AMOLED顯示屏的痛點和解決方案

AMOLED發(fā)展趨勢

AMOLED是英文Active-matrix organic light emitting diode的簡寫，中文全稱是有源矩陣有機發(fā)光二極體或主動矩陣有機發(fā)光二極體。相對傳統(tǒng)LCD屏，AMOLED具有著輕薄，柔韌性高，響應速度快，對比度高，功耗低的優(yōu)勢，并獲得越來越多的手機廠商青睞。據(jù)市場統(tǒng)計，AMOLED屏手機市場占有率會在2023年和LCD相持平，2024年超過LCD的市場占有率。

目前針對5-8寸市場主流的AMOLED屏驅動電源方案集中在600mA規(guī)格。隨著屏幕的技術演進，為了給用戶在強光下帶來更好的使用體驗，屏幕亮度需要進一步提高，這對AMOLED屏驅動電源芯片提出了更高要求：800mA+的驅動電流。針對此市場需求，艾為電子推出的AW37577ECSR AMOLED屏驅動電源芯片，在維持WLCSP 2.05mm*2.05mm-25B封裝的情況下，將帶載能力提升到800mA+。

AMOLED顯示屏的痛點

痛點一：閃屏

AMOLED屏的本質是用來向用戶呈現(xiàn)完美畫質，增強用戶的使用觀感。但如果這個時候屏幕上出現(xiàn)如下水波紋或者閃屏現(xiàn)象，這就相當于正在吃飯時候，碗中出現(xiàn)了蒼蠅，體驗感極差。而如此影響用戶體驗的問題，我們就去探究它的形成因素，如下圖是AMOLED單個像素點的發(fā)光電路（圖一）：

圖一 AMOLED發(fā)光電路

它的工作過程如下：

1)復位階段：SCAN(n-1)使能，其它關閉，此時Vint1電壓給N1端初始化

2)補償階段：SCAN（n）使能，其它關閉，此時DATA電壓充到N1點，T2處于臨界關閉條件是（公式一）：

Vgs（T2）= VN1-VDATA-=VTH即VN1= VDATA+VTH ①

3)二極管陽極復位：SCAN（n+1）使能，使發(fā)光二極管陽極復位，保證OLED關閉

4)發(fā)光階段：EM使能，此時ELVDD流向ELVSS，使OLED點亮。此時發(fā)光電流為（公式二）：

ID=1/2μnCoxW/L(Vgs(T2)-VTH)2=1/2μnCoxW/L(VDATA+VTH-ELVDD-VTH)2= 1/2μnCoxW/L(VDATA -ELVDD)2 ②

水波紋場景一分析：

從公式②我們可以發(fā)現(xiàn)AMOLED發(fā)光電流與ELVDD相關，當ID非常小的時候，此時ELVDD電壓的微弱變化則會導致ID的波動，ELVDD波動頻率較低，此時就可能發(fā)現(xiàn)我們?nèi)搜劭吹降乃y現(xiàn)象。針對此問題我們?nèi)绾谓鉀Q？

圖二 水波紋場景

接下來我們探索ELVDD變化的場景：

ELVDD本身紋波影響

DOWN MODE模式進退導致的ELVDD電壓變化（針對DOWN MODE模式本文會重點說明）

針對第一點AW37577ECSR重點優(yōu)化ELVDD的紋波，使得輕載下ELVDD可以維持在5mV的水平（圖三），這樣可以使ID的變化非常小，可以忽略。

圖三 AW37577ECSR和競品ELVDD紋波

針對第二點，我們先解釋一下DOWN MODE模式，由于ELVDD是BOOST架構，我們要保證輸入電壓是小于輸出電壓，但實際單節(jié)電池手機系統(tǒng)電壓在電源波動時有可能超過4.6V，而ELVDD默認輸出就是4.6V，此時占空比會超過100%，這是架構無法實現(xiàn)的，所以我們引入DOWN MODE模式，利用BOOST 續(xù)流MOS的寄生二極管壓降進行降壓。言歸正傳，我們繼續(xù)討論DOWN MODE模式的紋波，由于進出DOWN MODE模式紋波較大，AW37577ECSR引入加速輸入電壓變化的瞬態(tài)響應技術，將500mA下的DOWN MODE紋波降至40mV以下，而競品要高于60mV。

圖四 DOWN MODE紋波分析

水波紋場景二分析：

上面介紹了ELVDD導致的水紋波場景，針對ELVSS會不會存在呢？答案是肯定的：會。它如何導致水紋波的呢？我們看一下工作過程 *3）OLED陽極復位過程* ，此過程我們是打開T7對D1陽極復位，目前是將D1寄生電容C2放電，保證黑態(tài)足夠黑。發(fā)光管D1電壓VD1=Vint2-ELVSS。在這里我們思考一下VD1會影響什么？由二極管V-I特性可知，它會影響電流，也就是我們D1再次點亮的初始亮度，如果ELVSS波動較大，每一幀對應不同電壓幅值，則會導致我們看到的水波紋現(xiàn)象。AW37577ECSR重點優(yōu)化了ELVSS的紋波，使其在輕載下能達到6mV（圖六）的水平，這樣就有效避免了低亮度下ELVSS導致的屏幕水波紋現(xiàn)象。

圖五 OLED 陽極復位圖

圖六 AW37577ECSR和競品ELVSS紋波

痛點二：功耗

如下圖是手機日常使用下的功耗分配以及亮度和電流對應關系：

圖七 手機耗電與亮度電流對應圖

我們?nèi)粘Ｊ褂檬謾C的亮度是低于380nit，這種情況下屏幕耗電量占了接近25%。為了提高用戶日常使用手機時間，AW37577ECSR著重于用戶的使用場景，引入了APT分級驅動技術，該技術重點優(yōu)化了200mA以下的中輕載效率，使得在200mA下AW37577ECSR最高效率可以超過93%。從圖八效率曲線可以看出，在5mA時候AW37577ECSR比競品效率高出至少15%。

圖八 APT分級驅動

圖九 AW37577ECSR和競品效率曲線

除了日常使用，我們的OLED設計團隊還考慮到客戶待機以及夜晚低亮度使用情況。在這兩種場景下AMOELD顯示屏功耗接近空載（IQ），研發(fā)團隊著重優(yōu)化芯片的空載功耗（IQ），使得全輸入電壓范圍區(qū)間都能保證小于7mA。

圖十 AW37577ECSR和競品靜態(tài)功耗（IQ）

痛點三：陽光下看不清屏幕

這一點相信大家都有所共鳴，在日光強烈時候，手機屏幕總是看不清，即使看清色彩也和室內(nèi)差距非常大，這個原因是由于強光下手機的對比度和亮度有所降低。如何解決這個問題？就是通過增強陽光下的屏幕亮度，目前越來越多手機的全局亮度已經(jīng)高于1400nit，vivo近期發(fā)布的X100全局亮度已經(jīng)達到1600nit，與屏幕亮度相對應的就是強力的電源供電能力，參考圖七手機亮度與對應電流關系圖可知，1400nit以上亮度需要800mA+帶載能力。AW37577ECSR突破小封裝帶載能力低的限制，通過設計以及工藝優(yōu)化，將帶載能力提升到800mA+級別，滿足目前大多6-8寸屏的使用場景。

圖十一 AW37577ECSR最大帶載能力

手機電池的發(fā)展趨勢

目前以人造石墨為代表的碳基材料是鋰離子電池負極的主要使用材料，石墨類負極材料占據(jù)負極材料95%的市場份額?，F(xiàn)階段商業(yè)化石墨負極材料已經(jīng)接近其理論比容量極（372mAh/g），為進一步提升電池能量密度，尋找更高比容量負極材料成為產(chǎn)業(yè)研究重點。

硅基負極的原材料主要由硅材料和石墨構成。硅在常溫下與鋰合金化，理論比容量4200mAh/g，是目前石墨類負極材料的十倍以上。（1）

硅負極電池帶來續(xù)航優(yōu)勢，但也帶來新的挑戰(zhàn)。目前硅負極電池最低電壓可以達到2.75V，這對我們芯片的最低工作電壓范圍也帶來了挑戰(zhàn)。目前手機系統(tǒng)大多AMOLED屏驅動電源芯片大多支持2.9V以上的工作電壓，這就要求我們需要在前級增加一級Boost，這不僅增加成本，也增加了寸土寸金手機PCB板的面積。而AW37577ECSR不需要增加前級Boost，可以直接面對2.75V輸入電壓的挑戰(zhàn)，此外AW37577ECSR在2.5V輸入電壓下依舊能有600mA帶載能力的出色表現(xiàn)。

AW37577ECSR產(chǎn)品特性

Vin: 2.5V ~ 5.0V

ASWIRE/ESWIRE

ELVDD: 4.6V to 5V，100mV/Step (Default:4.6V)

ELVSS: -6.6V to -1V，100mV/Step (Default:-4V)

AVDD: 6.9V to 7.9V，50mV & 100mV/Step (Default:7.6V)

Max Load Capacity：

√ 150mA(AVDD)

√ 600mA@Vin=2.5V,ELVDD=4.6V，ELVSS=-4V

√ 800mA@Vin=3.2V,ELVDD=4.6V，ELVSS=-5V

√ 800mA@Vin=3.4V,ELVDD=4.6V，ELVSS=-6V

√ Function: PSM Mode、Fast Discharge、SSD、SCP、TSD

Package: WLCSP 2.05mm*2.05mm-25B

典型應用

圖十二 AW37577ECSR典型應用圖

審核編輯：湯梓紅