硅基OLED驱动芯片温度反馈PWM电路设计

提出了一种可用于硅基OLED驱动芯片的温度反馈PWM调节电路。该电路能够根据温度变化自动对OLED阵列上的共阴极电压进行PWM调制，从而实现温度变化时，保持OLED微显示器屏幕亮度和灰阶特性不变。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，当温度从-25 ℃变化至70 ℃时，屏幕亮度与灰阶特征保持不变。研究解决了OLED微显示器屏幕亮度随温度变化，传统共阴极电压调节方案会改变OLED的灰阶特性的问题。

Abstract

A temperature feedback PWM adjustment circuit has been proposed. The circuit could automatically pulse width modulate the common cathode voltage according to temperature changes， so as to maintain the brightness and gray-scale characteristics of the OLED screen with the temperature changing. The circuit used 0.18 μm 1P6M mixed-signal technology to complete the circuit design and tape-out verification. Simulation and test results showed that when the temperature changed from -45 °C to 70 °C， the screen brightness and grayscale characteristics remained unchanged. In the end， the problem about the brightness of the OLED screen changing with temperature， and the traditional solution changing the gray-scale characteristics were solved.

1 引言

硅基OLED微显示技术是近年来快速发展的新型技术之一，该技术以单晶硅半导体为有源驱动背板，将有机电致发光器件蒸镀其上，在电场驱动下，通过载流子注入与复合产生可见光^[1-2]。与其他显示技术相比，硅基OLED微显示技术更容易实现高像素密度和高集成度，且具有低功耗、工作温度宽等优点，是未来可穿戴显示设备的最佳选择之一^[3-5]。

由于OLED器件发光依赖于有机载流子的迁移与复合，而半导体中载流子浓度与温度相关，导致载流子迁移具有明显的温度特性。因此，OLED器件的I‑V特性也受到温度影响，尤其是在较低和较高温下，载流子浓度变化较大，OLED发光亮度会有明显波动。为解决这一问题，使OLED微显示器在宽温度范围内保持亮度一致性，目前普遍采用的方案是改变OLED器件共阴极电压（V_com）大小，以调节器件发光亮度。这种方案的缺点是改变V_com的大小会引起OLED发光的伽马（GAMMA）特性改变，从而导致屏幕灰阶特性变化，影响显示效果。

文中介绍了一种基于温度反馈的利用脉宽对V_com进行调制（Pulse Width Modulation，PWM）的电路方案，能够固定V_com电压值，避免屏幕灰阶特性变化。该方案可以根据温度的变化自动改变V_com电压占空比，从而调节每个像素单元的发光时长，达到在宽温度范围内维持OLED显示亮度一致性的目的。

1 OLED器件发光亮度的温度特性

OLED器件发光依靠半导体材料中载流子的迁移与复合，在外加电场作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子会分别迁移至发光层，在发光层相遇时产生可见光。OLED器件发光强度与驱动电流成正比。然而，半导体材料的载流子密度受温度影响，若固定驱动电压，温度变化时，OLED器件的驱动电流大小也随之变化，从而导致器件发光亮度变化^[6-7]。

为得知OLED器件发光亮度与温度关系，测试多组不同温度下OLED微显示器亮度，并使用Matlab对所得数据进行拟合，得到如下指数函数模型：

L = L_{0} \times m^{T - T_{0}}

其中，L表示温度为T时的微显示器亮度，L₀表示常温下的微显示器亮度，T₀表示常温温度，m为指数函数模型的参数，且 $m > 1$ 。

为使不同温度下OLED微显示屏发光亮度保持一致，目前多数方案是通过改变OLED器件的共阴极电压来控制流过其电流大小。然而，当共阴极电压发生改变，受MOS管I‑V曲线非线性以及体效应影响，屏幕灰阶特性发生变化，导致显示效果明显变差。

如图1所示，当V_com电压由-4 V变为-5 V时，OLED微显示屏的灰阶特性发生改变。

图 1. 屏幕在不同V_com下灰阶特性曲线

Fig. 1. Gray-scale characteristic curves under different V_com voltages

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2 基于温度反馈的V_com PWM调亮电路方法

2.1　V_comPWM调亮原理

由于亮度是光强辐射在人眼视网膜上的强度与作用时间的积分，因此，要使人眼感知的OLED微显示屏亮度不同，可以选择保持OLED器件发光强度不变，而改变其发光时间。基于此原理，可以将V_com电压设计为幅度一致而占空比不同的脉宽信号，以实现对其发光时间控制^[8]。

图2是OLED微显示芯片V_com电压用PWM进行调制的信号时序图。当V_com电压为低电平时，微显示屏发光，当V_com电压为高电平时，微显示屏不发光。

图 2. V_com PWM时序示意图

Fig. 2. Diagram of V_com PWM sequence

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如图2时序所示，VS为帧同步信号，每一帧的开始，VS为高电平，此时读取PWM值，控制当前一帧时间内V_com的占空比。第n行像素在高电平时读取数据，并在V_com为低电平时发光显示，直到下一个高电平时再读取新的数据。可以看出，每一行像素在一帧内的发光时间均为t₁，因此，调整V_com占空比，即改变PWM值可以控制屏幕显示亮度。

2.2　温度反馈PWM稳亮原理

PWM调亮方案能够解决调节V_com导致屏幕灰阶特性变化的问题，为使屏幕亮度调节更加智能化，提出了温度反馈PWM稳亮方案，该方案以PWM调亮原理为基础，能够根据温度变化自动调节V_com占空比。

已知OLED微显示器亮度与温度变化满足公式（1），为使微显示器在全温范围内保持亮度L₀，调节OLED器件发光时间即V_com电压脉宽的推导过程如下：

设一帧时间为 $t_{v}$ ，温度为T时OLED器件在一帧时间内发光时间为t，那么温度为T时OLED器件在一帧时间内平均发光亮度为 $L'$ ：

L' = L_{0} \times m^{T - T_{0}} \times \frac{t}{t_{v}}

设常温下OLED器件在一帧时间内发光时间为t₀，那么常温下OLED器件在一帧时间内平均发光亮度为：

L^{'}' = L_{0} \times \frac{t_{0}}{t_{v}}

由公式（2）和（3）可以得出：为了使OLED器件在温度T时保持常温亮度，即 $L' = L^{'}'$ ，则温度T时，OLED器件在一帧时间内发光时间为：

t = t_{0} \times m^{T_{0} - T}

以微显示器一行时间为单位时间将发光时间t量化为发光时间级数，即V_com脉宽，控制OLED器件共阴极电压V_com打开的时间。常温下的V_com脉宽用pwm_base表示，则公式（4）可以转换为如下形式：

p w m_{(T)} = p w m_b a s e \times m^{T_{0} - T}

其中， $p w m_{(T)}$ 表示温度为T时的V_com脉宽。

得到V_com脉宽与温度的关系表达式后，需要通过实际测试数据与计算拟合确定公式中的m的表达式。然而，实验过程中发现m的表达式过于复杂，需要大量测试数据，不利于应用。因此，采用分段线性近似的方法对式（5）进行拟合，极大地减少了测试数据量和计算量，同时也简化了电路实现。

该方法首先根据不同温度下OLED微显示屏亮度变化程度对温度区间进行划分，然后选择易于计算的一次函数对各区间进行拟合，再利用测试数据计算出各区间斜率，即可得到发光时间调制函数。由于使用一次函数进行拟合，每个区间仅需要两组测试数据即可计算出区间斜率，并得到该区间函数表达式，简化了测试数据和计算步骤。同时，该方法可以根据实际情况灵活进行区间划分，以得到最优效果。

本设计中，将0 ℃以下每16 ℃分为一个温度区间，0 ℃以上每32 ℃分为一个温度区间，常温将其所在的温度区间再分为两个温度区间。

计算每个温度区间端点对应的V_com脉宽和每个温度区间的V_com脉宽与温度之间的斜率，小于常温的温度区间以右端点为基准，大于常温的温度区间以左端点为基准，得到发光时间调制函数的分段线性拟合函数：

p w m_{(T)} = \{\begin{matrix} p w m b a s e_{(i)} + |k_{(i)}| \times ∆ T T < t e m p_b a s e \\ p w m b a s e_{(i)} - |k_{(i)}| \times ∆ T T > t e m p_b a s e \end{matrix}

其中， $p w m_{(T)}$ 表示第i个温度区间内温度为 $T$ 时的V_com脉宽； $p w m b a s e_{(i)}$ 表示第i个温度区间作为基准的V_com脉宽； $k_{(i)}$ 表示第i个温度区间的斜率； $∆ T$ 表示第i个温度区间内温度T与基准的温度差，其中 $∆ T > 0$ ；temp_base表示常温。

图3是本设计得到的发光时间调制函数的分段线性拟合曲线图，其中横坐标表示温度读数，可以用于对驱动芯片的实际温度进行量化和标定，如temp_base=74表示常温25 ℃的温度读数；纵坐标表示一帧时间内的V_com脉宽，其范围可以根据微显示器的视频信号分辨率进行调整，如图3中的pwm_base表示常温25 ℃下的V_com脉宽。pwm_a~pwm_f为各温度区间端点的V_com脉宽，k₁~k₆为各温度区间的斜率。

图 3. 调制函数分段线性拟合图

Fig. 3. Modulation function linear fitting plot

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2.3　基于温度反馈的PWM调节电路设计

文中设计的基于温度反馈的PWM调节电路如图4所示，OLED微显示器驱动芯片内含温度检测模块，能够实时检测驱动芯片温度，并将检测到的温度转化为8位数字码并由I2C接口送入占空比产生电路。占空比产生电路是将上一节得到的发光时间调制函数通过Verilog代码实现，并转化为数字电路得到的电路模块，且已集成在芯片中。将8位温度数字码送入占空比产生电路后，该模块即可将对应温度下OLED器件V_com脉宽以脉宽调制（PWM）波形输出，并作为V_com电压开关波形，控制共阴极电压V_com在一帧时间内的打开时间。由此，就能够实现OLED微显示器在较宽温度范围内保持亮度一致性的目的。

图 4. 温度反馈PWM电路结构图

Fig. 4. Structural diagram of temperature feedback PWM circuit

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3 测试结果

文章设计的基于温度反馈的PWM电路在OLED微显示器上进行了应用，测试结果如下图所示。首先，确定常温下的V_com脉宽以及温度反馈曲线在不同温度区间内的斜率，然后，在-25 ℃~70 ℃范围内对芯片亮度进行测试。

图 5. 不同温度下OLED屏幕亮度测试结果

Fig. 5. Test results of OLED screen brightness at different temperatures

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由上图可知在-25 ℃~70 ℃区间内，当PWM调亮电路关闭时，该OLED微显示器亮度与常温下差距最大可达380 cd/m²，当PWM调亮电路开启时，该OLED微显示器亮度与常温下亮度差小于4.57 cd/m²。

在-25 ℃~70 ℃温度范围内，对采用V_com调亮方式和PWM调亮方式的OLED屏幕灰阶分别进行测试，得到结果如图6。可以看出，采用PWM调亮方式，不同温度下屏幕的灰阶一致性明显优于采用V_com调亮方式。

图 6. 不同温度下灰阶测试曲线

Fig. 6. Grayscale test curves at different temperatures

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4 总结

文章提出了一种可用于硅基OLED驱动芯片的温度反馈PWM调节电路。该电路能够实时检测当前温度变化，并根据检测结果产生对应的PWM波形，以调制加在OLED阵列上的共阴极电压，从而实现在温度变化时，保持OLED微显示器屏幕亮度和灰阶特性不变。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，当温度从-25 ℃至70 ℃变化时，屏幕亮度与灰阶特征保持不变。

参考文献

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[8] 张春燕，陈文栋，季渊，等. 基于OLED微显示器的原子扫描控制器设计[J]. 液晶与显示, 2019, 34(4): 396-402.

1 引言

1 OLED器件发光亮度的温度特性

2 基于温度反馈的V_com PWM调亮电路方法

邱伟, 秦昌兵, 朱会成, 徐亭亭, 张白雪. 硅基OLED驱动芯片温度反馈PWM电路设计[J]. 光电子技术, 2022, 42(1): 36. Wei QIU, Changbing QIN, Huicheng ZHU, Tingting XU, Baixue ZHANG. A Temperature Feedback PWM Circuit Design for Silicon‑based OLED Driving Chip[J]. Optoelectronic Technology, 2022, 42(1): 36.