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 97303 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。

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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“