G级放大器在驱动LCD和OLED时会切断电源

作者：Dimitry Goder，Gi Young Lee

LCD 和 OLED 面板是电视、电脑显示器或平板电脑显示器的主要技术。随着这些面板的普及，降低它们的功耗和提供背板公共节点电压（VCOM） 的放大器的结温变得更加迫切。

LCD 和 OLED 技术都使用薄膜晶体管 （TFT）背板，通过打开和关闭单个 TFT 设备来控制每个像素。栅极电压同时施加到特定的面板行，以允许源极电压流向每个像素。改变像素电容电压控制每个像素的光透明度和整体显示图像。这些 TFT 电路使用铟锡氧化物 （ITO） 电极沉积，该电极是一种半透明金属层。由于这些晶体管阵列是通过薄膜沉积技术沉积的，因此这些晶体管作为开关的质量远非理想。

像素寻址电路的简化电路图如图 1 所示。每个 LCD 像素由等效电容器 （C）表示，只要栅极电压变高并开启 TFT，就会将其连接到源极电压。源电压值取决于面板尺寸，30“ 至 70” LCD 面板的范围为 0 V 至 24 V，平板尺寸的面板为 0 V 至 8 V。所有像素的底部端子连接为公共背板节点电压，称为公共电压，或 VCOM。应将 VCOM 电压调节并保持为整个面板区域的单一电位电压。为了延长面板的使用寿命并减少图像闪烁，通常将 VCOM 设置为略低于零和最大电源电压电平之间中点的值。

图 1： TFT 背板的简化像素寻址电路。

TFT 背板的制造差异可能会导致面板之间的 VCOM 电压电平显着变化，即使在同一生产线中也是如此。因此，面板模块组件的最后一次质量检查测试会调整 VCOM 电平和工厂校准设置，以获得每个面板的最佳 VCOM 电压。随着像素信息的变化，在瞬态条件下保持面板上的 VCOM 电平一致也很重要。为了保持出厂电压设置，1 到 12 个运算放大器通道（通常称为 VCOM 缓冲器）连接到包含出厂 VCOM 设置的数字电位器的 DAC 输出。图 2 显示了数字电位器和单个 VCOM 缓冲器的典型框图。

图 2： LCD 面板中数字电位器和 VCOM 放大器的典型示意图。

对 VCOM 缓冲器进行建模

在图 1 中，代表每个像素的电容器可以建模为非极化电容器。通过这样做，只要电压的绝对值保持不变，每个像素上的电压极性就不会影响其亮度。图像不受像素电容器极性周期性反转的不利影响。

从公共平面流向电容器再充电的电流必须由 VCOM 放大器提供或吸收。峰峰值电流瞬态取决于每个像素的亮度和图像特性。

要了解 VCOM 放大器行为的电气分析，可以使用图 3 所示的简化模型。在此模型中，LCD 面板由分布式 RC 负载表示，方波驱动器表示施加到像素电容器的变化电荷。当瞬态发生时，VCOM 输出会补偿变化并恢复公共平面上的原始电压。输出电压必须在水平周期结束之前稳定下来，从而定义了 VCOM 放大器的压摆率和带宽要求。

图 3： VCOM 放大器和 LCD 仿真模型。

VCOM 放大器有两个反馈网络。本地直流反馈 （RFB2） 将放大器配置为跟随器。一个额外的远程交流反馈（RFB1、CFB）将 LCD 公共平面的中间连接到运算放大器的负输入，用于加速 VCOM 平面的电压恢复。

传统 VCOM 缓冲器设计

VCOM 放大器传统上由称为 AVDD 的单个模拟电源供电，其具体值取决于面板尺寸和制造商。对于平板大小的面板，AVDD 可以为 8 V，而 VCOM 目标电压为 3 V。在瞬态事件期间，高峰值电流从 AVDD 流向公共平面，然后从平面返回到地。放大器的总功耗将取决于峰值电流和 VCOM 输出电压。

图 4 中的模型仿真结果说明了 VCOM 随面板的水平频率和放大器的输出电流而变化。结果取决于图像；然而，对于所有图像，负载的瞬态特性会导致放大器的功耗增加，降低其整体效率，并增加其结温。

图 4：简化的 VCOM 输出电压和电流波形。

GVCOM 放大器提供稳定性和节能性

G 级放大器可用于解决与传统 VCOM 放大器相关的损耗。G 级放大器利用多个电源轨（AVDD、VP、VN 和 GND）来驱动放大器的输出级。VCOM 缓冲器需要两个独立的输出级连接到四个电压电平。对于使用 8 V AVDD 电压的平板电脑面板示例，可选择 VP 作为平板电脑的锂离子电池（标称 3.7 V），可选择 VN 作为平板电脑数字 IC 的 1.2 V 核心电压。

图 5 显示了 GVCOM 缓冲器实施的一个示例。每个输出级都有一个 MOSFET，通过一个开关连接到放大器输出，标记为 SW1 到 SW4。该电路还包括输出检测比较器，以提供输出电压电平和所有电源轨的实时比较。当 VCOM 输出电压低于 VP 时，SW1 关闭，SW2 开启，从较低的 VP 电压为输出级供电。在瞬态负载下，当 VCOM 输出高于 VP 轨时，开关 SW1 和 SW2 反转其位置，输出电流从较高的 AVDD 电压提供。

图 5： GVCOM 放大器的简化概念。

同样，输出级选择也发生在运算放大器灌电流时。当输出电压高于 VN 轨时，SW3 开启，SW4 关闭。对于稳态 3 V VCOM 输出，输出级始终在 VN 和 VP 电压轨之间供电，这显着降低了输出级的峰峰值电压，并显着降低了放大器的功耗。

图 6 说明了瞬态负载期间放大器的输出电流。最初，输出电流由 VP 电压供电轨（绿色迹线）提供。随着输出电流的增加，第二个输出级开启，这导致输出电流从较高的 AVDD 电压流出（红色迹线）。随着输出恢复到其原始值，输出电流缓慢转移到原始输出 VP 级。当输出电压降至 VN 电压或接地时，也会发生相同的过程。这些结果显示了放大器中的总功耗是如何显着降低的。

图 6： GVCOM 放大器输出电压和电流波形。

单芯片 GVCOM 放大器解决方案

图 7 显示了 GVCOM 实施的一个示例。Exar 的 iML2911 单芯片解决方案仅使用现有的平板电脑电源（1.2 V、3.7 V 和 7.6 V）。电源输入 VP 连接到标称电压为 3.7 V 的锂离子电池。

图 7：使用单芯片 GVCOM 放大器解决方案的 GVCOM 设计。

与平板电脑应用中的标准 iML7831 VCOM 放大器相比，iML2911 GVCOM 放大器的输出功率节省如表所示。考虑到锂离子电池在整个充电过程中的不同电压水平，总功耗是在 3.0 V 至 5.0 V 的 VP 电压范围内测量的。如果 VP 连接到固定电源而不是电池，这种方法也将建立 VP 电源轨的最佳值。

测试了三种不同的显示模式：静态、垂直和亚垂直。静态图案为标准平板主屏；垂直和亚垂直模式是一系列黑色和白色像素。尽管通常不会遇到垂直和亚垂直模式，但它们通常在行业中用于测试 LCD 面板以估计最坏情况下的热性能。

表 1： GVCOM iML2911 和标准 iML7831 放大器的功耗比较。