便携式场发射显示器驱动电路设计

延安大学物理与电子信息学院 徐陈帅 杨延宁 李小敏 马玉昆 张 雄

便携式场发射显示器驱动电路设计

延安大学物理与电子信息学院 徐陈帅 杨延宁 李小敏 马玉昆 张 雄

为了开发低压驱动的FED(Field Emission Display)，促进场发射显示器在便携电子设备方面的应用。阐述了FED内部电子发射机制以及显示原理以及FED驱动电路电源的特点。讨论了开关型的升压芯片LM2577与TPS55340在功耗、发热、稳压等方面的特点，分别采用两种芯片设计了升压电路并进行分析比较。采用开关型升压电路TPS55340电路对锂电池进行升压达到了FED显示器的驱动电压，用线性稳压器LM1117实现了控制芯片的电源驱动，实现了FED便携式设备上的运用。实验表明该驱动电路具有低功耗、发热低、纹波小的优点，为便携设备FED屏幕电源的设计提供了新的思路。

FED；LM2577；TPS55340；便携式；驱动电路

0 引言

随着智能手机的发展，现在人们对便携式设备的显示器要求也随之增加，更加追求其高亮度与宽视角的特性，因此需要能够主动发光的屏幕才能去实现上述功能。目前能实现主动发光的屏幕主要有CRT，LED，FED，OLED。但是LED的分辨率较低，更适合大屏幕显示的应用而不便于便携式设备[1]，接着是CRT显示器，因为CRT显示器是以一个体积庞大的阴极射线管发射电子而发光[2]，因此不能实现便携的用途，然而OLED[3]是一种通过有机分子材料发光，有机材料容易受到氧气和空气中水分的影响，使得使用寿命降低。因此FED[4]将成为未来显示之一。目前，国内福州大学和郑州大学仅是研究了FED在大屏幕显示方面的应用。因此，本文将对FED场发射显示器驱动电路模块实现便携设备显示做系统做出研究。

1 FED场发射显示原理

图1 尖锥型FED构造图

FED显示按照阴极的构造可以分为尖椎型[5]（如图1所示）和非尖椎型，根据金属场致发射的定量方程可以估算出非尖椎型需要高达1KV的电压才能让电子突破材料表面的势垒发射出去，然而尖锥类型的FED可以利用尖端效应，让其在尖端产生局部高压，随后通过隧道效应让电子发出打到阳极的荧光粉上让荧光粉发光。这时只需较小的电压就能使在尖端处产生高压让电子突破表面势垒发射出去。在尖锥的选择上，选择美国斯坦福大学C.A.Spinds博士研发的Spindt[5]型钼锥场致阴极阵列。对于FED阳极材料选取具有导电性的宽带隙半导体SnO2和LaGaO3[6]，以达到降低FED显示器驱动电压的目的，使得阴极与阳极的压差降低到20伏时就能让FED屏幕显示出清晰的图像。

图2 CRT与FED的结构原理图

FED其实是CRT的平板化，二者的结构原理如图2所示，它们都是在真空的条件下让电子撞击荧光粉使之发光，但是CRT的电子束是由单一电子枪发射再通过偏转磁场控制电子束的方向，其体积大、重量重；而FED显示器的平板电极是互相平行的，可以看作拥有成千上万个主动场发射阴极，FED继承了CRT的优点，克服了其缺点。

2 FED升压驱动电路设计

2.1 升压电路原理

现如今便携式设备的电源主要来自仅有4.2V输出电压锂电池，因此我们需对锂电池提供的电压进行升压处理才能满足要求。我们探讨了集成FET升压DC/DC转换器TPS55340进行升压电路的设计。

图3 升压电路原理图

开关型稳压电路[7]包括串联型和并联型两种。并联开关稳压电路[8]是一种升压电路，电路原理图如图3所示，从图中可以看出开关型MOS管T与后接负载并联，因此称为并联开关稳压电路。在图中输入电压Ui为直流输入，uB为矩形波，电感L和电容C构成滤波电路同时也起到蓄能的作用，二极管D为续流二极管。在uB的正半周时，电容通过放电为负载供电此时开关管T导通、二极管D承受反压而截止，电感L处于充电状态；在uB负半周时T截止、D导通此时Ui与L为负载端供电且C充电因此输出电压Uo将大于输入电压Ui。但是在此电路中只有当L足够大时才能升压，并且只有C足够大时输出电压的波动才能足够小，当uB周期不变时，其占空比越大输出电压越高。因此在开关电源的设计中抑制电压纹波成为难点。

2.2 升压电路设计

图4 输出电流与效率的关系

TPS55340是美国德州仪器公司（TI）推出的DC/DC开关电源转换芯片，最高输出电流能达到3A[9]，最佳转化效率95%，实际转化效率与输出电流的关系如图4所示，其中横坐标为输出电流大小，纵坐标为转换效率，由图中可知当电流为0.15-0.2A效率最高约为93%，将三条折线对比可得出当输入电压越高时（越接近5V时）效率越高。该器件存在内部补偿可使得外部器件数量最少化，且具有热关断及过流保护及热关断的优点[10]。当输入电压仅有3.7V时该芯片的输出电压可以达到30 V，足够满足前面所述的采用Spindt型钼锥阴极阵列和采用具有导电性的宽带隙半导体SnO2和LaGaO3为基质的FED阳极显示屏的需求。

TPS55340中集成MOSFET，且芯片的发热情况也能做到最好，这使得TPS55340的电路设计变得简单且外接设备减少大大降低了设备重量和体积，且该芯片也常用于制作显示屏的电源驱动。如图6所示，在外部电路的搭建中，电源的输入端与输出端分别加入较大的电解电容和较小的陶瓷电容。电源输入端的电容是为了防止电源端毛刺的干扰，而输出端的电容是为了滤去来自电路设计时由于串扰、轨道塌陷、电磁干扰等问题而产生的电子噪音。此外，在电感充电的时候输出端的电解电容提供电压驱动负载。开关周期在正半周时，对电感L进行充电，由电容对外电路提供电压；在负半周时二极管D正向导通进行放电，电感电压与输入电压Ui叠加输出，使得输出电压得到提升。

在开关电源中开关频率的选择变得相当重要，该芯片的周期可以由外界提供。SYNC引脚和FREQ引脚共同影响内部振荡器。在SYNC引脚接入时钟源即可改变开关频率，在FREQ引脚外接电阻调节开关频率，可使得频率在10%~90%的时钟源频率内变化。当振荡频率提高的时候可降低对滤波元件的要求，从而达到减小体积和降低成本的目的。较低的开关频率将使开关器件的选用也更为困难并且散热将变得复杂，但是开关频率的增加，开关损耗也随之加大，电磁兼容问题与电源完整性问题也变得突出。为了解决这些问题必须提高元器件的性能并在PCB布局中的要求也会更高，因此在绘制该芯片的电路板时PCB的规则检查变得尤为重要，但是在不是过分要求高速的开关频率时，采用内部的时钟频率足够满足设计的需要。因此FED屏幕可采用如图5的电路图，当全采用贴片的较小封装时也能达到减小体积的目的。此外该芯片的存在EN引脚，可以使得电源由外部配置启动，并且在关状态仅有17uA的静止电流可以最大程度的减少能耗。

图5 TPS55340电路图

3 结论

采用集成化电路使得电路结构的复杂性降低，驱动电路的体积减小，重量也能在一定程度上得到降低，有利于促进FED显示器在便携式设备上的发展。由于现阶段便携式FED显示器还没有广泛应用，所以上述讨论中我们通过开关型升压电路TPS55340电路实现了锂电池的升压使之能达到FED显示器的驱动电压，采用线性稳压器LM1117实现了控制芯片的电源驱动，使FED屏幕在便携式设备上运用变成现实。最终在屏幕数量和质量要求高的如今，FED将使得便携式设备的屏幕得到更新。

[1]张飞碧,陈宏庆．LED大屏幕显示技术[J]．演艺设备与科技,2007,(04)：36-39．

[2]何健．解析显示器的CRT技术[J]．黑龙江科技信息,2007(13)：65．

[3]刘晋红,张方辉．OLED薄膜干燥剂的制备及其对OLED的影响[J]．发光学报,2017(01)：76-84．

[4]林世宪．新型场致发射显示器测试技术的研究[D]．福州大学,2006．

[5]王广军．FED阴极制备及其驱动电路研究[D]．郑州大学,2007．

[6]黄同文．低压FED用新型三基色纳米荧光粉的制备及性能研究[D]．华东师范大学,2013．

[7]苏晶晶,许志红．宽电压输入多路输出开关电源的设计[J]．电气技术,2015(07)：48-52．

[8]王洁．升压型DC-DC转换器芯片的分析与设计[D]．华中科技大学,2007．

[9]张京,秦会斌,章旦阳．基于UC3843的60W升压电路设计[J]．电源技术,2016(02)：425-426+454．

[10]徐欣．反激式单片开关电源芯片的研究和设计[D]．电子科技大学,2010．

徐陈帅（1996—），男，四川绵阳人，大学本科，主要研究方向：电源完整性和信号与信息处理。

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地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（201710719019）；陕西省高水平大学学科建设专项基金（NO．2015SXTS02）；延安大学引导项目（YD2016-02）；2016年陕西省大学生创新创业训练计划项目（1559，1569）；2016年延安大学大学生创新训练项目（D2016109）。