GVCOMTM运算放大器——降低功耗以实现更高效的LCD 及 OLED驱动
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
GVCOMTM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。
GVCOMTM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。
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