OLED-Module mit einem monolithischen ASIC betreiben

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Für ein 10 cm x 10 cm großes OLED-Panel ergibt sich bei einer Betriebsspannung von 15 V und einem Strom von 500 mA ein Innenwiderstand von 15 Ω. Dieser ist im Vergleich zu herkömmlichen LEDs ebenfalls relativ hoch. Zudem steigt der Innenwiderstand der OLED mit der Betriebsdauer und hat eine starke Temperaturabhängigkeit. Durch ihre große Fläche besitzen OLEDs eine wesentlich höhere parasitäre Kapazität als LEDs. Näherungsweise kann man die LED bzw. OLED als Plattenkondensator betrachten, wobei die bekannte Formel:

gilt und die Fläche A linear eingeht. Bei einer 10 cm x 10 cm großen OLED werden, bedingt durch ihre Fläche 700 nF erreicht. Eine LED in der gleichen Leistungsklasse und einer Chipgröße von 1 mm x 1 mm, besitzt lediglich eine parasitäre Kapazität von 0,2 nF. Wird ein konstanter Strom eingeprägt, stellt sich die zugehörige Spannung automatisch ein und die Änderung des Innenwiderstandes muss nicht gesondert beachtet werden.

Dieses Verfahren ist zudem vorteilhaft, da die Leuchtdichte der OLED quasi proportional zum eingespeisten Strom verhält [2] und somit die Schwankung der Regelparameter im System geringer ist. Die hohe parasitäre Kapazität verbietet einen Schaltbetrieb der OLED. Legt man an eine OLED ein normales pulsweitemoduliertes Signal (PWM) an, so führt dies durch die großen Transienten der Spannung zu sehr hohen Stromspitzen in der OLED. Dabei wird bei jedem Schaltvorgang, je nach Qualität des Signals, der maximal zulässige Strom in der OLED stark überschritten, was zu degenerativen Prozessen und einer stark beschleunigten Alterung der OLED führt. Daher werden OLEDs im Idealfall mit einem geregelten Gleichstrom betrieben.

Ergebnisse fließen in das Systemkonzept mit ein

Unter Berücksichtigung der gewonnenen Ergebnisse wurde ein Systemkonzept entwickelt. Das System beinhaltet die OLED, ein kompaktes Netzteil zum Anschluss an das 230V-Netz und den ASIC zur Realisierung von Treiberschaltung und Bus-Schnittstellen. Die Integrierbarkeit des Systems ermöglicht die Minimierung der Anzahl zusätzlicher Bauelemente. Zusätzlich zur Treiberschaltung enthält der ASIC Schaltungsbestandteile zum Überwachen und Regeln, um so die Lebensdauer und Energieeffizienz der OLED zu optimieren. Gleichzeitig können diese Funktionen genutzt werden, um die Module genau zu vermessen und zu charakterisieren.

Mit den gewonnenen Daten soll ein neues, detailliertes Modell erstellt werden, das eine weitere Optimierung des Systems und der eingesetzten Abläufe ermöglicht. Bei der Realisierung des entwickelten Systemkonzepts steht der Entwurf des ASICs im Vordergrund. Die Hauptbestandteile des ASICs sind der OLED-Treiber, die OLED-Überwachung, die Sensoren und der Mikrocontroller mit den digitalen Schnittstellen.

Treiber optimal der OLED anpassen

Der Treiber soll sehr effizient arbeiten und an den Anforderungen der OLED optimal angepasst sein. Für eine optimale Energieeffizienz ist ein schaltendes System ideal und für eine hohe Lebensdauer der OLED eine kontinuierliche Gleichstromversorgung. Daher wird hier die Topologie des stromgeregelten Buck-Converters verwendet. Die parasitäre Kapazität der OLED kann sinnvoll als Ladekondensator im System eingebunden werden, womit eine zusätzliche externe Kapazität entfällt.

Diese Lösung bietet die Vorteile einer DC-Versorgung und erlaubt andererseits eine sehr hohe Effizienz. Zur Optimierung der OLED-Lebensdauer muss die Restwelligkeit des Stroms in der OLED möglichst gering sein. Diese ist vom Anwender einstellbar. Somit hat der Anwender die Wahl zwischen einem möglichst energieeffizienten System und einer möglichst hohen Lebensdauer des Leuchtmittels.

Eenergie- und ressourceneffizienter Betrieb der OLED

Der steuerbare OLED-Treiber wird im ASIC durch weitere Elemente ergänzt. Dank der Kurzschlussüberwachung ist ein schnelles Abschalten möglich. Ein Mikrocontroller übernimmt zusammen mit den Sensoren die übrige Regelung der Parameter Farbe und Helligkeit zur optimalen Kompensation der Alterung der OLED, wobei der Farbsensor optional ist. Zudem sind eine SPI- und eine DALI-Schnittstelle integriert, die zur Steuerung des Moduls verwendet werden können.

Durch die Konfigurierbarkeit des kompletten Treibersystems per Software können Regelalgorithmen modifiziert und erprobt werden. So entsteht ein ASIC, der durch integrierte Regel- und Steuer- sowie Überwachungsmöglichkeiten einen energie- und ressourceneffizienten Betrieb der OLED gewährleistet. Die Alterung ist durch Regelung von Helligkeit und Spektrum mit dem Auge nicht mehr erkennbar. Dadurch kann die OLED betrieben werden, bis ihr Lebensende erreicht ist. Zusätzlich bietet das System dem Anwender sehr viele Freiheitsgrade neben dem normalen Betrieb zusätzlich Möglichkeiten zur Charakterisierung und Optimierung der Ansteuerung.

Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Freistaates Thüringen und der Europäischen Union (EFRE) unter dem Förderkennzeichen 2012 FE 9045 gefördert.

Quellen

[1] H. Zimmermann, “Integrated Silicon Optoelectronics” Springer Verlag, Heidelberg, London, New York, Dortrecht, 2. edition, 2009

[2] CIE 018.2-1983, “The basis of Physical Photometry”, 1983

[3] Process Specification XH035 – 0.35 μm Modular CMOS, X-FAB Semiconductor Foundries AG, Release 5.0.1, 2012

[4] J. Amelung, OLED Beleuchtungsquellen: Grundlagen, Herstellung, Status und Zukunft, ELEKTRONIKPRAXIS Akademie, Entwicklerforum, 2013

[5] Data sheet Philips Lumiblade OLED Panel GL350 N, Philips lighting, 2012

[6] S. Maniktala, Switching Power Supplies A – Z, Elsevier Inc., 2006

* Gerrit Kropp und Michael Meister arbeiten beide am Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH in Ilmenau. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

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