Ontwerp van een DC-DC convertor voor het aansturen van OLED verlichtingsmodules met ingebouwde optische feedback ter compensatie van OLED degradatie

Probleemstelling:

Organische LEDs (OLEDs) worden niet alleen in display-toepassingen aangewend, maar bieden ook interessante perspectieven voor de verlichtingsmarkt. Een van hun aantrekkelijke eigenschappen is dat ze op goedkope wijze als een uniform verlichtingselement op zeer grote buigzame folies aangebracht kunnen worden, waarmee men dan bijv. lichtgevende muren en plafonds in een woonkamer zou kunnen realizeren, of een uniforme interieurverlichting in een auto.

De toevoer van de nodige elektrische energie naar zo’n grote OLED folie is echter niet triviaal. De grote stroomsterkte zorgt immers voor heel wat conductieverliezen in de dunne metalen geleiderbanen op de folie, waardoor het energetisch rendement van het systeem dramatisch gereduceerd wordt. Een oplossing bestaat erin de grote folie op te splitsen in een matrix van kleinere OLED modules, waarbij het energietransport over de folie dan op een veel hoger spanningsniveau kan plaatsvinden (met veel lagere conductieverliezen tot gevolg), en waarbij een lokale geschakelde DC-DC convertor (voornamelijk een verdunde chip die in de folie wordt ingebed) dan zorgt voor de neerwaartse transformatie van die hoge voedingsspanning binnen elke OLED module. Dergelijke gedistribueerde aansturing van kleinere OLED modules biedt trouwens nog andere voordelen: zo kan men lokaal door middel van optische feedback de degradatie van de OLED modules individueel compenseren, of kan men een willekeurig verlichtingspatroon genereren. Door het integreren van sensoren in de modules zou men dan zelfs een intelligente wand kunnen bouwen waarbij het licht de beweging van de personen in de woonkamer volgt.

Het ontwerp van de geschakelde DC-DC convertor voor het aansturen van een enkelvoudige OLED module houdt evenwel enkele uitdagingen in. Welke topologie men ook moge gebruiken (bijv. de zogenaamde “buck” versie), de geschakelde convertor heeft naast de eigenlijke chip steeds een externe spoel nodig voor de energieconversie. Om het geheel buigzaam te houden, wordt die spoel als een spiraalvormige geleiderbaan in de folie geïntegreerd. Het hoeft echter geen betoog dat zo’n ingebedde spoel geen al te goede eigenschappen zal bezitten: naast de aanzienlijke serie-weerstand van de geleiderbaan zal vooral de parasitaire capaciteit tussen de geleiderbaan en het massavlak de hoogfrequente eigenschappen van de spoel zeer nadelig beïnvloeden. Bijgevolg zal de convertor-topologie aangepast moeten worden en zal het IC-ontwerp van de convertor grondig geoptimalizeerd moeten worden om met zo’n allesbehalve ideale spoel toch een aanzienlijk energetisch rendement te halen. Bovendien is het integreren van alle bijkomende functionaliteit (de optische feedback ter compensatie van verouderingsverschijnselen in de OLED, de verwerking van allerhande sensor-signalen, de onderlinge communicatie tussen de modules en een centrale eenheid) een zeer uitdagende opgave!

Dit masterproef-onderwerp kadert in een Europees onderzoeksproject dat op 1 oktober 2011 is gestart en 3 jaar zal duren. Binnen dit project werken 10 Europese bedrijven en academische onderzoekscentra samen om een groot, buigzaam, interactief en modulair OLED-gebaseerd verlichtingssysteem te bouwen met ingebouwde intelligente lichtsterkte-controle. De CMST-onderzoeksgroep waarbinnen deze masterproef zal worden uitgevoerd is de initiatiefnemer en coördinator van dit Europees project.


Doelstelling:

Vertrekkende van een reeds bestaand ontwerp van een geschakelde DC-DC convertor en een vooraf vastgelegde structuur en topologie van de ingebedde spoel zal de student de performantie van de convertor proberen te verhogen door middel van een verbeterd IC-ontwerp. Het ontwerp van deze tweede-generatie chip zal gebeuren in de 80V 0.35um I3T “smart power” technologie van ON Semiconductor. De verbeterde performantie van de chip situeert zich op verschillende vlakken. Ten eerste dient het energetisch rendement verhoogd te worden. Het doel is een globale efficiëntie van minstens 70% te halen, en daartoe dient de architectuur van de convertor herzien te worden, moet de schakelfrequentie geoptimaliseerd worden, dienen de DMOS schakeltransistoren perfect gedimensioneerd te worden, enz. Daarnaast moet er ook extra functionaliteit aan het ontwerp worden toegevoegd. Dit behelst in de eerste plaats de optische feedback ter compensatie van OLED degradatie. Daarbij kan gebruik gemaakt worden van een externe fotodetector (fotodiode of fototransistor), maar de rest van de feedback-lus moet volledig op de chip geïntegreerd worden. Indien de tijd het toelaat, kan ook gedacht worden aan de integratie van een communicatie-interface met een centrale controle-eenheid (bijv. via PLC-technieken), of de on-chip verwerking van sensor-signalen. 

In eerste instantie zal het ontwerp op schema-niveau gebeuren, waarbij uitgebreide circuit-simulaties een optimalisatie van de architectuur en de transistordimensies toelaten, maar finaal zal ook de fysische layout van de chip getekend worden. Voor het ontwerp, de simulatie en de layout van deze chip beschikt het CMST laboratorium over alle nodige CAD-tools.


Trefwoorden:

OLED, verlichting, DC-DC convertor, IC-ontwerp, smart power, simulatie, CAD, optische feedback

Locatie:

CMST laboratorium (Technologiepark, Zwijnaarde), ELIS laboratorium (Technicum), Thuis