OLED 進入手機主顯示應用

引言
在發現電子發光機理的十年后,有機發光二極管(OLED)技術最終商用在手機,MP3和數碼相機中。按Display Search的數據報告, 從2001年第一顆單芯片OLED驅動器起, 2003年有超過一千七百萬顆IC用在手機顯示上.今年,OLED也開始應用在手機的主顯示屏上。OLED在手機顯示上的應用正取得騰飛性的增長, 預計今年OLED模塊的使用數量將超過3三千萬片。

與OLED技術和發展相呼應,OLED的驅動器也日益扮演著重要的角色.不只是從低占空比上升到支持高占空比, 而且應用了諸如每個RGB電流的控制、更寬的IC工作溫度 (-45到80℃) 、內部DC-DC升壓、以及圖形加速指令等一些特性。Solomon Systech的OLED驅動器都具備所有這些特性, 提升了OLED的使用壽命和可靠性, 增強了OLED的顯示效果。

手機常見的顯示分辨率
副屏
在手機副屏上一般有三種顯示分辨率:80x48,96x64,和96x96。2003年應用在手機副屏上的主要是區域色類型的OLED,這是一種帶兩至三種顏色的單顯示類型。已被證明是一個用在手機副屏上的不錯的選擇。將來,區域色的OLED將用在低成本的手機上,而全彩色的OLED副屏將會在帶拍照的手機、3G手機和智能PDA電話等高端產品上使用。
主屏
用于手機主屏的顯示分辨率有很多,從96x64到640x320。在一些直板機上, 多見的有96x65, 101x80顯示分辨率;而在折疊機上, 多是128x128顯示; 而132x176, 176x220應用在許多折疊機和帶拍照手機上; 320x240則用于3G手機等。
今年,第一個用OLED主屏的手機出現在中國,這一技術,包括驅動IC,都已可完全投入商用.越來越多的手機廠家開始考慮采用OLED主顯示屏, 其中的一些已將這技術加入到新產品中。不遠的將來,OLED將是手機主顯示中的重要一員。

OLED驅動器和模塊設計
與LCD模塊相比,自發光的OLED顯示不需要背光和LED驅動電路。典型的OLED模塊厚度只有1至1.5毫米, 而LCD模塊的厚度一般是3毫米。所以,OLED模塊適合應用在折疊機上的超薄的翻蓋。
一個高度集成的OLED驅動/控制器IC包含行、列驅動、DC-DC轉換、時序控制、顯示內存和MCU接口電路,對OLED模塊廠商來說,提供了一個用在移動設備上的簡明方案。不僅如此,軟件工程師也可以通過使用內建的圖形控制器功能來節省手機開發的時間(如圖1所示) 。
隨著顯示分辨率的占空比增加,用被動矩陣OLED的困難和對技術的要求也越高。因而一些OLED模塊廠商有意采用主動矩陣的OLED在占空比大于132的顯示上。這有些象LCD技術中碰到的STN和TFT的情形。一種推測認為將來大尺寸的顯示考慮顯示的質量和屏的尺寸,將被主動矩陣的OLED(AMOLED)統治,而低占空比的顯示因為成本和靈活性的原因將被被動矩陣的OLED(PMOLED)所占據。不過,目前大部分的AMOLED產品依然處于實驗室階段,尚未完全商業化.而PMOLED的制造商也努力生產更大尺寸和更高占空比的產品,盡量與STN LCD和TFT LCD分享手機的龐大市場。
雖然PMOLED在高占空比的應用上面對一些技術問題,但這是可以通過合適的驅動IC來達到高占空比顯示來解決。舉例來說, 將兩個分列的屏用一個支持級聯的驅動IC驅動, 可以將一個88x176的顯示加倍到132RGBx176 (如圖2所示). 為實現這方案,驅動IC需要有以下一些功能(a)與LCD驅動不同,需采用電流驅動技術(b)因為全彩色應用的高數據傳輸率和高耗電,數據內存和控制功能、灰度表、省電模式需集成在IC中,這些同時也對OLED的壽命和可靠性有幫助(c)為減少外部組件和節省成本,需內置內部的電源控制系統。擁有以上這些技術和特性,PMOLED將更容易進入手機全彩主屏的競技場。

圖2  132RGBx176分辨率
下面以用Solomon Systech 的SSD1338為例,詳細介紹一些關鍵的特性和技術。

圖1  集成OLED驅動器功能框圖

先進的驅動技術
驅動技術
PMOLED彩色顯示要求的驅動機理和信號互換系統非常復雜。SSD1338的驅動器采用復用的尋址算法,每個驅動周期由放電(復位),電壓預充電,和電流驅動三個階段組成(如圖3所示) 。

圖3  可控于像素開/關電壓的驅動周期(復位，預充電，電流驅動)
圖形控制功能
SSD1338內建132x132x18 bit的SRAM(GDDRAM)顯示存儲空間,可以支持最大132x132,262K色的顯示,并且也可以編程設置在256色,65K色,262K色等不同模式下。SSD1338具有8-bit和16-bit的6800系列和8080系列的并行接口及串行接口,可以和MCU進行高速的數據通信,顯示流暢的彩色圖畫和如3G手機中用到的視頻數據。
SSD1338的GDDRAM是一個132x132x18bits比特映射的靜態RAM,和顯示的位圖形數據一一對應。為使機械結構靈活可變,可以通過軟件設置行列輸出的重映射。在顯示的垂直滾動效果上,內部的寄存器存有顯示起始行的位置,從而將不同位置的RAM數據對應到顯示屏上顯示。
每個象素對應18-bit的數據,其中對每個三色子象素為6-bit。GDDRAM對圖形顯示的象素數據的具體對應安排見表1 。
表1  2G2k色圖形顯示數據RAM結構
灰階和灰階表
全彩顯示對每一個RGB原色分量提供6-bit，即64級灰度，通過電流驅動階段列驅動的脈寬調制(PWM)設置不同的灰度級.灰度表即為存儲了對應64級灰度(GS0~GS63)的PWM(PW0~PW63)的值.脈寬越寬,象素顯示越亮.因此,每個象素的顯示亮度由灰度表中的脈寬值決定
這一單一的灰度表適用于三子色,脈寬的數值由軟件指令輸入
在262k模式,每一顏色包含6-bit,因此每一顏色都有64階灰度(如表2所示) 。
表2  262k色模式中3色的圖形數據RAM值和灰度表的關系
Color A, B, C
RAM data (6 bits)
Gray Scale

0
GS 0
1
GS 1
2
GS 2
3
GS 3
4
GS 4
:
:
:
:
:
:
60
GS 60
61
GS 61
62
GS 62
63
GS 63
在65K色模式,情形有些不同。如表3所示, 從GS0到GS63的64階灰度,有一顏色(顏色B)由6bit組成,；而從GS0,GS2,.....到GS62,另外兩個顏色(顏色A和C)只有5-bit,只能呈現32階灰度。
表3  65k色模式中圖形顯示RAM值與灰度控制的關系
Color A, C
RAM data (5 bits)
Color B
RAM data (6 bits)
Gray Scale

0
0
GS 0
-
1
GS 1
1
2
GS 2
-
3
GS 3
2
4
GS 4
:
:
:
:
:
:
:
:
:
30
60
GS 60
-
61
GS 61
31
62
GS 62
-
63
GS 63
下面的舉例示范在65K色模式下,對應灰度級的GDDRAM數據 (DCLK: 顯示時鐘)。
表4 灰度表
Gray Scale
(Pulse Width)
Value/DCLKs
PW0
0
PW1
2
PW2
5
:
:
PW62
120
PW63
125

圖4  65k色模式中圖形顯示RAM值與灰度控制的關系圖示
電源管理系統
這是一個開關電壓產生電路,專為手持設備設計。在SSD1338中,內置的DC-DC電壓轉換器,配合外部應用電路 (如圖5),可以經由低壓供電VDD產生高壓驅動Vcc,能供給OLED驅動電路。以下的示例是一個3V的 VDD輸入產生一個12V,20到30毫安Vcc輸出的應用。
Vcc輸出的電壓可由R1和R2調節:
VCC = 1.2 x (R1+R2) / R2

圖5  帶外部應用電路的1個內部DC-DC電壓變換器
IC封裝設計
除了COG方案,COF封裝也是針對手機應用的很好的OLED模塊方案,一個合適的COF設計可以提升OLED模塊的良品類,節省模塊空間及增加手機設計的靈活性。

結語
無論是PMOLED或是AMOLED技術占據統治地位,并且分享STN和TFT LCD的市場,OLED技術將會在顯示市場扮演重要的角色。當然,除了占取市場份額,OLED還將引發很多新的顯示應用,因為它具有STN和TFT LCD所沒有的特殊性能。對OLED的IC而言,很多先進的特性也在開發中,如對高分辨率色彩平衡的控制、電流一致性的控制、增強的圖形控制功能使OLED更易使用、以及為便攜設備應用的省電方案等。所有這些,配合OLED屏,將使OLED顯示越來越亮,更省電和提供更有效的成本。未來將是OLED的光輝世界。