（物理电子学专业论文）等效电路模型在smpdp特性研究中的改进及应用.pdf

摘要 彩色等离子体显示屏技术 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 作为自发光型显示器件 它具有存储特性 很强的非线性电特性 良好的发 光效率和亮度等特点 使其适合于大屏幕 高分辨率彩色显示应用 荫罩式等离子体显示屏 s m p d p 的提出为等离子体显示屏技术指出了一条有效的低成本化道路 对其继续保持 在该市场领域的主导地位具有非常重要的作用 因此深入研究s m p d p 的工作机理 进一步 优化放电单元结构和驱动方法 从而降低成本 提高发光效率 成为目前p d p 行业的一个 研究热点 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的 其中每个单一显示 单元尺寸都非常小 同时放电过程又是一个动态过程 因此通过实验测量 观察米研究其工 作机理具有一定的难度 本论文的主要j 丁作集中在建立一个符合p d p 工作特性的等效电路 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现有的单元等效电路模型的基础上 根据荫罩式等离子体显示屏 s m p d p 的特殊结构 提出了矩阵排列型等效电路模型 为验证该模型的正确性和合理 性 本论文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 验证了本论文提出的等效电路模型的合理性 能更全面 准确的反映实际 s m p d p 的工作特性 本论文利用矩阵排列型等效电路模型对p d p 放电特性进行了具体研究 给出了p r i m i n g 波形变化情况和寻址特性的关系 并利用等效电路的结构特性分析了对等离子显示器m a r g i n 的影响冈素 以及最后放电单元间的相互影响与实际电路测试时存在着相似的特性 本论文 的工作也为今后对s m p d p 的进一步的实验和研究提供了基础和平台 关键词 荫罩式等离子体显示屏 矩阵排列型等效电路模型 驱动波形 寻址特性 a b s t r a c t c h r o m a t i cp 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 yi ss a i dt ob et h eb e s tc a n d i d a t ef o rh i 曲 d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n h d t d i s p l a yt e r m i n a l a sas e l f l u m i n e s c e n td i s p l a yd e v i c e p d ph a st h e a d v a n t a g e so ft h es t o r ee f f e c t e x t r e m en o n 1 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 g hl u m i n a n c ea n d l u m i n a n c ee f f i c a c y w h i c hm a k ei tm o r es u i t a b l ef o rl a r g es c r e e na n dh i i 曲d e f i n i t i o nd i s p l a y t h e p r e s e n t a t i o no ft h ep 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 ks h o w sap r o m i s i n gs o l u t i o no fl o w c o s tp d p w h i c hc a nh e l pp d pt e c h n o l o g yk e e pi t sl e a d e rp o s i t i o ni nt h i sm a r k e t t h e r e f o r e m a n y r e s e a r c hc e n t e ra 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 s t oo p t i m i z et h es t r u c t u r ew i t hl o w e rc o s ta n dh i i g h e rl u m i n a n c ee f f i c a c y i t i sk n o w nt h a tp d pd i s p l a y sp i c t u r ei sb yw a yo fa l t e r n a t ec u r r e n t a c g a sd i s c h a r g i n g w i t h i nv e r yt i n yc e l la n dt h ed i s c h a r g i n gi si nd y n a m i cp r o c e s s s oi ti sv e r yd i f f i c u l tt os t u d yb y e 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 w t h ep r i m a r yt a s ks h o u l db ef o c u s e do ne s t a b l i s h i n gt h e e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e la c c o r d i n gw i t ht h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co fs m p d p a l s oi n c l u d e st h e a n a l y s i so fs m p d pw o r k i n ge l e m e n t s o p t i m i z i n gd r i v ew a v e f o r ma n di m p r o v i n go nt h ed r i v e c i r c u i tt h r o u g ht h es i m u l a t i o ns o f t w a r e a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h e e x i s t i n gs i n g l e c e l lc i r c u i te q u i v a l e n tm o d e l t h e m a t r i x a r r a n g e de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e io fs m p d pw a sb e e nb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h e p a r t i c u l a rs t r u c t u r eo fs m p d p i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s sa n dr a t i o n a l i t yo ft h em o d e l t h e r ea r es t e a d ya n dc r e d i b l es i m u l a t i o nm e t h o da l s oe n v i r o n m e n ts e tu pi nt h i s d i s s e r t a t i o n i tc a n p r o v et h er a t i o n a l i t yo ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e la n dr e f l e c tt h er e a lw o r k i n gc o n d i t i o n so f s m p d pm o r ea 1 1 a r o u n da n de x a c t v i at h ec o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e dw a v e f o r m t h em a t r i x a r r a n g e d e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fs m p d pi s b e e nu s e dt or e s e a r c ht h e d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c i ta l s og i v e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a r i e t yc o n d i t i o n so fp r i m i n g w a v e f o r ma n da d d r e s s i n g a n a l y z i n gt h ei n f e c t i o na i m i n ga tp d pm a r g i nb yu s i n gt h es t r u c t u r e s p e c i a l t yo fs m p d pc i r c u i tm o d e l t h el a s ti st h es i m i l a rc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h ei n t e r a c t i o no f d i s c h a r g ec e l l sa n dt h er e s u l t so ft h er e a le x p e r i m e n t 1 tc a l la l s op r o v i d eag r o u n d w o r ka n d p l a t f o r mt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ha n de x p e r i m e n to nt h es m p d p k e yw o r d s s m p d p m a t r i x a r r a n g e de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l d r i v ew a v e f o r m a d d r e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c 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文的内容相一致 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 括刊登 授权东南大学研究生院办理 第一章绪论 第一章绪论 1 1 显示技术及p d p 技术发展概况 1 1 1显示技术的发展 2 1 世纪是信息大爆炸的时代 预计到2 0 2 0 年将达到每半个月所有的知识体系翻一番的 惊人速度 大量的信息通过 信息高速公路 传送着 要将这些信息传送给人们必须要一个 下载的工具 即接口的终端 l 研究表明 在人们从各种途径获得的信息中 近2 3 以上 的信息是通过眼睛获得的 足以见得显示技术的重要性 2 i 二十世纪最后的十到二十年中 涌现出多种平板显示器技术 其中 液品显示技术 l c d 等离子体显示技术 p d p 场致发射显示技术 f e d 有机发光二极管技术 o l e d 等都得到了快速的发展 并以前两者的发展最为突出 3 j l c d 技术从当初的单色小屏幕显示 器产品开始进入市场 并随着工艺的进步在统治小型显示屏市场的基础上不断扩大在中人型 显示器市场的份额 就目前主流的中等尺寸显示器市场的竞争中 l c d 已经逐步取代了c r t 的龙头地位 4 儿5 1 随着s h a r p 公司宣布2 0 0 8 年l c d 面板的第十代生产线的量产 近年来 在人屏幕家庭娱乐显示器市场的竞争中 l c d 有着相当不错的表现 相比l c d 显示器 p d p 技术更专注于大型宽屏平板显示器领域 主要产品的对角线尺 寸从3 2 3 7 4 2 5 0 以及6 0 英寸不等 分辨率从w v g a 8 5 2 x 4 8 0 x g a 1 0 2 4 x 7 6 8 w x g a 1 3 6 6 x 7 6 8 到f h p 公司专有的1 0 2 4 x 1 0 2 4 1 6 1 近期 该尺寸范围内的f u l lh d 1 9 2 0 x 1 0 8 0 分辨率的p d p 产品也陆续被各p d p 公司研发成功并推出 以松下 三星 l g 为首的p d p 生产商也相继追加在p d p 上的投入 扩大其产能 7 1 引 1 1 2p d p 技术的发展概况 等离子体平板显示屏 p l a s m ad i s p l a yp a n e l p d p 显示器具各许多独特的优点 1 等离子体显示属于自发光型显示 可以产生单色光和彩色光 具有较好的发光效率和亮度 2 具有记忆特性 可实现大屏幕显示 3 视角可达1 6 0 度以上 4 响应速度快 灰 度可超过2 5 6 级 色域与c r t 相近 5 制作工艺简单 投资小 6 寿命长 7 环境 性能优异等 近期在亮度 灰度级 寿命等关键技术上的突破 使p d p 技术又迎来了一个 新的发展阶段1 9 在家庭娱乐大屏幕显示器件方面 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 高清晰度电视 h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n h d t v 接收机之一 代表了未米显示器的发展趋 势 l o l 1 目前 全世界有很多厂家在研究和制造p d p 大部分制造商生产的p d p 都采取表面放 电型交流p d p a l t e r n a t i n gc u r r e n tc o p l a n a rp l a s m ad i s p l a yp a n e l a c c p d p 的结构 然而 a c c p d p 有儿个缺点 首先 由于a c c p d p 内部采取的障蔽作为放电单元之间的分界线 在大屏幕情况下 很难将绝缘材料的障敝做得宽度 高度一致 而且特别还要求在比较狭窄 的情况下 这就导致了低产量 高成本 其次 由于扫描电极和公共电极宽度的限制 很难 提高p d p 平板垂直方向上的分辨率 l2 1 为解决上述问题 国内尔南大学提出了一种新 东南大学硕 学位论文 型的高性价比的荫罩式等离子体显示屏 s h a d o wm a s kp l a s m ad i s p l a yp a n e l s m p d p 的结 构 s m p d p 采取网孔状金属材料c r t 上的荫罩代替传统的障敝 作为一个公共电极夹在 p d p 上下基板中间 在基板上各有一组相互垂直的电极刚来作为寻址电极和扫描电极 2 l 1 3 l s m p d p 的这种结构有助于提高分辨率 亮度 可以迅速提高屏的制造成品率 降低成本 延长寿命 s m p d p 采取传统的荫罩代a c c p d p 制作复杂而昂贵的障壁 有利于降低成本 1 1 3 近期p d p 面板市场预测 伴随着p d p 技术的不断发展和进步 目前的p d p 产品在4 2 寸以上对角线平板显示产 品领域依旧保持其性价l f g z 的优势 是全球该领域内的市场主导者 1 4 然而面对同样存在 着技术不断完善和成本降低的液品面板 国际市场的各自份额将会得到空前的白热化竞争 这也将预演一场主流屏幕尺寸面积卜 的市场争夺战 1 5 16 1 美国市场调研公司i s u p p l i 公布了全球p d p 面板的市场预测结剧1 7 由于与液品面板的 激烈竞争 目前p d p 面板的平均售价出现下滑 不过在民刚及产业领域市场上 供货额和 供货量均还在增长 2 0 0 6 年全球p d p 面板市场的供货额为7 7 亿美元 预计2 0 0 7 年将比上 年增长1 1 8 达到8 6 亿美元 2 0 0 8 年随着5 0 英寸以上面板的增产等 供货额将进一步增 加 同比增长1 8 5 达到1 0 2 亿美元i l 引 但是 随着竞争日趋激烈以及价格持续下滑 p d p 供货额剑2 0 0 8 年将达到顶峰 然后开始减少 2 0 11 年将减至8 7 亿美元 另一方面 预计 p d p 面板的供货量将持续增加 2 0 0 6 年的供货量仅1 0 0 0 万枚 之后以年均1 8 6 的成长率 增长 到2 0 11 年将达到2 3 6 0 万枚 关于p d p 面板价格下滑的主要原冈 i s u p p l i 提到了以下几点 厂商间的竞争 p d p 面 板 t 厂的大型化带来的生产效率提升 制造 l 艺的改进 面板材料的成本降低 与液晶电视 机及背投式电视机的竞争激烈 从2 0 0 7 年第一季度各厂商的供货量份额来看 松下电器居首 份额占3 1 5 韩国l g 电子排在第二位 份额l i2 4 7 韩国二星电子排在第三位 份额i 叶2 2 9 i 19 1 虽然韩国两 人厂商在2 0 0 6 年第四季度份额减少 不过2 0 0 7 年第一季度份额再次增加 i s u p p l i 表示 p d p 面板厂商中 松下电器产业是唯一一家决定扩人产能的企业 而其他厂商则在观望液 晶与p d p 电视的竞争中p d p 电视的销售情况 1 2p d p 技术研究的方法和手段 从二十世纪九十年代中后期开始等离子体显示技术及其产业进入了快速发展的阶段 p d p 在大屏幕高清晰度显示器领域中占有重要地位 其技术研发完全针对专业显示器产品 或电视机产品进行 2 们 目前等离子体显示技术亟待解决的问题包括 i 不能承压 功耗大 由于大型超薄平极显示器结构上不能承压 驱动电压高 功耗大 i i 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 i i i 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 i v 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 改善显示屏的一l 作特性 降低对驱动的要求 从而降低驱动电路的成本 v 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 这些问题是阻碍或减缓等离子体显示屏火规模进入家用显示屏市场的主要冈素 2 l l 为 此 各生产厂家和研究单位在p d p 技术研究方面仍不断革新 运州多种研究方法和手段 2 第一章绪论 提出大量新的放电单元结构 制造工艺 原材料及驱动方法和电路方面的设想和构思 一般研究p d p 技术的方法是利用高速c c d i c c d 对放电过程的实时观测方法1 2 2 通过拍摄在极小时间间隔内放电空间放屯情况的照片 了解放电发生的具体时间 路径 强 弱等信息 比较简便的是对p d p 放电过程中红外辐射的探测 用高速红外信号探头采集放 电过程的红外辐射情况 用示波器收集 从其变化情况可以判断气体放电过程是否稳定 以 此对驱动条件的合理性做辅助评价 还有利用光谱分析法采集放电过程中粒子中和所释放出 的能量谱线 据此判断主要的粒子成分和粒子相互作用 以上这些方法都需要比较昂贵的仪器设备 而且对于p d p 而言 都是后期验证研究 即在p d p 设计制造完成后进行研究 这需要火量的一r 艺和材料投入 成本高 效率低 为 了降低成本 希望在研发初期刚开始有一个p d p 结构设计方案或其它材料改进想法时就能 对其 l 作特性进行分析研究 这是p d p 研究方法的主要发展方向 具体实现途径就是伴随 计算机技术发展产生的p d p 的模拟和仿真技术 开始最早同时也是目前研究最广泛的p d p 仿真技术是流体力学模型方法 而等效电路模型研究方法由于其对电路系统设计具有直接的 指导意义也已经被越来越多的关注1 2 3 1 1 2 1 p d p 工作特性模拟仿真技术的发展 由于计算机软硬件技术的飞速发展 计算机辅助设计 c a d 的能力越来越强 使其 在等离子体显示技术领域也已经成为一种1 f 常重要的设计开发手段 它主要的研究方法是从 已知的物理模型出发 利用计算机进行数值计算处理 从而模拟并揭示出等离子体及等离子 体显示屏的某些性质和规律 优秀的计算机模拟软件可以对开发方案的准确性和可靠性提供 保障 同时提供设计优化功能 从而有效控制开发成本 加速开发周期 2 4 1 主流的p d p 模拟方法目前包括两火类 分别是流体力学模型和等效电路模型 前者在 全球范嗣内目前开展得比较广 其设计工作重点集中在对单个放电单元内 整个气体放电过 程中 各种物理变化过程进行仿真模拟 运用它可以得剑单元放电过科中一些与 r 作特性相 关的变量 如壁电荷积累 着火电压 放电电流等 的变化情况 以及放电单元结构 气体 配比及气压 电极形状与尺寸等冈素对放电过程的影响情况1 2 5 j 后者利瑚等效电路的原理 将一个与p d p 具有相似电气r t 作特性的电路系统 或宏电路模块 代替p d p 放在整个驱动 电路系统中进行功能仿真 冈此称为等效电路模型 运刚它能给出p d p 完整的电路系统工 作特性描述 并指导驱动电路系统的设计与优化 2 6 1 以上两种方法都能模拟等离子体显示 屏的工作情况 只是两者的理论背景不同 所考察的等离子体显示屏上作特性的层面亦有所 差别 且都有较突出的优点和不足 1 2 2 流体力学模型仿真技术的发展 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 中和等分别川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 包括空间中的电场分布 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j 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 f 作特性 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 3 w a f f l e 障肇 d e l t a 单元等特殊结构 必须采川二维流体模l 对其进 r 仿直槿拟逗算 以 一维流体力学桃剐仿真计算表面放电性p d p 为倒 其建模及求解过程如r 甘先泄数据 u 极的中心线垂直对放电单元进行划分 得到一个一维削面 即模型的求解计算半血 川细小 的矩形域二堵形对该剖面中的放电宅间进行适当的分割 冉选择合适的时问步k 就可以将 联立方科组中的微分方程式转化成筹分方程式进行数值计算田j 图1 l 给出了多流体力学模 型数值计算的主要计算结果示例 其中 圈 a 是放电空间内不同时刻的电场分布 剀 b 足放电空间山不唰时刻的电子浓度分布 龃 c 是放电空间内不同时刻的氖离子浓度分布 陶中以不同的颜色表示数据的大小 依次分别为红 黄 绿 青 兰 紫 n 雠 m y t m e 表3 面6 放m 电型p d p 二维流毒 篙墓警釜电单元中空间电位分 影 a 表面放电型 二维流体力学模型放电单元中空间电位分布计算结果 q q t i m e 36 r 懈 z i m e 3 6 n s n m e 3 7 0 m j b 表面放电型p d p 二维流体力学模型放电单元中空间电子浓度分布计算结果 札女 日j 一 h j 砌e 36 m t i m e 3 6 n s e m e 3 7 d m 5 j c 表面放电型p d p 二维流体力学模型放电单元中空间氖离子浓度分布计算结果 图1 f 表面放电型p d p 二维流体力学模型主要计算结果示意图 流体力学模型作为研究p d p 放l h 空间 作特性最直接的模拟方法 其主要特点是可以 模拟求解许多难以州实验进行测试的物理颦 包括再种粒子的运动和壁电荷的积累情况等 另外 通过对吾个参数的修改 可以直接考察各类尺寸结构戏充气情况对p d pe 作特性的 影响1 2 8 1 田为对放电起主要作川的喈振态离子的运动和演变情况也是数值计算过料中的一 部分 所以该模型可以直接计算放电空间的放电效率 但是流体力学模型在模拟过群中由丁 要考虑时变田索 所以实际模拟过程中的复j 度较高 就模拟计算本身米说 它是一仲既费 存储宅问同时义费时间的 科 尤其是三维流体力学模型 通常需要在人型i 作站上运 7 7 j l 大才能模拟仿真得到p d p 的一个i 作周期约儿一t 个微秒时间内的运算结果 需要特别提山 的是 由丁量子物理的理论上对流体力学模型中等离于体山各种粒子问的许多相且作 的阐 述仍小明确 实际建模过群中都相应怍丁一定的近似或假殴 所咀在计算过栏中必然会产生 醒筹 数值运算的过稚通常为选代运算 误差易铍积累 闻此该模型不宜对衙耳t f f 状态进 行模拟 如维持l w 的周期性维持脉冲等 流体模刑在实际远行中也对撑作人员提出组高的要 求 相黄参数的修政以及运算结果的分析都不是f 通i 程应 l i 人员 如电气j 程师 可以胜 任的 所咀其实际戌州方面具有定的局限性 123 等效电路模型仿真技术的发展 本 i 忍糍等瞽糌娑氍船掣筹蕊黧瑟忭的r c l 此可 编翳瘟本身在1 作过样中就可以被看作是一个电路元件或一套电路的f 系统 以卅并放电路 鬣荔p d p 鬻端罢赫蒜蔫酬p d 鬟p 翟燃甚臀的电路系统 内部仅古标准的有源域无源电路元件 米代替 这就是等效电路 l l 研 第一章绪论 究方法的基本思想嗍 交流等离子体显示屏放电单元内各电极表面都有绝缘层覆盖 使放电空间内的电荷具有 封闭性 所以其 1 作特性与电容接近 根据单元放电空间本身结构的特点可以简化产生如图 l 2 所示的寄生电容等效电路模型 前玻璃基扳 介质层 m s o 层 j j 连 嘻 盏激爿 二 二1后玻璃基板一一 l j 图1 2 交流表面放电型p o p 寄生电容等效电路模型 国际上已有的p d p 等效电路模型研究主要都是基于对该p d p 寄生电容模型的修正展 开 就研究出发点和研究途径来讲 目前主流的等效电路模型一般考虑两个方面的影响来改 进上述寄生电容模型 一是侧重于分析放电空间气体导电率变化产生的影响 一是强调由于 壁电荷分布不均匀产生的影响俐 另外 等离子体显示屏放电单元中采用的工作气体一般为h e n e 混合气或h e n e x e 混 合气 这些惰性气体在形成等离子体先后表现出极为不同的电气特性 导电率 在气体放 电前后 它们分别具有良好的绝缘特性和导电特性 实际等效电路模拟中针对这些由放电气 体导电率变化带米的差异的表现方法是采用可调电阻拟合法或二二极管拟合法 由于可调电阻 的参数确定有一定的繁琐性 现在二极管拟合法应用相对较广p 图l 3 为典型的表面放电 p d p 放电单元的电容 二极管模型示意图 其中每个维持脉冲对应一个与其波形反向的二二极 管协同 l 作 二极管在反向击穿前后正好表现山工作气体的导电性变化 x 电极 y 电极 图1 3p 呻放电单元的电容 二极管等效电路模型 等效电路模型在建立之后 可以直接将其输入现有通用电路仿真软件 如p s p i c e 等 对其电气特性进行模拟 由于该模拟算法接近于二元或三元低阶方程组求解 所以这种方法 模拟速度快 结果可靠 另外 冈为模拟结果主要是i v 特性曲线等p d p i 作时的电气特 性 冈此模拟 作对等离子体显示驱动系统的设计有很大的作用 使电路参数设计有实际参 照依据 也便于对已有驱动系统的优化改进 上述两种模型都可以较好的拟合出等离子体显 示屏在点火和维持期的电气特性 但是 等效电路模型也有其缺点 目前确定电路参数的方 法主要靠模拟结果与实验结果比较后进行修正 直到两者的电气特性曲线一致 它缺少一种 能直接指导参数确定的理论 使模型的建立能独立于实验进行 其至对p d p 优化设计提供 指导和帮助 5 东南大学硕上学位论文 1 2 4 两种模拟仿真技术的对比 流体模型按照三个基本守恒定律 质量守恒方程 即连续方程 动鼍守恒方程 即运 动方程 能量守恒方程 计算电场作用下各种粒子的运动情况 它能提供p d p 单元内气体 放电特性的详细信息 能够体现多个三维尺寸变化带米的影响 如t 型电极 d e l t a 三色 单元排布等 对p d p 单元将来的优化需求及新结构设计很重要 但是其计算速度比较慢 等效电路将等离子体显示屏看作一个由各种电路元件组成的电路系统 该电路系统能够 表征出等离子体显示屏在放电过程中的各种 i 作特性 在建立了等效电路模型后 一般可直 接利用商用电路分析软件来快速模拟显示屏等效电路的工作特性 和流体力学模型相比 其 模拟速度快 电流电压波形拟合良好 并适合周期性工作波形下系统特性模拟 1 3 s m p d p 工作原理及单元模型研究 对于任意一个接入电路输出系统的设备 在电路学上 都可以称作此电路系统的负载 因此 p d p 在被接入驱动电路系统后也可以看作电路系统的一个负载而进行工作的 3 2 j 由 于p d p 依靠施加高电压引起气体击穿进行工作 气体放电本身是一个复另 的 非线性变化 的过程 其上作特性较难确定 给p d p 相关的 作特性研究增加了很人的凼难 为了配合 对于p d p 在电路系统中的工作特性研究 需要寻找与p d p 工作特性相同至少相似的一个电 路元件或一套宏电路模型米替代p d p 本身 这就是p d p 等效电路的概念 运用p d p 等效电 路模型来对p d p 的j 二作特性进行仿真研究 这就是本论文进行p d p 等效电路模型研究的基 本思想和出发点 随着电子计算机技术的发展 计算机辅助设计方法 c o r n p u t e r a i d e dd e s i g n c a d 演 变得越米越完善 以此为基础的电子设计自动化 e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n e d a 已 经成为电子学领域中的重要学科 并形成一个独立的产业部门1 3 引 模拟电路中的电路分析 数字电路中的逻辑仿真 甚至印刷电路板 集成电路版图等都可以采川计算机辅助 1 i 具来提 高设计效率和设计成功率 另一方面 电路系统设计的复杂性不断提升 使得原始的设计方 法无论从效率上还是设计精度上都已经无法适应当前电子f t 业的要求 采川计算机辅助设计 来完成电路系统设计已是不可缺少的重要设计手段 也是必然的发展方向 1 3 1 p d p 的等效电路模型研究方法的发展现状 由于p s p i c e 为代表的电路仿真模拟软件的发展 使电路设计的白动化程度不断提高 也使p d p 的等效电路模型方法成为 具有实际意义的研究课题1 3 引 目前p d p 等效电路模型研 究的主要的过程和模式如图l 4 所示 研究分两个步骤 p d p 等效电路模型的建立和p d p 等效电路模型的应用 前者依靠实验测试的方式对p d p 电路模型进行定性和定鼙分析参考 并协助模型的验证 后者通过将p d p 等效电路模型代入p d p 驱动电路系统进行系统运行仿 真 评价驱动电路系统的功能 还可以用于计算具体电路响应对任何电路参数的灵敏度 这 种灵敏度信息将有助于电路设计优化l j m 6 第一章绪论 p d p 等效电路模型的建立 定性 p d p 等效电路 r 一 模型设计 上 p d pt 作特性 定量p d p 等效电路 一 修正 测试 模型参数确定 上 模型验证 p d p 工作特性 仿真模拟 i l p d p 等效电路模型的应用 p d p 电路系统 性能仿真及改进 图1 4目前p d p 等效电路模型研究方法流程示意 就目前来讲 p d p5 1 作特性测试实验在p d p 等效电路模型研究过程中起着非常重要的 作刚 因此我们称此类p d p 等效电路模型的应 j 属于 后验型 应h j 类型 若能直接建立 p d p 单元结构设计与p d p 等效电路模型之间的联系 从p d p 结构设计时就确定p d p 等效 电路模型及其参数 并仿真模拟p d p7 作特性实验结果 就能大大扩展p d p 等效电路模型 的应用领域 并有效降低p d p 研究开发成本 此类 前瞻型 应用也是p d p 等效电路模型 研究最重要的发展方向l 如j 国际上目前关于p d p 模拟等效电路的研究从整体上讲 还不够完善 主要表现在以下 方面 模型建立过程对p d p 性能测试实验的依赖性较强 模型建立后的应用面也较窄 某 些模型在应用灵活性 模拟准确性方面亦有待改善f 37 另外 由丁这些模型都集中于对传 统表面放电型交流等离子体显示屏 即a c c p d p 的电路一 作特性研究 而s m p d p 属于交 流对向放电类型 与a c c p d p 在显示屏结构和放电模式上有较人的著异 所以 s m p d p 适 用的等效电路模型应当根据其结构特点和 作性能进行独立设计 1 3 2 s m p d p 放电单元的结构 典型的s m p d p 放电单元具体结构如图1 5 所示 它由前玻璃基板 荫罩 后玻璃基板 叠加构成典型的 三明治 结构 前玻璃基板上依次通过丝网印刷或贴膜曝光等一i 艺覆盖有 水平方向平行排列的i t o 透明电极 金属汇流电极 介质层和m g o 保护层 其中i t o 透明 电极和汇流电极联合构成扫描电极 义称为行电极 透明电极保证良好的透光率 汇流电 极保证良好的导电性 荫罩上通过腐蚀j i 艺加工出一条条短凹槽作为独立放电空间 其横截 面呈碗状 位置与显示像素对应 其内壁涂敷有对应的彩色荧光粉 后玻璃基板上同样覆盖 有按垂直方向平行排列的数据电极 又称为列电极 由于其宽度较窄 且没有透光要求 单纯采用金属汇流电极 j 艺即可 其上也覆盖有介质层和m g o 层1 3 引 东南大学 q 位论女 鬟薰菱匿 瑟醛眨羞世 高分辨率麻 条1 j f s m p d p 的放电单元结构从原来类似于跑道的长凹椭转变为圃碗 状 红 绿 监三个子像素对应的放电空间早三角形排列 田此可 j j 国际上通用的 d e l t a 结构 由于在相同的像素截距条什f 该新放电单元结构的尺寸最小值就是圆孔的直径约 第一章绪论 03 3 r a m 与原 通分辨率f 像素的最小尺寸03 6 r a m 相近 因此将截距尺寸变化后对加i 难度君l 发光效率的影响部降到很低 另外 如此的像素排列方法使其与c r t 显示器的混色 效果一致 能有效减弱 眼观看p d p 时的颗粒感和条纹感 使人觉得显示圈像更为细腻 a b 8 7 a j 警嚣嚣s 单元m p d 结p 勰焉凇髻鬻需8 普通分辨率像素排 4 及放电发光情况 b 高分辨率s m p d p 像素排j 忸放电发光情况 随着p d p 技术的不断发展 传统的a c c p d p 放电单元结构也是现出很多新的驶计变化 例如政变电极形状 增加辅助放电电极 增加障鹫j 年度 采j 封臼j 放屯空问结构求i 采刚 应d e 州l t a l 分布的像素结构等 其中后两者在新的高分辨率s m p p 放电单元结构中已经得到 133s m p d pt 怍机理殛其驱动系统设计 s m p d p 的基本l 作机理是目前主流的交流驱动模式 由丁放电单元结构和电极设计的 特殊性 s m p d p 的前基板上仅有行电极 没有传统p d p 中与2 平行的公共电极 气体放电 选择在前基板行电极与后基扳列l u 极交忙处进行 因此放电路径在前厉基板之间 屑丁对向 式放电 作类型 由下s m p d p 彳i 列电极表面都有舟质层 因此仍一作在交流驱动模式 同 样具备 作电压低 电路损耗小 对荧光粉的轰 h 较少 寿命长等优点 i 露撕 列电极 图1 8s m p d p 典型工作波形示意图 毒孝地电位止 东南大学硕十学位论文 4 c二 乞 乞 口 敞 堪 口 i j 6 i 1 a 擦除期结束时刻 2 4 日1 f 口 麟 三薹二麓 r 仃 b 一 j t i 4 乞 敞 国 兰乙 矗黛 l j 4 牵守 b 扫描期结束时刻 二 4 一 d 卜 乞 一 乞 敷 翟 勰 o d 尊 牵 一 q 4 q b c 正维持脉冲结束时刻 d 负维持脉冲结束时刻 图1 9 被点亮情况下各时刻s m p d p 放电单元内部壁电荷分布情况示意图 图1 8 和图1 9 分别给出了s m p d p 所采用的典型驱动工作波形以及与其对应的s m p d p 放电单元内部壁电荷分布变化情况 需要指出的是 目前商用p d p 电极驱动芯片有两种 行电极驱动芯片具有较强的负载驱动能力 工作电压高 但移位速度较慢 输出路数少 单 路输出成本高 数据电极驱动芯片数据移位速度高 单片输出路数多 且单路输出成本低 但其负载驱动能力弱 工作电压低 为了降低s m p d p 驱动系统的成本 需要使列电极的驱 动兼容传统p d p 数据电极驱动芯片 所以s m p d p 的维持波形在考虑到驱动芯片的具体指 标后设计为由行电极施加交替正负维持脉冲 而列电极保持接地状态 驱动 作波形与壁电荷分布变化相结合可以为p d p 的 作机理提供良好的解释 由于 积分或斜坡擦除波形的作用 无论擦除脉冲之前放电空间有无壁电荷和空间电荷 在擦除期 过后s m p d p 放电单元空间和介质层表面基本上都没有气体分子电离后的电子或离子 在寻 址期 由于行列电极所发生的点火脉冲总幅度超过气体放电的着火电压 s m p d p 放电单元 空间内的中性j i 作气体分子产生电离 形成离散的正负粒子 并沿点火脉冲所形成的电场方 向在相应的行列电极表面积累 形成壁电荷 在维持期 当行电极上有正维持脉冲到来时 其对应于单元放电空间的电场作用与寻址期结束或上一次负维持脉冲斤积累的壁电荷电场 作用相同 两者累加后满足使气体放电再次发生的条什 工作气体再次电离并形成反向的壁 电荷积累 于是当行电极上随后的负维持脉冲到来时 又一次满足气体放电条什 壁电荷分 布恢复到正维持脉冲到来之前的状态 由此循环 使交流放电过程持续进行 这是解释交流 p d p 工作机理的著名的壁电荷分布理论1 4 引 产生气体电离后 s m p d p 的 作原理就与a c c p d p 都基本相同了 利用空间粒子相互 作用产生的紫外线激发荫罩孔内壁表面涂覆的彩色荧光粉发光 利用调整单位时间内发光的 次数产生灰度 利川人量像素的矩阵排列产生图像 上述的单组擦除 扫描寻址 维持的 s m p d p 典型j f 作波形构成了a d s a d d r e s sa n dd i s p l a ys e p a r a t e d 显示期与寻址期分离 驱动j i 作时序中的单个子场 子场达到一定的数量 且每个子场中的维持期 或维持脉冲数 1 0 第一乖绪论 嘿n t s c 尝鬻9 1 6 要7 鬻勰 鬻辫黛8 徽撩僦攥菇黑2 7 4 1 制式f 约为毫秒 的显示时间分割成个子场 并个子场的维持瑚按l 8 1 6 3 2 6 4 1 2 8 的比例分配 由此显示具有2 5 6 级灰度的凹像 如幽 1 0 所示 i a s m p d p 使用的基本a d s 工作时序于场分配情况示童图 1 r q tf i d d h h 0 一 手匹 墨i 二 u n l n 图 艺 慧絮嚣端丢差凳象箍 秦嬲舞瑟 完整的s m p d p 视频显示驱动电路系统组成框架示意图如幽l 一1 i 所示 批包含四个主 i 品 别是视频采集及处理电路 核心逻辑控制电路 波形发生和行列驱动电路 开戈 东南大学硕 学位论文 c v b s v i d c o 爹 一 d e c o d e r 藉 i 迪 i d a j 董 毒 一 视频采集与处理 核心逻辑控制 i 波形发生与行列驱动 j ji j 一一 一一 一一 i 整流 西c d 转换电路i 一 开关电源 一一 图1 1 1s m p d p 驱动电路系统构成功能模块图 c c 其中 视频采集与处理电路部分完成对多种常用接口和制式的模拟视频信号进行数字化 处理 再统一为逐行的 与s m p d p 实际分辨率对应的 图像效果增强后的数字视频图像信 号 核心逻辑控制部分电路完成实现系统的时序控制管理 包括子场的数量 排列顺序等 另外对视频图像按照子场显示要求进行存储管理 波形发生和行列驱动电路完成包括点火期 偏压 维持 擦除以及初始化等高压r 1 作波形的生成 以及行列芯片的驱动控制 开关电源 完成整流和电平转换功能 实现全套系统内部各组高低压直流电源的供给 四个部分的电路 协同工作实现针对s m p d p 设计的全彩色视频图像显示驱动工作方案l 4 4 j 1 3 4 s m p d p 单元等效电路模型的设计理念 为了能准确表达s m p d p 在接入驱动电路系统后的特殊电气工作特性 s m p d p 单元等 效电路模型可以在气体放电前后的性能差异可分两个步骤构建和完善 i 首先根据s m p d p 在气体放电之前的特性建立基本等效电路模型 其间主要考虑s m p d p 放电单元结构设计的因素 i i 然后根据s m p d p 在气体放电之后的特性对基本模型进行修正 此时主要考虑气体放电 物理特性的影响 1 3 4 1 s m p d p 基本等效电路模型的建立 根据s m p