手持设备的中无源OLED显示器供电方案
摘 要：本文分析了目前OLED在便携式设备中的功耗问题以及采用Intersil的ISL97702器件是如何帮助采用OLED显示器的便携式电子设备系统延长工作时间。
关键词：OLED、软启动、ISL97702
OLED简介
作为一项新兴技术，有机发光二极管显示器OLED将给显示器行业带来革命性的变革。OLED采用的有机材料，在通电时会发光。与现有的 LCD （液晶显示器）技术相比，OLED具有一系列优点。其中之一是易于制造，最终可形成成本更低的显示器。OLED在性能方面的优势包括更快的响应时间、更宽的视角、更低的功耗以及亮度/对比度更高的图像。OLED最突出的优势在于，它采用自发光技术，因而不需要背光。这不仅可以节省功耗，而且还可以让开发人员设计出厚度仅为1毫米的显示器。
与LCD显示器类似，OLED显示器也有无源矩阵和有源矩阵两种配置。采用无源矩阵时，显示器被连接成为二极管栅格，每个二极管单独构成一个OLED像素。可以使用外部驱动电路一次点亮一行栅格。相反，有源矩阵显示器内含晶体管，像素可以连续被点亮。但与LCD 不同的是，OLED采用电流驱动，这会增加有源矩阵设计的复杂程度，因此目前绝大多数OLED采用无源矩阵产品。这些PMOLED（无源矩阵OLED）可用于众多产品，包括移动电话、汽车立体声音响、MP3播放器和其他消费类产品。
OLED显示器的供电 目前，由于OLED显示器被广泛应用于便携式产品，因此其功耗特别重要。电源IC必须能以最高的效率工作，并尽可能降低功耗，以尽可能延长电池的工作时间，特别是在显示器不工作的时候。
OLED显示器的功率需求与一系列因素有关。由于显示器采用电流驱动，所以要求的峰值电流取决于同一时间需要点亮的像素的数量，以及驱动他们所需的最大电流值。显示器驱动电子也会消耗部分电流。显示器所需的电压取决于二极管的正向压降、显示器内部互连（往往呈现阻性）的压降以及显示器驱动器所需的压降。（见图1）
本例中，所需的最大电压可用以下公式计算：
VIN=Vdiode + Idiode x (Rcol + Rrow) + VCD + VRD. （公式1）
其中：
Vdiode为二极管的正向压降
Idiode为流经二极管的电流
Rcol为列连接的电阻
Rrow为行导体的电阻
VCD为列驱动器所需的开销
VRD为行驱动器所需的开销
在典型应用中，VIN大约为20V。
峰值电流可用如下公式计算：
Idiode x Xpixels + ICD + IRD （公式2）
其中：
Idiode为流经二极管的电流
Xpixels为一次点亮的像素的数量
ICD为供给列驱动器的电流
IRD为供给行驱动器的电流
便携式显示器的节能
对于带LCD显示器的便携设备，如果一段时间不工作，常见的做法是关掉背光，几秒钟后再把显示器完全断电。而OLED显示器中没有背光灯，因此一段时间不工作后通常屏幕就会暗下来，再过一段时间就会断电。从公式1可以看出，如果显示器中的电流减小，所需的最大电压也随之降低。在电源电压恒定的典型应用中，列驱动器的电压会下降，从而产生了额外的功耗和能源浪费。通过降低供电电压，能量就不再被消耗到列驱动器中，系统的效率也就得到了提高。
OLED电源IC 现在，一些专门为便携式应用中的PMOLED显示器供电的新器件正陆续上市。适合这类应用的理想器件应该具有一个非常高效的升压转换器，能够在便携式应用中的电池电压下工作，或者在器件中的预整流供电下工作。输出负载断开和低待机电流等功能，对减少显示屏不被照明时电池的漏电有很重要的作用。理想的器件还必须具有外接元件少和封装尺寸小等特性，以尽量缩小用于当今小型手持设备的显示器的尺寸。Intersil公司生产的ISL97702中所采用的复合控制方案，就是可以满足上述应用要求的先进电源IC的杰出代表。此类器件的典型电路如图2 所示。
图中文字：
OSCILLATOR & CONTROL：振荡器与控制
BOOST WITH DUAL REFERENCE：双参考升压
升压转换器
升压电路应可在2.4V到5.5V的电压范围内工作，这一范围覆盖了所有锂离子电池的输入电压范围，并且还能在预整流的3V或5V轨下工作。此类应用所需的输出电压范围是12V至25V。最佳的电源IC设计还将整合升压FET和肖特基二极管，从而减少对外部元件的需求。例如，ISL97702中就集成了1.2A FET，支持最高达28V的输出电压，且效率最高可达90%。
为使升压电路达到最佳工作状态，选择合适的元件非常重要，主要包括电感和输出电容，因为它们将影响到升压控制环路的稳定性。一些升压转换器采用的外部补偿电路同样需要合理选择补偿元件。举例来说，ISL97702带有内部补偿网络。这种设计要求电感和电容值在一定范围内。数据手册中所附的参数表一般可以帮助设计者选择所需的元件。电感值也会影响电感的尺寸大小。ISL97702可与低至3.3μH的电感一起，来实现小器件尺寸。但是，较低的电感值可能导致器件工作不连续，从而增加输出纹波。因此最好选择能保持连续工作模式的电感值，同时，选择的电感还必须能够处理应用要求的峰值和平均电流。这些值可根据如下公式计算：
其中：
DIL 是电感电流的纹波峰峰值，单位为 A
L是电感值，单位为H
fOSC是开关频率
输出电容的选择原则是确保升压环路的稳定工作。输出电容的电容越高，输出电压的纹波就越小。具体选择时需要在纹波和元件数量/成本之间做出折衷。
输入端电容用于将输入电流和经过电阻的开关电流隔离。在本例中，推荐使用容值为10μF至15μF的电容。
双输出电压的选择
如上所述，当OLED在暗淡模式下工作时，可以通过降低输出电压来显著地节省功耗。因此为OLED电源选择的最佳电源IC应包含能够提供这一功能的电路。使用两条独立的、以一个简单的逻辑输入信号进行选择的反馈电路，就可以实现这一功能。通过这种简单的方式，可以支持PMOLED显示器所采用的亮→暗→关节能技术。
输出电压由连接在输出引脚和反馈参考引脚间的分压电阻进行设置。反馈电压与内部设置的参考电压比较后用于控制输出电压。输出电压的精度取决于反馈参考的精度和反馈网络中使用的电阻值。
以ISL97702为例，其反馈电压被设定为1.15V ±2%。当选择引脚（SEL）被设定为低电平时，反馈引脚FB0就与参考电压进行比较，同时引脚FB1接地，用以提供反馈地参考。当引脚SEL为高电平时，引脚FB1被用作参考，引脚FB0接地。输出电压根据公式3计算：
公式3：当SEL = 0时，Vout = (R1 + R2) / R2 * Vfb
当SEL = 1时，Vout = (R1 + R3) / R3 * Vfb
故障检测
为保护IC和外部元件，集成众多保护电路也非常重要。这些功能应包括：
欠压闭锁功能，确保器件只在输入电压大于正确操作所需的最小电压时才工作；
过流保护功能，监测开关电流，并将其限制在器件允许的最大电流范围内；
过压闭锁功能，当输出电压超过器件允许的最大电压时，设备工作停止；
过温保护功能，当晶片温度超过预设最大值时关闭器件。
时钟同步
在便携设备中，时钟噪声和交叉串扰是两个需要特别注意的问题。将开关设备与外部时钟同步从而将所有时钟锁定于单一频率，有助于产品设计师减轻这些问题。对于那些不需要考虑这些噪声的应用，电源也应能自同步。在1MHz范围内的高时钟频率可提供最佳的效率，也有助于减小器件尺寸。例如，ISL97702的自同步频率为1MHz，但只需将时钟连接到同步输入引脚上，就可以方便地将其与频率界于600kHz 和1.4MHz之间的外部时钟同步。
软启动控制
电源IC第一次开始工作时，需要向系统中的电容充电，由此产生的电流需求会显著提高输入电流。如果该电流太大，电池电压就会下降，从而导致系统中的器件进入复位状态，或运行不稳定。为克服这一问题，可以采用软启动机制来限制启动电流，使电源IC中的电流逐渐上升，直至达到满电流负荷。这种机制通常用于当今的许多升压转换器中。
输入电压断开
升压电路的输入端上的集成式断开开关，有利于进一步延长电池的工作时间。当设备被禁用时，该开关会断开OLED显示器、驱动电路和反馈网络，因而不会产生漏电流。在这种关机模式下，内部IC的功耗也应会降至最小。
当设备被启用并且负载与输入连接时，就会形成从输入到输出的直流通路，并在输出电容充电时产生大的电流尖峰。ISL97702断开开关也具备软启动模式，可以限制输出电容充电时的电流，从而进一步增强了其他直流/直流转换器中常用的软启动方案的功能。
ISL97702的软启动操作如图3所示。在A时间段，流经断开开关的电流受到限制，以降低负载电容充电时产生的浪涌电流。在B时间段，升压转换器启动，电流限制被设定为25%。在C时间段，电流限制被设定为50%。在D时间段，电流限制被设定为75%。在E时间段，电流限制被设定为100%。
结论
由于供应商提供的功能越来越多，且用户要求的电池使用时间越来越长，手持设备的电源已变得越来越重要。OLED显示器只是提出特殊的电源IC和新增功能要求的众多新技术之一。为满足这些需求，很多新型IC正在开发之中，ISL97702正是此类产品的代表之一。