便攜式場發射顯示器驅動電路設計

延安大學物理與電子信息學院 徐陳帥 楊延寧 李小敏 馬玉昆 張 雄

便攜式場發射顯示器驅動電路設計

延安大學物理與電子信息學院 徐陳帥 楊延寧 李小敏 馬玉昆 張 雄

為了開發低壓驅動的FED(Field Emission Display)，促進場發射顯示器在便攜電子設備方面的應用。闡述了FED內部電子發射機制以及顯示原理以及FED驅動電路電源的特點。討論了開關型的升壓芯片LM2577與TPS55340在功耗、發熱、穩壓等方面的特點，分別采用兩種芯片設計了升壓電路并進行分析比較。采用開關型升壓電路TPS55340電路對鋰電池進行升壓達到了FED顯示器的驅動電壓，用線性穩壓器LM1117實現了控制芯片的電源驅動，實現了FED便攜式設備上的運用。實驗表明該驅動電路具有低功耗、發熱低、紋波小的優點，為便攜設備FED屏幕電源的設計提供了新的思路。

FED；LM2577；TPS55340；便攜式；驅動電路

0 引言

隨著智能手機的發展，現在人們對便攜式設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，因此需要能夠主動發光的屏幕才能去實現上述功能。目前能實現主動發光的屏幕主要有CRT，LED，FED，OLED。但是LED的分辨率較低，更適合大屏幕顯示的應用而不便于便攜式設備[1]，接著是CRT顯示器，因為CRT顯示器是以一個體積龐大的陰極射線管發射電子而發光[2]，因此不能實現便攜的用途，然而OLED[3]是一種通過有機分子材料發光，有機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]將成為未來顯示之一。目前，國內福州大學和鄭州大學僅是研究了FED在大屏幕顯示方面的應用。因此，本文將對FED場發射顯示器驅動電路模塊實現便攜設備顯示做系統做出研究。

1 FED場發射顯示原理

圖1 尖錐型FED構造圖

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

圖2 CRT與FED的結構原理圖

FED其實是CRT的平板化，二者的結構原理如圖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光，但是CRT的電子束是由單一電子槍發射再通過偏轉磁場控制電子束的方向，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個主動場發射陰極，FED繼承了CRT的優點，克服了其缺點。

2 FED升壓驅動電路設計

2.1 升壓電路原理

現如今便攜式設備的電源主要來自僅有4.2V輸出電壓鋰電池，因此我們需對鋰電池提供的電壓進行升壓處理才能滿足要求。我們探討了集成FET升壓DC/DC轉換器TPS55340進行升壓電路的設計。

圖3 升壓電路原理圖

開關型穩壓電路[7]包括串聯型和并聯型兩種。并聯開關穩壓電路[8]是一種升壓電路，電路原理圖如圖3所示，從圖中可以看出開關型MOS管T與后接負載并聯，因此稱為并聯開關穩壓電路。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構成濾波電路同時也起到蓄能的作用，二極管D為續流二極管。在uB的正半周時，電容通過放電為負載供電此時開關管T導通、二極管D承受反壓而截止，電感L處于充電狀態；在uB負半周時T截止、D導通此時Ui與L為負載端供電且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L足夠大時才能升壓，并且只有C足夠大時輸出電壓的波動才能足夠小，當uB周期不變時，其占空比越大輸出電壓越高。因此在開關電源的設計中抑制電壓紋波成為難點。

2.2 升壓電路設計

圖4 輸出電流與效率的關系

TPS55340是美國德州儀器公司（TI）推出的DC/DC開關電源轉換芯片，最高輸出電流能達到3A[9]，最佳轉化效率95%，實際轉化效率與輸出電流的關系如圖4所示，其中橫坐標為輸出電流大小，縱坐標為轉換效率，由圖中可知當電流為0.15-0.2A效率最高約為93%，將三條折線對比可得出當輸入電壓越高時（越接近5V時）效率越高。該器件存在內部補償可使得外部器件數量最少化，且具有熱關斷及過流保護及熱關斷的優點[10]。當輸入電壓僅有3.7V時該芯片的輸出電壓可以達到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電性的寬帶隙半導體SnO2和LaGaO3為基質的FED陽極顯示屏的需求。

TPS55340中集成MOSFET，且芯片的發熱情況也能做到最好，這使得TPS55340的電路設計變得簡單且外接設備減少大大降低了設備重量和體積，且該芯片也常用于制作顯示屏的電源驅動。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自電路設計時由于串擾、軌道塌陷、電磁干擾等問題而產生的電子噪音。此外，在電感充電的時候輸出端的電解電容提供電壓驅動負載。開關周期在正半周時，對電感L進行充電，由電容對外電路提供電壓；在負半周時二極管D正向導通進行放電，電感電壓與輸入電壓Ui疊加輸出，使得輸出電壓得到提升。

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

圖5 TPS55340電路圖

3 結論

采用集成化電路使得電路結構的復雜性降低，驅動電路的體積減小，重量也能在一定程度上得到降低，有利于促進FED顯示器在便攜式設備上的發展。由于現階段便攜式FED顯示器還沒有廣泛應用，所以上述討論中我們通過開關型升壓電路TPS55340電路實現了鋰電池的升壓使之能達到FED顯示器的驅動電壓，采用線性穩壓器LM1117實現了控制芯片的電源驅動，使FED屏幕在便攜式設備上運用變成現實。最終在屏幕數量和質量要求高的如今，FED將使得便攜式設備的屏幕得到更新。

[1]張飛碧,陳宏慶．LED大屏幕顯示技術[J]．演藝設備與科技,2007,(04)：36-39．

[2]何?。馕鲲@示器的CRT技術[J]．黑龍江科技信息,2007(13)：65．

[3]劉晉紅,張方輝．OLED薄膜干燥劑的制備及其對OLED的影響[J]．發光學報,2017(01)：76-84．

[4]林世憲．新型場致發射顯示器測試技術的研究[D]．福州大學,2006．

[5]王廣軍．FED陰極制備及其驅動電路研究[D]．鄭州大學,2007．

[6]黃同文．低壓FED用新型三基色納米熒光粉的制備及性能研究[D]．華東師范大學,2013．

[7]蘇晶晶,許志紅．寬電壓輸入多路輸出開關電源的設計[J]．電氣技術,2015(07)：48-52．

[8]王潔．升壓型DC-DC轉換器芯片的分析與設計[D]．華中科技大學,2007．

[9]張京,秦會斌,章旦陽．基于UC3843的60W升壓電路設計[J]．電源技術,2016(02)：425-426+454．

[10]徐欣．反激式單片開關電源芯片的研究和設計[D]．電子科技大學,2010．

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

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地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201710719019）；陜西省高水平大學學科建設專項基金（NO．2015SXTS02）；延安大學引導項目（YD2016-02）；2016年陜西省大學生創新創業訓練計劃項目（1559，1569）；2016年延安大學大學生創新訓練項目（D2016109）。