小屏幕AMOLED电源方案发展趋势

1 .AMOLED概述

AMOLED(Active-Matrix Organic LED，有源矩阵有机发光二极管)显示屏，具有色彩鲜艳、轻薄、主动发光、视角宽、亮度高、响应快速、能耗低、支持柔软显示等特点，在智能手环、智能手表、VR等小尺寸显示屏中已成为主流。

图1：AMOLED显示屏的结构。(图片来源：HowStuffWorks)

一个完整的小尺寸AMOLED显示方案，除了显示面板本身，与之配套的驱动TFT工作的电源芯片同样是不可或缺的。

2 .AMOLED电源芯片的设计考量

AMOLED电源芯片的设计需要权衡和考量下面几个关键的要素：

1. 输入输出电压范围

输入输出电压范围及其之前的关系，直接影响着电路架构的选择。通常可选的电压转化器架构包括LDO、电感式开关DC/DC和电荷泵，或几类技术的组合。

2. 输出电源轨之间的关系

小屏幕AMOLED电源轨通常包括正负电源电压ELVDD和ELVSS，以及驱动IC电压AVDD。ELVDD/ELVSS从非对称电压(4.6V/-2.4V)模式向对称电压(3.3V/-3.3V)模式的转变，是影响近年来AMOLED电源方案演化的一个重要因素。

3. 负载电流大小

单电感、无电感电源架构更适用于小屏幕小负载电流的应用，这也是与大屏多电感电源架构之间的显著差异。

4. 整体方案尺寸和成本

小屏幕AMOLED，其应用场景往往受空间限制，因此AMOLED电源方案在设计中需要综合考虑各方面的因素，尽可能实现紧凑的尺寸。一方面，要不断提升电源芯片自身的集成度和简化芯片电路架构，优化成本；另一方面，着力简化外围电路中元器件的数量，比如为了减少外围电路中体积较大的电感的使用，单电感架构成为了小尺寸AMOLED电源方案的主流，圣邦还推出了无电感方案的SGM38045。

最终AMOLED电源方案的形成和演进，实际上是根据设计需要，围绕上述这些因素，反复权衡、优化的过程。在这个过程中有三个重要的转变，影响了小屏幕AMOLED电源方案的发展趋势，下面对此展开仔细分析。

3 .转变一：从单电感到SIMO

前面提到单电感架构成为了小尺寸AMOLED电源方案的普遍选择，而在单电感架构中，市面已有产品中主要包括以下几种类型：

1. 架构A：Boost-Bypass+LDO+NVCP

图2：Boost-Bypass+LDO+NVCP架构框图。

该架构通过一个Boost-Bypass升压DC/DC，输入电压较低时Boost升压，输入电压较高时Bypass直通，再经LDO获得ELVDD和AVDD；通过一个负压电荷泵(NVCP)生成ELVSS负压电源轨，采用了-1×/-0.5×的NVCP，可支持对称和非对称电压输出。但功率管数量多，芯片面积大，外部器件也增加至1L+10C。在非对称电压应用下正压效率损失大(见下述表1)；且在更高电池电压、更低输出电压的应用中整体效率会进一步降低，如4.48V输入、±3.3V输出时效率仅为3.3÷4.48≈73.6%，因而限制了其应用的扩展。

1. 架构B：SIMO

单电感多输出(SIMO)架构通过让多路输出分时使用同一个电感，大大减少了所需电感的数量，因此在智能手表、智能眼镜等面积紧凑的电池供电设备中的应用越来越广泛。

图3：SIMO单电感多输出架构框图。

由图3可见，采用SIMO架构，无需NVCP即可实现ELVDD、ELVSS和AVDD三路输出，而整个电路架构只需7~8个功率管，架构非常简单；同时外围电路也仅需1L+6C，对小型化设计非常有利。

圣邦微电子的SGM38042就是一款基于自有专利SIMO技术打造的性能优异的AMOLED电源芯片，可在单节锂电池供电下提供AMOLED显示屏所需的ELVDD、ELVSS及AVDD三路输出。同时，其优良的输出纹波、负载瞬态响应、电源瞬态响应等特性，很好地解决了AMOLED电源方案的痛点。因此一经推出，SGM38042就成了小屏幕AMOLED电源圈的明星产品。

4 .转变二：从非对称电压到对称电压

低功耗需求推动着AMOLED技术的演化，降低AMOLED的EL工作电压跨压成为了重要的发展趋势，使得早期小屏4.6V/-2.4V跨压7.0V的非对称结构，转变为了3.3V/-3.3V跨压6.6V的对称电压结构。很直观的，从屏的电压结构角度上直接节省了0.4V，约5.7%的功耗。

采用对称电压的供电方案，从电源芯片的电路架构上可以用更简单的电路架构来实现，且能获得更多的功耗节省(见图4和表1)。

从图4的电路架构上看，如果采用对称电压模式，电路架构一个最大的变化就是将-1×/-0.5×的NVCP变成了-1×的NVCP，这使得NVCP所需的功率管的数量由7~8个减少至4个，架构简化效果显著，大大节约了这部分芯片的面积和成本。

此外，使用对称电压结构后，所需的实际功耗也得到了大幅度降低(见表1)。

图4：非对称电压(上)和对称电压模式(下)电源架构及各中间环节电压点的变化。

表1：非对称与对称电压模式的芯片功耗对比

圣邦微电子SGM38046采用了一种为对称电压模式而优化的Buck-Boost+LDO+NVCP架构(见图5)。这颗单芯片解决方案可以将2.7～5.5V的输入电压转化为AMOLED面板所需的三路电压轨：AVDD(3.3V)、ELVDD(2.8～4.6V)、ELVSS(-0.6～-4.0V)，并提供高达90mA的负载电流。SGM38046还能够提供欠压锁定、过流保护、短路保护、过压保护和过温保护功能，是目前对称电压模式下小屏幕AMOLED理想的电源解决方案。

图5：适用对称电压模式的SGM38046电源架构。

5 .转变三：从有电感到无电感

省掉电感可以进一步压缩整体方案的面积和降低高度，因此，无电感结构的电源芯片在智能手环手表市场上的应用中得以实现。

圣邦微电子SGM38045芯片应用电路如图6所示。该器件包括一个1×/1.5×电荷泵和一个-1×负压电荷泵，由2.7～4.8V输入电压生成所需的三个电源轨输出：AVDD(3.3V)、ELVDD(2.8～3.5V)、ELVSS(-2.8～-3.5V)。SGM38045能够提供70mA的负载电流，峰值效率可以达到近90%，平均效率也可达82%。

图6:无电感架构的SGM38045典型应用图。

6 .AMOLED电源的新趋势

未来小屏幕AMOLED电源技术趋势如何，需要实时关注和敏锐洞察当下应用方对新技术的迭代更新。对此，圣邦微电子已经有了新的解题思路，并将持续推出新的AMOLED电源解决方案。

本文为《电子工程专辑》2024年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅