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区域高效的多通道有源矩阵MicroLED驱动芯片设计

MicroLED.cn 技术文章 2022-04-13 20:37:28 25492 0 | 文章出自:proquest MicroLED

本研究开发了具有芯片级设计的有源MicroLED面板的控制和驱动器。该芯片包括恒流电路、数模转换器、SPI控制接口和 有源矩阵显示控制。设计过程使用TSMC0。18umHVG2CMOS技术,实现了30个通道的microled驱动器。为了减少I/O引脚,将 输入信号串行输入到动态移位寄存器,并将结果并行加载到数模转换器(DAC)。


DAC模块由R2R网络、单位增益缓冲区和 采样保持电路组成。DAC输出具有恒定电流,用于MicroLED驱动从电压到电流的转换。为了减少DAC组件的数量,一个DAC 可以共享公共电路,根据所选择的当前镜像结构驱动一个像素的RGBLED。与传统的RDAC结构相比,该芯片可以大大降 低电阻率和开关率分别为92%和96%。测量结果对电流调光控制具有良好的线性关系,测试数字信号由Verilog码产生, 以估计该芯片的灰色电流。 关键字活动矩阵。MicroLED。数字模拟转换器。

1介绍 随着显示技术的不断进步,对高彩色深度、高分辨率、低 成本的有源矩阵显示器的需求仍然是很大的需求。这些显 示器主要基于液晶显示器(LCD)或有机发光二极管(OLED) 。在典型的有源矩阵显示电路中,驱动集成电路是一种重 要的技术之一。驱动方法可以是电压模式、电流模式或 PWM模式。电压模式适用于液晶驱动[1–3]。它将输入的 数字信号转换为模拟信号,并很快驱动液晶显示面板。

在 OLED驱动方面,采用当前模式来保持线性调光[4-12]。需 要额外的电压-电流转换器来产生恒定的电流来驱动 OLED[13-15]。对于MicroLED驱动程序,人们可以使用当前模 式的[16,17]或PWM模式 这项工作得到了美国国家科学委员会台湾的支持,在 NSC102-2622-E-224-001-CC3下。 

由于MicroLED的响应速度非常快,它可以对快速 的PWM信号进行灰度控制。这对于被动矩阵控制是非常有 效的。然而,对于有源矩阵显示,每个LED需要一个PWM生 成电路来随时保持亮度。电路的复杂度变得非常高。作为 目前应用于AMMicroLED驱动的模式,其基本结构类似于OLED 驱动方法。

由于MicroLED功耗很低,照明效率高,在实际应 用中其驱动电流小于1mA。由于OLED照明效率低于MicroLED, OLED最大驱动电流约为20-50mA。与OLED相比,MicroLED的驱 动电流必须大大降低,以保持良好的线性特性。驱动器集 成电路的性能对显示图像质量有至关重要的影响,因为它 最终决定了像素的亮度。为了满足高色深度、低成本的需 求,应降低驱动集成电路的临界闪烁融合频率,尽量减少 集成电路的电路面积,以节省系统面积。

 对于OLED或MicroLED驱动方法,有很多论文提出了AM或PM 矩阵。在本研究中,我们感兴趣的是有源矩阵驱动,因为 显示中的低闪烁。提出了一种具有电流模式的9位数模转 换器(DAC) 矩阵[4],DAC采用切换电流结构实现,周期性地接收数字 比特逐个转换为高性能电流模式采样和保持电路。在[7] 中提出了一种基于斜坡电压的快速电流编程方法,它采用 了一个带有第二代电流输送器和一个放大器的外部补偿电路等。在提出了一种外部补偿方法来补偿阵列像素的 不同退化,以改善线性特征[20],它在多个连续显示帧中 同步进行感知和补偿。Ahn等。

在尝试使用PWM控制[19]的 自适应AMLED显示器实现高度均匀的亮度,通过产生各自 的参考电压来补偿一行扫描线中的所有电阻不匹配。 为了减少开关晶体管和电阻的使用,本文针对传统的 RDAC结构[11]开发了R2R方法,而不是电阻串,可以节省 电阻和开关,大大减少布局面积。为了共享数字-模转换 器,在MicroLED显示器上提出了采样保持电路,以确保即使 像素关闭扫描也保持每个LED的驱动电流。使用这种方法 ,重复一个DAC来驱动具有公共电路的RGB像素,以减少 66%的面积。利用TSMC0的仿真和测量结果很好地证明了 R2RDAC电路。18umHVG2CMOS技术。本文的组织结构如下。 MicroLED显示器驱动器的整体架构。2.对芯片电路的描述见 第二节。3.并对该芯片进行了仿真和测量。4.这些结论见 第二节。

5. 2 2.系统架构 MicroLED显示器驱动电路的整体结构如图所示。1.该芯片被 设计为每行驱动10 9 3 个MicroLED。每个行数据都被采样并 保持用于活动矩阵显示。输入数据来自FPGA板,FPGA板通 过定时槽控制对每个像素进行编码并分配调光数据,然后 将调光数据发送到具有SPI接口的芯片。SPI是一个串行端 口,可以减少芯片和FPGAI/O引脚,并节省封装成本。

为 此,移位寄存器用于存储动态电路存储SPI的数据。对于 每行N像素的驱动器,10N的移位寄存器在该芯片中设计了 串行数据传输。至于N=10, 在100个时钟结束后,移位寄存器的电流在此时输出一个 行调暗数据。移位寄存器上的数据传输到R2RDAC进行模拟 电压输出,然后通过电压到电流转换器电路,实现MicroLED 的恒流驱动器。采样和保持电路,可以保持MicroLED显示的 驱动电流,因为他们处于非扫描状态。这允许R2RDAC继续 提供给其他渠道使用。通用DAC电路可共享用于不同列的 MicroLED电路。这样就可以大大减少小,恒流也可以在任何 时间驱动MicroLED。

英文版论文原文,在文末附件可下载

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有源矩阵驱动程序可以使MicroLED显示不 闪烁。数字调光码需要转换为模拟形式。电阻串DAC芯片由于其在不同通道[9,11]之间良好的线性,被广泛应用于驱动显示。根据二进制解码器,串联电阻可以划分参考电压,然后开关选择输出哪个。然而,高分辨率显示器对电阻器和开关晶体管的要求呈指数级增长。传统RDAC的结构由电阻和开关晶体管组成,需要2N1电阻和2N开关进行N位转换,如图2所示。此外,N-2N解码电路需要二进制解码器来控制开关。作为使用具有8位分辨率的传统DAC电路,电阻、开关和路由的布局面积超过了整个驱动芯片的一半。在本设计中,R-2R电阻网络用于数模转换器,如图3所示。数模比的输出电压可以从“


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这里的N是分辨率的数量。R和2R的电阻固定在阶梯阵列中,仅解决了芯片在电阻比过程中的电阻匹配问题。事实上,这种方法节省了更多的区域,并具有更好的快速量子响应能力。控制开关的数量与比特数相同,它开关的一部分信号路径到输出与合并R2R电路电阻。

英文版论文原文下载链接

Area-efficient multi-channel active matrix micro-LED driver chip design-ys.pdf


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