（电力电子与电力传动专业论文）pdp高压驱动芯片可靠性研究及验证方法.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e ri c w h i c hi sac o m p o s i t er e s u l to fp o w e re l e c t r o n i c sa n dm i c r o e l e c t r o n i c s i sd e v e l o p i n gr a p i d l yi ng l o b a lr a n g e a sa ni m p o r t a n t p a r to fp o w e ri c h i g h v o l t a g e m 9i ci n t e g r a t e sh vc o m p o n e n t sa n dl o wv o l t a g ec o n t r o lc i r c u i t so no n ec h i p a n d i ti sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fh i g hv o l t a g ec o m p o n e n t s h i g hv o l t a g es e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r ep r o c e s s a n dc o r r e s p o n d i n gd e s i g nm e t h o d x d l 0 0a n dx d l 7 0a r cp d p d r i v e ri c sw h i c hh a v eo u ro w n p a t e n t r e s t i n ga n da n a l y z i n gt h er e l i a b i l i t yo fd r i v e r i ci si m p o r t a n tt or e a l i z ec o m m e r c i a lp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r t h ep d p sd i s p l a yp r i n c i p l ea n dd r i v e rm e t h o dh a v e b e e ni n t r o d u c e d f i r s t l y t h e nt h ep d p sc i r c u i ts t r u c t u r ea n dxe l e c t r o d e ye l e c t r o d e ae l e c t r o d e s d r i v e rc i r c u i t e n e r g y r e c o v e r yd r i v i n gc i r c u i ta n dt h eh i g h v o l t a g eo u t p u tc i r c u i th a v e b e e na n a l y z e d t h e nt h ep d pd r i v e ri cx d l 0 0a n dx d l 7 0h a v eb e e nt e s t e df r o m l o g i cf u n c t i o na n dd ca t t r i b u t e f o u n d i n go nt h et e s t i n gr e s u r t h er e l i a b i l i t yo fd r i v e r i ch a v eb e e na n a l y z e db ye l e c t r o m i g r a t i o n l a t c hu p i s o l a t i o nt e c h n o l o g y v d m o s r e l i a b i l i t ya n de s d t h ev d m o ss a f ea r e ah a sb e e ng i v e na n ds e c o n db r e a k d o w n p h e n o m e n o nh a sb e e na n a l y z e d t h ew a yh o wt oa v o i dt h es e c o n db r e a k d o w n p h e n o m e n o nh a sb e e nd i s c u s s e d f i n a l l ys o m em e t h o dt oi m p r o v ep d pd r i v ei c s r e l i a b i l i t yh a v eb e e ng i v e n k e y w o r d p d pd r i v e ri t r e l i a b i l i t y l a t c hu p e s d 3 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安电子科技大学 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做了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 本人保证毕 业离校后 发表论文或使用论文 与学位论文相关 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学 学校有权保留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学 校可以公布论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保 存论文 保密的论文在解密后遵守此规定 笈壁 聋末 造彳军 本人签名 兰兰 导师签名 v y 电极a 和 y 之间的着火电压 在a 和y 电极之间产生寻址放电 并由此引起x 和y 电极 之间的放电 在x 和y 电极处分别累积负和正的壁电荷 图2 5 g 在寻址 期结束时 需要点亮的单元累计了一些壁电荷 而不需要点亮的单元没有壁电荷 进入维持期 交替给y 和x 电极加维持脉冲v s 对于在寻址期累积了壁电 荷的单元 壁电压与v s 叠加大于着火电压 将持续产生维持放电 图2 5 h 而没有累计壁电荷的单元不会产生维持放电 在维持期 寻址电极a 上始终加电 号羹 童 p d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 压v a w v a w 近似等于1 2 v s 使其对正负电荷的吸引力相同 避免其上累积壁 电荷 a d s 驱动法利用壁电荷的记忆特性 使维持放电电压大幅度降低 但是传统 的a d s 驱动法因为每个子场的复位期都要加全屏初始化脉冲 背景亮度高 暗室 对比度低 另外在显示运动图像时 出现伪轮廓的紊乱现象 2 2 2a l i s 驱动法 表面交替发光 a l t s 驱动法是富士通公司为适应高清晰度电视显示而提出 的 其实质还是a d s 不同的是采用了奇偶场分离 隔行扫描 在传统驱动方式 中 每个显示行包括一对显示电极 显示行之间的空隙为不发光区域 而且必须 保持一定间距 以避免相邻显示行之间的放电干扰 而在a l i s 驱动方式中 显 示电极等间距排列 任意两个相邻电极之间都可用来发光 因此a l i s 方式能够 使垂直方向的分辨率提高一倍 而不用增加显示电极的数目 由于相邻显示行共 用了一个电极 因此a l i s 方式将一个电视场分成奇偶两场 奇数场在奇数行显 示 偶数场在偶数行显示 奇偶场又各由若干个a d s 子场组成 6 j 在复位期 利用复位脉冲使全屏复位 在寻址期 隔行扫描y 电极 先扫描 奇数y 电极 再扫描偶数y 电极 对于奇数场 扫描奇数y 电极时 给奇数x 电极加高电压 偶数x 电极不加电压 而扫描偶数y 电极时 给偶数x 电极加 高电压 奇数x 电极不加电压 使寻址放电发生在奇数显示行的电极对上 如 扫描y 1 时 x l 加高电压 x 2 不加电压 壁电荷累积在x 1 和y l 上 而不是 y 1 和x 2 上 对于偶数场则刚好相反 在奇数场的维持期 给位于奇数显示行的电极对x 1 和y i x 2 和y 2 交替加 维持脉冲v s 使奇数显示行放电发光 同时 偶数显示行的电极对y 1 和x 2 上 始终如相同电压 不产生放电发光 偶数场的维持期情况相反 由于奇数x y 电极和偶数x y 电极在驱动过程中所加电压不同 因此需要分别由两套驱动器 驱动 a l i s 方式除了实现高清晰度显示外 还具有以下优点 首先是经济性 由于 一根扫描电极可以驱动两个显示行 所以扫描驱动i c 的数量减半 其次是亮度高 由于电极等间距排列 电极间发光区域变宽 开口率增大 显示亮度大幅度提高 最后是寿命长 由于表面交替发光 各显示单元的发光占空比是传统驱动方法的 一半 对荧光粉的轰击损伤以及对放电表面放电特性的破坏减少 因此显示器寿 命得以延长 j 第二章p d p 显示原理与驱动电路 2 3a cp d p 的驱动电路 在介绍驱动电路之前 必须对a cp d p 的整机电路结构有个清晰的认识 以 便于对电路做更进一步的分析 2 3 1 a c p d p 整机电路结构 在a cp d p 中屏和电路是两个重要的组成部分 电路系统的性能和p d p 的显 示质量有非常密切的关系 虽然采用的驱动方法会有所不同 但整机电路仍就可 分为以下四个部分 电源 接口电路 存储控制电路以及高压驱动电路 如图2 6 所示 r g b v h 图2 6a c p d p 整机电路结构图 对于电源部分 由于p d p 正常工作时需要多种幅值的电压 例如逻辑电路部 分需要 5 v 1 5 v 电压 而高压部分需要 1 7 0 v 6 5 v 1 7 0 v 等电压 电源部分 主要包括开关电源和d c d c 变换电路 用于产生以上所需的各种电压 为了保护 显示屏和驱动电路 电源工作时有严格的开机时序和关机时序 主要是开机时先 开逻辑电源 再开高压电源 关机时先关高压电源 再关逻辑电源 电源电路主 要应用了d c d c 转换技术 接口电路用来提供p d p 对各种信号源的界面 如计算机v g a 信号 n t s c p a l 制式的电视信号等 其功能是将外部输入的模拟视频信号转换成p d p 可以利用的 数字信号 并统一处理成适合等离子显示器后级显示电路处理的数据格式 同时 为后级电路提供显示所需要的各种同步控制信号 如行 场同步信号 消隐和数 据时钟等信号 接口电路还要完成图形对图形幅形比以及分辨率的变换 依据功 旦p d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 能不同接口电路主要包括视频解码 模数转换 数据格式交换 数据缓冲等部分 存储控制电路包括数据整合电路和逻辑控制信号发生器 它是彩色a cp d p 驱动电路的中央控制部分 主要功能是将图像数据按照a cp d p 分子场显示的要求 进行转换 存储和处理 并给高压驱动电路提供逻辑控制信号 存储控制电路包 括两部分 数据分流电路和子场分离模块 数据分流 即按照显示屏寻址电极分 为上下两部分的特定结构丽将图像数据分开 数据按子场分离 即将分流后的数 据按子场分离 并存储到帧存储器里 然后有序的读出并送给寻址电极驱动i c 与此同时还要产生扫描时序控制信号来控制扫描电极驱动i c 高压驱动电路的功能是在逻辑控制信号的作用下 产生驱动显示屏所需要的 各种高压脉冲序列 例如维持脉冲 扫描脉冲等 它包括a 寻址电极驱动电路 x 维持电极驱动电路和y 扫描电极驱动电路 在存储控制电路中产生的都是t t l 的 逻辑电平 但是等离子显示单元中都充有氦氖等混合气体 其放电着火电压为 1 8 0 v 显然t t l 电平不能使p d p 显示单元放电 因此需要将存储控制电路产生的 低电压信号转换成高压的驱动电平并使之按一定的顺序驱动显示屏 驱动电路和 显示屏相连 包括寻址电路驱动i c 实现显示数据的驱动 即用一列的显示数据 驱动寻址电极完成对一列显示单元的寻址操作 驱动电路还包括扫描电路驱动 i c 在扫描时序控制信号作用下 实现顺序扫描各显示行 完成对寻址电极驱动 器的配合 在寻址期对各行进行寻址操作 即进行单元的选择放电 积累或保留 显示单元中的壁电荷 另外还要完成维持放电操作 高压选择电路也是驱动电路 的一部分 它给寻址电路驱动i c 和扫描电路驱动i c 提供适当幅值的高压电源并 要产生x 电极高压驱动脉冲 完成对维持放电的驱动和寻址期x 电极的操作 2 3 2 各电极高压驱动电路 通过上一节的分析我们知道等离子显示屏在x y 和a 电极上均需有多种电压 出现 只对其提供稳定的电源电压是不能实现驱动要求的 因此首先需要一个高 功率的转换电路 这一电路将直流电压转换为高频率的交流电压从而获得所需要 的等离子放电电流 这种电路由四个开关组成的全桥结构构成 其等效电路如图 2 7 所示 电流源i 是显示单元的放电电流 c c c 分别是x y 电极 a x 电极和a y 电极之间的寄生电容 它们的电容值受壁电荷的影响 电极x y 上 所需的高电压由等效的四个高压开关管控制 8 由于等离子显示器工作在高电压 脉冲情况下 并且要求开关速度很快 因此采用功率场效应晶体管控制作为高压 电源开关 控制驱动电极在不同时间和它需要的电压相连 采用功率场效应晶体 管主要因为场效应管是多数载流子导电 不存在少数载流子的存储效应 从而有 较高的开关速度 同时场效应管还具有正温度系数 容易并联使用 可以解决大 第二章p i p 显示原理与驱动电路 图2 7a cp d p 的驱动等效电路 电流的问题 另外场效应管具有较高的阈值电压因此噪声容限较高抗干扰能力强 而且由于是电压控制器件它有较高的输入阻抗因此驱动功率小 驱动电路相对简 单 图2 8 是各电极高压驱动电路示意图 由于各电极工作在高压脉冲状态 而 且频率高 开关速度要求很快 因此设计时采用功率场效应管 m o s f e t 作为高 压电源的控制开关 控制电极在特定时间和特定电压相连以产生所需要的高压脉 冲 图中的m o s f e t 均以开关表示 图2 9 给出了各开关在第一个子场中的工作时 序 各x 电极由于在任何时刻所加波形相同 因此连在一起由公共的驱动电路驱 动 各a 电极和y 电极由于在寻址期所加波形不同 需要分开驱动 因此驱动电 路分成高压驱动集成电路 i c 部分 分别为寻址驱动i c 和扫描驱动i c 和公 共驱动部分 各电极分别由高压驱动i c 中的一个单元独立驱动 各单元彼此并联 后连接到公共驱动部分 a 电极驱动电路给出了两种选择 当电源电路不提供v a w 电压时选择左图 提供v a w 电压时选择右图 以左图为例 v a w 通过电容c 1 和c 2 自举得到 当接 通开关s 3 关断开关s 4 时 a 点输出电压为v a 同时电源v a 给电容c 1 和c 2 充电 c 1 两端的充电电压为v a c 2 两端的充电电压为稳压管d 4 的击穿电压 令d 4 的 击穿电压等于v a w v a 当关断开关s 3 接通开关s 4 时 a 点输出电压为c 1 和c 2 上的电压之和v a w 此时二极管d 1 反偏 分别控制寻址驱动i c 中各单元开关s 1 和s 2 的通断 就可以将相应a 电极置于a 点电压 v a 或v a w 或者零电压 x 电极在寻址期 通过接通开关s 1 3 和s 使电压箝位在v a 电压回零时 关断开关s 1 3 和s 1 4 然后接通开关s s 即可 在维持期 维持脉冲的产生采用了 能量复得电路 关于能量复得电路 将在下一节详细论述 这里只说明维持脉冲 的产生过程 在维持脉冲的上升沿 先接通开关s 1 2 使电容c n 中储存的电荷通 1 4 p d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 皿 电极 寻娃驱动z c a a 电极驱动电路示意图 寻址驱动i c 一i j z ji 嚣 一ott 增l i 士 i j i 扣 一 i 卜 粕e h 辩3 斜d 轧 卑l 一o d 埘 匕珥 1 1 j 寻吐坤暂住电砖 尘5 4 土 f b x 电极驱动电路示意圉 j 警探除掣 一主0 4 銮d 2 9 扣 r 包 d z l y 2 6 o 面1 严毫 二叫 皆3 l1 n j s 2 s 2 7 本d 扫描驱动i c 扩1 上 v y 石磊i 辱i 靖 矗并j 玉 毛蠢 匠i i 石 五 c y 电极驱动电路示意图 图2 8 各电极驱动电路示意图 第二章p d p 显示原理与驱动电路 ii i j i l i l il i m t r n m t 厂一 8 2 1 1 广1 o 厂 图2 9 开关工作时序 过电感l i l 给x 电极充电 当x 电极的电压接近v s 时 接通开关s 1 6 使x 电极 的电压达到并保持在v s 在维持脉冲的下降沿 关断开关s 1 2 和s 1 6 接通开关 s l l 使x 电极上的电荷通过电感l 1 2 储存到电容c l l 中 当x 电极的电压接近于 零时 接通开关s 1 5 使x 电极的电压回到并保持为零 y 电极在复位期 通过接通开关 2 4 产生斜坡电压脉冲 y 斜坡脉冲前沿的 时间常数由电阻r 2 1 和屏电容c p 的乘积决定 电压回零时 关断开关 2 4 接通 开关s 2 s 和s 即可 在寻址期 接通开关s 2 1 和 2 7 使y d 点电压为 v s c y u 点电压为 v j 分别控制扫描驱动i c 中各单元开关 2 1 0 和 2 2 的通断 使扫描到 的行接电压 v y 未扫描到的行接电压 v s c y 电极在维持期也采用了能量复得电 路 其维持脉冲的产生过程与x 电极相似 此处不再赘述 2 3 3 能量复得电路 由a cp d p 的结构和工作原理可知 a cp d p 的显示屏是一个容性负载 而 且工作在交流脉冲状态 在给显示屏电极施加高压脉冲序列进行驱动的过程中 要对显示屏电容充放电 尽管充放电时屏电容本身并不消耗能量 但因为回路中 一1 6 p d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 i 印盛印 堕 r 旦 v d t c p 式 2 1 q 为t 时刻c p 所带电量 当c p 上的电压由0 充到v 时 在电阻r 上消耗的 w 蹴 r v 功 r 7 矿一去 和 j 1 印矿2 式 2 2 不难证明 屏电容放电时也要在r 上消耗c p v 2 2 的能量 因此 屏电容每 充放电一次都有c p v 2 的能量以热能形式消耗在回路电阻上 该能量值与电阻的 谜 蔷 a 能量复得电路原理图 b 屏电容电压及回路电流波形 图2 1 l 能量复得电路原理 能量复得电路的原理是外加辅助电感 与屏电容构成谐振电路 如图2 1 1 a 所示 在脉冲的上升沿 图2 1 1 b 中o t o 区间 接通开关s l 使电源v 2 通 第二章p d p 显示原理与驱动电路 过电阻r 电感l 给屏电答c 充电 了五电回路的电压方程为 上粤 r 粤 昙g 昙 式 2 4 出2西c 2 q 为t 时刻屏电容c 上的电量 解得屏电容c 上的电压v t 为 v 吾 孥 试辟一辔勿式协s 鼽口 矗 壶拷趔 由于回路中电阻r 很小 适当选取电感l 可使兰r 生c 远大子l 则v t 近似为 i t 善 1pt v t z o lc o s p t 式 2 6 1 式 2 6 回路中的电流i t 为 f o 尘 旦妥z s 虹犀 式 2 7 d tr 口 t 是个阻尼振荡曲线 见图2 1 0 b 它在t t o 时刻到达第一个峰值 此时 a v t 0 解得 t 4 瓜霄 v t 0 1 v 可见 该电路可使屏电容电压达到倍压的作用 在t o 时刻 关断开关s 1 接通开 关s 2 使屏电容电压保持为v 在脉冲的下降沿 关断开关s 2 接通开关s 1 使 屏电容c 通过电感l 电阻r 和电源v 2 放电 当电压降到零时 关断开关s l 接通开关s 3 使屏电容电压回零 一个脉冲结束 放电过程分析与充电过程类似 此处不再赘述 利用该电路 回路电流在脉冲的上升沿和下降沿呈正弦波变化 见图2 1 0 b 所示 不存在使d i d t 值增大的波形尖峰 因此可使d i d t 值引起的 电噪声大幅度减小 该电路在o t 0 时间对屏电容充电过程中 在回路电阻r 上消耗的能量为 w r i 2 r d t 础c 式 2 8 与没有能量复得电路时消耗的能量c v 2 2 的比值为 一1 8 p d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 丢艘 式 2 9 此值远小于1 说明该电路使能量损耗大为减小 实际应用中普遍采用的能量复得电路如图2 1 1 所示 电源v 2 由一个容量远 大于屏电容c 的储能电容c s 取代 该电路能自动地在c s 两端置电压v 2 之所 以如此是因为电压分配的作用 在脉冲上升期从c s 拉出的电荷量等于脉冲下降 期补充给c s 的电荷量 以使c s 上的电压等于v 2 可以证明 如果不满足这个 电压条件 那么在电压上升和下降期内电荷流动达不到平衡 于是电荷流动的电 位差就要调整c s 上的电压 直到其等于v 2 为止 另外 实际采用的能量复得 电路在充放电回路中分别增加了二极管 这是因为在图2 1 0 的电路中 要想获得 最佳的能量复得效果 必须在充放电阻尼振荡的峰值处严格发生开关动作 而这 对于a cp d p 来说很难实现 因为屏电容在充放电过程中是动态变化的 它在所 有像素亮和所有像素不亮两种情况下 前者电容量几乎是后者的两倍 增加二极 管后 充放电回路的阻尼振荡只能够单方向进行 因此不要求开关动作有苛刻的 时序 图2 1 2 能量复得电路 通过对图2 1 2 的能量复得电路在施加一个脉冲的过程中列微分方程进行分 析 可以得到能量复得效率r l 为 7 1 孕 委 叫 篙哪 式 2 l o 丘如蚶 z 其中e i 和e i 分别表示有能量复得电路和没有能量复得电路时施加一个脉冲的 能量损耗 c 为屏电容与储能电容的串联值 在实际应用中一般能量复得效率可 以达到8 0 纠 在x y 电极的维持脉冲产生电路中 采用了与图2 1 2 相似的能量复得电路 不同的是 为了在维持期开始就能得到稳定一致的维持脉冲 给储能电容增加了 预充电到v 2 的电路 另外 充放电回路分别使用不同的电感 这样可以使维持 脉冲选择不同的上升和下降时间 通常 为了保证气体放电的顺利进行 并且产 生足以维持放电的壁电荷 要求维持脉冲的上升时间短 上升沿陡峭 而维持脉 第二章p d p 显示原理与驱动电路 1 9 冲的下降沿可以相对平缓 以降低由d i d t 引起的电噪声 由于能量复得电路是利用l c 电路的振荡状态工作的 因此应确保回路电阻 r 5 r 2 c 时 脉冲的 上升时间近似为g l 历 2 3 4 功率控制与输出单元电路 图2 1 3 是功率控制和功率输出电路 虚线左侧为低压逻辑的功率控制电路 右侧为高压功率输出电路 其中 低压逻辑控制电路需要在高低端控制信号中产 生一个死区 防止所驱动的高压功率器件发生直通 可以通过调整低压侧各级倒 相器中n m o s 和p m o s 管的宽长比 成 纬 其中 w u c o x 使其转折电平不同 使倒相器输入输出特性曲线发生变化 如图2 一1 4 所示 其中转折电压v w 可以表 示为 r 当宽长比的比值较小 如在右边虚线处 时 转折电压较高 只有输入电压 较高时 输出电平才会发生转折 当宽长比的比值较大 如在左边虚线处 时 转折电压较低 有较低输入的电压就会使输出电平发生转折 设计不同的宽长比 的比值 从而使输出管的栅极信号通过各级倒相器时的上升延迟时间和下降延迟 时间不同 这样就能避免高压功率器件发生直通现象 实现了一个死区功能 1 0 1 广毒离辱莉一 州酋 图2 1 3 功率控制和功率输出电路 功率输出电路需要完成电压从逻辑高电平v c c 向功率输出高电平v p p 转换的 任务 它采用高压l d p m o s v d n m o s 和栅击穿保护二极管构成 值得注意的 翳 p d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 是 v d n m o s 的栅极和c m o s 电路一样 接r r l 逻辑电平 而l d p m o s 的漏 极和栅极交叉相连 需要承受较高的电压 因此在设计功率m o s 器件时 需要 考虑栅氧厚度与栅击穿问题 另外 基于对电路工作速度和输出功率的要求考虑 高压输出级采用双n m o s 结构 图2 1 4 转折电压与尾 p 关系 妻 图2 1 5 功率输出电路 图2 1 5 显示了功率输出电路的工作原理 p o p 1 和p 2 为l d p m o s 管 n o n 1 n 2 n 3 和n 4 为v d m o s 管 输入逻辑信号i n l i n 3 和i n 4 同相 与i n 2 反 相 当i i l l i n 3 i n 4 0 i n 2 1 时 n o n 2 和n 4 管截至 n 1 管打开 使p o 和p 2 管因栅极接到低电位而导通 p 0 管漏极输出的高电压将p l 管关断 p 2 管漏极输出的高电压则使n 3 管导通 完成了高电压的输出 反之 当i n l i n 3 i n 4 1 i n 2 0 时 n 1 管截至 n o n 2 和n 4 管导通 则p 0 管导通 漏极输出的高电压使p l 和p 2 管处于截至态 同时n 2 和n 4 管则将n 3 栅极和漏 区的积累电荷迅速放电到地 使输出为低电压 第二章p d p 显示原理与驱动电路 2 3 5 高压驱动集成电路 2 1 图2 1 6 是a cp d p 高压驱动i c 的内部结构 通常 其内部结构被分为两个 部分 一部分是逻辑电路 负责控制显示屏信号和显示数据 另一部分是高压驱 动电路 负责将信号电平移位和对显示屏施加高压脉冲 图2 1 6 驱动i c 内部结构 对a cp d p 驱动i c 的要求主要有以下几个方面 1 耐压 因为p d p 是气体放电发光 驱动电压较高 如数据电极最高为9 0 v 扫描电极最高为1 8 0 v 所以要求驱动i c 具有足够高的耐压值 2 速度 因为p d p 采用分子场及a d s 方式显示图像 以v g a 显示器为例 场周期1 6 6 7 m s 中包含8 1 2 个子场 每个子场要处理4 8 0 行数据 还要留下足 够的时间用于维持放电 故能分配给一行数据的传输时间 行扫描时间 只有约 31 ts 所以要求驱动i c 尤其是寻址驱动i c 具有很高的数据传输速度 3 功耗 由于p d p 工作在高压状态 而且所用的驱动i c 很多 因此 如果功 耗大 发热量高 会引起电路过热 工作不稳定 l l 2 4 小结 本章从p d p 的显示原理入手 然后介绍了p d p 的驱动方法 其中以a d s 驱 动方法作为重点进行了分析 在了解p d p 驱动方法的基础上详尽分析了p d p 的 驱动电路 给出了x 电极 y 电极 a 电极的驱动电路并详细分析了能量复得电 路的工作原理 最后分析了功率控制与输出单元电路 为下面驱动芯片的测试与 可靠性分析打下基础 第三章p d p 驱动芯片的测试与可靠性分析 第三章p d p 驱动芯片的测试与可靠性分析 本章的主要工作是对所选取的1 4 枚x d l 0 0 和x d l 7 0 芯片 在搭建的测试平 台上进行了测试 并详细描述了测试原理和测试方法 给出了测试结果 最后对 测试过程中遇到的可靠性问题进行了分析 给出了进一步改进的意见 3 1p d p 驱动芯片x d l 7 0 与x d l 0 0 简介 在对实现p d p 高压驱动电路模块的关键设计与工艺技术进行深入研究的基础 上 我们课题组研制完成了p o p 扫描驱动电路芯片x d l 7 0 和地址驱动电路芯片 x d i 0 0 x d l 7 0 的驱动电压大于1 7 0 v 输出电流大于4 0 0 m a 单片驱动电极数 为6 4 路 x d l 0 0 的驱动电压大于1 0 0 v 输出电流大于4 0 m a 单片驱动电极数 为9 6 路 该芯片采用了独创的高压b c d 工艺 可以将1 7 0 v 的v d m o s 1 7 0 v 及1 0 0 v 的l d m o s 5 v 的c m o s 及商低压双极器件集成到一块芯片上 实现了 标准低压逻辑电路与高压功率电路的单片化 x d l 7 0 为行电极驱动集成电路 又 称扫描电极驱动集成电路 x d l 0 0 为列电极驱动集成电路 又称数据电极或寻址 电极驱动集成电路 它们的主要功能是将前级控制电路提供的低电压的控制信号 或显示数据信号转换成适合于驱动显示屏的高电压信号 图3 ix d l 7 0 图3 2x d l 0 0 x d l 7 0 为用高压b c d 工艺制造的等离子平板显示器 p d p 扫描高压驱动芯 片 使用6 4 路频率为2 0 m 的串行移位寄存器 通过功率部分 可以驱动6 4 路高 电流 高电压输出 通过串接若干个x d l 7 0 芯片 可扫描垂直方向上的任一象素 具有一个独立的1 7 0 v 功率电源和一个5 v 逻辑电源 所有输入端与c m o s 逻辑 相兼容 封装形式为p q f p l 0 0 如图3 1 所示 x d l 0 0 为用b c d 工艺技术制造 的等离子平板显示 p d p 高压寻址驱动芯片 使用6 b f f 宽度的可级连数据总线 可驱动9 6 路大电流和高电压的输出 通过串行级连多个x d l 0 0 芯片 可以寻址 f d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 表3 1x d l 0 0 管脚定义 p i nn u m b e r s y m b o lt y p e f u n c t i o n lt o3 2 4 9 t o8 0 o u t p u to u t p u t p o w e ro u t p u t 3 33 74 4 4 88 18 49 71 0 0 v p ps u p p l yh i g hv o l t a g es u p p l yo f p o w e ro u t p u t s 3 43 53 64 54 64 78 28 39 89 9 v s s p g r o u n d g r o u n do f p o w e ro u t p u t s 3 94 0 4 2 9 4 v s s t o gg r o u n dl o g i cg r o u n d 3 84 3 v s s s u 8 g r o u n ds u b s t r a t eg r o u n d 4 19 0 v c c s u p p l y 5 vl o g i cs u p p l y 9 1s o u t o u t p u t s h i f tr e g i s t e rd a t ao u t p u t 8 5p o l i n p u tp o l a r i t ys e l e c t i o n 8 6b u i n p u to u t p u tb l a n k i n gc o m m a n d 8 7 f r i n p u t s e l e c t i o no f s h i f td i r e c t i o n 8 9s i n i n p u t s h i f tr e g i s t e rd a t ai n p u t 9 2s t b i n p u t l a t c ho f d a t at oo u t p u t 9 3c l k i n p u t c l o c ko f d a t as h i f tr e g i s t e r 8 89 59 6n c 表3 2x d l 7 0 管脚定义 p i nn u m b e r s y m h o lt y p e f u n c t i o n l2 4 26 6 1 0 7 1 0 8 v v e s u p p l yh i g hv o l t a g es u p p l yo f o u t p u t s 5 3 v c c s u p p l y 5 vl o g i cs u p p l y 4 06 8 t 0 9 1 4 4 v s s p g r o u n dg r o u n do f p o w e r o u t p u t s 5 4 v s s t o n g r o u n d l o g i cg r o u n d 5 5 v s s s u s g r o u n d s u b s t r a t eg r o u n d 4 t o3 67 3 t 0 1 0 5 1 1 2 t 0 1 4 1 o u t p u to u t p u t p o w e ro u t p u t 5 0b l k i n p u t b l a n k i n gi n p u t 5 lp o l i n p u tp o l a r i t ys e l e c t i o n 5 2f r i n p u t s e l e c t i o no f s h i f td i r e c t i o n 5 6c l k i n p u t c l o c ko f d a t as h i f tr e g i s t e r 5 7 s t b i n p u t l a t c ho f d a t at oo u t p u t 5 9 t o6 4a l t o a 6 i n p u t s h i f tr e g i s t e rd a t ai n p u t 4 4 t 0 4 9b 6 t o b l o u t p u t s h i f tr e g i s t e rd a t ao u t p u t 33 73 83 94 34 86 56 76 97 07 17 2n c 1 0 6 1 1 0 1 1 11 4 21 4 3 第三章p d p 驱动芯片的测试与可靠性分析 显示器上每一行中的任何一个象素 2 0 e i z 移位时钟可得到等效为1 2 0 m h z 移位寄 存器 具有一个独立的1 0 0 y 功率电源和一个5 v 的逻辑电源 所有输入端与c m o s 逻辑兼容 封装形式为1 4 4p i n 的t q f p 表3 1 和表3 2 给出了芯片x d l 0 0 和x d l 7 0 的管脚定义 为便于对芯片测试结果的分析和阐述 图3 3 和图3 4 中给出了芯片x d l 0 0 和x d l 7 0 的功率输出真值表 d r v e l q ng me l kp o lc m n t o u 嘧u t x xlxlo u i 龇 o w xxhlh o t l t o u th 皤h xhhho i ld a t eb t c l 骨d ll hhl0 a i o d 镕d h l hhh 0 a 协c o p e d 图3 3x 1 1 0 0 功率输出真值表 q nc 1 jm喜l k p o t 口f r0 眦p u to o m r n l f t b x hh j ih f 0 c v e t j 位h i g h xx h l a 1 ilf o t c e d1 0 l hlllh c w d a t a llll l c 甜d a t a hllhl c o p yl n 捌 a t a l llhh 铂甜l n 幛目d 如 h ll q n嘶懵l a k h 鲥 xhlhq nf a v e r t e dd a t a l a 2 h 酣 图3 4x d l 7 0 功率输出真值表 3 2 芯片测试 测试工作是对芯片的逻辑功能和直流特性进行测试 逻辑功能的测试主要看 芯片能否完成正常的逻辑功能 如信号移位 信号锁存 信号屏蔽 信号极性反 转等 直流特性测试主要是测试芯片的空载耐压 空载电流 负载能力等 3 2 1 芯片的逻辑功能测试 芯片的逻辑功能测试原理由图3 3 给出 如图所示由测试信号产生模块产生 待测芯片的输入信号序列 将待测芯片的输出信号与期望输出信号产生模块输出 的正确信号进行比较分析 从而测试芯片功能 图3 5 中的测试信号产生模块 期望输出信号产生模块 及信号分析及输出 p d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 控制模块拟采用一块可编程逻辑器件来实现 考虑到需要的管脚数及存储器容 量 选用a l t e r a 公司c y c l o n e 系列的e p l c 6 芯片 它可提供1 8 5 个用户i o 管脚 及2 0 个m 4 k 的r a mb l o c k 足以满足需求 测试结果的输出采用数码管输出 测试信号 产生模块 期望输出信号 产生模块 待测芯片 d u t 分析结果输出电路 数码管输出 微机串口输出 信号分析 及输出控制 模块 图3 5 逻辑功能测试原理框图 3 2 2 芯片的逻辑功能测试条件 输出 信号 锁存 输出 电平 转换 图3 6 和图3 7 给出了功能测试所使用的电路板和测试环境 图3 6 测试电路扳图3 7 测试环境 功能测试电路板可兼容对x d l 7 0 和x d l 0 0 的功能测试 由于芯片输出高电 平的电压为功率电源电压 在进行信号分析前 必须先将各路输出转换为逻辑电 平并锁存 测试方式可选单步测试以及连续时序测试 测试结果输出方式及输出 内容可选由l e d 阵列输出 输出内容为被测芯片的输入及输出信号 主要用于 第三章p d p 驱动芯片的测试与可靠性分析 单步测试 以及u a r t 输出 输出内容为被测芯片的输入信号序列 相应的输 出信号序列 以及分析结果等 主要用于连续时序测试 测试时有可调电源 数字万用表 双通道示波器 测试电路板上有数码开关 可控制芯片中移位寄存器的状态 3 2 3 芯片的逻辑功能测试结果及分析 参照芯片的逻辑功能真值表 如图3 3 和3 4 所示 以及芯片的管脚定义 如表3 1 和3 2 所示 对芯片的逻辑功能进行测试 结果x d l 7 0 及x d l 0 0 在功 能测试中出现的问题多集中在个别路功率输出断路 经分析 造成此缺陷的原因 是芯片封装时使用的载物台及框架比例不当所致 除此之外 芯片功能完全满足 设计要求 图3 8 和3 9 是s t b 信号和b l k 信号为低电平时 p o l o 和p o l i 时x d l 7 0 的测试结果图 i l i l l 二 三二三眨j l 三二 三二互 二 上j f l j 一 i 1 0 一 7r i j 一 i i i 1 l 7 一 1 1 j 0 i 墨骥薯 n 劫翟 l r 蜘 掣 j 二 一j j 釉b 啦 t 图3 8s t b 与b l k 为低电平 p o l 0 时x d l 7 0 的测试结果 图3 9s t b 与b l k 为低电平 p o l i 时x d l 7 0 的测试结果 在图3 8 和图3 9 中 通道l 的输出波形是移位寄存器的输出波形 通道2 的波形是该波形通过极性反转电路后的波形 当p o l 为高电平时输出波形的极性 发生了反转 当s t b 信号为高电平 b l k 信号为低电平时 p o l 0 和p o l i 时x d l 7 0 的测试 结果如图3 1 0 所示 l 一l l 一 二 乙二上u 一三 卜 埔 薹艇 三 l 一二且 t 一 一j t 一1 一一 w 一1 一r r i 掣t 卜 ji jf 图3 1 0s t b 为离电平b l k 为低电平 p o l 二0 和p o l i 时x d l 7 0 的测试结果 s t b 为锁存控制信号 它的作用是将移位寄存器的输出波形锁存在锁存器中 当为高电平对锁存器工作 移位寄存器的输出波形被锁存 波形无法输出 因此 通道2 中无脉冲波形输出 但在极性反转信号的作用下会完成反转的功能 图3 一1 1 是芯片x d l 0 0 移位寄存器的测试结果 第三章p d p 驱动芯片的测试与可靠性分析 i j i 一 二 一 l 山二一二一二 二一 j 一 二一 j o j 二 俐 i p r t 什1 1 r r1 j p 二 1 p n i j i t r f 一 i 1 r j 图3 i ix d l 0 0 移位寄存器的功能实现 在图3 1 i 中 示波器的通道1 是在x d l 0 0 的管脚8 9 即s i n 处采集到的波形 而通道2 是在s i n 输出端的前一个单元的输出波形 由图可见通道1 中的波形比 通道2 中的波形滞后一个同期 芯片的移位功能已经实现 当b l k 信号为高电平时 p o l 0 和p o l i 时 x d l 0 0 的测试结果如图3 1 2 所 刁 o j i v 二 l 1 i l 二 l 一 jj l h 二 i j l j o j 1 1 t 一w r i h 唇i 图3 1 2x i 1 0 0 当b l k i 时p o l 的功能测试 在图3 1 2 中 通道1 是移位寄存器的输出波形 通道2 是通过极性反转控制 电路的波形 b l k 为高电平时移位寄存器的输出波形被屏蔽 而p o l 控制信号仍 然使通过p o l 控制电路的输出波形随p o l 信号而改变 当p o l 0 时输出全部为低 电平 当p o l i 时输出全部为高电平 p o l 的功能正常 3 2 4 芯片直流特性的测试 芯片的直流特性主要是对芯片的空载耐压 空载电流 功率输出管电流源以 及负载能力进行了测试 图3 1 3 和3 1 4 分别给出了芯片空载耐压和功率输出管 一3 0 p d p 高压驱动芯片可靠性分析及验证方法 电流源的测试原理 1 0 畦 o l 图3 1 3 功率输出管耐压测试示意图 研嘲高压直碓息压电由 p p v 卜 f j 一 o u t i ik 一l 勖可 慨 负戡 1i 图3 1 4 功率输出管电流源测试示意图 宣吮砖压电毋 图3 1 5 和图3 1 6 是芯片x d l 0 0 和x d l 7 0 的直流特性测试环境图 图3 1 5x d l 0 0 直流特性测试环境图图3 1 6x d l 7 0 直流特性测试环境图 测试时在批次编号为1 6 2 0 2 1 的芯片中分别随机抽取若干样片进行检测 表3 3 和表3 4 给出了x d l 0 0 和x d l 7 0 部分芯片的测试结果 爿一 爿一 第三章p d p 驱动芯片的测试与可靠性分析 表3 3x d l 0 0 测试结果 x d l 0 0 部分测试记录 编号功能空载耐压