无源驱动OLED模组电路设计

无源驱动 OLED 模组电路设计摘 要有机发光二极管又称为有机电激光显示（Organic Light-Emitting Diode，OLED ），其原理是电致发光 1-3。这是一种在近几年发展迅速并且有很广阔的发展空间的新型显示器件。OLED 基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO)，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB 三原色，构成基本色彩 4。加之 OLED 具有自发光、广视角 (达 170以上)、反应时间快（1s 量级）、发光效率高、工作电压低(3-10V)等优良特性，因此被喻为下一代的明星平板技术 5。本文着重对 OLED 的驱动原理、驱动方式以及驱动控制进行研究。通过 OLED 的结构以及显示特性，研究其驱动原理和驱动方式，比较无源驱动和有源驱动的优缺，选择使用一款型号为 SSD1306 的驱动芯片来驱动一片 12864 的无源 OLED 屏幕。并设计用 8051 单片机作为控制系统。因此整个设计电路由驱动电路和控制电路两部分组成。电路设计完成后编写初始化和显示实例程序，并烧录至单片机中，能按照预先程序设定点亮 OLED 并显示。关键词：有机电致发光,OLED,SSD1306；单片机IDesign of PM-OLED Modular CircuitAbstractOLED, the abbreviation of Organic Light-Emitting Diode6-8. Its principle is electroluminescence9. It develop rapidly in recent years and has a very broad space for development of new display device. The basic structure is ITO ,connected to the power of the anode, with another metal cathode, packaged like a sandwich. OLED is illuminated and has wide angle(more than 170), fast reaction time(1s level）, high luminous efficiency, low working voltage (3-10V), and other fine features, so it is called the star of the next generation flat panel technology.This paper focuses on the drive principle of OLED, driver mode and drive control for research. According to the structure and display characteristics of OLED, research the drive principle and the drive way. Compare the Passive Drive and the Active Drive, Finally I choose to use a model for SSD1306 driver chip to drive a 128 x 64 passive OLED screen. Use 8051 MCU as the control system. So the whole design consists of two parts, drive circuit and control circuit. After the design of the circuit, Write instance initialization and display program, and finish the MCU programming. It will light OLED and display according the program.KEY WORDS: Organic Light-Emitting Diode, OLED, 8051MCUII目 录1 课题背景 .11.1 显示技术发展 .11.2 OLED 的发展 .11.3 OLED 介绍 .11.3.1 OLED 结构 .11.3.2 OLED 显示原理 .21.3.3 OLED 发光过程 .21.3.4 OLED 的应用 .31.4 OLED 的特点 .31.4.1 OLED 的优缺点 .31.4.2 OLED 与 TFT-LCD 的比较 .41.5 本课题的研究目的和意义 .51.6 本课题研究内容 .52 OLED 驱动方式及芯片介绍 .52.1 OLED 屏幕的驱动方式 .52.1.1 PMOLED .52.1.2 AMOLED.62.2 驱动芯片 SSD1306 .62.2.1 SSD1306 特点 .62.2.2 SSD1306 的引脚及驱动方式 .82.3 8051 单片机 .92.3.1 8051 单片机特点 .93 OLED 模块驱动控制电路设计 .113.1 OLED 模块电路设计综述 .113.2 驱动电路设计 .113.2.1 驱动 IC 与 OLED 接口电路设计 .113.2.3 COG 封装图 .153.3 控制电路设计 .163.3.1 单片机与驱动 IC 接口电路设计 .163.3.2 控制电路原理图 .183.3.3 用 Protel SE 99 画出控制电路 PCB 图 .193.4 驱动程序 .20III3.4.1 初始化程序 .203.4.2 显示实例程序 .213.5 实物显示效果 .233.6 元器件清单 .234 总结 .23致谢 .25参考文献 .26毕业设计说明书 01 课题背景1.1 显示技术发展显示器是各种视频信号和计算机数据信息的终端显示器件，平板化、大型化和高清晰度显示是今后显示器的发展方向，其种类将呈多元化，并随着科学技术的飞速发展，不断出现各种各具特色的新型显示器件 10。各种不同类型的显示器件都有它的优点和缺点，都有它的服务领域和用户。哪一种显示器件都不可能垄断市场，一花独秀。所有显示器件都在发展中不断扬长避短，克服其缺点和不足，不断完善自己，力图在市场竞争中争取较大的市场份额，在市场竞争中不断优化，优点和缺点也在不断转化。1.2 OLED 的发展Bernanos A 等人于上世纪五十年代开始的有机电致发光研究，到 1987 年 Tang C W（美籍华裔教授邓青云）等人采用超薄膜技术及空穴传输效果更好的 TPD 作传输层，使得有机电致发光技术获得了历史性突破。从此 OLED 技术得到了迅速的发展 12。1997 年，美国普林斯顿大雪及南加州大学的科学家们与美国通用显示公司universal display corporation 合作，研制出世界上第一台 OLED 显示器的样本 13。2001 年，SONY 公司率先研究出 13 英寸 AMOLED 全彩色显示屏样品，具有高亮度和搞分辨率的特点 14。2005 年韩国 SUMSING 推出了一款 40 英寸的 OLED 屏幕，可支持 1280800 的超高分辨率，同时具有 600 流明的亮度，对比度达到 5000：1，且厚度只有 3CM。2005 年以后，OLED 走向成熟化。国际上 OLED 研发的单位较多，但核心技术主要掌握在欧美手中，尤其是高分子/聚合物 OLED 和柔性 OLED 方面的核心技术。在 OLED 产业化应用方面，三星和 LG走在前列。全球 OLED 生产线达到 24 条以上，其中日本 6 条，韩国 5 条，中国大陆 2条，台湾地区 11 条 15。我国到目前为止，已经有 30 多家高校和研究所在从事 OLED 的研发工作。从 2000年起，国内已有北京、上海、长春、深圳、东莞等地的多家公司开始介入 OLED 产业，主要有维信诺、四川虹视、信利、广东中显、吉林环宇、彩虹平板显示公司等 16。1.3 OLED 介绍1.3.1 OLED 结构有机发光二极管又称为有机电激光显示（Organic Light-Emitting Diode，OLED），无源驱动 OLED 模组电路设计 1由美籍华裔教授邓青云在实验室中发现，由此展开了对 OLED 的研究 17。OLED 显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且 OLED 显示屏幕可视角度大，并且能够节省电能 18-20。OLED 的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO)，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。整个结构层中包括了：空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。具体部分如下：1）基层-基层用来支撑整个 OLED.2）阳极-阳极在电流流过设备时消除电子。3）有机层-有机层由有机物分子或有机聚合物构成。4）导电层-该层由有机塑料分子构成，这些分子传输由阳极而来的“空穴” 。可采用聚苯胺作为 OLED 的导电聚合物。5）发射层-该层由有机塑料分子构成，这些分子传输从阴极而来的电子; 发光过程在这一层进行。可采用聚芴作为发射层聚合物。6）阴极-当设备内有电流流通时，阴极会将电子注入电路。1.3.2 OLED 显示原理当元件受到直流电所衍生的顺向偏压时，外加之电压能量将驱动电子与空穴分别由阴极与阳极注入元件，当两者在传导中相遇、结合，即形成所谓的电子-空穴复合。而当化学分子受到外来能量激发後，若电子自旋和基态电子成对，则为单重态（Singlet），其所释放的光为所谓的荧光反之，若激发态电子和基态电子自旋不成对且平行，则称为三重态其所释放的光为所谓的磷光 21。当电子的状态位置由激态高能阶回到稳态低能阶时，其能量将分别以光子（或热能（Heat 的方式放出，其中光子的部分可被利用当做显示功能，依其配方不同产生红、绿和蓝 RGB 三原色，构成基本色彩。 OLED 的特性是自己发光，不像 TFT LCD 需要背光，因此可视度和亮度均高 22-24。1.3.3 OLED 发光过程OLED 的发光过程通常由以下 5 个阶段完成 25-26。1）在外加电场的作用下载流子的注入：电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜注入。2）载流子的迁移：注入的电子和空穴分别从电子输送层和空穴输送层向发光层迁移。3）载流子的复合：电子和空穴复合产生激子。4）激子的迁移：激子在电场的作用下迁移，能量传递给发光分子，并激发电子从基态跃迁到激发态。5）电致发光：激发态能量通过辐射跃迁，产生光子，释放出能量。毕业设计说明书 21.3.4 OLED 的应用OLED 可以应用在照明和显示技术两个方面。与其它照明光源相比，以平面发光为特点的 OLED 具有更容易实现白光、超薄光源和任意形状光源的优点，同时具有高效、环保、安全等优势 27。因此，白光 OLED作为一种新型的固态光源，在照明和平板显示背光源等方面展示了良好的应用前景。市场调研公司 Nano Markets 预测，使用 OLED 的照明市场的产值规模在 2014 年将扩大至 10 亿美元。目前，高效率、长寿命的白光器件的研究是 OLED 在照明领域发展的重点。磷光材料由于具有高效特征，因此在白光照明领域被广泛看好 28。白光 OLED 的发展目标，是成为真正的低成本、高效率、长寿命的平板白光光源。在过去十多年的研究工作中，白光 OLED 在效率和寿命方面都取得了长足的进步，但距实用化和商品化还有一定的距离。白光 OLED 面临的挑战是提高器件在高电流工作状态下的效率和寿命。新材料和新结构的开发和使用有望解决这两方面的困难。近年来，欧美各国在 OLED 照明领域投入相对大的资金。GE、UDC、Osram 公司获得了美国政府的项目支持，开发 OLED 照明技术。美国能源部在 OLED 照明光源技术发展规划中指出：2007 年，用于照明的白光 OLED 效率将达到 50 lm/W、寿命超过 5000 小时；2012 年，其效率将达到 150 lm/W、寿命超过 1 万小时、制作成本也会大幅下降 29。对于显示领域来说，现阶段 OLED 屏幕已被应用到电视机、监视器、笔记本电脑、GPS 导航、移动电话、MP3 等许多设备上。尤其在 MP3 屏幕的应用领域属于新崛起的种类，被誉为“ 梦幻显示屏 ”。它无需背光灯，而是 “主动发光”。以 BenQ Joybee180的 OLED 液晶屏为例，它摒弃了传统 LCD 的缺点，每个像素都可自行发光，不管在什么角度什么光线下都可以比传统 LCD 显示更加清晰的画面，而且环境越黑屏幕越亮，犹如夜间的莹彩精灵。除了带来全新的视觉感受之外，OLED 还有很多 LCD 面板无法比拟的优点。比如可以使 MP3 做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能30。1.4 OLED 的特点1.4.1 OLED 的优缺点OLED 有以下优点：1) 厚度可以小于 1 毫米，仅为 LCD 屏幕的 1/3，并且重量也更轻；2) 固态机构，没有液体物质，因此抗震性能更好，不怕摔；3) 几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真；4) 响应时间是 LCD 的千分之一，显示运动画面绝对不会有拖影的现象；5) 低温特性好，在零下 40 度时仍能正常显示，而 LCD 则无法做到；6) 制造工艺简单，成本更低；无源驱动 OLED 模组电路设计 37) 发光效率更高，能耗比 LCD 要低；8) 能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器 31。我们看到 OLED 相比目前主流的 LCD 有一些无法比拟的优势，当然目前的 OLED 还存在一些缺点需要技术上的解决，当这些问题解决后将会是 OLED 大面积走入市场主流的之：1) OLED 寿命通常只有 5000 小时，要低于 LCD 至少 1 万小时的寿命；2) 不能实现大尺寸屏幕的量产，因此目前只适用于便携类的数码类产品；3) 存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。4) OLED 的知识产权基本被美国垄达和日本的几家公司垄断，目前仅垄达即垄断有近百项专利，并且目前还在以每年几十项的速度增长，而且它们目前也不愿轻易出卖授权，这对于一些开发，是一个较难跨越的门槛 32。1.4.2 OLED 与 TFT-LCD 的比较表 1-1 OLED 与 TFT-LCD 的比较 33参数 OLED TFT-LCD发光方式 自发光 需要背光源模组响应时间 几个微秒 40 毫秒视角 170 度 120 度发光效率 15lm/W 48lm/W能耗 可至 1mw，比背光源 LCD低 使用背光源，能耗大厚度 0.51.5mm 含背光源有 5mm操作温度 40C85 C 050C抗震性能 器件为全固态，胜任汽车、飞机等各种震动工作环境。 液晶材料抗震性能差环保性能 材料满足绿色环保要求 使用含有水银等有害物 质的背光源制造成本 大规模量产后，制造成本要 比 LCD 低 40左右 更复杂的工艺和更多材料使制造成本相对要高制造工艺 结构远比 LCD 简单 需要背光源等更多组件柔性设计 可采用能弯曲的塑胶基板 不能实现柔性显示重量 手机应用中少于 1g 手机应用大约 9g彩色方式 RGB 三色有机发光材料或彩色滤光片等多种方式 彩色滤光片毕业设计说明书 4显示尺寸 具有达到 500 英寸 28 英寸已经商品化1.5 本课题的研究目的和意义虽然 OLED 有诸多的优点，国际上众多公司都在研究、设计和生产 OLED 产品，但 OLED 并没有实现像 TFT-LCD 如今的普及，说明 OLED 在细节方面还有一些不足，这也说明了 OLED 具有很大的发展空间。目前国际上对于 OLED 的研究和产品比较多，但这些专利和核心技术都被国外占有，这样我国的 OLED 产业发展就相当困难。因此，对于 OLED 驱动电路的研究设计有非常重要的意义。1.6 本课题研究内容本课题研究内容为无源驱动 OLED 模组电路设计 ，即设计 12864 像素的无源OLED 驱动电路，并且编写驱动程序，点亮 OLED 屏幕。具体需要从以下几个方面开展工作：1) 查找并熟悉 OLED 屏幕资料；2) 选择合适的驱动 IC 并熟悉该 IC 的试用说明书。本次设计使用的驱动 IC 是SSD1306，因此需要熟悉 SSD1306 的资料。3) 设计驱动 IC（SSD1306 ）与 OLED 屏幕的接口电路、驱动 IC（SSD1306 ）与 80C51单片机的接口电路，包括 51 单片机最小系统电路。4) 用 Protues 画出接口电路的原理图，用 Protel 画出 COF 封装的版图，用 Autocad 画出 COG 封装的版图。5) 用 Keil 软件编写程序，可参考驱动 IC（SSD1306）资料中的初始化、显示程序。6) 利用烧录软件将程序导入单片机，连接单片机与屏幕的电路并按照程序设定点亮OLED 屏幕。2 OL