尤為重要,因為高分辨率彩色屏幕已成為這些產品的必備功能。
多種新型顯示技術正擴大其市場占有率,包括新出現的OLED顯示器在內,它們擁有超高的對比值、快速的響應時間和寬廣的視角。就像其它新技術一樣,廠商正利 用不同的LED材料(聚合物或小分子)、主動或被動矩陣控制、電流和電壓驅動技術,以及不同的偏壓供應電路來評估和制造不同的解決方案。
文將討論各種OLED技術和適當的偏壓電源供應電路,而關于OLED技術和驅動方法的選擇,也會影響電源供應電路的需求。工程師所面臨的挑戰為如何選擇最適當的電源供應電路,以便支持電池供電型可攜式裝置,以及特定OLED顯示器的需求。
OLED技術的優缺點
內廣視角及良好的色彩飽和度是OLED顯示器的主要優點,它在這方面遠勝過液晶顯示器等其它技術；除此之外,OLED顯示器也是一種自發光技術,因此不但不 需要背光照明,還能提供比液晶顯示器更快的響應時間以支持多媒體應用。目前市場上的OLED材料有兩種,分別是小分子和發光聚合物；相較于標準LED,這 兩種技術的電路參數都很類似,它們的發光強度是由LED順向偏壓電流決定,液晶顯示器的像素亮度則是由加在液晶像素的電壓決定。
OLED顯示器的另一項優點是它能使用現有的基板技術,這和薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器的基板技術完全相同,主動矩陣OLED顯示器可以使用非晶硅(a-Si)或低溫多晶硅(LTPS)的TFT基板。
現有OLED技術的主要挑戰之一是它的壽命時間,這項限制源自于RGB色彩的衰減速度并不相同,特別是當大部份顯示內容為白色時,它需要這三種原色同時發出 相同的亮度。受到這些色彩限制的影響,單色顯示器就成為市場上最早出現的顯示器,全彩顯示器只用于在產品壽命期限的多數時間內會將顯示器關掉的應用。
第一種全彩顯示器用于數字相機,但對于使用電池的可攜式產品來說,全彩顯示器仍有其問題。OLED顯示器在功耗上必須與液晶顯示器競爭,對于不需要為液晶 顯示器提供背光照明的應用,它的功耗遠低于OLED顯示器。如果啟動液晶顯示器的背光照明,則會根據顯示內容來決定OLED是否需要較多的功耗；如果顯示 內容大部份是白色,OLED的功耗仍會超過液晶顯示器,但隨著「白色」畫面內容逐漸減少,功耗差別將不再是問題。
在戶外使用OLED顯示器是OLED技術的另一項挑戰。由于這種屏幕受到光子撞擊時會開始發光,所以在戶外使用OLED顯示器時,畫面對比會降低,可讀性也跟著變差。
OLED技術層面的缺點使它們目前較適合可攜式裝置的小型屏幕,但隨著這項技術逐漸成熟,也能應用于大型顯示器。短期而言,筆記型計算機或桌上顯示器對于 OLED是過于困難的挑戰,因為在顯示大量「白色」圖片內容時,RGB色彩會出現不同的老化速度。但在電視機面板應用上,OLED的未來技術卻極有展望, 因為這類應用不需要顯示大量的「白色」圖片內容。
被動矩陣顯示器需要一組電源升壓轉換器
矩陣OLED屏幕是目前的市場主流,主要用于行動電話,大多數做為貝殼型手機的外屏幕。對于仍在初期階段的OLED技術來說,這些單色或雙色被動矩陣顯示 器是最理想的應用對象。圖1是這類顯示器的簡單示意圖,它的尋址方式非常類似標準的被動矩陣液晶顯示器。主要區別在于OLED是一種電流驅動型裝置,因此 OLED顯示器的驅動電路就和液晶顯示器有所不同。
圖1：被動矩陣OLED顯示器的簡單示意圖
動矩陣OLED顯示器需要一組正電壓來做為它的電源或偏壓,這組正電壓和液晶顯示器所使用的電壓非常類似,它必須提供低功耗和高效率,解決方案的體積也 要很小。隨著顯示器尺寸和分辨率不同,OLED驅動組件需要15V到20V之間的電壓,因此電感式升壓轉換器是最理想的解決方案。
輸入端與輸出端的電氣隔離是OLED偏壓電源供應的另一項重要要求,這在選擇電源供應時非常重要。標準升壓轉換器所用的蕭特基二極管,會提供一條從輸入 到輸出的直接路徑,使輸出電壓大約等于輸入電壓；但若應用系統需要開機或關機的電源順序功能,或是將關機模式的泄漏電流減至最小,這個路徑就會成為問題來 源。圖2所示組件利用內建MOSFET開關切斷輸入和輸出之間的聯機。
圖2：升壓轉換器將OLED顯示器的輸入與輸出隔離
主動矩陣顯示器需要正負偏壓電源供應
若應用需要較高分辨率、較大顯示面積、更高對比和快速反應時間,它們可以使用圖3所示的主動矩陣OLED顯示器。
圖3：主動矩陣顯示器的簡單示意圖
OLED像素的導通和尋址是由主動開關控制,這個開關則由薄膜晶體管擔任,它的制造技術和TFT液晶顯示器完全相同：電流源已經簡化到只需要一個 MOSFET與OLED串聯。有些設計會使用電壓驅動架構,有些則采用電流驅動架構,所有設計都需要二至四顆,甚至更多的整合式薄膜晶體管。
了克服不同顏色OLED像素的不同老化速度問題,某些解決方案會在電路中整合一顆光敏晶體管,由它來設定較大的OLED電流,避免像素亮度隨著時間減 弱。低溫多晶硅(LTPS)基板的組件結構較小,因此若工程師想在基板上做出更多的主動組件,這將是一項優點。目前這種基板所用的技術有兩種,分別是低溫 多晶硅和非晶硅。
除了提供正負電壓做為視頻訊號驅動器的電源之外,主動OLED顯示器的偏壓電源供應電路還必須提供偏壓,讓列選擇(rowselect)薄膜晶體管能夠導 通和截止。由于偏壓的電壓值很高,所以電感性升壓轉換器是最合適的解決方案。為了將解決方案的體積減至最小,圖4所示的完全整合式升壓轉換器,除了會提供 正電壓之外,還利用反相器來提供負電壓。
圖4：單顆組件同時提供正電壓和負電壓
為 了將關機模式的泄漏電流減至最少,同時替正電壓提供電源順序功能,圖4中的組件會控制另一顆采用SOT-23或更小封裝的外接MOSFET晶體管 (Q1)。這顆組件使用鋰離子電池做為輸入電源(2.7V至5.5V),并提供高達+15V和-15V的輸出電壓,以及整合式800mA/2A的開關限流 功能,使得輸出電流最高可達200mA。
欲提供電源給OLED顯示器,輸出電壓漣波必須很小,開關頻率也必須固定,才能將OLED顯示器的畫面失真和交互耦合效應減至最少。就此而言,采用 1.38MHz固定頻率PWM機制的TPS6513x,正是提供電源給OLED顯示器的理想選擇。雖然在負載電流范圍內,提供高精確度的穩壓輸出對于電壓 驅動的液晶顯示器特別重要,但它對于電流驅動的OLED顯示器并不會構成太大問題。
有些顯示器在戶外使用時需要較大的電流,在室內則可將電流減少,它們還必須在很寬廣的負載電流范圍內提供很高的電源效率。由于標準升壓轉換器只能在目標負 載電流下實現最佳效率,因此TPS65130還另外提供一種可由使用者選擇的「省電模式」,它能將開關頻率和靜態電流降低,使得組件在整個負載電流范圍內 都能維持很高的工作效率。
著OLED技術逐漸成熟,它的市場占有率也會不斷上升,這種技術在手機、數字相機和口袋型計算機屏幕的應用潛力都很驚人。主動矩陣顯示器將來可能取代被 動矩陣顯示器成為市場主流,OLED顯示器驅動組件也會變得更先進,OLED偏壓電源供應電路則將開始微小化和特殊化,這在本文所介紹的部份解決方案中都 曾加以討論。對于電源供應組件技術,主要挑戰則在于如何同時提供高效率和最小體積的解決方案。