摘要：  本文将探讨AMOLED显示屏的基本概念、功率要求，并阐释这种新技术的功率管理方式。

关键字：  HD，  发光二极管，  LCD，  显示屏

今天的高清(HD)电视逐渐开始采用有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)的新技术，以期获得比液晶(LCD)电视或等离子体电视更鲜明图像效果，实现更高的效率，具有更纤薄的外形尺寸，以及更好的刷新率。本文将探讨AMOLED显示屏的基本概念、功率要求，并阐释这种新技术的功率管理方式。

AMOLED显示屏主要特性和功率要求

有机发光二极管(OLED)技术是领先的下一代电子显示器技术。OLED是一种显示器件，由两层薄膜导电电极以及夹在中间的一系列有机薄膜组成。给OLED加电时，导电载流子(电洞和电子)将从电极注入到有机薄膜中。然后，在电场的作用下，这些载流子在器件内部迁移，再重新结合形成电子-电洞对(exciton)。这些电子-电洞对会发光。有机材料和分层结构的选择决定了器件的性能特性，比如发光颜色、工作寿命和功效。

按照像素阵列结构的不同，OLED显示屏分为无源矩阵OLED(PMOLED)和有源矩阵OLED(AMOLED)。AMOLED显示屏在在薄膜晶体管(TFT)阵列上淀积或集成了OLED像素，形成一个像素矩阵，在电激励之下这些像素就会发光。与逐行电流分布的PMOLED显示屏不同，有源矩阵薄膜场效应晶体管(TFT)背板相当于一个开关阵列，控制流经每一个OLED像素的电流量。TFT阵列连续控制流向像素的电流，发送信号通知每个像素需要什么样的亮度。一般每个像素至少由两个TFT控制这种连续电流，一个负责启动和停止存储电容的放电，另一个提供为像素建立恒定电流所需的电压源。因此，AMOLED一直都在工作，从而避免了无源矩阵工作模式下极高的电流要求。

由于OLED是由像素直接发光的，故相比LCD，它拥有层次更多的颜色、亮度和视角。LCD需采用背光，不能显示纯黑色，而“关断”的OLED 元素不发光，不消耗功率。LCD需要偏光器，偏光器则会吸收掉背光源发光量的一半，从而浪费能量。OLED的响应速度也比LCD快。目前标准 LCD 的平均响应时间为4-8秒，OLED的却只有不到0.01亳秒。OLED 显示屏适用于从移动设备的小屏幕到电视机的大屏幕的众多产品。此外，OLED在阳光下具有很好的可读性，而且外形非常纤薄，功耗极低。

本文介绍一种高效率DC/DC转换器设计，并利用14.1寸 AMOLED显示屏予以了验证，AMOLED显示屏的特性如表1所示。

　　表1 DC-DC 转换器的电气规格

功率管理设计

在这个应用中，由于占空比和开关频率都很高，需要高效的小型步降(Step-down， 降压型)DC-DC转换器设计。针对该项要求，我们对比分析了一个传统的解决方案和 TinyBuckTM 调节器解决方案。

图1所示为采用了飞兆半导体的 FAN5099和其它 MOSFET的传统步降转换器的模块示意图。

FAN5099 PWM控制器是专门针对大频率范围(50KHz到600KHz)工作而设计，适用于多种应用。这款PWM调节器的软启动通过一个外部电容来控制，以限制首次激活时电源产生的涌浪电流。PWM的这种限流功能也是可编程的。该控制器因为能够处理很大的输入电压范围，故也适用于AMOLED电源。这款PWM调节器利用带外部补偿的相加电流控制模式来获得快速负载瞬态响应，并实现系统设计优化。输出过压、欠压和热关断功能可以保护器件在发生故障时免受损害。

FAN5099 控制器能够作为电路开关元件来驱动N沟道 MOSFET。为了获得更佳性能，在选择MOSFET时必需考虑到几个关键参数。对于19V输入的AMOLED电源系统，最大漏源电压 (Drain-Source Voltage，VDS)应该比最坏情况输入电压高至少25%。其次，MOSFET的Qg、Qgd 和 Qgs 应该很低，尤其是用于高端开关时，因为高端MOSFET 的开关交换损耗很大。最后，MOSFET的 RDS(ON) 应该尽可能地低。在本应用中，因占空比超过了74%，因此两个开关的RDS(ON) 值都应该很低。

鉴于上述要求，选择 FDMS8692 和 FDMS8672S分别作为高端和低端MOSFET。这两个MOSFET都具有 30VDSS，并采用Power56封装，以获得更好的热性能。

　　图1 电源模块示意图：FAN5099和Power56 MOSFET 解决方案

图2所示为针对AMOLED显示屏应用而采用FAN2108的TinyBuckTM解决方案。FAN2108 TinyBuck 调节器是一个具有8A输出电流的高效、小占位面积同步降压调节器，它在单个封装内同时集成了经互连优化的同步MOSFET和控制器/驱动器。FAN2108的外部补偿、可编程开关频率(200kHz 到600kHz)和限流等功能可以使设计最优化和设计更加灵活。其相加(summing)电流模式调节器采用无损耗电流感测技术来实现电流反馈和过流保护。此外，它的电压前馈功能有助于更宽范围输入工作电压。飞兆半导体的先进 BiCMOS 电源工艺，再结合低RDS(ON) 内部 MOSFET 和高热效MLP封装，使得小型封装也能够提供很高的散热能力。输出过压、欠压和热关断功能能够保护器件在非正常条件下免受损害。

　　图2 电源模块示意图：采用FAN2108的TinyBuckTM解决方案

详细特性如表2所示。

　　表2 特性比较：FAN5099 控制器和 FAN2108

电感和电容设计是获得快速瞬态响应、也是在AMOLED显示屏应用中实现纤薄设计的关键因素之一。特别是电感为能量存储器件，这意味着需要低直流电阻(DCR)、大饱和电流的小尺寸电感。此外，为了获得较低的纹波电流，建议采用较高的电感值。电感值可通过下式计算：

这里，fs 是开关频率，VOUT 是输出电压，VIN是输入电压，ΔIL 是电感纹波电流。本应用中选择的是Coiltronics的FP3-4R7-R(7.25x6.7x3mm)电感。

输出电容影响输出电压纹波，而较小的电压纹波可降低水波纹干扰(waterfall noise)。一般而言，电容值越大，输出纹波电压就越小。输出纹波ΔVOUT的计算公式如下所示：

这里，COUT 是输出电容，ESR是输出电容的等效串联电阻。本应用中选择的是25TQC33M(7.3x4.3x2.8mm) Sanyo POSCAP电容。

　　图3 实际电路板图片[左边：传统解决方案;右边：TinyBuckTM解决方案

步降DC/DC转换器性能分析

FAN5099另加Power56 MOSFET解决方案是用于AMOLED应用的传统功率管理方案的一个例子，这里将之与FAN2108 TinyBuckTM解决方案进行了性能比较。本文将介绍AMOLED显示屏的主要特性，尤其是输出电压纹波、瞬态、效率、热和保护性能。

1)输出电压纹波性能

AMOLED 显示屏最重要的特性之一是水波纹干扰 (人眼可见)，其主要受到输出电压纹波的影响。如公式1) 所示，输出电压纹波由输出电容和ESR值决定，本应用中采用两个33uF POSCAP，可获得低于1% 的输出电压纹波。图4所示为输出电压波形。

　　图4 输出电压纹波 [左边：传统解决方案;右边：TinyBuckTM解决方案]

测试条件：19Vin，14Vo，2.5A 负载

2)瞬态性能

由于在播放电影或游戏时AMOLED的响应速度很快，它需要具有快速动态性能且带有最优化补偿设计的功率管理模块。图5所示为亮度从0% 到100% (全白光)的瞬态性能结果。

　　图5 瞬态性能 [左边：传统解决方案;右边：TinyBuckTM解决方案]

测试条件：19Vin，14Vo，0A 到 2.5A 的负载变化

3)效率和热性能

对于AMLOED显示屏，高效率和低温特性是关键性能指标，因为小而薄的结构是显示系统的一项主要指标。一般来说，显示系统在室温25℃、且无空气对流的情况下，MOSFET、PWM IC 和电感器等主要元件的增温不应该超过60℃。 图6和图7所示为效率与热性能的分析结果。

　　图6 效率和热性能[测试条件：19Vin，14Vo]

　　图7 红外相机的热测量结果

[左边：传统解决方案;右边：TinyBuckTM解决方案]

4)保护性能

PWM 转换器可通过选择适当的RLIM电阻，利用逐周期限流功能来避免过载。FAN5099和FAN2108 都有利用ILIM 引脚的过流保护装置，其另一项保护功能是过压保护。如果FB引脚上的电压在两个连续周期内超过过压阈值 (一般为输出电压的115%)，即设置故障锁定，然后器件会被关断。这两个故障保护电路始终都是工作的，包括软启动期间。图8和图9所示分别为OCP和OVP的性能。

　　图8 过流保护[左边：传统解决方案;右边：TinyBuckTM解决方案]

测试条件：19Vin，14Vo，负载电流斜坡上升

　　图9 过压保护[左边：传统解决方案;右边：TinyBuckTM解决方案]

测试条件：19Vin，14Vo，FB电压斜坡上升

表3总结了FAN5099加Power56 MOSFET 解决方案和FAN2108 TinyBuckTM 解决方案的性能。传统的步降转换器之前被广泛使用，但这种方法在BOM数目和实际板上占位空间方面存在若干缺陷。无论如何，在IC中集成多项功能是实现小尺寸解决方案、减小板上占位空间、降低总体解决方案成本的最重要因素。

　　表3 测试结果总结

结论

AMOLED显示屏超越传统LCD的主要优势在于AMOLED在工作期间不需要背光，从而降低功耗，并有望变得更加高效和纤薄。本文对飞兆半导体提供的FAN5099加power56 MOSFET解决方案与 FAN2108 TinyBuckTM解决方案进行了分析。本应用中采用 FAN2108 TinyBuckTM功率管理解决方案，降低了总体解决方案成本，并减小了板上占位面积。