一种用于Micro-LED的新型PWM像素电路设计_王婷.pdf
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1、 照明电器 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明136文章编号:2096-9317(2023)01-0136-03一种用于 Micro-LED 的新型 PWM 像素电路设计王 婷厦门技师学院,福建 厦门 361000摘要:目前,市场上的微型发光二极管(Micro-Light Emitting Diode.Micro-LED)的像素电路广泛使用的是有机发光半导体(OLED)上所使用的脉冲幅度调制(PAM)像素电路。PAM 会导致 Micro-LED 的色移现象,不适用于 Micro-LED。脉冲宽度调制(PWM)采用电压占空比控制 LED 的亮度,其电流是固定的,可以解决色移问
2、题。因此,文章开发了一种用于 Mi-cro-LED 的新型 PWM 像素电路。开发的像素电路可以降低功耗,实现 60 Hz 的驱动电路频率和 120 Hz 的LED 照明频率。关键词:脉冲宽度调制;PWM;像素电路;微型发光二极管;Micro-LED分类号:TN8730引言由于发光效率高、功耗低、寿命长,微型发光二极管(Micro-Light Emitting Diode.Micro-LED)在当今的显示行业越来越受到关注1。然而,根据 Micro-LED的电光特性,当电流密度增加时,其中心波长会向更高的能量移动,这一现象被称为“色移”2。脉冲幅度调制(PAM)是电压驱动电流、电流控制亮度的方
3、法,电流的变化会带来 Micro-LED 的色移现象,因此 PAM像素电路不适用于 Micro-LED。为解决色移问题,提出了脉冲宽度调制(PWM)方法,其像素电流是固定的,发光效率可以设置在峰值位置。在现有的 PAM 电路(2T1C 和 7T1C)中,驱动薄膜晶体管(TFT)工作在饱和区,高电平(PVDD)和低电平(PVEE)之间的电压差很大,功耗很大,而 PWM 电路可以很好地解决这个问题,驱动 TFT 的栅极电压是固定的,也就是说高电平和低电平之间的电压差只需大于 LED 的导通电压,这可以将功耗降低近一半。使用 PWM 驱动 LED 时,需要关注 LED 的频率,在低灰度的情况下,即占
4、空比低时,LED 可见的闪烁很明显。Jin-Ho Kim 等3设计了一个带有 P 型金属氧化物半导体低温多晶硅薄膜晶体管(PMOS LTPS TFT)的 PWM 像素电路,其使用 9 个薄膜晶体管、3 个电容和 1 个扫描信号来创建方脉冲,数据电压为 4 8 V,驱动电路和 LED 工作频率为 120 Hz,压缩了充电时间。文章利用扫描信号来创建不同的占空比,将扫描信号开发成波形,使得开发的 PWM 电路可以分别实现60 Hz 的驱动电路频率和 120 Hz 的 LED 照明频率,在保持充电时间的同时提高 LED 频率。同时使用互补金属氧化物半导体低温多晶硅薄膜晶体管(CMOS LTPS TF
5、T)器件,其可以在 0 10 V 的电压下工作,现在常用的电压范围是 0 5 V,因此文章主要讨论 0 5 V范围下新型脉冲宽度调制像素电路的设计。1Micro-LED 的色移色移是 Micro-LED 的一个重要特性。蓝色 Micro-LED 和绿色 Micro-LED 的色移不同,绿色 Micro-LED的色移远大于蓝色 Micro-LED,这意味着,对于不同的电流,RGB(红绿蓝)调白点所需的比例不同,这增加了 RGB(红绿蓝)三色 LED 转换的调试难度。因此,针对 RGB(红绿蓝)三色 Micro-LED,必须采用 PWM像素电路。2改进的 PWM 像素电路PWM 像素电路单元如图
6、1 所示,它由两部分组成,一部分是信号控制部分,数据(data)可以写入 Q 节点,由于采用三角波作为扫描信号(sweep)的方式,不同的写入电压导致 Q 节点的波形不同;另一部分是信号处理部分,Q 节点会与参考信号(ref)进行一系列运算,输出一个由电压决定的占空比不同的脉冲信号。整个电路由 12 个薄膜晶体管和 1 个电容组成。行扫描信号(row)的开启时间由分辨率决定,分辨率越高,行扫描信号的开启时间越短,数据信号(data)写入像素电路的时间也越短,这就意味着数据信号(data)写作者简介:王婷,女,硕士,助理讲师,研究方向为集成电路设计。光源与照明 总第 176 期 2023 年 1
7、 月 照明电器137入像素电路后必须用一个电容储存电荷,而电容的大小需要通过仿真确认。PWM 像素电路时序如图 2 所示。PWM 像素电路的工作流程分为两部分,则时序也有两部分,在信号控制部分,数据是逐行写入的,在信号处理部分,与参考信号的运算是同时进行的。该 PWM 像素电路的最大优点是 Q 节点仅在参考信号高于它时才起作用,这意味着,当 Q 节点的电压高于参考信号时,输出将设置为关闭状态,当 Q 节点的电压低于参考信号时,输出将设置为打开状态。因此,扫描信号达到最低值的次数决定了 Micro-LED 的开关频率。扫描信号的数值、频率和斜率是控制占空比和亮度范围的关键点。扫描信号是一个三角波
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