LCD 和 OLED 面板是電視、電腦顯示器或平板電腦顯示器的主要技術。隨著這些面板的普及，降低它們的功耗和提供背板公共節點電壓 （VCOM） 的放大器的結溫變得更加迫切。

LCD 和 OLED 技術都使用薄膜晶體管 （TFT） 背板，通過打開和關閉單個 TFT 設備來控制每個像素。柵極電壓同時施加到特定的面板行，以允許源極電壓流向每個像素。改變像素電容電壓控制每個像素的光透明度和整體顯示圖像。這些 TFT 電路使用銦錫氧化物 （ITO） 電極沉積，該電極是一種半透明金屬層。由于這些晶體管陣列是通過薄膜沉積技術沉積的，因此這些晶體管作為開關的質量遠非理想。

像素尋址電路的簡化電路圖如圖 1 所示。每個 LCD 像素由等效電容器 （C） 表示，只要柵極電壓變高并開啟 TFT，就會將其連接到源極電壓。源電壓值取決于面板尺寸，30“ 至 70” LCD 面板的范圍為 0 V 至 24 V，平板尺寸的面板為 0 V 至 8 V。所有像素的底部端子連接為公共背板節點電壓，稱為公共電壓，或 VCOM。應將 VCOM 電壓調節并保持為整個面板區域的單一電位電壓。為了延長面板的使用壽命并減少圖像閃爍，通常將 VCOM 設置為略低于零和最大電源電壓電平之間中點的值。

圖 1： TFT 背板的簡化像素尋址電路。

TFT 背板的制造差異可能會導致面板之間的 VCOM 電壓電平顯著變化，即使在同一生產線中也是如此。因此，面板模塊組件的最后一次質量檢查測試會調整 VCOM 電平和工廠校準設置，以獲得每個面板的最佳 VCOM 電壓。隨著像素信息的變化，在瞬態條件下保持面板上的 VCOM 電平一致也很重要。為了保持出廠電壓設置，1 到 12 個運算放大器通道（通常稱為 VCOM 緩沖器）連接到包含出廠 VCOM 設置的數字電位器的 DAC 輸出。圖 2 顯示了數字電位器和單個 VCOM 緩沖器的典型框圖。

圖 2： LCD 面板中數字電位器和 VCOM 放大器的典型示意圖。

對 VCOM 緩沖器進行建模

在圖 1 中，代表每個像素的電容器可以建模為非極化電容器。通過這樣做，只要電壓的絕對值保持不變，每個像素上的電壓極性就不會影響其亮度。圖像不受像素電容器極性周期性反轉的不利影響。

從公共平面流向電容器再充電的電流必須由 VCOM 放大器提供或吸收。峰峰值電流瞬態取決于每個像素的亮度和圖像特性。

要了解 VCOM 放大器行為的電氣分析，可以使用圖 3 所示的簡化模型。在此模型中，LCD 面板由分布式 RC 負載表示，方波驅動器表示施加到像素電容器的變化電荷。當瞬態發生時，VCOM 輸出會補償變化并恢復公共平面上的原始電壓。輸出電壓必須在水平周期結束之前穩定下來，從而定義了 VCOM 放大器的壓擺率和帶寬要求。

圖 3： VCOM 放大器和 LCD 仿真模型。

VCOM 放大器有兩個反饋網絡。本地直流反饋 （RFB2） 將放大器配置為跟隨器。一個額外的遠程交流反饋（RFB1、CFB）將 LCD 公共平面的中間連接到運算放大器的負輸入，用于加速 VCOM 平面的電壓恢復。

傳統 VCOM 緩沖器設計

VCOM 放大器傳統上由稱為 AVDD 的單個模擬電源供電，其具體值取決于面板尺寸和制造商。對于平板大小的面板，AVDD 可以為 8 V，而 VCOM 目標電壓為 3 V。在瞬態事件期間，高峰值電流從 AVDD 流向公共平面，然后從平面返回到地。放大器的總功耗將取決于峰值電流和 VCOM 輸出電壓。

圖 4 中的模型仿真結果說明了 VCOM 隨面板的水平頻率和放大器的輸出電流而變化。結果取決于圖像；然而，對于所有圖像，負載的瞬態特性會導致放大器的功耗增加，降低其整體效率，并增加其結溫。

圖 4：簡化的 VCOM 輸出電壓和電流波形。

GVCOM 放大器提供穩定性和節能性

G 級放大器可用于解決與傳統 VCOM 放大器相關的損耗。G 級放大器利用多個電源軌（AVDD、VP、VN 和 GND）來驅動放大器的輸出級。VCOM 緩沖器需要兩個獨立的輸出級連接到四個電壓電平。對于使用 8 V AVDD 電壓的平板電腦面板示例，可選擇 VP 作為平板電腦的鋰離子電池（標稱 3.7 V），可選擇 VN 作為平板電腦數字 IC 的 1.2 V 核心電壓。

圖 5 顯示了 GVCOM 緩沖器實施的一個示例。每個輸出級都有一個 MOSFET，通過一個開關連接到放大器輸出，標記為 SW1 到 SW4。該電路還包括輸出檢測比較器，以提供輸出電壓電平和所有電源軌的實時比較。當 VCOM 輸出電壓低于 VP 時，SW1 關閉，SW2 開啟，從較低的 VP 電壓為輸出級供電。在瞬態負載下，當 VCOM 輸出高于 VP 軌時，開關 SW1 和 SW2 反轉其位置，輸出電流從較高的 AVDD 電壓提供。

圖 5： GVCOM 放大器的簡化概念。

同樣，輸出級選擇也發生在運算放大器灌電流時。當輸出電壓高于 VN 軌時，SW3 開啟，SW4 關閉。對于穩態 3 V VCOM 輸出，輸出級始終在 VN 和 VP 電壓軌之間供電，這顯著降低了輸出級的峰峰值電壓，并顯著降低了放大器的功耗。

圖 6 說明了瞬態負載期間放大器的輸出電流。最初，輸出電流由 VP 電壓供電軌（綠色跡線）提供。隨著輸出電流的增加，第二個輸出級開啟，這導致輸出電流從較高的 AVDD 電壓流出（紅色跡線）。隨著輸出恢復到其原始值，輸出電流緩慢轉移到原始輸出 VP 級。當輸出電壓降至 VN 電壓或接地時，也會發生相同的過程。這些結果顯示了放大器中的總功耗是如何顯著降低的。

圖 6： GVCOM 放大器輸出電壓和電流波形。

單芯片 GVCOM 放大器解決方案

圖 7 顯示了 GVCOM 實施的一個示例。Exar 的 iML2911 單芯片解決方案僅使用現有的平板電腦電源（1.2 V、3.7 V 和 7.6 V）。電源輸入 VP 連接到標稱電壓為 3.7 V 的鋰離子電池。

圖 7：使用單芯片 GVCOM 放大器解決方案的 GVCOM 設計。

與平板電腦應用中的標準 iML7831 VCOM 放大器相比，iML2911 GVCOM 放大器的輸出功率節省如表所示。考慮到鋰離子電池在整個充電過程中的不同電壓水平，總功耗是在 3.0 V 至 5.0 V 的 VP 電壓范圍內測量的。如果 VP 連接到固定電源而不是電池，這種方法也將建立 VP 電源軌的最佳值。

測試了三種不同的顯示模式：靜態、垂直和亞垂直。靜態圖案為標準平板主屏；垂直和亞垂直模式是一系列黑色和白色像素。盡管通常不會遇到垂直和亞垂直模式，但它們通常在行業中用于測試 LCD 面板以估計最壞情況下的熱性能。

表 1： GVCOM iML2911 和標準 iML7831 放大器的功耗比較。

作者：Dimitry Goder，Gi Young Lee

審核編輯：郭婷