（物理电子学专业论文）荫罩式等离子体显示屏等效电路的研究.pdf

摘要 彩色等离子体显示技术( p d p ) 被认为是最适合作为高清晰度电视( h d t v ) 彩色显示终端的技术之 一。它属于自发光型显示器件，具有存储特性，很强的非线性电特性，良好的发光效率和亮度等特 点，这使其更适合于大屏幕、高分辨率彩色显示。现有的主流p d p 采用表面放电结构它能够提供 良好的显示性能，已经开始批量生产，但是这种结构仍然存在着许多问题和困难，特别是制造工艺 成本高、发光效率低。这些问题阻碍了p d p 在市场的迅速推广，特别是家用消费电子产品市场。因 此深入研究p d p 的工作机理，进一步优化放电单元结构和驱动方法，降低成本，提高发光效率，成 为目前p d p 行业的主要研究课题。由于p d p 是通过气体放电产生紫外线激发荧光粉发光进行显示工 作的，过程复杂、时间短、放电单元空间尺寸小，因此想要通过实验测量、观察的方法来研究其工 作机理具有相当的难度。目前常用的方法是借助于高速计算机来模拟气体放电过程，但至今为止， 国际上在该领域的研究仍局限于对放电机理的认识，距实际工程应用仍有一定距离。为满足在p d p 的工程研究中急需一个更适合于工程应用，能优化p d p 结构以及显示驱动的应用型模拟方法的要求， 本论文建立了一个实用型p d p 等效电路模型，并通过仿真软件模拟分析p d p 工作原理，优化驱动波 形，改进驱动电路。 本论文在分析和比较了现有的多种传统表面放电型p d p 等效电路模型的基础上，根据新型荫罩 式等离子体显示屏( s m p d p ) 的特殊结构，提出了其适用的等效电路模型。该模型以电容为主体， 选择闸流管来表现气体放电的非线性过程，还考虑了荫罩对放电特性的影响。作者建立了一个稳定 可靠的仿真环境和灵活有效的仿真方法，通过比较实验电路波形和仿真波形，验证了本论文所提出 的等效电路模型的正确性。另外，为了能模拟气体弱放电的特性，本论文提出了对等效电路的改进， 使该等效电路模型能更全面、准确的反映s m p d p 实际的工作特性。 本论文利用等效电路模型对s m p d p 放电特性进行了分析，给出了壁电压变化情况和气体放电特 性的关系，并利用壁电压输入一输出曲线( w v i o ) 分析了有效维持电压范围的决定因素。根据分析得 出的气体放电特性，本论文利用等效电路模型分析了四种p d p 主要驱动波形：维持波形、擦除波形、 寻址波形和初始化波形。 本论文利用等效电路模型，通过仿真阐述了能量复得电路的工作原理，证明了该电路在系统驱 动电路中的重要作用，并提出了优化方案。同时提出了对视频驱动电路的改进，设计了整个视频驱 动电路，增加了斜坡初始化波形的产生电路，并对电路进行了仿真分析。 关键字：荫罩式等离子体显示屏，等效电路模型，驱动波形，壁电荷，能量复得电路 a b s t r a c t p l a s m ad i s p l a yp a n e l ( p d p ) t e c h n o l o g yh a sa c h i e v e dm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa n di th a sb e e n r e g a r d e da so n eo f t h eb e s tc a n d i d a t e sf o rh d t v ( h i g h - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ah o m ee n t e r t a i n m e n tt e r m i n a l w i t hv e r yg o o dd i s p l a yp e r f o r m a n c e p d ph a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss e l f - l u m i n e s c e n t ，s t o r e - e f f e c t e x t r e m en o n - l i n e a re l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c ，h i 西ll u m i n a n c ea n dl u m i n a n c ee 街c a c y ，c o m p a r a t i v e l ys i m p l e s t r u c t u r e ，w h i c hm a k ei ts u i t a b l ef o rl a r g es c r c e na n dh i 曲d e f i n i t i o nd i s p l a ya p p l i c a t i o n t o d a y , t h es u r f a c e d i s c h a r g es t r u c t u r ei sw i d e l ya d o p t e d ，w h i c hp r o v i d e sg o o dd i s p l a yq u a l i t ya n dh a sb e e np u ti n t om a s s p r o d u c t i o n h o w e v e r 血es u r f a c ed i s e h a r g ns t r u c t u r ei ss t i l ln o t 廿1 eb e s to n eb e c a u s eo f s o m ep r o b l e m sa n d d i 佑c u l t i e s ，t h eh i g hf a b r i c a t i o nc o s ta n dl o wl u m i n a n c ee f f i c a c y ，f o re x a m p l e t h e s ep r o b l e m sa r ek e e p i n g p d po u to ft h ec o m m o nc o n s u m e rm a r k e t t h el a r g e s tm a r k e ta r e ao fa 1 1 t h e r e f o r e , m a n ym s e a r c hc e n t e r a n dm a n u f a c t u r e r sk e e ps t u d y i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp d pa n df i n d i n gw a y st oo p t i m i z et h es t r u c t u r e w i t hl o w e rc o s ta n dh i g h e rl a m i n a l i c ee f f i c a c y t h ec o l o rm o t i o np i c t u r e so fp d pa r eg e n e r a t e db yg a s d i s c h a r g ew i t hc o n t i n e n ta cw a v e f o r m s t h ep r o c e s si sq u i t ec o m p l i c a t ea n dt h es i z eo f e a c hd i s c h a r g ec e l l i sq u i t es m a l l s oi ti sv e r yd i 伍c u l tt os t u d yb ym e a n so fe x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n to rd i r e c t v i e wo n e f l u i dm e t h o di sw i d e l yu t i l i z e dt h a tc a i ns i m u l a t et h ed i s c h a r g ep r o c e s sb yc o m p u t e rc a l c u l a t i o n h o w e v e r 山i sm e t h o ds t i l lh a sm a n yl i m i t a t i o n si ns t u d y i n gt h ed i s c h a r g i n gp r o c e s sa n dc a n n o tb eh a n d l e db y c o m m o ne i l g i n e e t si np d pd e s i g n t h e r e f o r e t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tr o o d e li sp r e s e n t e d i ti ss u i t a b l ef o r e l l g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dc a l lo p t i m i z et h ep d pd r i v i n gs y s t e m n o wm o s tw o r kf o c u s e so nd e v e l o p i n g p r a c t i c a le q u i v a l e n tc i r c u i ta n ds i m u l a t i n gm e t h o df o ro p t i m i z i n gp d pd r i v i n gc i r c u i ta n dd r i v i n gs c h e m e a t i e rt h e a n a l y s i s a n dc o m p a r i s o nt ot h ea v a i l a b l ep d pe q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l sf o rt h e s u r f a c e - d i s c h a r g es t r u c t u r e ，t h ee q u i v a l e n tc i m u i tm o d e lf o rs m p d ph a sb e e np r o p o s e da c c o r d i n gt oi 谘 s p e c i a ls t r u c t u r e i nt h i sm o d e l ，c a p a c i t a n c ei sc o n s i d e r e da st h ec o r ec o m p o n e n t ，t h y r i s t o ri sa d d e dt o p r e s e n tt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i cd u r i n gd i s c h a r g e t h ei n f l u e n c eo ft h em e t a ls h a d o wm a s ko n d i s c h a r g ew a sc o n s i d e r e da sw e l l as t a b l es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta n ds i m u l a t i o np r o c e s sh a db e e n e s t a b l i s h 甜f r o mt h ec o m p a r i s o no f t h ep r a c t i c a ld r i v ew a v e f o r m st ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h i sm o d e lh a s b e e np r o v e d 髂ap r e c i s ea n dr e a s o n a b l eo n e s o m em o d i f i c a t i o nw a sa l s op r o p o s e do nt h i sm o d e lt o p r e s e n tt h ep r o p e r t yd u r i n gw e a kg a s d i s c h a r g e w i t ht h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fs m - p d p , t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nf u r t h e ra n a l y z e d i n c l u d i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew a l lc h a r g ea n dt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gd i s c h a r g e ，a n d t h em a i nf a t r o t st od e t e r m i n et h es u s t a i nv o l t a g em a r g i nw i t l lt h ew v l 0c u i v eo ft h ew a l lv o l t a g e f o u r m a i np r a c t i c a ld r i v i n gw a v e f o r m s ，i n c l u d i n gt h es u s t a i nw a v e f o r m ，t h ee r a s i n gw a v e f o r m ，t h ea d d r e s s w a v e f o r ma n dt h ep r i m i n gw a v e f o r m ，w e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l yb a s e du p o na b o v er e s u l t s w i l l lt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fs m - p d p t h ep r i n c i p l ea n di m p o r t a n c eo f e n e r g yr e c o v e r yc i r c u i t f e r c ) c a nb ec l e a r l ye x p l a i n e d t h em o d i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o no ne r ca n dt h ew h o l ed i s p l a ys y s t e m s h a v eb e e np r e s e n t e da sw e l l i nt h en e wd r i v i n gs y s t e m ，t h er a m p e dp r i m i n gw a v e f o r mw a si n t r o d u c e d t h e s i m u l a t i o no f t h en e wd r i v i n gs y s t e mw a sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：p l a s m ad i s p l a yp a n e lw i t hs h a d o wm a s k ，e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，d r i v i n gw a v e f o r m ，w a l l c h a r g e ，e n e r g yr e c o v e r yc i r c u i t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论爻的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括干u 登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垃 导师签名：盟日舭垡 第一章绪论 第一章绪论 现代社会的信息化发展对信息交换的要求日益增高。其中，显示技术已成为信息交换的重要支 柱之一。目前人类通过视觉获取的信息量己占全部信息量的9 0 ，足见显示技术的重要性。随着现 代科学技术的进步，人们对图像显示质量不断提出了更高的要求。上世纪中叶以来显示技术的研究 和开发工作异常活跃，陆续有新型显示器问世。 在各类显示器中，以彩色显象管( c p t ) 和彩色显示管( c d t ) 为代表的阴极射线管( c r t ) ，经 过长期发展已进入成熟期，其亮度、分辨率、色度、响应速率、对比度、寿命、视角、驱动方法、 调制特性等方面的表现十分卓越，并且已经形成巨大的产业，产品售价低廉，规格型号多样，无论 在电视接收机领域，还是在计算机终端方面，目前都还占据着市场主导地位。但是c r t 的缺点随着 科学技术的发展变得日益突出：笨重、需用高电压、有x 射线辐射、图像闪烁感强等。随着高清晰 度电视( h d t v ) 的即将推广，人们对显示器平面尺寸、分辨率的要求不断提高，传统的c r t 技术已 经无法满足人们对大屏幕、薄型化日益增长的要求。 近年来平板显示器件已逐步受到越来越多的关注。在目前研究工作比较集中的平板显示器中， 液晶显示器( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 和等离子体平板显示器( p l a s m ad i s p l a y p a n e l ，p d p ) 占主导地位。其中p d p 凭借其大屏幕、真彩色、视角大、高对比度、厚度薄、分辨率佳、体积小、 重量轻等诸多优点，被认为是最有前途的超大屏幕h d t v 接收机之一，代表了未来显示器的发展趋势 i l l 口 1 1 等离子体显示器( p d p ) 概述 1 1 i p d p 的发展历史 p d p 是利用惰性气体在一定电压下产生气体放电( 形成等离子体) 而直接发射可见光，或发射 真空紫外线( v u v ) 转而激发光致荧光粉而间接发射可见光的一种发光型( 主动型) 平板显示技术。 显示屏由许多微小放电单元矩阵式排列组成，通过选址使放电单元产生放电 国际上对气体放电的研究可以追溯到1 9 世纪，但真正开始对p d p 显示技术进行深入的研究开始 于2 0 世纪6 0 年代中期。 1 9 6 6 年，美国1 1 1i n o i s 大学的b i t z e r 和s l o t t o w 教授发明了交流等离子体显示板a c p d p ：1 9 6 8 年，荷兰p h i l i p s 公司发明了直流等离子体显示板d c p d p ；1 9 7 0 年，美国布劳斯公司又研制成功了 自扫描等离子体显示板，从而逐步推动了等离子体显示器的发展。进入2 0 世纪9 0 年代以后，等离 子体显示板的发展非常迅速，p d p 被公认为是最适合作为高清晰度电视( h r f v ) 的大屏幕彩色显示终 端技术。1 9 9 3 年，日本的富士通公司采用表面放电式结构率先实现了5 4 c m 的彩色p d p 量产：1 9 9 6 年被称为“等离子体电视时代”的起点，从1 9 9 6 年开始，多家公司相继推出了大屏幕的彩色等离子 体电视产品，包括日本的n e c 、先锋、松下等多家公司的产品开始市场化。韩国的三星、l g 、o r i o n ， 法国的t h o m s o n 等都加速了开发和规模生产的步伐，投资兴建p d p 生产线的资金累计已超过2 0 亿 美元。其中，三星更是已经推出了1 0 0 英寸以上的超大尺寸高分辨率p d p 产品。 1 1 2 p d p 基本工作原理 1 气体放电过程 彩色等离子体显示屏利用气体放电产生的紫外线激发荧光粉从而产生彩色光，图1 - 1 一i 所示为一 般气体放电的组成和伏安特性。如图1 1 1 ( a ) 中所示，气体在放电过程中产生了两个区域：负辉 区和正柱区。其中负辉区是不可压缩的，而正柱区可以随着放电空间长度的变化而变化，气体在放 电过程中产生的辉光主要集中在正柱区。对于等离子体显示屏来说，放电空间距离非常的短，通常 只有o 1 5 r a m ，因此等离子体显示屏在放电过程中一般只出现负辉区。图l - i 1 ( b ) 中伏安曲线表示 东南大学硕士论文 当加在气体两端的电压达到某个数值时，气体开始出现电离，电离后的电子和离子则分别向两极运 动，在电子和离子的运动过程中它们会碰撞其它的气体分子并促使该中性分子产生电离，并且这些 高能状态下的一次粒子在轰击固体表面时会导致二次电子发射，当碰撞产生的空间带电粒子逐渐增 多时进而会产生雪崩效应，此时大量的气体分子被电离并在外电场的作用下向两极运动。对于等离 子体显示屏的放电单元而言，其放电过程主要是介于稳定和非稳定的辉光放电之闻。 ( a ) 辉光放电 负辉区正往区 莲圣 瓶逸c 一 牲匕二型 糊剖 2 潘宁效应 电 流 嘞l - v 特性 图l - ! 1 气体放电的特性曲线 在等离子体显示屏的放电单元中，通常充的是混合的惰性气体，如氖气或氦气加上少量的氙气。 在放电的初始阶段，放电空间的少量电子在电场的作用下作迁移运动，在迁移运动的过程中，电子 会碰撞到氖、氙的原子，并促使它们电离产生电子、离子对，电子在单位移动距离上碰撞产生的电 子、离子对通常记为a 。电离产生的离子在外电场的作用下会向阳极运动，同样在离子的运动过程 中由于碰撞会激发新的电子和离子对，离子在单位移动距离上碰撞产生的电子、离子对通常记为y 。 通过不断的碰撞，电场空间的电子会不断的增加，并进而产生放电的电流。 产生上述的放电过程的条件之一，是外加的电压必须满足气体放电所需的着火电压。氙气的着 火电压比氖气要高许多，但是在氖气里加少许氙气，可以大大的降低氖气的着火电压。这一现象是 潘宁所发现，故此命名为潘宁效应”。等离子体显示屏正是利用这一现象来降低放电空间的着火电 压，在早期氙气的浓度大约在5 左右。但为了提高发光效率，目前氙气的浓度已经普遍提高到接近 着火电压的降低也可以通过提高二次电子的发射来实现，目前等离子显示屏的放电单元普遍在 介质层上加上了一层m g o 层，m 9 0 层除了能保护介质层免受离子轰击外，它具有较高的二次电子 发射系数。因此目前等离子体显示屏的着火电压已经降低到2 0 0 v 左右。 3 紫外线的产生 在等离子体显示单元的放电过程中，氖氙潘宁混合气体会产生大量的激发态和亚稳态原子以及 激发态二聚物分子等多种粒子，其中激发态的粒子很不稳定，会自动还原到稳定的原子状态，并将 多余的能量以紫外光的方式向外界辐射。图卜1 2 列出了主要的一些碰撞电离反应，以及激发态恢 复成原子所产生的紫外线。 2 第一章绪论 0+ o 日 + e + o + o 日+ 日o ( 1 4 7 n m ) + ，、 一 西o + o 圈1 - 1 - 2 氖氙潘宁混合气体的主要电离过程 ( 1 7 3r a n ) + ，、，、一 从上图中可以看出，1 4 7 - r i m 的紫外线是激发态的氙原子通过共振辐射反应( r e s o n a n c e r a d i a t i o n ) 产生的，而1 7 3 n m 的紫外线则是通过激发态二聚物氙分子的激发辐射反应( e x c i m e r r a d i a t i o n ) 产生的。等离子体显示屏利用这两个波长的紫外线来激发荧光粉，从而产生人眼可见的 亮度信号。对于某个放电单元而言，当放电空间产生气体放电后，紫外线的激发随之很快便达到了 最高值，此后便呈指数衰减，在l o o n s 时衰减到一半，1 1 l s 时紫外线的激发基本停止。 4 等离子体显示屏的典型结构 等离子体显示屏按照放电单元的结构来划分，有三种典型的结构：直流放电型、交流对向放电 型和交流表面放电型i 3 i 。三种结构的截面图如图1 1 3 所示，图中上半部袭示水平方向的截面图，下 半部表示对应的垂直方向的截面图。 图i i - 3 三种典型的放电单元结构 图1 1 3 ( a ) 中所示直流放电型结构相对比较简单，每个放电单元有两个交叉的行列电极相对 应，当两个电极的电压差达到某个数值时，气体产生放电，并进一步激发荧光粉发出亮光。在直流 型结构中，为了限制放电过程的电流，通常在每个放电单元都串接个电阻，对于整屏所有的像素 而言电阻的相对误差必须小于o 5 ，而这一过程在大规模的生产过程中比较难控制。由于直流放电 3 东南大学硕士论文 结构的p d p 在亮度和效率方面的不足，目前已经基本消失，市场上大部分等离子体显示屏采用的都 是交流结构，本论文在下面也将主要讨论交流型结构的工作原理，关于直流型放电过程的工作原理 o - j 以参考1 4 】o 图i - 1 3 ( b ) 所示为交流对向放电型单元的结构图，与直流型相比。交流对向放电型在前后基 板的电极上增加了介质层。在放电过程中介质层上将由f 放电电流而不断积累壁电荷，随着壁电荷 的进一步积累，放电空间的场强被逐步减弱，并最终导致放电的停止。因此为了使放电过程不断继 续，极性相反的电压必需交替的加载在行列电极的两端，这个交替的电压就是后面将要介绍的维持 电压。另外由于壁电荷的积累，使放电空问产生维持放电所需的电压幅值也会有所下降。 图1 1 3 ( c ) 所示交流表面放电型结构与对向放电型结构的区别在子，在前基板每个象素拥有 两个平行的行电极。维持电压就加载在前基板的两个电极之上。这是目前绝大多数等离子体显示屏 所采用的结构。它与对向放电型相比，优势在于放电集中在前基板的表面，而荧光粉涂敷在后基板 之上，因此离子对荧光粉的轰击要弱许多，从而可以提高荧光粉的寿命。 5 a d s 驱动方式 对于不同结构的等离子体显示屏来说，其电极上所加的驱动电压波形是不相同的，本文仅以目 前占主流的交流表面放电型结构为例来介绍a d s 驱动方式的实现。对于荫罩型等离子体显示屏驱动 波形的介绍将在后续的章节中给出。 igb_gb 图i 1 - 4 交流表面放电式电极结构 图卜1 4 中为常见的交流表面放电式结构的电极结构示意图。图中y i 和x 为导电率较高的前基 板电极，在这两个电极之上还有一层透明的i t o 膜。维持电压的波形就加载在x y i 电极之上。寻址 电极a i 为后基板电极，它与y j 电极共同完成放电单元的寻址功能。 4 第一章绪论 擦除期 扫描期 维持期 |lag|11| x y 图1 - i 5 各个电极之上的电压波形 等离子体显示屏采用脉冲个数调制方式来实现不同灰度等级的图像，例如将每帧时间分成8 个 子场，每个子场维持期脉冲的个数各不相同，高位子场是其前一级低位子场的两倍i ”。图1 1 - 5 给出 了某个子场的各个电极所加电压波形的示意图。图中电极a i 只有在扫描期才加载电压波形，其它时 间保持在零电位。电极x 和y 。是共同工作的，在擦除期两个电极所加载电压波形将使放电单元积累 的壁电荷清除干净；在扫描期a i 和y i 共同作用的结果是在对应的放电单元产生一定的壁电荷积累， 从而使该单元在后续的维持脉冲作用下不断地产生放电；在维持期x 和y 。电极轮流加载高电平，从 而使扫描期积累壁电荷的放电单元能不断地产生放电，激发出紫外线。 1 1 3 p d p 存在问题 随着我国数字电视标准的逐步制定完成，未来家庭高清晰娱乐显示终端的竞争将更加剧烈。目 前加入到竞争行列的平板显示器件有：液晶显示屏，等离子体显示屏，大屏幕背投显示屏等。与其 他显示器件相比，等离子体显示屏所具有的优势在于，主动式发光、高亮度和大尺寸显示面积。但 同时，等离子体显示屏也存在着一些问题，主要包括： 不能承压，功耗大。由于是大型超薄平板显示器，结构上不能承压，驱动电压高，功耗大。 亮度低。虽然与l c d 相比，p d p 的亮度提高了许多，但作为壁挂式的显示器件其亮度仍需要进 一步提高。 发光效率低。由于p d p 利用的是辉光放电的负辉区，效率比较低。 成本高。要降低成本，必须降低材料成本，简化制造过程，提高成品率，这样才可以降低屏的 成本，改善显示屏的工作特性，降低对驱动的要求，从而降低驱动电路的成本。 显示质量有待提高。如存在串扰，在分辨率、对比度、动态图像伪轮廓等方面，仍需要进一步 的提高。 以上所有罗列的问题中，成本问题是最关键的。对于4 2 英对的等离子体显示屏而言，其进入中 国家庭必须跨越整机单价1 0 0 0 美元的价格关口。为降低生产成本，创新是唯一的出路，这其中包括， 提出新型的放电单元结构并带动着火电压的下降、设计和优化显示屏的生产工艺流程，降低大规模 生产的成本，同时等离子体显示屏还需要进一步设计和优化带能量恢复的电源驱动模块以降低整机 功耗、以及设计和优化视频驱动模块并改进显示的图像质量等。 为解决上述问题，一些新型的驱动方式被提出来，如a w d 驱动方式f 6 l 、a l i s 驱动方式刀、c l e a r 驱动方式”、p l a s m a a i 驱动方式1 9 】等；同时一些新型的放电单元和屏结构被创造性地提出了，如d e 丌a 结构、t u b e - a r r a y 结构f 1 2 1 、w a f f l e 结构、s m 结构等【1 4 1 【1 5 l ；为改善图像质量，带运动估计 的补偿方法也被采用到等离子体显示屏的视频驱动系统之中( 16 】( i 硼q 。 国内东南大学提出了荫罩型等离子体显示屏( s m p d p ) 结构，该结构与传统a c c - p d p 结构相比， 5 东南大学硕士论文 用成熟的荫罩替代障蔽结构，从而简化了生产工艺流程，带动了整屏成本的降低 本论文针对s m - p d p 的结构，研究其等效电路模型来对该新型显示屏工作特性进行分析，并借 助于等效电路模型来优化驱动电路设计，旨在提高显示屏显示亮度、降低整机功耗。下一节将介绍 这种新型s m - p d p 的结构和驱动方法 1 2s m - p d p 显示屏结构和驱动方法 1 2 1 s m p d p 基本结构 图卜2 1 为s m p d p 结构图，该结构由前基板、荫罩和后基板三部分组成。在前基板上用光刻 的方法制作透明电极组，在透明电极表面用丝网印刷的方式叠印黑、白银电极，方面提高对比度， 另方面减小电阻值，保持驱动时每行所有单元上的电压相同，通常称为总线电极( 又称汇流电极) 。 总线电极和透明共同组成了显示板的扫描电极，用于逐行扫描和维持放电显示。在扫描电极表面用 丝网印刷厚膜工艺制作了透明介质层，通常该介质层分为两层，底层为隔离层，阻断总线电极中的 a 2 离子向介质中扩散形成黄斑，而上层为流淌性较好的介质材料，使介质表面光滑，有利于后道薄 膜工艺。在介质层表面通过电子束蒸发的方法制作了m g o 薄膜，一方面保护介质免受离子轰击，提 高器件寿命，另一方面提供较高的二次电子发射，降低工作电压。后基板与前基板基本相同，不同 处在于没有透明电极，仅用了a g 电极，为了提高亮度，介质通常采用高反自材料，有效地反射可 见光。前后基板中间是金属荫罩，采用丝网印刷的方法，在荫罩孔内壁形成荧光粉膜。将上述三部 分用低熔点玻璃封接材料高温封接后，进行烘烤除气，真空度达l o 3 帕后充入适当气压的n e + 4 x e 混合气体，即完成了屏的制作。为了提高屏的放电均匀性，主要是m g o 表面状态的均匀性，通常需 进行一定时问的老炼。 圈1 - 2 1s m - p d p 结构图 通过以上结构分析可以得出，s m p d p 和a c c p d p 相比，在结构上最大的不同就是s m - p d p 用荫 罩( s h a d o w m a s k ) 代替了a c c p o p 中的障壁。s m p d p 中所用的荫罩和是c d t ( c o l o rd i s p l a yt u b e ) 中用的高分辨率荫罩是一样的，为c i 汀工业中广泛应用的部件，通常采用的材料为_ l ( 钢或i n v ”( 一 种铁镍合金) ，厚度为o 1 2 一o 2 5 m ，通过光刻制作图形，用f e c l3 化学腐蚀而成，其结构如图1 - 2 2 所示。由于荫罩原材料成本低，工艺简单，成品率高，因此价格低，用于p d p 可以有效地降低成本。 6 第一章绪论 图1 2 2 荫罩结构图 s m p d p 从结构上类似与早期的对向放电式结构，不同处在于用导电的荫罩取代了工艺难度高、 用介质材料制作的障壁，降低了成本，提高了器件的均匀性。荧光粉的涂覆位置有效的避免了离子 轰击，提高了器件的寿命。 s m p d p 中由于荫罩的每一网孔截面为碗状，它与前基板的接触面积很小，既可以保障葫罩本 身的强度，又可保障对前基板支撑的强度，还能最大限度地增加整个等离子体显示板有效的发光面 积与视角。 由于s m - p d p 中荫罩本身也起到现有等离子体显示板中障壁结构的作用，因此能防止诸像素各 方向之间的光干扰，与现有结构相比，还有利于提高分辨率特别是行分辨率。 由于金属的加工技术比现有等离子体显示板中所用绝缘材料构成的障壁制造技术要简单成熟得 多，因此，该结构适合于大批量生产，提高成品率，降低生产成本。 与表面放电结构p d p 相比，s m p d p 结构开口率高；荫罩本身黑化后可以提高对比度，不用在 前基板制作会减小显示面积的黑底图案，因此，提高了前衬底玻璃基板的通光( 可见光) 性能，有 利于提高亮度和发光效率。 1 2 2 s m p d p 驱动方法 s m p d p 屏的驱动电路系统主要包括四个部分：视频采集、逻辑控制、高压驱动和电源部分，如 图卜2 3 所示。 7 东南大学硕士论文 一二黼一列蒜删 嚣，图象 + 缩放、分 黧辨捌一i i ：喜戮呻锄 1 视频采集 视频图 电压转换器 图l 一2 3s m - p d p 驱动模块设计图 图像采集包括常规模拟视频信号的数字化、存储、针对p d p 显示所做的图象处理，其中常规视 频信号包括v l d e o s v i d e o 以及v g a 信号。目前市场上能够购买成熟的相应专用芯片，例如飞利浦 的s a a 7 1 1 0 和s a a t l l 4 系列。在图象数字化后，必须将信号存储下来，由于p d p 是子场显示方式， 因此必须存储两帧以上的图像，以便对每帧图像划分子场。针对p d p 显示的特殊性，还必须对图像 进行处理，消除数字显示带来的视觉误差、提高显示质量。 2 控制模块 控制模块是p d p 显示驱动的核心模块，它产生p d p 正常工作所必需的同步信号、图像存取信号、 电源控制信号和高压驱动所需的控制波形。这一部分功能的实现通常采用可编程逻辑器件( p l d ) 。 3 高压驱动 由于p d p 的工作电压较高，因此其选址工作必须采用专用的低压控制高压输出的芯片。例如可 采用了n e c 公司的p d p 专用芯片，该芯片可同时驱动4 0 路，电压可达到2 0 0 伏。 4 电源 在p d p 中存在着各种电压幅度，因此其电源的设计也是十分重要的。由于p d p 是电容性器件， 因此其正常工作时瞬间电流较高，为了降低p d p 的功耗，必须采用能量复得电路，利用电感将能量 返回电源，从而可以解决高功耗的问题。 5 驱动波形 s m p o p 的可以用多种驱动方法来驱动，下面介绍其中一种比较简单的驱动方案，该方案采用了 寻址显示分离技术( a d s ) 。如图卜2 4 所示，图中斜线代表逐行扫描寻址，即寻址期；灰块代表高 频率维持脉冲，即维持期：通常在维持期之后要对全屏进行擦除，以消除上次放电对下一子场的影 响。采用a d s 驱动方式能充分利用交流p d p 具有存储功能这一特性，从而能够获得较高的亮度。 8 第一章绪论 扫描电极i 扫描 扫描电极n i 帧 堪 鋈羹 黧 霪蔼 爹。 曦 爱j ， 疆、w ，镶 萎一童 爹? ”，藕 錾”w 一再 参。6 |鬻 蕊娥缀瀛溆翁缎艇满 s f 4s f 5s f 6 晰潲l+ s n b f i c 坩l 扫描脉冲 寻址期维持期 子场1 ( s f i ) 图1 0 4 p d p 的a d s 驱动方案示意圈 单个子场的驱动波形如图卜2 5 所示，每一子场包括寻址期、维持期和擦除期。 对于现在流行的a c c p d p 结构，由于每一放电单元中存在着三个电极，为了能够显示，在寻 址之前必须对所有单元进行初始化，通过在前基板上的平行电极间施加高压脉冲进行一次强放电， 再通过与后基板的寻址电极进行放电来使所有单元的壁电荷一致，之后才能实现寻址。这一有发光 的初始化过程在每一子场均为必须的，因此对每帧图像都会产生不可消除的背景光，这就严重影响 了图像的对比度；而两电极的s m p d p 不需要这一过程，因此在对比度上要高于a c c p d p 。目前通 过采用斜坡擦除可以达到较好的擦除效果。 n n + 1 行 荫罩 寻址列 未寻址列 ： ； ： ： nll 寻址维持 圈1 - 2 - ss m - p d p 子场驱动波形 擦除 在p d p 驱动设计的过程中，还有一点十分关键，就是电磁兼容性( e m c ) 问题。由于受高压放 电的影响，p d p 系统线路中存在着较严重的电磁干扰，若处理不当，其干扰信号的幅度甚至可能超 过低压电源幅度，严重影响低压逻辑控制部分的正常工作，因此必须严格控制，在制电路板、装配 等过程中要尽可能消除电磁干扰。而s m p d p 由于障壁本身是金属，放电单元被金属包围，本身就 9 东南大学硕士论文 具有降低电磁干扰的功能，因此能够有效的降低驱动设计的难度。 1 3p o p 工作特性的计算机模拟 等离子体显示器作为一种大屏幕平板显示器件，被公认为是未来高清晰度电视( h d l v ) 和家 庭影院显示终端的最有力竞争者，因此近来广泛受到人们的亲眯。然而，等离子体显示技术仍然一 些问题有待于进一步解决，比如功耗、发光效率、生产成本等。为了有效地解决这些问题，全世界 各大公司、研究所、大学针对等离子体的工作原理和结构、驱动电路以及制造工艺等进行了大量细 致的工作，提出了新的放电单元结构1 1 9 1 和驱动方法。 为了进一步提高等离子体显示屏的性能，必须做大量的实验来测试和理解等离子体显示屏的电 工作特性，然而这是一件非常烦杂的事情，因为其电特性是非线性的，并且现在还没有一种有效的 方法能准确测量出放电单元壁电荷的积累情况，而这对于分析放电单元的电特性有着重要的作用， 因此必须寻求一种更好，更有效的方法来对等离子体显示屏的电工作特性进行分析。随着计算机技 术的飞速发展，计算机辅助设计( cad ) 在等离子体显示技术领域已经成为一种非常重要的设计 开发手段。目前等离子体显示屏的计算机辅助设计工作主要集中在对放电单元工作特性的模拟方面， 通过计算机模拟得到单元放电工作特性( 如壁电荷积累、放电电流等) 受放电单元结构，充气情况、 电极尺寸等因素的影响。现在主流的模拟方法有两大类，分别是流体力学模型和等效电路模型。虽 然两种方法都能模拟等离子体显示屏放电单元的工作情况，但两者的理论背景不同，所考察的等离 子体显示屏放电单元工作特性层面亦有所不同。 1 3 i 流体模型 流体力学模型法应用较早也较广，是目前研究p d p 放电单元工作特性的主流方法。它根据流体 力学的处理方法，把等离子体中不同种类的带电粒子一一特别是电子和离子的漂移、扩散、中和等 分别用不同的导电流来进行描述和分析。具体来说，它通过流体动力学中的连续性方程、运动方程 与电磁学中的泊松方程构成联立方程组，根据质量守恒、动量守恒和能量守恒的原理，对时间和空 间作适当的划分后利用有限元或有限差分等数值计算方法求解得到等离子体显示屏放电单元内的各 种参数，包括空问中的电场分布、各种带电粒子、激发态粒子的分布及其随时间的运动变化情况、 壁电荷的积累情况等，并由此推算出该等离子体显示屏放电空间的放电电压、放电电流、放电效率 等工作特性参量。 一维流体模型能够仿真电极正交排列的对向放电型p d p 放电单元的放电工作特性【刎，二维流体 模型可以仿真a c c p d p 放电单元的放电工作特性。对于近年来提出的t 型电极“、w a f f l e 障 壁、d e l t a 单元等特殊结构，必须采用三维流体模型对其进行仿真模拟运算1 2 4 】。 图1 3 一l 给出了表面放电型p d p 放电单元结构示意图。其二维流体力学模型的建模过程如下： 沿数据电极的中心线垂直对放电单元进行划分，得到一个剖面。用细小的矩形或三角形对该剖面中 的放电空间进行适当的分割，再选择合适的时间步长，就可以将联立方程组中的微分方程式转化成 差分方程式进行数值计算。 1 0 第一章绪论 图1 - 3 1 表面放电型p d p 放电单元结构示意图 流体力学模型作为研究p d p 放电空间工作特性最直接的模拟方法，其主要特点是可以模拟求解 许多难以用实验进行测试的物理量，包括各种粒子的运动和壁电荷的积累情况等。另外，通过对各 个参数的修改，可以直接考察各类尺寸结构或充气情况对p d p 工作特性的影响。因为对放电起主要 作用的谐振态离子的运动和演变情况也是数值计算过程中的一部分，所以该模型可以