TWI408885B - 具有脈衝寬度調變與脈衝頻率調變自動切換的直流-直流變壓器及使用該變壓器之有機發光二極體顯示器 - Google Patents

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Description

具有脈衝寬度調變與脈衝頻率調變自動切換的直流-直流變壓器及使用該變壓器之有機發光二極體顯示器
本發明係關於具有脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，以下簡稱PWM)與脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation，以下簡稱PFM)自動切換的直流-直流變壓器(DC-DC Converter)，特別是關於使用於有機發光二極體(ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE，以下簡稱OLED)顯示器且根據其顯示資料來選擇PWM控制模式或PFM控制模式之具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器。
OLED顯示器是利用發光的元件來產生顯示的效果。OLED顯示器是隨著像素(Pixel)所流過電流不同產生明亮上的差異來顯示畫面。由於各像素的電流會隨著顯示畫面變化，也導致OLED模組(Module)之最大耗電與最小耗電的差異非常大。如何提供OLED模組穩定之電源，例如較小的漣波(small ripple)，並兼顧效率(efficiency)，就成為一大挑戰。
DC-DC變壓器有兩種驅動(調變)方式，分別為脈衝寬度調變(PWM)與脈衝頻率調變(PFM)。以效率的觀點來看，PWM適合使用在大電流負載(Current Loading)的情況，而PFM適用在較輕的電流負載。大部份的DC-DC變壓器都只使用單一調變方式，也有部分DC-DC變壓器以電流負載的大小來做為判斷PWM/PFM的切換。但以電流負載的大小來做為判斷PWM/PFM的切換並不是一件容易的事。
以下說明DC-DC自動切換PWM/PFM操作模示的現行技術。第1圖為美國專利第7,173,404號所示，該自動切換的DC-DC變壓器10包含一啟動器(Starter)102、一自動PWM/PFM控制器(Auto PWM/PFM controller)103、一PWM控制器(PWM controller)106、一PFM控制器(PFM controller)108、以及一電源切換單元(Power Switch Unit)110，其中，該圖所示的負載(Load)112可以是OLED顯示器之OLED模組。
啟動器102傳送一啟動致能(Starting-Enabling)信號給自動PWM/PFM控制器103來致能該自動PWM/PFM控制器103。之後，PWM控制器106及PFM控制器108會分別傳送回授信號(Feedback Signal)給自動PWM/PFM控制器103。自動PWM/PFM控制器103即根據PWM控制器106及PFM控制器108的回授信號來產生一選擇信號，並輸出到PWM控制器106及PFM控制器108。所以，自動PWM/PFM控制器103利用選擇信號來致能(Enable)PWM控制器106或PFM控制器108。被致能的控制器(PWM控制器106或PFM控制器108)會輸出一控制信號給電源切換單元110。因此，該電源切換單元110會根據該控制信號切換並輸出直流電源給負載112。同時，負載112也會傳送另一回授信號給PWM控制器106及PFM控制器108。
因此，該自動切換的DC-DC變壓器10是以閉迴路(close loop)的方式來控制電源切換。一般而言，閉迴路的控制模式較複雜，所以成本較高。
有鑑於上述問題，本發明的目的是提出一種使用於OLED顯示器且根據顯示資料來選擇PWM或PFM控制模式之具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器。
為達成上述目的，本發明具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器包含一內容統計單元，係接收並統計OLED顯示器之顯示資料後，輸出一統計值；一自動切換控制單元，係接收統計值後，並根據該統計值大小輸出一切換控制信號；一脈衝寬度調變控制器，係接受該切換控制信號，並在該切換控制信號為第一狀態時，輸出一PWM電源；一脈衝頻率調變控制器，係接受該切換控制信號，並在該切換控制信號為第二狀態時，輸出一PFM電源；以及一電源產生單元，係接收PWM電源與PFM電源，進而輸出其中之一電源作為驅動電壓。
以下參考圖式詳細說明本發明具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器以及使用該變壓器之OLED顯示器。
OLED模組的技術特徵是像素越亮越耗電，所以OLED模組全黑與全白的畫面耗電差距很大。基於此耗電特性，進行適當的PWM/PFM切換可以改善DC-DC變壓器的效率，達成OLED顯示器耗電下降的目標。一般通用的DC-DC變壓器的產品，只能從負載端來判斷電流負載的大小，並進行PWM/PFM切換。但由於內建DC-DC變壓器的OLED顯示器驅動器(Display Driver)，可以知道該OLED顯示器目前將顯示的內容。因此，本發明具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器利用顯示資料來判斷OLED陣列耗電大小，進而決定PWM/PFM的切換時間點。
第2圖為內建DC-DC變壓器的OLED顯示器之第一實施例架構圖。如該圖所示，OLED顯示器20包含一具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器21、一時序變換器220、一顯示器驅動單元222、以及一OLED陣列224。時序變換器220接收顯示資料，並調整時序後輸出資料到顯示器驅動單元222。之後，由顯示器驅動單元222驅動OLED陣列224。由於時序變換器220、顯示器驅動單元222、以及OLED陣列224為一般的OLED顯示器架構，其詳細內容不在此重複敘述。
本發明具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器21包含一統計單元211、一自動切換控制單元212、一PWM控制器213、一PFM控制器214、以及一電源產生單元(Power Generating Unit)215。統計單元211接收該OLED顯示器20之顯示資料，並予以統計後輸出一統計值。一般而言，該統計單元211是統計每個顯示畫面的資料後輸出統計值。自動切換控制單元212根據統計單元211所輸出的統計值來決定要使用的控制模式，並輸出一模式控制信號。當統計值較大時，代表顯示畫面偏亮，OLED顯示器耗電較大，故採用PWM模式；反之，當統計值較小時，代表顯示畫面偏暗，OLED顯示器耗電較小，故將採用PFM模式。PWM控制器213與PFM控制器214接收該模式控制信號後，輸出PWM電源與PFM電源給電源產生單元215。電源產生單元215接收PWM電源與PFM電源，並提供其中之一給顯示器驅動單元222以及OLED陣列224。
第3圖為針對一張畫面(frame)之輸入資料的統計表。如該圖所示，橫坐標為輸入資料，縱座標為計數值，加總並除以資料量後即可得到一平均值。根據該平均值的大小即可初略預測OLED陣列的電流負載，進而選擇適當的控制模式，例如PWM適合使用在大電流負載的情況，以及PFM適用在較輕的電流負載。雖然在此統計表中有產生一平均值，但實際應用上可直接採用統計值來判斷即可。
第4圖為本發明統計單元之第一實施例的架構圖。如該圖所示，統計單元40包含一加法器401以及一暫存器403。加法器401將每個顯示資料與暫存器403之暫存值相加後，回存至暫存器403。而統計單元40在垂直同步信號被致能時，輸出暫存器403的暫存值作為統計值，並將暫存器403清除。因此，自動切換控制單元212即可將該統計值與一臨界值進行比較，並輸出模式控制信號。亦即，當統計值大於該臨界值時，該模式控制信號為高位準信號，藉以採用PWM模式；而當統計值小於該臨界值時，該模式控制信號為低位準信號，藉以採用PFM模式。
第5圖為本發明統計單元之第二實施例的架構圖。如該圖所示，統計單元50包含一乘法器505、一查表表格507、一加法器401以及一暫存器403。實務上，由於OLED陣列的顯示資料之像素值與其實際消耗電流並非成正比例，因此該實施例利用查表表格507記錄每個像素值之實際消耗電流的權值。所以，統計單元50利用乘法器505將顯示資料先乘上一個權值後再輸出給加法器401，使得統計單元能反映更真實的狀態。至於加法器401與暫存器403的架構與第一實施例統計單元40相同，不再重複敘述。
第6圖為本發明統計單元之第三實施例的架構圖。如該圖所示，統計單元60包含一查表表格607、一加法器401以及一暫存器403。實務上，由於OLED陣列的顯示資料之像素值與其實際消耗電流並非成正比例，因此該實施例利用查表表格507記錄不同像素值之實際消耗電流的相對值。所以，統計單元60利用查表表格607將顯示資料之每個像素值轉成實際消耗電流的相對值後再輸出給加法器401。至於加法器401與暫存器403的架構與第一實施例統計單元40相同，不再重複敘述。
再者，本發明之自動切換控制單元212有兩種實施態樣。第一種為單一臨界值進行判斷。亦即自動切換控制單元212只設定一個臨界值，當統計值大於(等於)該臨值時，就切換PWM模式；反之當統計值小於該臨值時，就切換為PFM模式。第二種為雙臨界值進行的判斷。為了避免不同模式切換過於頻繁，可以採用類似史密特觸發(Smitt Trigger)的判斷方式。第7圖顯示此種實施態樣的示意圖。亦即，設定二個臨界值，如第7圖所示的第一臨界值與第二臨界值。如果目前是PFM模式，統計值必須超過第二臨界值才會切換至PWM模式。如果目前是PWM模式，統計值必須小於第一臨界值才會切換為PFM模式。因此，若採用第二種雙臨界切換方式，當統計值介於第一臨界值與第二臨界值之間時，自動切換控制單元212是維持現有的模式。
另外，由於統計單元的計算必須要接收完一個圖框(Frame)的資料後，才能輸出該圖框的統計值。因此，內建DC-DC變壓器的OLED顯示器之第一實施例的PWM/PFM的切換會比顯示內容晚1個圖框的時間。例如圖框率(Frame rate)是60Hz時，則切換時間會晚1/60秒才會作出PWM/PFM的選擇。不過，由於一般畫面都有連續性，因此1/60秒的延遲並不會影響本發明DC-DC變壓器切換的性能。
第8圖為內建DC-DC變壓器的OLED顯示器之第二實施例架構圖。如該圖所示，OLED顯示器80包含一具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器21、一時序變換器820、一顯示器驅動單元822、一記憶體826、以及一OLED陣列224。該實施例的DC-DC變壓器21與第一實施例之OLED顯示器20的DC-DC變壓器21相同，所以不再重複說明DC-DC變壓器21。只是，DC-DC變壓器21是接收記憶體826所輸出的資料。而該實施例OLED顯示器80主要是增加一記憶體826。記憶體826用以接收並儲存顯示資料。時序變換器820輸出控制信號給記憶體826與顯示器驅動單元822，藉以讓記憶體826輸出資料給顯示器驅動單元822，而顯示器驅動單元822根據所接收的資料驅動OLED陣列224。由於時序變換器820、記憶體826、顯示器驅動單元822、以及OLED陣列224為一般的OLD顯示器架構，其詳細內容不在此重複敘述。
第9圖為內建DC-DC變壓器的OLED顯示器之第三實施例架構圖。如該圖所示，OLED顯示器90包含一具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器21、一時序變換器920、一顯示器驅動單元922、一記憶體926、以及一OLED陣列224。該實施例的DC-DC變壓器21與第二實施例之OLED顯示器80的DC-DC變壓器21相同，所以不再重複說明DC-DC變壓器21。而該實施例OLED顯示器90與第二實施例之OLED顯示器80的差異在於顯示器驅動單元922的資料是由時序變換器920所提供。因此，DC-DC變壓器21是接收時序變換器920所輸出的資料。由於時序變換器920、記憶體926、顯示器驅動單元922、以及OLED陣列224為一般的OLD顯示器架構，其詳細內容不在此重複敘述。
由於本發明DC-DC變壓器21係直接根據顯示資料來直接控制PWM/PFM的切換，而不需將電流負載，亦即在為OLED陣列的消耗電流，回授給DC-DC變壓器。因此本發明的架構相較於習知技術所採用的回授方式要簡單。
以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，該行業者可進行各種變形或變更。例如，OLED顯示器可以再增加一組記憶體來做為顯示資料的緩衝區，藉以讓DC-DC變壓器21先讀取該緩衝區的顯示資料，用以即時的調整PWM/PFM之模式。
10．．．DC-DC變壓器
102．．．啟動器(Starter)
103．．．自動PWM/PFM控制器(controller)
106、213．．．PWM控制器(PWM controller)
108、214‧‧‧PFM控制器(PFM controller)
215‧‧‧電源產生單元(Power Generating Unit)
112‧‧‧負載(Load)
20‧‧‧OLED顯示器
21‧‧‧DC-DC變壓器
211‧‧‧統計單元
212‧‧‧自動切換控制單元
220、820、920‧‧‧時序變換器
222、822、922‧‧‧顯示器驅動單元
224‧‧‧OLED陣列
40、50、60‧‧‧統計單元
401‧‧‧加法器
403‧‧‧暫存器
505‧‧‧乘法器
507、607‧‧‧查表表格
826、926‧‧‧記憶體
110‧‧‧電源切換單元
第1圖顯示習知具有PWM/PFM選擇之自動切換的DC-DC變壓器的架構圖。
第2圖顯示本發明具有PWM/PFM自動切換的DC-DC變壓器的架構圖。
第3圖為一個畫面之輸入資料統計表的示意圖。
第4圖為本發明統計單元之第一實施例的架構圖。
第5圖為本發明統計單元之第二實施例的架構圖
第6圖為本發明統計單元之第三實施例的架構圖。
第7圖顯示此種實施態樣的示意圖。
第8圖為內建DC-DC變壓器的OLED顯示器之第二實施例架構圖。
第9圖為內建DC-DC變壓器的OLED顯示器之第三實施例架構圖。
20．．．OLED顯示器
21．．．DC-DC變壓器
211．．．統計單元
212．．．自動切換控制單元
213．．．PWM控制器
214．．．PFM控制器
215．．．電源產生單元
220．．．時序變換器
222．．．顯示器驅動單元
224．．．OLED陣列

Claims (9)

  1. 一種具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變(PWM/PFM)自動切換的直流對直流變壓器，係用以提供有機發光二極體(OLED)顯示器之電源電壓，該直流對直流變壓器包含：一內容統計單元，係接收並統計前述OLED顯示器之顯示資料後，輸出一統計值；一自動切換控制單元，係根據前述統計值輸出一切換控制信號，其中，該切換控制信號具有一第一狀態與一第二狀態；一脈衝寬度調變控制器，係接受前述切換控制信號，當該切換控制信號為第一狀態時，輸出一PWM電源；一脈衝頻率調變控制器，係接受前述切換控制信號，當該切換控制信號為第二狀態時，輸出一PFM電源；以及一電源產生單元，係用以分別接收前述PWM電源與PFM電源，進而輸出其中之一作為前述電源電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器，其中前述內容統計單元包含：一暫存器；以及一加法器，係用以接收前述顯示資料的像素值，並與前述暫存器之儲存值相加後，存回至前述暫存器；其中，該內容統計單元還接收一垂直同步信號，當該垂直同步信號被致能時，輸出前述暫存器之儲存值，用以作為前述統計值，並清除該暫存器之儲存值。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器，其中前述內容統計單元包含：一查表表格，係用以記錄每個像素值的耗電量所相對應之權值，進而根據前述顯示資料輸出其對應的權值；一乘法器，係接收前述顯示資料與前述權值，進而輸出一權值資料；一暫存器；以及一加法器，係用以接收前述權值資料，並與前述暫存器之儲存值相加後，存回至前述暫存器中；其中，該內容統計單元還接收一垂直同步信號，當該垂直同步信號被致能時，輸出前述暫存器之儲存值作為前述統計值，並清除該暫存器之儲存值。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載之具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器，其中前述內容統計單元包含：一查表表格，係用以記錄每個像素值的耗電量所相對應之數值，並根據前述顯示資料輸出其相對應的前述數值；一暫存器；以及一加法器，係接收前述數值，並與前述暫存器之儲存值相加後，存回至前述暫存器中；其中，該內容統計單元還接收一垂直同步信號，在該垂直同步信號被致能時，輸出前述暫存器之儲存值作為前述統計值，並清除該暫存器之儲存值。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載之具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器，其中前述自動切換控制單元包含一比較器，其中，當前述統計值高於或等於一臨界值時，將前述切換控制信號設定為第一狀態，當前述統計值低於該臨界值時，將前述切換控制信號設定為第二狀態。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載之具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器，其中，當前述自動切換控制單元在前述切換控制信號設定為第一狀態且前述統計值低於一第一臨界值時，將前述切換控制信號設定為第二狀態，當前述切換控制信號設定為該第二狀態時，且前述統計值高於一第二臨界值時，將前述切換控制信號設定為該第一狀態。
  7. 一種內建直流對直流變壓器之OLED顯示器，係包含：一時序變換器，係用以接收顯示資料，並於調整時序後輸出前述顯示資料與一控制信號；一顯示器驅動單元，係與前述時序變換器連接，用以輸出驅動信號；一OLED陣列，係與前述顯示器驅動單元連接，用以根據該驅動信號顯示畫面；以及一具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器，用以提供一電源電壓給前述OLED陣列；其中，前述具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器更包含：一內容統計單元，係接收及統計前述顯示資料，進而輸出一統計值； 一自動切換控制單元，根據該統計值輸出一切換控制信號；一脈衝寬度調變控制器，係接受前述切換控制信號，當該切換控制信號為第一狀態時，輸出一第一電源；一脈衝頻率調變控制器，係接受前述切換控制信號，並在該切換控制信號為第二狀態時，輸出一第二電源；以及一電源產生單元，係分別接收前述第一電源與第二電源，進而輸出其中之一作為一驅動電壓。
  8. 一種內建直流對直流變壓器之OLED顯示器，係包含：一記憶體，係接收並儲存顯示資料；一時序變換器，係與前述記憶體連接，並輸出前述顯示資料與一控制信號；一顯示器驅動單元，係與前述時序變換器連接，進而輸出一驅動信號；一OLED陣列，係與前述顯示器驅動單元連接，用以根據該驅動信號顯示畫面；以及一具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器，並提供一電源電壓給前述OLED陣列；其中，前述具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器更包含：一內容統計單元，係接收前述OLED顯示器之顯示資料，並將所接收之顯示資料統計後輸出一統計值；一自動切換控制單元，係接收前述統計值後，並根據該統計值輸出一切換控制信號；一脈衝寬度調變控制器，係接受前述切換控制信號，當該切換 控制信號為第一狀態時，輸出一第一電源；一脈衝頻率調變控制器，係接受前述切換控制信號，當該切換控制信號為第二狀態時，輸出一第二電源；以及一電源產生單元，係分別接收前述第一電源與第二電源，進而輸出其中之一作為一驅動電壓。
  9. 一種內建直流對直流變壓器之OLED顯示器，係包含：一記憶體，係接收並儲存顯示資料，並根據一控制信號輸出前述顯示資料；一時序變換器，係輸出前述控制信號至前述記憶體，並輸出一驅動單元控制信號；一顯示器驅動單元，係接收前述記憶體之前述顯示資料與前述驅動單元控制信號，用以輸出一驅動信號；一OLED陣列，係與前述顯示器驅動單元連接，用以根據該驅動信號顯示畫面；以及一具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器，並提供一電源電壓給前述OLED陣列；其中，前述具有脈衝寬度調變/脈衝頻率調變自動切換的直流對直流變壓器包含：一內容統計單元，係接收前述OLED顯示器之顯示資料，並將所接收之顯示資料統計後輸出一統計值；一自動切換控制單元，係接收前述統計值後，並根據該統計值輸出一切換控制信號；一脈衝寬度調變控制器，係接受前述切換控制信號，當該切換控制信號為第一狀態時，輸出一第一電源； 一脈衝頻率調變控制器，係接受前述切換控制信號，當該切換控制信號為第二狀態時，輸出一第二電源；以及一電源產生單元，係分別接收前述第一電源與第二電源，進而輸出其中之一作為一驅動電壓。
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