GVCOM運算放大器——降低功耗以實現(xiàn)更高效的LCD 及 OLED驅(qū)動

隨著信息時代的進步，顯示面板需求量正在以勢不可擋之勢持續(xù)快速地增長著，與此同時，面板的低功耗技術也越來越引起關注。

電視、顯示器以及平板電腦中，最關鍵的元器件莫過于液晶 (LCD及OLED) 顯示面板。隨著顯示面板的廣泛應用，降低面板功耗以及降低面板共用級電壓(VCOM)來源——VCOM放大器的結溫變得越來越重要。

液晶顯示通過打開和關閉玻璃基板上獨立的薄膜晶體管來控制每個像素。液晶面板采用逐行掃描技術，依次打開每一行像素的柵極電壓，以允許源極電壓(由源極驅(qū)動芯片產(chǎn)生)流向每個像素。改變像素電容上面的電壓差，可以控制每個像素對光的透過率，從而顯示整個圖像。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，因此其作為開關器件的質(zhì)量，遠遠不夠理想。

如圖1所示，是像素尋址電路的簡化電路圖。每個LCD像素，由一個等效電容器(C)表示，每當柵極電壓(Gate)變高從而打開TFT時，像素電容連接到源電壓(Source Voltage)。源電壓值取決于面板尺寸，對于30"~70"的LCD面板來說，其電壓范圍為0V~24V;而對于平板電腦尺寸大小的面板來說，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)點電壓，稱為共用電壓，或VCOM。VCOM電壓可以調(diào)整，并作用于整個面板區(qū)域。為了延長面板的使用壽命和降低圖像的閃爍，VCOM通常設置為略低于最大源電壓的二分之一。

圖1：TFT背板的簡化像素尋址電路

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)量檢驗測試就是調(diào)整VCOM電壓，使每塊面板VCOM電壓達到最佳。當面板因像素信息發(fā)生變化而動態(tài)變化時，在整個面板上保持均恒的VCOM電平同樣重要。為了保持出廠電壓設置，通常需要1到12個通道的運算放大器，通常稱為VCOM緩沖器，連接到包含出廠VCOM設置的數(shù)字電位器的DAC輸出端，來穩(wěn)定VCOM電壓。圖2顯示了數(shù)字電位器和單個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，每個像素被簡化為無極電容器。因此，加在像素兩端的電壓絕對值不變，其亮度并不會因為極性的改變而發(fā)生變化。圖像也不會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所示的簡化模型。在該模型中，LCD面板由分布式RC負載表示，方波驅(qū)動器表示施加到像素電容器的變化的電荷。當液晶電容發(fā)生改變時，VCOM輸出用于補償變化并且恢復共用極板的原始電壓。輸出電壓必須在水平周期結束之前穩(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放大器有兩個反饋網(wǎng)絡。本地直流反饋(RFB2)將放大器配置為跟隨器。附加的遠端AC反饋(RFB1，CFB)將LCD共用極板的中間連接到運算放大器的負端輸入，提高共用極板VCOM響應時間。

傳統(tǒng)的VCOM緩沖設計

傳統(tǒng)的VCOM放大器由單個模擬電源AVDD供電，其特定值取決于面板尺寸和制造商。對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中的模擬仿真結果說明了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。電流波形和畫面有關; 然而，對于所有圖像，負載的瞬態(tài)特性，會使放大器的功耗增加，從而降低其總體效率，并增加放大器結溫。

圖4：簡化的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級放大器來解決與傳統(tǒng)VCOM放大器相關的損耗，它可利用多個電源軌(AVDD，VP，VN和GND)來驅(qū)動放大器的輸出級。VCOM緩沖器將需要兩個獨立的輸出級連接到四個電源電壓。對于使用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(標稱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緩沖器實現(xiàn)的一個例子如圖5所示。每個輸出級的MOSFET通過4個開關連接到放大器輸出端，標號為SW1至SW4。該電路還包括輸出檢測比較器，以提供輸出電壓電平和所有電源軌的實時比較結果。當VCOM輸出電壓低于VP時，SW1關閉，SW2導通，由VP電壓為輸出級供電。在瞬態(tài)負載下，當VCOM輸出上升到VP軌之上時，開關SW1和SW2反轉(zhuǎn)，輸出電流由較高的AVDD電壓提供。

圖5：GVCOMTM放大器的簡化原理

類似地，當運算放大器吸收電流時，也會自動選擇負端電源。當輸出電壓高于VN軌時，SW3導通，SW4關閉。對于穩(wěn)態(tài)3 V VCOM輸出，輸出級始終在VN和VP電壓軌之間供電，這顯著降低了輸出級兩端的峰峰值電壓，從而大幅降低了放大器的功耗。

圖6說明了瞬態(tài)負載時放大器的輸出電流。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，第二個輸出級導通，導致輸出電流從較高的AVDD電壓(紅色跡線)流出。當輸出恢復到原始值時，輸出電流緩慢轉(zhuǎn)移到由VP電壓提供。當輸出電壓下降到VN電壓或接地時，會發(fā)生相同的過程。通過這些結果，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作為全球領先的電源管理和色彩校準的平板顯示和LED照明市場的解決方案供應商，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)領導地位，相關產(chǎn)品市場份額遙遙領先。2016年11月9日，集創(chuàng)北方與亦莊國投共同出資設立的屹唐集創(chuàng)，正式完成對iML的并購。至此，雙方強強聯(lián)合，將加速極具創(chuàng)新性、高度差異化的產(chǎn)品進程。本文所主要介紹的單芯片GVCOM運算放大器技術，就是極具創(chuàng)新性的技術典范。

GVCOMTM實現(xiàn)的一個例子如圖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連接到標稱電壓為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設計

與平板電腦應用中的標準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來測量總功耗。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)圖案是標準平板電腦主屏幕; 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遇到，但它們通常在業(yè)界用于測試LCD面板，用于評估最壞情況下的發(fā)熱。

表 1: GVCOMTM iML2911和標準iML7831放大器的功耗比較