??? 摘 要： 分析了目前OLED在便攜式設備中的功耗問題以及采用Intersil的ISL97702器件設計OLED顯示的供電方案，該方案延長了便攜式電子設備系統的工作時間。
??? 關鍵詞： OLED；軟啟動；ISL97702
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?????????????????????????????????????????? OLED簡介
??? 作為一項新興技術，有機發光二極管顯示器(OLED)將給顯示器行業帶來革命性的變革。OLED采用在通電時會發光的有機材料，與現有的液晶顯示器(LCD)技術相比，OLED具有一系列優點：易于制造，可用于研發更低成本的顯示器；擁有更快的響應時間、更寬的視角、更低的功耗以及更高的亮度/對比度的圖像；OLED最突出的優勢是采用自發光技術，因而不需背光，這不僅可以節省功耗，而且還可以讓開發人員設計出厚度僅為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，顯示器被連接成為二極管柵格，每個二極管單獨構成一個OLED像素，可使用外部驅動電路一次點亮一行柵格。相反，有源矩陣顯示器內含晶體管，像素可以連續被點亮。與LCD 不同的是，OLED采用電流驅動，這會增加有源矩陣設計的復雜程度，因此目前絕大多數OLED采用無源矩陣產品。這些無源矩陣OLED(PMOLED)可用于眾多產品，包括移動電話、汽車立體聲音響、MP3播放器和其他消費類產品。
???????????????????????????????????? OLED的供電方案
??? 目前，由于OLED被廣泛應用于便攜式產品，因此其功耗至關重要。電源IC必須能以最高的效率工作，并盡可能降低功耗，以便盡可能延長電池的工作時間，尤其是在顯示器不工作時。
??? OLED的功率需求與一系列因素有關。由于顯示器采用電流驅動，所以要求的峰值電流取決于同一時間需點亮的像素的數量以及驅動它們所需的最大電流，并且顯示器驅動電路也會消耗部分電流。顯示器所需的電壓取決于二極管的正向壓降、顯示器內部互連(往往呈現阻性)的壓降以及顯示器驅動器所需的壓降。OLED驅動電路如圖1所示。
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?? ?文中所需的最大電壓可用如下公式計算：
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其中：Vdiode為二極管的正向壓降；Idiode為流經二極管的電流；Rcol為列連接的電阻；Rrow為行導體的電阻；VCD為列驅動器所需的開銷；VRD為行驅動器所需的開銷。
?? ?在典型應用中，VIN大約為20V。
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其中：Xpixels為一次點亮的像素的數量；ICD為供給列驅動器的電流；IRD為供給行驅動器的電流。
???????????????????????????????????? 便攜式顯示器的節能
?? ?對于帶LCD的便攜設備，如果一段時間不工作，先是關掉背光，幾秒鐘后再把顯示器完全斷電；而OLED中沒有背光燈，因此一段時間不工作時屏幕先暗下來，再過一段時間斷電。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用中，列驅動器的電壓會下降，從而產生額外的功耗和能源浪費。通過降低供電電壓，可以降低列驅動器中的消耗，從而提高系統效率。
???????????????????????????????????????? OLED電源IC
??? 當前，一些專門為便攜式應用中的PMOLED供電的新器件正陸續上市，適合這類應用的理想器件應該具有一個非常高效的升壓轉換器，能夠在便攜式應用中的電池電壓下工作，或者在器件中的預整流供電下工作。輸出負載斷開和低待機電流等功能對減少顯示屏不被照明時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備的顯示器的尺寸。Intersil公司生產的ISL97702中所采用的復合控制方案可滿足上述應用要求。ISL97702的典型電路如圖2 所示。
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?????????????????????????????????????????? 升壓轉換器
??? 升壓電路應可在2.4V～5.5V的電壓范圍內工作，這一范圍覆蓋了所有鋰離子電池的輸入電壓范圍，并且還能在預整流的3V或5V工作，此類應用所需的輸出電壓范圍是12V～25V。最佳的電源IC設計還將整合升壓FET和肖特基二極管，從而減少對外部元件的需求。例如，ISL97702中就集成了1.2A FET，支持最高達28V的輸出電壓，且效率最高可達90%。
??? 為使升壓電路達到最佳工作狀態，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路的穩定性。一些升壓轉換器采用的外部補償電路同樣需要合理選擇補償元件。例如，ISL97702帶有內部補償網絡，這種設計要求電感和電容值在一定的范圍內。數據手冊中所附的參數表可以幫助設計者選擇所需的元件。電感值也會影響電感的尺寸大小，ISL97702可與低至3.3μH的電感結合，以減小器件尺寸。但是，較低的電感值可能導致器件工作不連續，從而增加輸出紋波，因此最好選擇能保持連續工作模式的電感值，同時，選擇的電感還必須能夠滿足應用要求的峰值和平均電流。這些值可根據如下公式計算：
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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是開關頻率。
??? 輸出電容的選擇原則是確保升壓環路的穩定工作，輸出電容的電容越高，輸出電壓的紋波就越小。具體選擇時需要在紋波和元件數量/成本之間綜合考慮。輸入端電容用于將輸入電流和經過電阻的開關電流隔離。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OLED在暗淡模式下工作時，可以通過降低輸出電壓來顯著地節省功耗，因此為OLED電源選擇的最佳電源IC應包含能夠提供這一功能的電路。使用兩條獨立的、以一個簡單的邏輯輸入信號進行選擇的反饋電路，就可以實現這一功能。通過這種簡單的方式，可以實現PMOLED所采用的“亮→暗→關”節能技術。
??? 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行設置。反饋電壓與內部設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絡中使用的電阻值。
??? 以ISL97702為例，其反饋電壓被設定為1.15V±2%。當選擇引腳(SEL)被設定為低電平時，反饋引腳FB0就與參考電壓進行比較，同時引腳FB1接地，用以提供反饋地參考；當引腳SEL為高電平時，引腳FB1被用作參考，引腳FB0接地。輸出電壓計算如下：
?? ?當SEL=0時，Vout=(R1+R2)/R2×VFB
?? ?當SEL=1時，Vout=(R1+R3)/R3×VFB
??????????????????????????????????????????? 故障檢測
??? 為保護IC和外部元件，集成眾多保護電路的功能也非常重要，這些功能應包括：
?? ?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才工作；
?? ?過流保護功能：監測開關電流，并將其限制在器件允許的最大電流范圍內；
?? ?過壓閉鎖功能：當輸出電壓超過器件允許的最大電壓時，設備工作停止；
?? ?過溫保護功能：當晶片溫度超過預設最大值時關閉器件。
??????????????????????????????????????????? 時鐘同步
??? 在便攜設備中，時鐘噪聲和交叉串擾是兩個需要特別注意的問題。將開關設備與外部時鐘同步，從而將所有時鐘鎖定于單一頻率，有助于產品設計師解決這些問題。對于不需要考慮這些噪聲的應用，電源也應能自同步。在1MHz范圍內的高時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之間的外部時鐘同步。
?????????????????????????????????????????軟啟動控制
?? ?電源IC第一次開始工作時，需要向系統中的電容充電，由此會使輸入電流提高。如果該電流太大，電池電壓就會下降，從而導致系統中的器件進入復位狀態或運行不穩定。為解決這一問題，可以采用軟啟動機制來限制啟動電流，使電源IC中的電流逐漸上升，直至達到滿電流負荷。這種機制通常用于升壓轉換器中。
??????????????????????????????????????? 輸入電壓斷開
??? 升壓電路的輸入端上的集成式斷開開關有利于進一步延長電池的工作時間。當設備被禁用時，該開關會斷開OLED顯示器、驅動電路和反饋網絡，因而不會產生漏電流。在關機模式下，內部IC的功耗也應會降至最小。
?? ?當設備被啟用并且負載與輸入連接時，就會形成從輸入到輸出的直流通路，并在輸出電容充電時產生大的電流尖峰。ISL97702斷開開關也具備軟啟動模式，可以限制輸出電容充電時的電流。
?? ?ISL97702的軟啟動操作如圖3所示。在A時間段，流經斷開開關的電流受到限制，以降低負載電容充電時產生的浪涌電流；在B時間段，升壓轉換器啟動，電流限制被設定為25%；在C時間段，電流限制被設定為50%；在D時間段，電流限制被設定為75%；在E時間段，電流限制被設定為100%。
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???????????????????????????????????????????? 結? 論
??? 由于供應商提供的手持設備的功能越來越廣泛，且用戶要求電池的使用時間延長，手持設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之一。為滿足這些需求，很多新型IC正在開發之中，ISL97702是此類產品的代表之一。