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GVCOM运算放大器——降低功耗以实现更高效的LCD及 OLED驱动

作者:集创北方供稿  来源:中国电子商情

发布时间:2017-05-19

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随着信息时代的进步,显示面板需求量正在以势不可挡之势持续快速地增长着,与此同时,面板的低功耗技术也越来越引起关注。

电视、显示器以及平板电脑中,最关键的元器件莫过于液晶 (LCD及OLED)显示面板。随着显示面板的广泛应用,降低面板功耗以及降低面板共用级电压(VCOM)来源——VCOM放大器的结温变得越来越重要。

液晶显示通过打开和关闭玻璃基板上独立的薄膜晶体管来控制每个像素。液晶面板采用逐行扫描技术,依次打开每一行像素的栅极电压,以允许源极电压(由源极驱动芯片产生)流向每个像素。改变像素电容上面的电压差,可以控制每个像素对光的透过率,从而显示整个图像。这些TFT电路使用铟锡氧化物(ITO)电极,这是一种半透明的金属层。由于这些晶体管阵列采用薄膜沉积技术,因此其作为开关器件的质量,远远不够理想。

如图1所示,是像素寻址电路的简化电路图。每个LCD像素,由一个等效电容器(C)表示,每当栅极电压(Gate)变高从而打开TFT时,像素电容连接到源电压(Source Voltage)。源电压值取决于面板尺寸,对于30"~70"的LCD面板来说,其电压范围为0V~24V;而对于平板电脑尺寸大小的面板来说,其电压范围为0V~8V。所有像素电容的另一极,连接到共同的节点电压,称为共用电压,或VCOM。VCOM电压可以调整,并作用于整个面板区域。为了延长面板的使用寿命和降低图像的闪烁,VCOM通常设置为略低于最大源电压的二分之一。

图1:TFT背板的简化像素寻址电路

即使在相同的生产线上,不同面板由于TFT背板的生产差异性也可能导致VCOM电压的显著差异。因此,面板模块组装的最后一道质量检验测试就是调整VCOM电压,使每块面板VCOM电压达到最佳。当面板因像素信息发生变化而动态变化时,在整个面板上保持均恒的VCOM电平同样重要。为了保持出厂电压设置,通常需要1到12个通道的运算放大器,通常称为VCOM缓冲器,连接到包含出厂VCOM设置的数字电位器的DAC输出端,来稳定VCOM电压。图2显示了数字电位器和单个VCOM缓冲器的典型框图。


图2:LCD面板中数字电位器和VCOM放大器的典型示意图

VCOM缓冲器介绍
在图1中,每个像素被简化为无极电容器。因此,加在像素两端的电压绝对值不变,其亮度并不会因为极性的改变而发生变化。图像也不会因像素电容器极性的周期性反转而产生不利影响。

VCOM放大器具有电流流入和流出能力,可以通过COMMEN极板,给等效电容充电或者放电。峰峰值瞬态电流,取决于每个像素的亮度和图像特性。

为了理解VCOM放大器的电气行为,可以使用图3所示的简化模型。在该模型中,LCD面板由分布式RC负载表示,方波驱动器表示施加到像素电容器的变化的电荷。当液晶电容发生改变时,VCOM输出用于补偿变化并且恢复共用极板的原始电压。输出电压必须在水平周期结束之前稳定,可以此定义VCOM放大器的压摆率和带宽要求。

图3:VCOM放大器和LCD仿真模型

VCOM放大器有两个反馈网络。本地直流反馈(RFB2)将放大器配置为跟随器。附加的远端AC反馈(RFB1,CFB)将LCD共用极板的中间连接到运算放大器的负端输入,提高共用极板VCOM响应时间。

传统的VCOM缓冲设计
传统的VCOM放大器由单个模拟电源AVDD供电,其特定值取决于面板尺寸和制造商。对于平板电脑大小的面板,AVDD大概8 V,VCOM大概为3 V。在像素充电瞬态,很大的峰值电流从AVDD流向共用极板,或者从共用极板回流到地。放大器的总功耗将取决于峰值电流和VCOM输出电压。

图4中的模拟仿真结果说明了VCOM电压随着面板的水平频率变化及放大器的输出电流变化情况。电流波形和画面有关; 然而,对于所有图像,负载的瞬态特性,会使放大器的功耗增加,从而降低其总体效率,并增加放大器结温。

图4:简化的VCOM输出电压和电流波形

GVCOM放大器可提供稳定性和功率节省
可以使用G级放大器来解决与传统VCOM放大器相关的损耗,它可利用多个电源轨(AVDD,VP,VN和GND)来驱动放大器的输出级。VCOM缓冲器将需要两个独立的输出级连接到四个电源电压。对于使用8 V AVDD电压的平板电脑面板示例,VP可以使用平板电脑的锂离子电池(标称3.7 V)电压,VN使用平板电脑数字IC的1.2 V内核电压。

GVCOM缓冲器实现的一个例子如图5所示。每个输出级的MOSFET通过4个开关连接到放大器输出端,标号为SW1至SW4。该电路还包括输出检测比较器,以提供输出电压电平和所有电源轨的实时比较结果。当VCOM输出电压低于VP时,SW1关闭,SW2导通,由VP电压为输出级供电。在瞬态负载下,当VCOM输出上升到VP轨之上时,开关SW1和SW2反转,输出电流由较高的AVDD电压提供。

图5:GVCOMTM放大器的简化原理

类似地,当运算放大器吸收电流时,也会自动选择负端电源。当输出电压高于VN轨时,SW3导通,SW4关闭。对于稳态3 V VCOM输出,输出级始终在VN和VP电压轨之间供电,这显著降低了输出级两端的峰峰值电压,从而大幅降低了放大器的功耗。

图6说明了瞬态负载时放大器的输出电流。最初,输出电流由VP电压(绿色轨迹)提供。随着输出电流的增加,第二个输出级导通,导致输出电流从较高的AVDD电压(红色迹线)流出。当输出恢复到原始值时,输出电流缓慢转移到由VP电压提供。当输出电压下降到VN电压或接地时,会发生相同的过程。通过这些结果,可以理解如何显著降低放大器的总功耗。

图6:GVCOM放大器输出电压和电流波形

单芯片GVCOM放大器解决方案
iML作为全球领先的电源管理和色彩校准的平板显示和LED照明市场的解决方案供应商,主要产品为可编程伽玛校正缓冲电路芯片/公共驱动芯片、电源管理芯片、LED 照明芯片等,其P-GAMA产品和VCOM产品具有行业领导地位,相关产品市场份额遥遥领先。2016年11月9日,集创北方与亦庄国投共同出资设立的屹唐集创,正式完成对iML的并购。至此,双方强强联合,将加速极具创新性、高度差异化的产品进程。本文所主要介绍的单芯片GVCOM运算放大器技术,就是极具创新性的技术典范。

GVCOM实现的一个例子如图7所示。iML2911单芯片解决方案仅使用现有的平板电源(1.2 V,3.7 V和7.6 V)。电源输入VP连接到标称电压为3.7V的锂离子电池。

图7:使用单芯片GVCOM放大器解决方案的GVCOM设计

与平板电脑应用中的标准iML7831 VCOM放大器相比,iML2911 GVCOMTM放大器的输出功率节省情况如表1所示。为了解决锂离子电池在其充电期间的不同电压水平,使用VP电压范围为3.0 V至5.0 V来测量总功耗。如果VP连接到固定电源而不是电池,该方法也将为VP电压确定最佳值。

我们测试了三种不同的显示模式:静态,垂直像素和垂直亚像素。静态图案是标准平板电脑主屏幕; 垂直像素和垂直亚像素图案是黑色(暗)竖线和白色(亮)竖线水平交替的序列。尽管垂直像素和垂直亚像素图案通常不会遇到,但它们通常在业界用于测试LCD面板,用于评估最坏情况下的发热。

表 1: GVCOMTM iML2911和标准iML7831放大器的功耗比较

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