GVCOMTM運(yùn)算放大器——降低功耗以實(shí)現(xiàn)更高效的LCD及OLED驅(qū)動(dòng)

　　隨著信息時(shí)代的進(jìn)步，顯示面板需求量正在以勢(shì)不可擋之勢(shì)持續(xù)快速地增長(zhǎng)著，與此同時(shí)，面板的低功耗技術(shù)也越來(lái)越引起關(guān)注。

　　電視、顯示器以及平板電腦中，最關(guān)鍵的元器件莫過(guò)于液晶 (LCD及OLED) 顯示面板。隨著顯示面板的廣泛應(yīng)用，降低面板功耗以及降低面板共用級(jí)電壓(VCOM)來(lái)源——VCOM放大器的結(jié)溫變得越來(lái)越重要。

　　液晶顯示通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉玻璃基板上獨(dú)立的薄膜晶體管來(lái)控制每個(gè)像素。液晶面板采用逐行掃描技術(shù)，依次打開(kāi)每一行像素的柵極電壓，以允許源極電壓(由源極驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生)流向每個(gè)像素。改變像素電容上面的電壓差，可以控制每個(gè)像素對(duì)光的透過(guò)率，從而顯示整個(gè)圖像。這些TFT電路使用銦錫氧化物(ITO)電極，這是一種半透明的金屬層。由于這些晶體管陣列采用薄膜沉積技術(shù)，因此其作為開(kāi)關(guān)器件的質(zhì)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠理想。

　　如圖1所示，是像素尋址電路的簡(jiǎn)化電路圖。每個(gè)LCD像素，由一個(gè)等效電容器(C)表示，每當(dāng)柵極電壓(Gate)變高從而打開(kāi)TFT時(shí)，像素電容連接到源電壓(Source Voltage)。源電壓值取決于面板尺寸，對(duì)于30"~70"的LCD面板來(lái)說(shuō)，其電壓范圍為0V~24V;而對(duì)于平板電腦尺寸大小的面板來(lái)說(shuō)，其電壓范圍為0V~8V。所有像素電容的另一極，連接到共同的節(jié)點(diǎn)電壓，稱(chēng)為共用電壓，或VCOM。VCOM電壓可以調(diào)整，并作用于整個(gè)面板區(qū)域。為了延長(zhǎng)面板的使用壽命和降低圖像的閃爍，VCOM通常設(shè)置為略低于最大源電壓的二分之一。

　　圖1：TFT背板的簡(jiǎn)化像素尋址電路

　　即使在相同的生產(chǎn)線上，不同面板由于TFT背板的生產(chǎn)差異性也可能導(dǎo)致VCOM電壓的顯著差異。因此，面板模塊組裝的最后一道質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試就是調(diào)整VCOM電壓，使每塊面板VCOM電壓達(dá)到最佳。當(dāng)面板因像素信息發(fā)生變化而動(dòng)態(tài)變化時(shí)，在整個(gè)面板上保持均恒的VCOM電平同樣重要。為了保持出廠電壓設(shè)置，通常需要1到12個(gè)通道的運(yùn)算放大器，通常稱(chēng)為VCOM緩沖器，連接到包含出廠VCOM設(shè)置的數(shù)字電位器的DAC輸出端，來(lái)穩(wěn)定VCOM電壓。圖2顯示了數(shù)字電位器和單個(gè)VCOM緩沖器的典型框圖。

　　圖2：LCD面板中數(shù)字電位器和VCOM放大器的典型示意圖

　　VCOM緩沖器介紹

　　在圖1中，每個(gè)像素被簡(jiǎn)化為無(wú)極電容器。因此，加在像素兩端的電壓絕對(duì)值不變，其亮度并不會(huì)因?yàn)闃O性的改變而發(fā)生變化。圖像也不會(huì)因像素電容器極性的周期性反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生不利影響。

　　VCOM放大器具有電流流入和流出能力，可以通過(guò)COMMEN極板，給等效電容充電或者放電。峰峰值瞬態(tài)電流，取決于每個(gè)像素的亮度和圖像特性。

　　為了理解VCOM放大器的電氣行為，可以使用圖3所示的簡(jiǎn)化模型。在該模型中，LCD面板由分布式RC負(fù)載表示，方波驅(qū)動(dòng)器表示施加到像素電容器的變化的電荷。當(dāng)液晶電容發(fā)生改變時(shí)，VCOM輸出用于補(bǔ)償變化并且恢復(fù)共用極板的原始電壓。輸出電壓必須在水平周期結(jié)束之前穩(wěn)定，可以此定義VCOM放大器的壓擺率和帶寬要求。

　　圖3：VCOM放大器和LCD仿真模型

　　VCOM放大器有兩個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)。本地直流反饋(RFB2)將放大器配置為跟隨器。附加的遠(yuǎn)端AC反饋(RFB1，CFB)將LCD共用極板的中間連接到運(yùn)算放大器的負(fù)端輸入，提高共用極板VCOM響應(yīng)時(shí)間。

　　傳統(tǒng)的VCOM緩沖設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的VCOM放大器由單個(gè)模擬電源AVDD供電，其特定值取決于面板尺寸和制造商。對(duì)于平板電腦大小的面板，AVDD大概8 V，VCOM大概為3 V。在像素充電瞬態(tài)，很大的峰值電流從AVDD流向共用極板，或者從共用極板回流到地。放大器的總功耗將取決于峰值電流和VCOM輸出電壓。

　　圖4中的模擬仿真結(jié)果說(shuō)明了VCOM電壓隨著面板的水平頻率變化及放大器的輸出電流變化情況。電流波形和畫(huà)面有關(guān); 然而，對(duì)于所有圖像，負(fù)載的瞬態(tài)特性，會(huì)使放大器的功耗增加，從而降低其總體效率，并增加放大器結(jié)溫。

　　圖4：簡(jiǎn)化的VCOM輸出電壓和電流波形

　　GVCOMTM放大器可提供穩(wěn)定性和功率節(jié)省

　　可以使用G級(jí)放大器來(lái)解決與傳統(tǒng)VCOM放大器相關(guān)的損耗，它可利用多個(gè)電源軌(AVDD，VP，VN和GND)來(lái)驅(qū)動(dòng)放大器的輸出級(jí)。VCOM緩沖器將需要兩個(gè)獨(dú)立的輸出級(jí)連接到四個(gè)電源電壓。對(duì)于使用8 V AVDD電壓的平板電腦面板示例，VP可以使用平板電腦的鋰離子電池(標(biāo)稱(chēng)3.7 V)電壓，VN使用平板電腦數(shù)字IC的1.2 V內(nèi)核電壓。

　　GVCOMTM緩沖器實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子如圖5所示。每個(gè)輸出級(jí)的MOSFET通過(guò)4個(gè)開(kāi)關(guān)連接到放大器輸出端，標(biāo)號(hào)為SW1至SW4。該電路還包括輸出檢測(cè)比較器，以提供輸出電壓電平和所有電源軌的實(shí)時(shí)比較結(jié)果。當(dāng)VCOM輸出電壓低于VP時(shí)，SW1關(guān)閉，SW2導(dǎo)通，由VP電壓為輸出級(jí)供電。在瞬態(tài)負(fù)載下，當(dāng)VCOM輸出上升到VP軌之上時(shí)，開(kāi)關(guān)SW1和SW2反轉(zhuǎn)，輸出電流由較高的AVDD電壓提供。

　　圖5：GVCOMTM放大器的簡(jiǎn)化原理

　　類(lèi)似地，當(dāng)運(yùn)算放大器吸收電流時(shí)，也會(huì)自動(dòng)選擇負(fù)端電源。當(dāng)輸出電壓高于VN軌時(shí)，SW3導(dǎo)通，SW4關(guān)閉。對(duì)于穩(wěn)態(tài)3 V VCOM輸出，輸出級(jí)始終在VN和VP電壓軌之間供電，這顯著降低了輸出級(jí)兩端的峰峰值電壓，從而大幅降低了放大器的功耗。

　　圖6說(shuō)明了瞬態(tài)負(fù)載時(shí)放大器的輸出電流。最初，輸出電流由VP電壓(綠色軌跡)提供。隨著輸出電流的增加，第二個(gè)輸出級(jí)導(dǎo)通，導(dǎo)致輸出電流從較高的AVDD電壓(紅色跡線)流出。當(dāng)輸出恢復(fù)到原始值時(shí)，輸出電流緩慢轉(zhuǎn)移到由VP電壓提供。當(dāng)輸出電壓下降到VN電壓或接地時(shí)，會(huì)發(fā)生相同的過(guò)程。通過(guò)這些結(jié)果，可以理解如何顯著降低放大器的總功耗。

　　圖6：GVCOM放大器輸出電壓和電流波形

　　單芯片GVCOM放大器解決方案

　　iML作為全球領(lǐng)先的電源管理和色彩校準(zhǔn)的平板顯示和LED照明市場(chǎng)的解決方案供應(yīng)商，主要產(chǎn)品為可編程伽瑪校正緩沖電路芯片/公共驅(qū)動(dòng)芯片、電源管理芯片、LED 照明芯片等，其P-GAMA產(chǎn)品和VCOM產(chǎn)品具有行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位，相關(guān)產(chǎn)品市場(chǎng)份額遙遙領(lǐng)先。2016年11月9日，集創(chuàng)北方與亦莊國(guó)投共同出資設(shè)立的屹唐集創(chuàng)，正式完成對(duì)iML的并購(gòu)。至此，雙方強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，將加速極具創(chuàng)新性、高度差異化的產(chǎn)品進(jìn)程。本文所主要介紹的單芯片GVCOM運(yùn)算放大器技術(shù)，就是極具創(chuàng)新性的技術(shù)典范。

　　GVCOMTM實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子如圖7所示。iML2911單芯片解決方案僅使用現(xiàn)有的平板電源(1.2 V，3.7 V和7.6 V)。電源輸入VP連接到標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7V的鋰離子電池。

　　圖7：使用單芯片GVCOM放大器解決方案的GVCOM設(shè)計(jì)

　　與平板電腦應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)iML7831 VCOM放大器相比，iML2911 GVCOMTM放大器的輸出功率節(jié)省情況如表1所示。為了解決鋰離子電池在其充電期間的不同電壓水平，使用VP電壓范圍為3.0 V至5.0 V來(lái)測(cè)量總功耗。如果VP連接到固定電源而不是電池，該方法也將為VP電壓確定最佳值。

　　我們測(cè)試了三種不同的顯示模式：靜態(tài)，垂直像素和垂直亞像素。靜態(tài)圖案是標(biāo)準(zhǔn)平板電腦主屏幕; 垂直像素和垂直亞像素圖案是黑色(暗)豎線和白色(亮)豎線水平交替的序列。 盡管垂直像素和垂直亞像素圖案通常不會(huì)遇到，但它們通常在業(yè)界用于測(cè)試LCD面板，用于評(píng)估最壞情況下的發(fā)熱。

　　表 1: GVCOMTM iML2911和標(biāo)準(zhǔn)iML7831放大器的功耗比較