摘要

智能終端的普及影響著人們的數(shù)字生活，運用在各種終端上的顯示屏已成為人們與電子設(shè)備進 行對話最為重要人機界面（HMI）。如今除了電視、電腦、手機這類屏幕，生活中類似智能手表、手 環(huán)這類帶有小尺寸顯示屏的可穿戴及其他小型化智能設(shè)備也越來越多，讓人們與智能電子設(shè)備的交 互體驗也越來越豐富。在這類小尺寸的顯示屏中，AMOLED 成為了主流。本應(yīng)用指南對小屏幕 AMOLED 電源方案的發(fā)展趨勢進行了梳理，并在此基礎(chǔ)上提出了對應(yīng)的技術(shù)方案。

1 AMOLED 概述

AMOLED（Active-Matrix Organic LED，有源矩陣有機發(fā)光二極管）顯示屏，具有色彩鮮艷、輕 薄、主動發(fā)光、視角寬、亮度高、響應(yīng)快速、能耗低、支持柔軟顯示等特點，在小尺寸顯示屏中逐 漸成為主流。

對 AMOLED 的理解，可以分為兩部分：一個是 OLED，即一種利用有機半導(dǎo)體材料在電場驅(qū)動下通過載流子注入和復(fù)合發(fā)光的原理，實現(xiàn)彩色顯示的技術(shù)；另一個則是 AM（Active-Matrix）， 指控制和驅(qū)動 OLED 每個發(fā)光單元的尋址方式，決定了 OLED 是否能夠呈現(xiàn)出想要的顯示效果，如色彩、亮度等。AMOLED 的尋址方式是基于薄膜晶體管（TFT）矩陣實現(xiàn)的。

一個完整的小尺寸 AMOLED 顯示方案，除了顯示面板本身，與之配套的驅(qū)動 TFT 工作的電源芯片同樣是不可或缺的一環(huán)。

2 AMOLED 電源芯片的設(shè)計考量

AMOLED 電源芯片的核心作用是將來自供電電源的電壓以盡可能高效的方式轉(zhuǎn)換為 AMOLED 所需的電源軌。在這個過程中，需要權(quán)衡和考量下面幾個關(guān)鍵的要素。

1） 輸入電壓

小尺寸 AMOLED 屏幕一般為鋰電池供電，其電壓的高低和范圍關(guān)系到后續(xù)電壓轉(zhuǎn)化器架構(gòu)的 選擇。通?？蛇x的電壓轉(zhuǎn)化器架構(gòu)包括線性穩(wěn)壓器（LDO）、電感式降/升壓（Buck/Boost）開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器、電荷泵（也被稱為電容式開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器）三類，或者這三類技術(shù)的組合。

2） 輸出電壓

電源芯片最終需要實現(xiàn)的目標電源軌。小屏幕 AMOLED 中，通常包括正負電源電壓 ELVDD 和ELVSS，以及驅(qū)動 IC 電壓 AVDD。其中，AMOLED 的 ELVDD/ELVSS 從非對稱電壓（4.6V/-2.4V） 模式，向?qū)ΨQ電壓（3.3V/-3.3V）模式的轉(zhuǎn)變，是影響近年來 AMOLED 電源方案演化的一個很重要的因素。

3） 負載電流大小

該參數(shù)關(guān)系到 AMOLED 顯示亮度，數(shù)值越大，亮度越高，也是影響用戶體驗的一個關(guān)鍵要素。

4） 方案尺寸

小屏幕 AMOLED，其應(yīng)用場景往往受空間限制，因此 AMOLED 電源方案在設(shè)計中需要綜合考 慮各方面的因素，盡可能實現(xiàn)緊湊的尺寸。一方面，要不斷提升電源芯片自身的集成度和簡化芯片 電路架構(gòu)；另一方面，著力簡化外圍電路中元器件的數(shù)量，比如為了減少外圍電路中體積較大的電 感的使用，單電感架構(gòu)成為了小尺寸 AMOLED 電源方案的主流，甚至已推出無電感方案。

最終 AMOLED 電源方案的形成和演進，實際上是根據(jù)設(shè)計需要，圍繞上述這些因素，反復(fù)權(quán) 衡、優(yōu)化的過程。在這個過程中有三個重要的轉(zhuǎn)變，影響了小屏幕 AMOLED 電源方案的發(fā)展趨勢， 下文對此展開仔細分析。

3 轉(zhuǎn)變一：從單電感到 SIMO

上文提到，考慮到尺寸的限制，單電感架構(gòu)成為了小尺寸 AMOLED 電源方案的普遍選擇。而 在單電感架構(gòu)中，主要包括以下幾種類型。

1） 架構(gòu) A：Boost + NVCP

Boost + NVCP 單電感架構(gòu)（見圖 2），通過一個 Boost 升壓 DC/DC 獲得 ELVDD 正電壓，再通過一個 NVCP（負壓電荷泵）生成 ELVSS 負壓電源軌，該方案的優(yōu)勢在于 Boost 架構(gòu)比較簡單，而且外圍僅需一個電感和 6 個電容（1L+6C）。但該架構(gòu)只能提供 ELVDD 和 ELVSS 兩路輸出，AVDD 則需要通過額外的電源管理電路提供；其不適用于高壓電池應(yīng)用，連接充電器輸出不穩(wěn)；而且，其正壓效率損失大；最后，NVCP 負壓電荷泵的電路比較復(fù)雜，使得整個方案所需的外圍器件比較多， 因此不算一個優(yōu)選方案。

2） 架構(gòu) B：Boost/Bypass + LDO + NVCP

與架構(gòu) A 相比，該方案明顯的變化是經(jīng)過 LDO 增加了一個 AVDD 輸出，使其不再受限于輸入 電壓范圍，配置相對靈活。但是該方案由于仍然要采用-0.5×CP 的 NVCP，又增加了 LDO，因此芯 片電路的架構(gòu)更為復(fù)雜，外部的器件也增加至 1L+10C，控制方案整體尺寸的難度會更大。而且該方 案同樣有正壓效率損失大的不足；且不適用于電池電壓更高、輸出電壓更低的應(yīng)用，因而限制了其 應(yīng)用的擴展。

3） 架構(gòu) C：SIMO

在傳統(tǒng)的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)壓器的每路輸出都需要一個獨立電感，這些電感體積大、 成本高，不利于空間緊湊的設(shè)計。SIMO（單電感多輸出）架構(gòu)則通過讓多路輸出分時使用同一個電 感，大大減少了所需電感的數(shù)量，在節(jié)省空間的同時仍然保持相當高的效率，因此在既要體積小又要用電少的電池供電設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛。

由圖 4 可見，采用 SIMO 架構(gòu)，無需 NVCP 即可實現(xiàn) ELVDD、ELVSS 和 AVDD 三路輸出，而 整個電路架構(gòu)只需 7 個開關(guān)管，架構(gòu)非常簡單；同時外圍電路也僅需 1L+6C，使得小型化設(shè)計毫無 壓力。此外，該方案支持正負電源紋波抑制，LDO 損耗低，可支持更寬的輸入電壓范圍，這都進一 步優(yōu)化了方案整體的性能。

雖然 SIMO 架構(gòu)中的 AVDD 電壓范圍會受限于 VIN（由于其是由 VIN 經(jīng) LDO 輸出的），而且 SIMO 架構(gòu)輸出正負壓需要采用具有更高耐壓特性的器件，會給效率提升帶來困難，但綜合來看，不妨礙 SIMO 架構(gòu)成為單電感小尺寸 AMOLED 電源架構(gòu)中備受青睞的解決方案。

圣邦微電子的 SGM38042 就是一款基于自有專利 SIMO 技術(shù)打造的性能優(yōu)異的 AMOLED 電源 芯片，可在單節(jié)鋰電池供電下提供 AMOLED 顯示屏所需的 CPO（2.4V 至 6.4V 輸出電壓，100mV 步進）、CNO（-2.4V 至-6.4V 輸出電壓，100mV 步進）及 CVO 三路輸出。同時，其優(yōu)良的輸出紋波、 負載瞬態(tài)響應(yīng)、電源瞬態(tài)響應(yīng)等特性，很好地解決了 AMOLED 電源方案的痛點，因此一經(jīng)推出， 就成了小屏幕 AMOLED 電源圈的明星產(chǎn)品，幫助很多客戶完成了從傳統(tǒng)單電感方案向 SIMO 方案 的轉(zhuǎn)變。

4 轉(zhuǎn)變二：從非對稱電壓到對稱電壓

AMOLED 的尋址方式，沿襲了 TFT-LCD 的設(shè)計思路，包括 VDD-VSS 不對稱的電壓結(jié)構(gòu)。上文提到的幾個單電感的小尺寸 AMOLED 電源驅(qū)動方案，均是在這種不對稱的電壓結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，經(jīng)過綜合優(yōu)化而得來的。隨著 TFT 技術(shù)的演化，降低 TFT 和 OLED 的工作電壓成為了重要的發(fā)展趨勢，而工作電壓的降低，使得采用對稱電壓方式供電成為可能。雖然目前對稱電壓模式在大尺寸 AMOLED 應(yīng)用中尚不能采用，但是在小尺寸應(yīng)用中卻能夠充分發(fā)揮出其優(yōu)勢。

采用對稱電壓的供電方案，可以帶來的好處包括兩點：更低的功耗和更簡單的電路架構(gòu)。

非對稱和對稱兩種供電方式的功耗特性比較，如表 1 所示。

從電路架構(gòu)上看（見圖 6），如果采用對稱電壓模式，電路架構(gòu)一個最大的變化就是省去了-0.5×CP 的 NVCP，使得 NVCP 所需的開關(guān)管的數(shù)量由 7~8 個減少到 4 個，架構(gòu)簡化效果顯著。

由此可以得出，在對稱電壓模式，一種比較理想的小尺寸 AMOLED 的電源架構(gòu)，即一種 Buck-Boost + LDO + NVCP 的架構(gòu)（見圖 7）。如上文的分析，對稱電壓會帶來更高的效率，而且 AVDD 是經(jīng)過 Buck-Boost 產(chǎn)生的，不再受限于輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)高壓電池應(yīng)用的要求，彌補了 SIMO 架構(gòu)的一個短板。

Buck-Boost 架構(gòu)的引入，增加了整體方案的復(fù)雜性，且外圍仍然需要 1L+9C 元器件，不過對稱電壓模式畢竟是大勢所趨，向 Buck-Boost + LDO + NVCP 架構(gòu)轉(zhuǎn)變也一定是 AMOLED 電源架構(gòu)發(fā)展的必由之路，因此這個新架構(gòu)的出現(xiàn)是非常值得關(guān)注的。

圣邦微電子推出的 SGM38046 采用了這種為對稱電壓模式而優(yōu)化的 Buck-Boost + LDO + NVCP 架構(gòu)。這顆單芯片解決方案可以將 2.7V 至 5.5V 的輸入電壓轉(zhuǎn)化為 AMOLED 面板所需的三路電壓 軌：AVDD 輸出電壓（3.3V）、OVDD 輸出電壓（2.8V 至 4.6V，默認輸出電壓 3.3V ± 1%，0.1V 步進）、OVSS 輸出電壓（-0.6V 至-4.0V，默認輸出電壓 3.3V ± 1%，0.1V 步進），并提供高達 90mA 的 負載電流，還能夠提供欠壓鎖定、過流保護、短路保護、過壓保護和過溫保護功能，是目前對稱電壓模式下小屏幕 AMOLED 理想的電源解決方案。

5 轉(zhuǎn)變?nèi)簭挠须姼械綗o電感

最初的 AMOLED 的對稱電壓是±3.6 至 3.7V，因此必須通過 Buck-Boost 轉(zhuǎn)化器才能產(chǎn)生合適 的電壓；而隨著 AMOLED 技術(shù)的發(fā)展，電壓正在進一步降低，已經(jīng)有面板廠商可以提供支持±3.3V 對稱電壓的 AMOLED 產(chǎn)品，這就意味著在 Buck-Boost + LDO + NVCP 架構(gòu)中，可以將 Buck-Boost 省掉，用一個純電荷泵的架構(gòu)就能夠滿足 AMOLED 的電源驅(qū)動要求。而且，這樣的改變帶來的不 僅僅是電源芯片自身架構(gòu)的進一步簡化，還由此省去了電感，變成了一個無電感的架構(gòu)。

圣邦微電子新近推出的 SGM38045 芯片功能框圖如圖 9 所示。該器件包括一個 1×/1.5×電荷泵和 一個-1×反向電荷泵，由 2.7V 至 4.8V 輸入電壓生成所需的三個電源軌輸出：

• AVDD 輸出電壓：3.3V（默認輸出電壓：3.3V ± 1%）；
• OVDD 輸出電壓：2.8V 至 3.5V（默認輸出電壓：3.3V ± 1%，0.1V 步進）；
• OVSS 輸出電壓：-2.8V 至-3.5V（默認輸出電壓：-3.3V ± 1%，0.1V 步進）。

SGM38045 能夠提供 70mA 的負載電流，0.02μA 的關(guān)斷電流，像圣邦微電子其他 AMOLED 電 源方案一樣，應(yīng)用開發(fā)中所必須的電源管理和保護特性也一應(yīng)俱全。隨著±3.3V 對稱電壓 AMOLED 的興起，該產(chǎn)品將極具成長性。

6 AMOLED 電源的新趨勢

未來小屏幕 AMOLED 電源技術(shù)趨勢如何，需要實時關(guān)注和敏銳洞察當下應(yīng)用方對新技術(shù)的迭代更新。例如，2019 年，蘋果率先宣布在 Apple Watch4 和 Apple Watch5 中采用了 LTPO 屏幕，該技術(shù)綜合了當下 OLED 屏幕 IGZO 和 LTPS 方案的優(yōu)勢，提供了超高的電子遷移率、更快的反應(yīng)速度、 更低的功耗，無疑代表著 OLED 發(fā)展的新方向。為 LTPO 屏幕打造電源驅(qū)動方案，則自然成為下一 個需要大家去面對的課題。

仔細分析 LTPO 屏幕的電源設(shè)計要求，與無電感的對稱電壓方案有很多相似之處，關(guān)鍵變化是需要提供一個 7 至 8V 的高壓 AVDD。那么，在現(xiàn)有的無電感方案基礎(chǔ)上，通過一級電荷泵去產(chǎn)生 這個高壓輸出是不是就可以了呢？面對 AMOLED 電源芯片的新趨勢，圣邦微電子已經(jīng)有了解題思路，并將持續(xù)推出新的 AMOLED 電源解決方案。

7 結(jié)語

本應(yīng)用指南回顧了 AMOLED 電源技術(shù)的發(fā)展歷程，以及圍繞著這一歷程芯片解決方案的變化。 用戶可根據(jù)自身需求，選擇合適的 AMOLED 電源方案。