延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 徐陳帥 楊延寧 李小敏 馬玉昆 張 雄

便攜式場(chǎng)發(fā)射顯示器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 徐陳帥 楊延寧 李小敏 馬玉昆 張 雄

為了開(kāi)發(fā)低壓驅(qū)動(dòng)的FED(Field Emission Display)，促進(jìn)場(chǎng)發(fā)射顯示器在便攜電子設(shè)備方面的應(yīng)用。闡述了FED內(nèi)部電子發(fā)射機(jī)制以及顯示原理以及FED驅(qū)動(dòng)電路電源的特點(diǎn)。討論了開(kāi)關(guān)型的升壓芯片LM2577與TPS55340在功耗、發(fā)熱、穩(wěn)壓等方面的特點(diǎn)，分別采用兩種芯片設(shè)計(jì)了升壓電路并進(jìn)行分析比較。采用開(kāi)關(guān)型升壓電路TPS55340電路對(duì)鋰電池進(jìn)行升壓達(dá)到了FED顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓，用線性穩(wěn)壓器LM1117實(shí)現(xiàn)了控制芯片的電源驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了FED便攜式設(shè)備上的運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)表明該驅(qū)動(dòng)電路具有低功耗、發(fā)熱低、紋波小的優(yōu)點(diǎn)，為便攜設(shè)備FED屏幕電源的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

FED；LM2577；TPS55340；便攜式；驅(qū)動(dòng)電路

0 引言

隨著智能手機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在人們對(duì)便攜式設(shè)備的顯示器要求也隨之增加，更加追求其高亮度與寬視角的特性，因此需要能夠主動(dòng)發(fā)光的屏幕才能去實(shí)現(xiàn)上述功能。目前能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)發(fā)光的屏幕主要有CRT，LED，F(xiàn)ED，OLED。但是LED的分辨率較低，更適合大屏幕顯示的應(yīng)用而不便于便攜式設(shè)備[1]，接著是CRT顯示器，因?yàn)镃RT顯示器是以一個(gè)體積龐大的陰極射線管發(fā)射電子而發(fā)光[2]，因此不能實(shí)現(xiàn)便攜的用途，然而OLED[3]是一種通過(guò)有機(jī)分子材料發(fā)光，有機(jī)材料容易受到氧氣和空氣中水分的影響，使得使用壽命降低。因此FED[4]將成為未來(lái)顯示之一。目前，國(guó)內(nèi)福州大學(xué)和鄭州大學(xué)僅是研究了FED在大屏幕顯示方面的應(yīng)用。因此，本文將對(duì)FED場(chǎng)發(fā)射顯示器驅(qū)動(dòng)電路模塊實(shí)現(xiàn)便攜設(shè)備顯示做系統(tǒng)做出研究。

1 FED場(chǎng)發(fā)射顯示原理

圖1 尖錐型FED構(gòu)造圖

FED顯示按照陰極的構(gòu)造可以分為尖椎型[5]（如圖1所示）和非尖椎型，根據(jù)金屬場(chǎng)致發(fā)射的定量方程可以估算出非尖椎型需要高達(dá)1KV的電壓才能讓電子突破材料表面的勢(shì)壘發(fā)射出去，然而尖錐類型的FED可以利用尖端效應(yīng)，讓其在尖端產(chǎn)生局部高壓，隨后通過(guò)隧道效應(yīng)讓電子發(fā)出打到陽(yáng)極的熒光粉上讓熒光粉發(fā)光。這時(shí)只需較小的電壓就能使在尖端處產(chǎn)生高壓讓電子突破表面勢(shì)壘發(fā)射出去。在尖錐的選擇上，選擇美國(guó)斯坦福大學(xué)C.A.Spinds博士研發(fā)的Spindt[5]型鉬錐場(chǎng)致陰極陣列。對(duì)于FED陽(yáng)極材料選取具有導(dǎo)電性的寬帶隙半導(dǎo)體SnO2和LaGaO3[6]，以達(dá)到降低FED顯示器驅(qū)動(dòng)電壓的目的，使得陰極與陽(yáng)極的壓差降低到20伏時(shí)就能讓FED屏幕顯示出清晰的圖像。

圖2 CRT與FED的結(jié)構(gòu)原理圖

FED其實(shí)是CRT的平板化，二者的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，它們都是在真空的條件下讓電子撞擊熒光粉使之發(fā)光，但是CRT的電子束是由單一電子槍發(fā)射再通過(guò)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制電子束的方向，其體積大、重量重；而FED顯示器的平板電極是互相平行的，可以看作擁有成千上萬(wàn)個(gè)主動(dòng)場(chǎng)發(fā)射陰極，F(xiàn)ED繼承了CRT的優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)。

2 FED升壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 升壓電路原理

現(xiàn)如今便攜式設(shè)備的電源主要來(lái)自僅有4.2V輸出電壓鋰電池，因此我們需對(duì)鋰電池提供的電壓進(jìn)行升壓處理才能滿足要求。我們探討了集成FET升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器TPS55340進(jìn)行升壓電路的設(shè)計(jì)。

圖3 升壓電路原理圖

開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路[7]包括串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。并聯(lián)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路[8]是一種升壓電路，電路原理圖如圖3所示，從圖中可以看出開(kāi)關(guān)型MOS管T與后接負(fù)載并聯(lián)，因此稱為并聯(lián)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路。在圖中輸入電壓Ui為直流輸入，uB為矩形波，電感L和電容C構(gòu)成濾波電路同時(shí)也起到蓄能的作用，二極管D為續(xù)流二極管。在uB的正半周時(shí)，電容通過(guò)放電為負(fù)載供電此時(shí)開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通、二極管D承受反壓而截止，電感L處于充電狀態(tài)；在uB負(fù)半周時(shí)T截止、D導(dǎo)通此時(shí)Ui與L為負(fù)載端供電且C充電因此輸出電壓Uo將大于輸入電壓Ui。但是在此電路中只有當(dāng)L足夠大時(shí)才能升壓，并且只有C足夠大時(shí)輸出電壓的波動(dòng)才能足夠小，當(dāng)uB周期不變時(shí)，其占空比越大輸出電壓越高。因此在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中抑制電壓紋波成為難點(diǎn)。

2.2 升壓電路設(shè)計(jì)

圖4 輸出電流與效率的關(guān)系

TPS55340是美國(guó)德州儀器公司（TI）推出的DC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片，最高輸出電流能達(dá)到3A[9]，最佳轉(zhuǎn)化效率95%，實(shí)際轉(zhuǎn)化效率與輸出電流的關(guān)系如圖4所示，其中橫坐標(biāo)為輸出電流大小，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)換效率，由圖中可知當(dāng)電流為0.15-0.2A效率最高約為93%，將三條折線對(duì)比可得出當(dāng)輸入電壓越高時(shí)（越接近5V時(shí)）效率越高。該器件存在內(nèi)部補(bǔ)償可使得外部器件數(shù)量最少化，且具有熱關(guān)斷及過(guò)流保護(hù)及熱關(guān)斷的優(yōu)點(diǎn)[10]。當(dāng)輸入電壓僅有3.7V時(shí)該芯片的輸出電壓可以達(dá)到30 V，足夠滿足前面所述的采用Spindt型鉬錐陰極陣列和采用具有導(dǎo)電性的寬帶隙半導(dǎo)體SnO2和LaGaO3為基質(zhì)的FED陽(yáng)極顯示屏的需求。

TPS55340中集成MOSFET，且芯片的發(fā)熱情況也能做到最好，這使得TPS55340的電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單且外接設(shè)備減少大大降低了設(shè)備重量和體積，且該芯片也常用于制作顯示屏的電源驅(qū)動(dòng)。如圖6所示，在外部電路的搭建中，電源的輸入端與輸出端分別加入較大的電解電容和較小的陶瓷電容。電源輸入端的電容是為了防止電源端毛刺的干擾，而輸出端的電容是為了濾去來(lái)自電路設(shè)計(jì)時(shí)由于串?dāng)_、軌道塌陷、電磁干擾等問(wèn)題而產(chǎn)生的電子噪音。此外，在電感充電的時(shí)候輸出端的電解電容提供電壓驅(qū)動(dòng)負(fù)載。開(kāi)關(guān)周期在正半周時(shí)，對(duì)電感L進(jìn)行充電，由電容對(duì)外電路提供電壓；在負(fù)半周時(shí)二極管D正向?qū)ㄟM(jìn)行放電，電感電壓與輸入電壓Ui疊加輸出，使得輸出電壓得到提升。

在開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)頻率的選擇變得相當(dāng)重要，該芯片的周期可以由外界提供。SYNC引腳和FREQ引腳共同影響內(nèi)部振蕩器。在SYNC引腳接入時(shí)鐘源即可改變開(kāi)關(guān)頻率，在FREQ引腳外接電阻調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，可使得頻率在10%~90%的時(shí)鐘源頻率內(nèi)變化。當(dāng)振蕩頻率提高的時(shí)候可降低對(duì)濾波元件的要求，從而達(dá)到減小體積和降低成本的目的。較低的開(kāi)關(guān)頻率將使開(kāi)關(guān)器件的選用也更為困難并且散熱將變得復(fù)雜，但是開(kāi)關(guān)頻率的增加，開(kāi)關(guān)損耗也隨之加大，電磁兼容問(wèn)題與電源完整性問(wèn)題也變得突出。為了解決這些問(wèn)題必須提高元器件的性能并在PCB布局中的要求也會(huì)更高，因此在繪制該芯片的電路板時(shí)PCB的規(guī)則檢查變得尤為重要，但是在不是過(guò)分要求高速的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，采用內(nèi)部的時(shí)鐘頻率足夠滿足設(shè)計(jì)的需要。因此FED屏幕可采用如圖5的電路圖，當(dāng)全采用貼片的較小封裝時(shí)也能達(dá)到減小體積的目的。此外該芯片的存在EN引腳，可以使得電源由外部配置啟動(dòng)，并且在關(guān)狀態(tài)僅有17uA的靜止電流可以最大程度的減少能耗。

圖5 TPS55340電路圖

3 結(jié)論

采用集成化電路使得電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性降低，驅(qū)動(dòng)電路的體積減小，重量也能在一定程度上得到降低，有利于促進(jìn)FED顯示器在便攜式設(shè)備上的發(fā)展。由于現(xiàn)階段便攜式FED顯示器還沒(méi)有廣泛應(yīng)用，所以上述討論中我們通過(guò)開(kāi)關(guān)型升壓電路TPS55340電路實(shí)現(xiàn)了鋰電池的升壓使之能達(dá)到FED顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓，采用線性穩(wěn)壓器LM1117實(shí)現(xiàn)了控制芯片的電源驅(qū)動(dòng)，使FED屏幕在便攜式設(shè)備上運(yùn)用變成現(xiàn)實(shí)。最終在屏幕數(shù)量和質(zhì)量要求高的如今，F(xiàn)ED將使得便攜式設(shè)備的屏幕得到更新。

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徐陳帥（1996—），男，四川綿陽(yáng)人，大學(xué)本科，主要研究方向：電源完整性和信號(hào)與信息處理。

Portable FED Drive Circuit Design

Xu Chenshuai，Yang Yanning*，Li Xiaomin，Ma Yukun，Zhang Xiong
（Yan’an University School of Physics and Electronic Information，ShaanXi YanAn 716000）

To promote the application of FED in portable electronic devices and in order to develop low-voltage driven FED(Field Emission Display).The FED’s internal electron emission mechanism and display theory and the characteristics of FED drive circuit power are described.The characteristics of switch-type booster chip LM2577 and TPS55340 in power consumption，evolution of heat and voltage regulation are analyzed.The booster circuit is designed by two kinds of chips.It is found that the switching voltage booster circuit TPS55340 circuit to boost the lithium battery to reach the FED display drive voltage，and finally，with a linear regulator LM1117 to achieve the control chip power supply，to achieve the FED screen power used on the portable device.The experimental show that the drive circuit has the advantages of low power consumption，low heat and low ripple，which provides a new idea for the design of FED screen power supply in portable devices.

FED；lm2577；tps55340；portable；drive circuit

2017地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710719019）；陜西省高水平大學(xué)學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)基金（NO．2015SXTS02）；延安大學(xué)引導(dǎo)項(xiàng)目（YD2016-02）；2016年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（1559，1569）；2016年延安大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（D2016109）。