采用LTPO逆变器的高稳定性低功耗像素电路，适用于高刷新率的迷你LED显示器

《Displays》：High-stability low-power pixel circuit with LTPO inverter for high-refresh mini LED displays

Mini LED显示技术中采用LTPO像素电路与PWM驱动结合，通过高 mobility MOTFT和低泄漏电流设计，实现电流稳定性>99%，上升/下降时间<0.1/0.3μs，支持高刷新率与低刷新率应用场景，抑制闪烁并保持色彩稳定。

　　

包振马|魏彩|罗海国|何海明|郭远军|杨振淮|杨一璐|曾磊|胡强|宁洪龙

中国佛山市528000，吉华实验室

摘要

随着汽车显示器、游戏显示器、直视型LED电视和3D显示器的发展，对具有更高分辨率和刷新率的Mini LED技术提出了更高要求。本文提出了一种基于脉宽调制（PWM）的低温多晶氧化物（LTPO）像素电路，并进行了功能仿真，将所提出的电路与现有的基于LTPO TFT和金属氧化物（MO）TFT的设计进行了比较。结果显示，在照明阶段电流稳定性超过99%，电流上升和下降时间分别小于0.1 μs和0.3 μs，适用于高刷新率（快速转换）和低刷新率（高稳定性）的应用。为此制造了一个320 × RGB × 240像素的Mini LED显示器，像素间距为0.45 mm，以验证其性能。

引言

Mini LED技术由于其高亮度、高效率和长寿命而在照明和显示领域受到重视[1]。然而，在制造和集成方面仍存在挑战，特别是在实现全彩显示、提高外部量子效率（EQE）、改善传输效率以及提高生产产量以及设计高分辨率、高均匀性和高刷新率的驱动系统方面[2]、[3]、[4]。有源矩阵LED驱动电路还面临一些未解决的问题，如亮度均匀性、驱动速度、灰度精度、波长漂移和帧率限制[5]、[6]。为了解决这些挑战，脉宽调制（PWM）驱动技术应运而生，分为模拟和数字两种方法。尽管数字驱动电路简化了实现过程，但其固有的时间限制需要额外的补偿电路才能实现高灰度显示[7]、[8]、[9]、[10]。相比之下，通过广泛研究的模拟驱动技术能够满足高刷新率和高稳定性的应用需求，从而实现低功耗和高稳定性的AM-Mini LED显示器。这一进展加速了下一代显示技术（包括汽车显示器、游戏显示器、直视型LED电视、3D显示器等）的应用[11]。

许多研究人员致力于开发LED显示器的像素电路。以往的研究主要集中在两个关键组件上：栅极扫描电路[12]、[13]和像素电路[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。基于PWM的电路确保了发光过程中的电流稳定性，实现了高精度和高频率控制[22]、[23]。最近的优化策略包括子场非均匀分割[24]、数据循环功能[25]、混合PWM/脉冲幅度调制（HPP）[26]和交流（AC）调制[27]，以提高均匀性并降低功耗。此外，将PWM电路与恒流生成器（CCG）电路集成可以增强电路稳定性并减少阈值电压漂移[28]、[29]。当前的AM-LED像素驱动电路主要使用PWM、PAM和CCG电路进行补偿驱动，强调阈值电压补偿和IR-Drop补偿。逆变器具有显著优势，包括在低刷新率的低温多晶氧化物（LTPO）应用中实现低功耗，以及高速电平转换。通过利用逆变器的固有开关特性，可以替代复杂的栅极电压保持电路，从而提高空间效率并增强电路稳定性[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。快速的开关速度和极低的关断状态功耗使其适用于低功耗、高频率的电平转换应用[35]、[36]。

在玻璃基板上制造的有源矩阵（AM）Mini LED显示器采用低温多晶硅（LTPS）和金属氧化物（MO）薄膜晶体管（TFT）技术作为像素电路。虽然LTPS TFT的迁移率约为80 cm2/V·s，但其制造过程复杂，导致成本较高。此外，LTPS器件的漏电流较大。相比之下，通过过渡金属掺杂，MOTFT的迁移率约为30 cm2/V·s，并且漏电流极低（低于pA级别）。MOTFT还具有更简单的制造工艺和更低的成本。P型LTPS TFT和N型MOTFT具有互补的性能特点，这些特点在行业中得到了广泛应用，得益于成熟的制造工艺。因此，结合P型LTPS TFT和N型MOTFT的LTPO像素电路成为主流架构，具有更低的漏电流、更快的电平切换速度、更高的输出稳定性和更低的功耗[37]、[38]、[39]、[40]。

本文提出了一种基于逆变器的新型低功耗模拟PWM像素电路，采用高迁移率氧化物TFT作为驱动/开关晶体管。引入LTPO逆变器减少了发光电平转换时间，同时稳定了驱动电流。仿真结果显示，在照明过程中电流稳定性超过99%，电流上升和下降时间分别小于0.1 μs和0.3 μs。此外，对255灰度级别下蓝色LED的光谱分析显示峰值波长偏移小于1 nm，表明颜色偏差可以忽略不计。所提出的设计为提高显示技术的性能提供了一种稳健且有前景的方法。

实验

在本文中，我们使用了底部栅极掺杂镧系元素的MOTFT（Ln-MOTFT）作为开关/驱动晶体管，以保持高开关速度和精确的电荷控制，同时使用顶部栅极的LTPS TFT作为开关晶体管。这种配置有效平衡了低功耗和高频率转换的需求。图1展示了实验和仿真得到的Ln-MOTFT和LTPS TFT的传输特性。Ln-MOTFT在关断状态下表现出稳定的电流

提出的像素电路

基于前几节中的分析，本文提出了一种使用逆变器的创新像素电路，如图2所示。同时提供了相应的时序图。所提出的像素电路包含两个主要功能组件：（1）信号存储和PWM转换单元；（2）输出控制单元，以实现稳定的电流输出和精确的开关控制，从而获得一致的灰度显示性能。

如图2所示，输入

结果与讨论

进行了仿真，以评估电路在灰度扩展、亮度调节、阈值电压、电容变化以及逆变器集成对电路下降时间的影响方面的性能。为了验证该设计，实现了两个对比电路：一个不带逆变器的简化7T2C MOTFT电路和一个具有类似逆变器功能的9T3C电路。它们的结构分别如图3和图4所示。这两个电路使用相同的

结论

本文提出了一种改进的基于逆变器的PWM驱动Mini LED像素电路，包含11个TFT和2个电容器。该设计采用高迁移率的MOTFT作为驱动/开关晶体管，并集成了LTPO逆变器，以提高电流稳定性（发光期间超过99%）并减少LED的开关时间（上升/下降时间：小于0.1 μs/0.3 μs）。MOTFT的低漏电流降低了功耗，而逆变器的快速电平转换实现了高刷新率操作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3603600）；广东省CUI CAN计划（项目编号：CC/XM-202401ZJ0201）；广东省CUI CAN计划（项目编号：CC/XM-202402ZJ0601）的支持。