AMOLED显示屏的痛点和解决方案

AMOLED发展趋势

AMOLED是英文Active-matrix organic light emitting diode的简写，中文全称是有源矩阵有机发光二极体或主动矩阵有机发光二极体。相对传统LCD屏，AMOLED具有着轻薄，柔韧性高，响应速度快，对比度高，功耗低的优势，并获得越来越多的手机厂商青睐。据市场统计，AMOLED屏手机市场占有率会在2023年和LCD相持平，2024年超过LCD的市场占有率。

目前针对5-8寸市场主流的AMOLED屏驱动电源方案集中在600mA规格。随着屏幕的技术演进，为了给用户在强光下带来更好的使用体验，屏幕亮度需要进一步提高，这对AMOLED屏驱动电源芯片提出了更高要求：800mA+的驱动电流。针对此市场需求，艾为电子推出的AW37577ECSR AMOLED屏驱动电源芯片，在维持WLCSP 2.05mm*2.05mm-25B封装的情况下，将带载能力提升到800mA+。

AMOLED显示屏的痛点

痛点一：闪屏

AMOLED屏的本质是用来向用户呈现完美画质，增强用户的使用观感。但如果这个时候屏幕上出现如下水波纹或者闪屏现象，这就相当于正在吃饭时候，碗中出现了苍蝇，体验感极差。而如此影响用户体验的问题，我们就去探究它的形成因素，如下图是AMOLED单个像素点的发光电路（图一）：

图一 AMOLED发光电路

它的工作过程如下：

1)复位阶段： SCAN(n-1)使能，其它关闭，此时Vint1电压给N1端初始化

2)补偿阶段： SCAN（n）使能，其它关闭，此时DATA电压充到N1点，T2处于临界关闭条件是（公式一）：

Vgs（T2）= VN1-VDATA-=VTH即VN1= VDATA+VTH ①

3)二极管阳极复位： SCAN（n+1）使能，使发光二极管阳极复位，保证OLED关闭

4)发光阶段： EM使能，此时ELVDD流向ELVSS，使OLED点亮。此时发光电流为（公式二）：

ID=1/2μnCoxW/L(Vgs(T2)-VTH)²=1/2μnCoxW/L(VDATA+VTH-ELVDD-VTH)²= 1/2μnCoxW/L(VDATA -ELVDD)2 ②

水波纹场景一分析：

从公式②我们可以发现AMOLED发光电流与ELVDD相关，当ID非常小的时候，此时ELVDD电压的微弱变化则会导致ID的波动，ELVDD波动频率较低，此时就可能发现我们人眼看到的水波纹现象。针对此问题我们如何解决？

图二 水波纹场景

接下来我们探索ELVDD变化的场景：

ELVDD本身纹波影响

DOWN MODE模式进退导致的ELVDD电压变化（针对DOWN MODE模式本文会重点说明）

针对第一点AW37577ECSR重点优化ELVDD的纹波，使得轻载下ELVDD可以维持在5mV的水平（图三），这样可以使ID的变化非常小，可以忽略。

图三 AW37577ECSR和竞品ELVDD纹波

针对第二点，我们先解释一下DOWN MODE模式，由于ELVDD是BOOST架构，我们要保证输入电压是小于输出电压，但实际单节电池手机系统电压在电源波动时有可能超过4.6V，而ELVDD默认输出就是4.6V，此时占空比会超过100%，这是架构无法实现的，所以我们引入DOWN MODE模式，利用BOOST 续流MOS的寄生二极管压降进行降压。言归正传，我们继续讨论DOWN MODE模式的纹波，由于进出DOWN MODE模式纹波较大，AW37577ECSR引入加速输入电压变化的瞬态响应技术，将500mA下的DOWN MODE纹波降至40mV以下，而竞品要高于60mV。

图四 DOWN MODE纹波分析

水波纹场景二分析：

上面介绍了ELVDD导致的水纹波场景，针对ELVSS会不会存在呢？答案是肯定的：会。它如何导致水纹波的呢？我们看一下工作过程 * 3）OLED阳极复位过程* ，此过程我们是打开T7对D1阳极复位，目前是将D1寄生电容C2放电，保证黑态足够黑。发光管D1电压VD1=Vint2-ELVSS。在这里我们思考一下VD1会影响什么？由二极管V-I特性可知，它会影响电流，也就是我们D1再次点亮的初始亮度，如果ELVSS波动较大，每一帧对应不同电压幅值，则会导致我们看到的水波纹现象。AW37577ECSR重点优化了ELVSS的纹波，使其在轻载下能达到6mV（图六）的水平，这样就有效避免了低亮度下ELVSS导致的屏幕水波纹现象。

图五 OLED 阳极复位图

图六 AW37577ECSR和竞品ELVSS纹波

痛点二：功耗

如下图是手机日常使用下的功耗分配以及亮度和电流对应关系：

图七 手机耗电与亮度电流对应图

我们日常使用手机的亮度是低于380nit，这种情况下屏幕耗电量占了接近25%。为了提高用户日常使用手机时间，AW37577ECSR着重于用户的使用场景，引入了APT分级驱动技术，该技术重点优化了200mA以下的中轻载效率，使得在200mA下AW37577ECSR最高效率可以超过93%。从图八效率曲线可以看出，在5mA时候AW37577ECSR比竞品效率高出至少15%。

图八 APT分级驱动

图九 AW37577ECSR和竞品效率曲线

除了日常使用，我们的OLED设计团队还考虑到客户待机以及夜晚低亮度使用情况。在这两种场景下AMOELD显示屏功耗接近空载（IQ），研发团队着重优化芯片的空载功耗（IQ），使得全输入电压范围区间都能保证小于7mA。

图十 AW37577ECSR和竞品静态功耗（IQ）

痛点三：阳光下看不清屏幕

这一点相信大家都有所共鸣，在日光强烈时候，手机屏幕总是看不清，即使看清色彩也和室内差距非常大，这个原因是由于强光下手机的对比度和亮度有所降低。如何解决这个问题？就是通过增强阳光下的屏幕亮度，目前越来越多手机的全局亮度已经高于1400nit，vivo近期发布的X100全局亮度已经达到1600nit，与屏幕亮度相对应的就是强力的电源供电能力，参考图七手机亮度与对应电流关系图可知，1400nit以上亮度需要800mA+带载能力。AW37577ECSR突破小封装带载能力低的限制，通过设计以及工艺优化，将带载能力提升到800mA+级别，满足目前大多6-8寸屏的使用场景。

图十一 AW37577ECSR最大带载能力

手机电池的发展趋势

目前以人造石墨为代表的碳基材料是锂离子电池负极的主要使用材料，石墨类负极材料占据负极材料95%的市场份额。现阶段商业化石墨负极材料已经接近其理论比容量极（372mAh/g），为进一步提升电池能量密度，寻找更高比容量负极材料成为产业研究重点。

硅基负极的原材料主要由硅材料和石墨构成。硅在常温下与锂合金化，理论比容量4200mAh/g，是目前石墨类负极材料的十倍以上。（1）

硅负极电池带来续航优势，但也带来新的挑战。目前硅负极电池最低电压可以达到2.75V，这对我们芯片的最低工作电压范围也带来了挑战。目前手机系统大多AMOLED屏驱动电源芯片大多支持2.9V以上的工作电压，这就要求我们需要在前级增加一级Boost，这不仅增加成本，也增加了寸土寸金手机PCB板的面积。而AW37577ECSR不需要增加前级Boost，可以直接面对2.75V输入电压的挑战，此外AW37577ECSR在2.5V输入电压下依旧能有600mA带载能力的出色表现。

AW37577ECSR产品特性

Vin: 2.5V ~ 5.0V

ASWIRE/ESWIRE

ELVDD: 4.6V to 5V，100mV/Step (Default:4.6V)

ELVSS: -6.6V to -1V，100mV/Step (Default:-4V)

AVDD: 6.9V to 7.9V，50mV & 100mV/Step (Default:7.6V)

Max Load Capacity：

√ 150mA(AVDD)

√ 600mA@Vin=2.5V,ELVDD=4.6V，ELVSS=-4V

√ 800mA@Vin=3.2V,ELVDD=4.6V，ELVSS=-5V

√ 800mA@Vin=3.4V,ELVDD=4.6V，ELVSS=-6V

√ Function: PSM Mode、Fast Discharge、SSD、SCP、TSD

Package: WLCSP 2.05mm*2.05mm-25B

典型应用

图十二 AW37577ECSR典型应用图

　　审核编辑：汤梓红