OLED 进入手机主显示应用

引言
在发现电子发光机理的十年后,有机发光二极管(OLED)技术最终商用在手机,MP3和数码相机中。按Display Search的数据报告, 从2001年第一颗单芯片OLED驱动器起, 2003年有超过一千七百万颗IC用在手机显示上.今年,OLED也开始应用在手机的主显示屏上。OLED在手机显示上的应用正取得腾飞性的增长, 预计今年OLED模块的使用数量将超过3三千万片。

与OLED技术和发展相呼应,OLED的驱动器也日益扮演着重要的角色.不只是从低占空比上升到支持高占空比, 而且应用了诸如每个RGB电流的控制、更宽的IC工作温度 (-45到80℃) 、内部DC-DC升压、以及图形加速指令等一些特性。Solomon Systech的OLED驱动器都具备所有这些特性, 提升了OLED的使用寿命和可靠性, 增强了OLED的显示效果。

手机常见的显示分辨率
副屏
在手机副屏上一般有三种显示分辨率:80x48,96x64,和96x96。2003年应用在手机副屏上的主要是区域色类型的OLED,这是一种带两至三种颜色的单显示类型。已被证明是一个用在手机副屏上的不错的选择。将来,区域色的OLED将用在低成本的手机上,而全彩色的OLED副屏将会在带拍照的手机、3G手机和智能PDA电话等高端产品上使用。
主屏
用于手机主屏的显示分辨率有很多,从96x64到640x320。在一些直板机上, 多见的有96x65, 101x80显示分辨率;而在折叠机上, 多是128x128显示; 而132x176, 176x220应用在许多折叠机和带拍照手机上; 320x240则用于3G手机等。
今年,第一个用OLED主屏的手机出现在中国,这一技术,包括驱动IC,都已可完全投入商用.越来越多的手机厂家开始考虑采用OLED主显示屏, 其中的一些已将这技术加入到新产品中。不远的将来,OLED将是手机主显示中的重要一员。

OLED驱动器和模块设计
与LCD模块相比,自发光的OLED显示不需要背光和LED驱动电路。典型的OLED模块厚度只有1至1.5毫米, 而LCD模块的厚度一般是3毫米。所以,OLED模块适合应用在折叠机上的超薄的翻盖。
一个高度集成的OLED驱动/控制器IC包含行、列驱动、DC-DC转换、时序控制、显示内存和MCU接口电路,对OLED模块厂商来说,提供了一个用在移动设备上的简明方案。不仅如此,软件工程师也可以通过使用内建的图形控制器功能来节省手机开发的时间(如图1所示) 。
随着显示分辨率的占空比增加,用被动矩阵OLED的困难和对技术的要求也越高。因而一些OLED模块厂商有意采用主动矩阵的OLED在占空比大于132的显示上。这有些象LCD技术中碰到的STN和TFT的情形。一种推测认为将来大尺寸的显示考虑显示的质量和屏的尺寸,将被主动矩阵的OLED(AMOLED)统治,而低占空比的显示因为成本和灵活性的原因将被被动矩阵的OLED(PMOLED)所占据。不过,目前大部分的AMOLED产品依然处于实验室阶段,尚未完全商业化.而PMOLED的制造商也努力生产更大尺寸和更高占空比的产品,尽量与STN LCD和TFT LCD分享手机的庞大市场。
虽然PMOLED在高占空比的应用上面对一些技术问题,但这是可以通过合适的驱动IC来达到高占空比显示来解决。举例来说, 将两个分列的屏用一个支持级联的驱动IC驱动, 可以将一个88x176的显示加倍到132RGBx176 (如图2所示). 为实现这方案,驱动IC需要有以下一些功能(a)与LCD驱动不同,需采用电流驱动技术(b)因为全彩色应用的高数据传输率和高耗电,数据内存和控制功能、灰度表、省电模式需集成在IC中,这些同时也对OLED的寿命和可靠性有帮助(c)为减少外部组件和节省成本,需内置内部的电源控制系统。拥有以上这些技术和特性,PMOLED将更容易进入手机全彩主屏的竞技场。

图2  132RGBx176分辨率
下面以用Solomon Systech 的SSD1338为例,详细介绍一些关键的特性和技术。

图1  集成OLED驱动器功能框图

先进的驱动技术
驱动技术
PMOLED彩色显示要求的驱动机理和信号互换系统非常复杂。SSD1338的驱动器采用复用的寻址算法,每个驱动周期由放电(复位),电压预充电,和电流驱动三个阶段组成(如图3所示) 。

图3  可控于像素开/关电压的驱动周期(复位，预充电，电流驱动)
图形控制功能
SSD1338内建132x132x18 bit的SRAM(GDDRAM)显示存储空间,可以支持最大132x132,262K色的显示,并且也可以编程设置在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进行高速的数据通信,显示流畅的彩色图画和如3G手机中用到的视频数据。
SSD1338的GDDRAM是一个132x132x18bits比特映射的静态RAM,和显示的位图形数据一一对应。为使机械结构灵活可变,可以通过软件设置行列输出的重映射。在显示的垂直滚动效果上,内部的寄存器存有显示起始行的位置,从而将不同位置的RAM数据对应到显示屏上显示。
每个象素对应18-bit的数据,其中对每个三色子象素为6-bit。GDDRAM对图形显示的象素数据的具体对应安排见表1 。
表1  2G2k色图形显示数据RAM结构
灰阶和灰阶表
全彩显示对每一个RGB原色分量提供6-bit，即64级灰度，通过电流驱动阶段列驱动的脉宽调制(PWM)设置不同的灰度级.灰度表即为存储了对应64级灰度(GS0~GS63)的PWM(PW0~PW63)的值.脉宽越宽,象素显示越亮.因此,每个象素的显示亮度由灰度表中的脉宽值决定
这一单一的灰度表适用于三子色,脉宽的数值由软件指令输入
在262k模式,每一颜色包含6-bit,因此每一颜色都有64阶灰度(如表2所示) 。
表2  262k色模式中3色的图形数据RAM值和灰度表的关系
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, 从GS0到GS63的64阶灰度,有一颜色(颜色B)由6bit组成,；而从GS0,GS2,.....到GS62,另外两个颜色(颜色A和C)只有5-bit,只能呈现32阶灰度。
表3  65k色模式中图形显示RAM值与灰度控制的关系
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
下面的举例示范在65K色模式下,对应灰度级的GDDRAM数据 (DCLK: 显示时钟)。
表4 灰度表
Gray Scale
(Pulse Width)
Value/DCLKs
PW0
0
PW1
2
PW2
5
:
:
PW62
120
PW63
125

图4  65k色模式中图形显示RAM值与灰度控制的关系图示
电源管理系统
这是一个开关电压产生电路,专为手持设备设计。在SSD1338中,内置的DC-DC电压转换器,配合外部应用电路 (如图5),可以经由低压供电VDD产生高压驱动Vcc,能供给OLED驱动电路。以下的示例是一个3V的 VDD输入产生一个12V,20到30毫安Vcc输出的应用。
Vcc输出的电压可由R1和R2调节:
VCC = 1.2 x (R1+R2) / R2

图5  带外部应用电路的1个内部DC-DC电压变换器
IC封装设计
除了COG方案,COF封装也是针对手机应用的很好的OLED模块方案,一个合适的COF设计可以提升OLED模块的良品类,节省模块空间及增加手机设计的灵活性。

结语
无论是PMOLED或是AMOLED技术占据统治地位,并且分享STN和TFT LCD的市场,OLED技术将会在显示市场扮演重要的角色。当然,除了占取市场份额,OLED还将引发很多新的显示应用,因为它具有STN和TFT LCD所没有的特殊性能。对OLED的IC而言,很多先进的特性也在开发中,如对高分辨率色彩平衡的控制、电流一致性的控制、增强的图形控制功能使OLED更易使用、以及为便携设备应用的省电方案等。所有这些,配合OLED屏,将使OLED显示越来越亮,更省电和提供更有效的成本。未来将是OLED的光辉世界。