一种用于硅基OLED驱动芯片的PWM电路设计

为改善传统模拟驱动方式在调亮时会改变OLED灰阶特性的现象，提出了一种可用于硅基OLED驱动芯片的脉宽调制电路（Pulse Width Modulation，PWM）电路。该电路对加在OLED阵列上的共阴极电压进行PWM调制，从而达到在调节亮度时灰阶特性不变的目的。电路采用0.18 μm 1P6M混合信号工艺完成了电路设计和流片验证。仿真和测试结果表明，当亮度从100 cd/m²调节到500 cd/m²时，灰阶特征得到了明显的改善。

Abstract

In order to improve the gray-scale characteristics when the traditional analog driving scheme is dimmed, a PWM circuit for silicon-based OLED driving chip has been presented. The circuit could modulate the common cathode voltage applied to the OLED array with PWM, so as to achieve the same gray scale characteristics when adjusting brightness. The circuit was designed and verified by the 0.18 μm mix-signal 1P6M CMOS process. Simulation and test results show that when the brightness is adjusted from 100 cd/m² to 500 cd/m², the gray-scale characteristics could be significantly improved.

1 引言

硅基OLED微显示技术是一种将主动发光型显示器件有机电致发光二极管做在低成本低功耗的CMOS硅片上的技术 [1, 2] ，它结合了成熟的半导体工艺制造技术和新型OLED显示技术的优点，可以实现高分辨率、高对比度、低功耗、低成本的微型化显示 [2, 3, 4, 5] 。

硅基OLED的驱动方式可分为模拟驱动和数字驱动两种，数字驱动方式亮度均匀性高，灰阶特征稳定，但外围电路复杂，发光效率低，应用成本高 [6] ；模拟驱动方式发光效率高，集成度高，外围电路简单，是目前主流的驱动方式。模拟驱动方式通过控制像素驱动管的栅极电压来控制流过OLED器件的电流大小，产生相应的灰阶。亮度调节则是通过改变共阴极电压幅值来实现，由于MOS管本身非线性的 I⁃V 特性和衬偏效应带来的阈值电压的变化，流过OLED的电流在变化前后不成比例，屏幕灰阶特性也随之发生变化，严重影响显示效果。

文章介绍了一种将共阴极电压（ V com ）用脉宽进行调制的电路方案，该电路将 V com 电压幅值固定，通过改变 V com 电压占空比，调节每个像素单元的开、关时间，达到调节硅基OLED显示亮度的目的。由于OLED的开启电压一般在3~5 V之间，为扩大亮度调节范围， V com 一般设计为负压，因此设计了可对负压进行调制的PWM电路。文章第一部分介绍了硅基OLED微显示驱动芯片的控制架构，第二部分介绍了 V com 电压PWM调亮原理和电路设计，第三部分是芯片测试结果，最后第四部分是总结。

1 OLED微显示驱动芯片系统结构

传统模拟驱动方式的系统架构如 图1 所示，芯片内集成了数字视频信号接口及解码、T con 、数字视频信号处理、DAC、行列驱动、像素阵列等模块。芯片接收数字信号，通过内部的数模转换电路转换成模拟电压，再将模拟电压通过主动寻址电路依次送到各个像素驱动电路上，像素驱动电路将电压转换成电流流过OLED器件，使器件开始发光，通过调节共阴极电压 V com 的大小，调节显示器的亮度 [3] 。

图 1. OLED微显示驱动芯片系统架构图

Fig. 1. Diagram of OLED microdisplay system

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2 V_com PWM调亮电路方法

硅基OLED模拟驱动方式一般通过调节 V com 电压的大小来进行亮度调节。 图2 所示为 V com =-2 V和-3 V时像素驱动管T1的 I⁃V 特性曲线。

图 2. 像素电路在不同V_com电压下的I⁃V仿真

Fig. 2. Simulation results of pixel circuits with different V_com

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由 图2 可以看出相同驱动电压下， V com =-2 V和 V com =-3 V时的电流已经完全不成比例，因此OLED屏的灰阶特性也截然不同。

2.1　V_com PWM调亮原理

众所周知，发光器件的强度与时间决定了人眼对亮度的感知，人眼感受到的实际亮度是单位时间内发光器件的亮度及其发光时间的积分 [6, 7] 。根据硅基OLED的发光特性，可以认为当 V com =0 V时，OLED器件处于关闭状态，当 V com =-5 V时，OLED器件处于最大发光亮度状态。 图3 是OLED微显示芯片 V com 电压用PWM进行调制的信号时序图。

图 3. V_com PWM时序示意图

Fig. 3. Diagram of V_com PWM sequence

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每帧内像素阵列包含2个工作段，以第一行和最后一行像素为例，工作于T1阶段时， V com =-5 V，所有像素单元开始发光，第一行像素发光时间 T on =T1，当扫描到最后一行时，最后一行所有像素在下一帧同样发光T1时间；当工作于T2阶段时，第一行像素被关闭T2时间，直至下一帧到来时刷新数据并继续开始发光，最后一行像素在下一帧的T2阶段也被关闭同样时间。因此可以认为每一行像素在单位一帧时间内都发光T1时间，其发光占空比保持一致，调节该占空比的大小就可以调节屏幕实际出光亮度的大小。而且因为实际亮度和电流是脉冲亮度和脉冲电流的平均值，屏幕的灰阶特征都等比例变化。

2.2　V_com PWM电路设计和仿真

文章所设计的 V com PWM电路如 图4 所示，I 2 C模块输入占空比大小指令，占空比产生电路产生与帧同步的占空比信号，电平转换电路将占空比信号从0~5 V之间的逻辑电平转换为-5~0 V之间的负电平，负逻辑电平通过死区时间控制电路整形后，接到功率管PMOS和NMOS的栅极，对 V SS 和 V BB 进行切换，产生周期性的 V com 电压信号。

图 4. V_com PWM电路架构示意图

Fig. 4. Diagram of V_com PWM circuit architecture

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文章提出的电平转换电路的结构如 图5 所示：

图 5. 负压电平位移电路结构

Fig. 5. Circuit of negative voltage level-shift

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负电平位移电路如 图5 所示，该电路由2级共源共栅结构组成，其中 V IN 为输入信号， V DD 为正电压电源， V SS 为地， V BB 为负电压电源， V OUT 为电路输出信号。MOS管M1~M8组成了第一级电路，可将输入信号的电压摆幅由0~ V DD 转换为 V BB ~ V DD ，M11~M16组成了第二级位移电路，可将前级信号摆幅由 V BB ~ V DD 转换为 V BB ~0。

该位移电路采用共源共栅结构的目的是通过对共源共栅管施加合适的偏置电压以减小正负压电平转换过程中的高压应力 [8] 。具体来说，M3和M4的栅极被偏置在0，可以将M1管和M2管源漏两端最大电压由 V DD + V BB 减小到 V DD - V THP ，其中 V THP 为PMOS管的阈值电压，即M1和M2两端最大电压从10 V减小到了4.2 V左右；同理M5和M6的栅极被偏置在0 V，也起到了对M3和M4的保护作用，可将M3和M4源漏两端的最大电压从 V DD + V BB 减小到 V BB - V THN ，其中 V THN 是NMOS管的阈值电压。第一级和第二级之间通过一对NMOS管M9和M10互联，NMOS管的栅极偏置到0 V，可以将M11和M12的栅漏电压从 V DD + V BB - V THP 减小到| V BB - V THP |- V THN 。

电平位移电路各节点的仿真结果如上图所示，输入信号 V IN 电平为0~5 V，输出信号 V OUT 电平为-5~0 V，其中M1、M3、M5、M7和M9管的源漏端的压差在电压转换过程中均未有过电压应力的情况出现。

根据对硅基OLED屏在 V com =0 V和-5 V时消耗的最大功耗计算，功率管PMOS和NMOS的 W/L 分别设计为2 000/0.5和1 000/0.5。由于尺寸较大，受栅极电压上升下降时延的影响，PMOS和NMOS轮流导通时容易出现同时导通的情况，此时瞬态电流较大，不仅浪费功耗，且容易造成器件烧坏，因此需要设计死区时间控制电路。死区时间控制电路如 图7 所示，将PMOS管和NMOS管的上升下降时延反馈到前级输入，当一管完全关闭时，另一管的控制信号才开始跳变。P管和N管栅极信号的仿真结果如 图7 所示。可以看出，只有其中一个管子完全关闭时，才会打开另一个管子，两管不会同时导通。

图 6. 电平位移电路各节点电压仿真结果

Fig. 6. Simulation results of voltage at each node of level-shift circuit

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图 7. PMOS管和NMOS管栅极电压上升下降时间仿真

Fig. 7. Rising and falling time simulation results of gate voltage for PMOS and NMOS

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负压PWM电路的整体仿真结果如 图8 所示， V com 电压在-5 V和0 V之间周期性跳变，当占空比分别为40 %和60 %时， V com 等效电压分别为-2 V和-3 V，此时流过OLED的电流成比例增加，因此OLED屏的灰阶特性可保持不变。

图 8. 不同V_com占空比电压下像素电流仿真结果

Fig. 8. Simulation results of pixel current under different V_com duty cycle

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设计的 V com PWM电路的版图如 图9 所示。

图 9. V_com PWM模块整体版图

Fig. 9. V_com PWM layout

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3 测试结果

文章提出的PWM调亮电路在某彩色硅基OLED微显示器上进行了应用，为了更方便地观察白场亮度分别为500 cd/m 2 、400 cd/m 2 、300 cd/m 2 、200 cd/m 2 以及100 cd/m 2 时在不同灰阶下的比例关系，将各白场亮度下的灰阶亮度都与100 cd/m 2 亮度时的灰阶亮度进行比较，两种调亮方式的测试结果如 图10 所示。

图 10. 硅基OLED屏不同调亮方式下的灰阶特征表现

Fig. 10. Gray-scale characteristics of OLEDoS with different brightness adjusting modes

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从图中可以看出， 通过 V com 电压幅值调亮时，灰阶特征完全不成比例， 500 cd/m 2 时，比值甚至从5变化到70以上；通过PWM方式调亮时，不同亮度下各级灰阶特征基本按比例变化，灰阶特征改善明显。

4 总结

提出了一种可用于硅基OLED驱动芯片的PWM调亮电路。该电路对加在OLED阵列上的共阴极电压进行PWM调制来调节屏幕亮度，为了拓宽调亮范围， V com 电压一般为负压，文章特别设计了负压电平位移电路，将正逻辑电平转换为负逻辑电平，驱动开关管对 V com 在0和负压之间进行脉宽调制。电路采用0.18 μm 1P6M混合信号工艺完成了电路设计和流片验证。仿真和测试结果表明，当亮度从100 cd/m 2 调节到500 cd/m 2 时，灰阶特征得到了明显改善。

参考文献

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