一种用于Micro-LED的新型PWM像素电路设计_王婷.pdf

照明电器 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明136文章编号：2096-9317（2023）01-0136-03一种用于 Micro-LED 的新型 PWM 像素电路设计王 婷厦门技师学院，福建 厦门 361000摘要：目前，市场上的微型发光二极管（Micro-Light Emitting Diode.Micro-LED）的像素电路广泛使用的是有机发光半导体（OLED）上所使用的脉冲幅度调制（PAM）像素电路。PAM 会导致 Micro-LED 的色移现象，不适用于 Micro-LED。脉冲宽度调制（PWM）采用电压占空比控制 LED 的亮度，其电流是固定的，可以解决色移问题。因此，文章开发了一种用于 Mi-cro-LED 的新型 PWM 像素电路。开发的像素电路可以降低功耗，实现 60 Hz 的驱动电路频率和 120 Hz 的LED 照明频率。关键词：脉冲宽度调制；PWM；像素电路；微型发光二极管；Micro-LED分类号：TN8730引言由于发光效率高、功耗低、寿命长，微型发光二极管（Micro-Light Emitting Diode.Micro-LED）在当今的显示行业越来越受到关注1。然而，根据 Micro-LED的电光特性，当电流密度增加时，其中心波长会向更高的能量移动，这一现象被称为“色移”2。脉冲幅度调制（PAM）是电压驱动电流、电流控制亮度的方法，电流的变化会带来 Micro-LED 的色移现象，因此 PAM像素电路不适用于 Micro-LED。为解决色移问题，提出了脉冲宽度调制（PWM）方法，其像素电流是固定的，发光效率可以设置在峰值位置。在现有的 PAM 电路（2T1C 和 7T1C）中，驱动薄膜晶体管（TFT）工作在饱和区，高电平（PVDD）和低电平（PVEE）之间的电压差很大，功耗很大，而 PWM 电路可以很好地解决这个问题，驱动 TFT 的栅极电压是固定的，也就是说高电平和低电平之间的电压差只需大于 LED 的导通电压，这可以将功耗降低近一半。使用 PWM 驱动 LED 时，需要关注 LED 的频率，在低灰度的情况下，即占空比低时，LED 可见的闪烁很明显。Jin-Ho Kim 等3设计了一个带有 P 型金属氧化物半导体低温多晶硅薄膜晶体管（PMOS LTPS TFT）的 PWM 像素电路，其使用 9 个薄膜晶体管、3 个电容和 1 个扫描信号来创建方脉冲，数据电压为 4 8 V，驱动电路和 LED 工作频率为 120 Hz，压缩了充电时间。文章利用扫描信号来创建不同的占空比，将扫描信号开发成波形，使得开发的 PWM 电路可以分别实现60 Hz 的驱动电路频率和 120 Hz 的 LED 照明频率，在保持充电时间的同时提高 LED 频率。同时使用互补金属氧化物半导体低温多晶硅薄膜晶体管（CMOS LTPS TFT）器件，其可以在 0 10 V 的电压下工作，现在常用的电压范围是 0 5 V，因此文章主要讨论 0 5 V范围下新型脉冲宽度调制像素电路的设计。1Micro-LED 的色移色移是 Micro-LED 的一个重要特性。蓝色 Micro-LED 和绿色 Micro-LED 的色移不同，绿色 Micro-LED的色移远大于蓝色 Micro-LED，这意味着，对于不同的电流，RGB（红绿蓝）调白点所需的比例不同，这增加了 RGB（红绿蓝）三色 LED 转换的调试难度。因此，针对 RGB（红绿蓝）三色 Micro-LED，必须采用 PWM像素电路。2改进的 PWM 像素电路PWM 像素电路单元如图 1 所示，它由两部分组成，一部分是信号控制部分，数据（data）可以写入 Q 节点，由于采用三角波作为扫描信号（sweep）的方式，不同的写入电压导致 Q 节点的波形不同；另一部分是信号处理部分，Q 节点会与参考信号（ref）进行一系列运算，输出一个由电压决定的占空比不同的脉冲信号。整个电路由 12 个薄膜晶体管和 1 个电容组成。行扫描信号（row）的开启时间由分辨率决定，分辨率越高，行扫描信号的开启时间越短，数据信号（data）写入像素电路的时间也越短，这就意味着数据信号（data）写作者简介：王婷，女，硕士，助理讲师，研究方向为集成电路设计。光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电器137入像素电路后必须用一个电容储存电荷，而电容的大小需要通过仿真确认。PWM 像素电路时序如图 2 所示。PWM 像素电路的工作流程分为两部分，则时序也有两部分，在信号控制部分，数据是逐行写入的，在信号处理部分，与参考信号的运算是同时进行的。该 PWM 像素电路的最大优点是 Q 节点仅在参考信号高于它时才起作用，这意味着，当 Q 节点的电压高于参考信号时，输出将设置为关闭状态，当 Q 节点的电压低于参考信号时，输出将设置为打开状态。因此，扫描信号达到最低值的次数决定了 Micro-LED 的开关频率。扫描信号的数值、频率和斜率是控制占空比和亮度范围的关键点。扫描信号是一个三角波，三角波的最低电位的数量决定了LED 的照明频率。文章设计了一种有 2 次最低电位的三角波，所对应的照明频率为 120 Hz，如若需要更高的照明频率，则需要增加三角波的最低电位数。设计时，需要先根据需求亮度的范围，设计扫描信号的数值、频率、斜率和最低电位数，然后再设计其他信号与之匹配。3仿真验证设计 PWM 电路的核心目标是输入不同幅值的电压，通过一系列的电路输出不同占空比的方波波形。上文已描述了一种创新的电路设计方案，还需要通过电路仿真验证设计的可行性，确认可行后，需依据电路原理绘制出电路版图，后续发包给集成电路制造公司进行流片，然后用实际产品验证可行性。3.1 原理图绘制和仿真利用华大九天软件完成原理图绘制，输入信号包括行扫描信号（row）、扫描信号（sweep）、数据信号（data）、高电平（PVDD）、低电平（PVEE）及参考信号（ref），图 2改进的 PWM 像素电路时序图信号控制信号处理1 帧(16.67 ms)参考电平低电平高电平数据信号扫描信号行 240行 3行 2行 1数据电压data行扫描信号row扫描信号sweep参考信号ref高电平 PVDD低电平 PVEE信号处理QOUT信号控制图 1改进的 PWM 像素电路单元 照明电器 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明138行扫描信号设置范围在-7 8 V，扫描信号设置范围在-7 2 V，数据信号设置范围在 0 5 V，高电平设置范围在-3 8 V，低电平设置范围在-7 5 V，参考信号设置范围在-5 1 V。对原理图进行仿真，不同数据电压下 Q 节点电位的最低电压会有所不同，这意味比较 Q 节点电位和统一的参考信号时，低于参考信号电位的时间（即发光时间）不同，并且由数据电压决定。发光时间的仿真结果如图 3 所示。在图 3 中，随着数据电压下降，发光时间增加，当数据电压为 5 V 时，像素关闭，发光时间为 0。当数据电压下降到 4 V、3 V、2 V、1 V、0 V 时，发光时间分别为 0.58 ms、1.11 ms、1.57 ms、1.93 ms、2.21 ms。00.511.522.5012345时间/ms数据电压/V图 3不同数据电压下发光时间的仿真结果3.2 版图绘制和验证按照原理图完成版图设计，控制光罩数量在 11张以内，设计中尽量采用一种金属来绘制横向金属走线，用另一种金属来绘制纵向金属走线，以压缩空间，减少光罩数量。实际绘制的单个像素的版图尺寸在200 300 m 之间，全部完成版图的 DRC 和 LVS 验证。因为高电平、低电平和扫描信号是整面性的信号，电阻负载较大，存在面内不均匀的可能性，建议增加第三层金属，将高电平、低电平和扫描信号设计成“井”字形，以增强面内的均匀性。3.3 流片测试将设计完成的版图发包给流片公司，实际在玻璃上制作 1 个像素单位的 PWM 像素电路，并用探针台、信号源和示波器成功搭建测试电路，测试不同数据电压下的输出信号波形，测试结果如图 4 所示。当数据电压为 5 V、4 V、3 V、2 V、1 V、0 V 时，LED 点亮时间分别为 0 ms、0.72 ms、2.16 ms、3.28 ms、4.08 ms、4.56 ms，符合预期。4结束语文章设计了一种新的 PWM 像素电路，PAM 像素电路存在色移的问题且功耗较高，通过 PWM 像素电路替代 PAM 像素电路，可以解决色移和功耗较高的问题。在低亮度情况下，照明频率为 60 Hz 时，LED 的可见闪烁很明显。采用新的 PWM 像素电路可以分别实现 60 Hz 的驱动频率和 120 Hz 的照明频率，可以在保持充电时间的同时增加 LED 照明频率。随着数据电压从 0 V 变化到 5 V，Micro-LED 的发光时间和亮度改变，验证了数据电压对灰度的控制良好。当数据电压为 5 V时，发光时间为 0，像素关闭。电路可以根据需要设置扫描波来改变关断电压，如果设置输出更大范围的数据电压，如从 0 V 到 10 V，该电路也可以工作，并且将具有更多的灰度和更精致的图像质量。现已完成单个像素电路的实物测试，从电路原理上来说可以实现预期的功能，但加上 Micro-LED 和整个面板后是否会有预想不到的问题发生，还需要进一步的流片确认。参考文献1 杨杭,黄文俊,张胡梦圆,等.GaN基Micro-LED的外量子效率研究(英文)J.半导体光电,2022,43(3):522-528.2 宋锐,邓春丽,刘宏立.可见光通信色移键控星座设计方法研究J.光电子激光,2021,32(4):419-424.3 JIN-HO K,SANGMIN S,KISUN K,et al.PWM Pixel Circuit with LTPS TFTs for micro LED DisplaysJ.SID International Symposium:Digest of Technology,2019,50(1):192-195.0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%0123456占空比/%数据电压/V图 4不同数据电压下的实际占空比