CN103197224A - 基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其包括下位机、上位机以及若干个OLED样片固定盒，其中，所述下位机包括微控制器模块、AD/DA模块、电流泵模块、信号处理及选择模块和串口；所述电流泵模块、OLED样片固定盒、信号处理及选择模块、AD/DA模块、微控制器模块、串口和上位机依次连接；所述AD/DA模块再与所述电流泵模块相连接。本发明采用改进型的Howland电源泵设计，提供更加精确、稳定的恒流输出，结合基于Labview的上位机设计，使得整个系统操作更加简单、便捷，同时支持多个样片同时测试，返回的数据不仅可以得知样片各个点的在某一恒定电流下的半衰期，而且还可以推算出在任一电流下的半衰期，使得测试效率大幅提高。

Description

基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统

技术领域

本发明属于半导体器件检测领域，具体地，涉及一种基于Howland电流泵的多路有机电致发光二极管（organic light emitting diode，OLED）寿命测试系统。

背景技术

随着OLED产生工艺技术的不断发展，以及OLED的发光效率的不断提升，OLED在信息显示和照明领域越来越得到广泛的应用。而在OLED在商业化的过程，有三个关键的性能参数影响着产业化进度：发光效率、使用寿命和大批量生产时的成本。尽管现在OLED的效率已经有很大的进步，但是使用寿命依然限制产业化发展的一个重要因素。因此，进行OLED寿命测试、深入研究衰减机理和改进封装工艺对推进OLED的产业化有着重要的意义。

目前，专门用于OLED的寿命测试设备几乎都是从国外进口，而且种类少，价格昂贵。而在国内，有过两篇关于OLED寿命测试系统的报道，但是都没有详细地阐述系统设计的细节，特别是关于测试系统中最关键的部分——高精度电流源的设计。另一方面，OLED寿命测试设备最终目的是为了估计待测器件在不同工作状态下的寿命信息。但是目前无论是从国外进口的设备还是国内有关报告中，只是单纯得到器件单个点在特定工作状态下的半衰期，不能估计待测器件不同工作状态下的寿命信息。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其综合了多种性能测试于一体，同时能实现多个样片同时测量、数据实时显示、储存的功能，且操作简单方便、精度高、设计成本低。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其包括下位机、上位机以及若干个OLED样片固定盒，其中，所述下位机包括微控制器模块、AD/DA模块、电流泵模块、信号处理及选择模块和串口；所述电流泵模块、OLED样片固定盒、信号处理及选择模块、AD/DA模块、微控制器模块、串口和上位机依次连接；所述AD/DA模块再与所述电流泵模块相连接。

根据上述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其中，还包括电源模块，所述电源模块分别与所述微控制器模块、AD/DA模块、电流泵模块和信号处理及选择模块相连接。

根据上述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其中，所述OLED样片固定盒中包括光电信号采集电路、OLED样片固定插口以及与下位机的信号传输接口。

根据上述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其中，所述上位机的操作界面包括以下区域：串口通信参数设置区、启动控制区、用户信息设置区、数据设定与返回显示区和图形曲线显示区。

根据上述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其中，所述AD/DA模块中，DA部分与所述电流泵模块相连接；AD部分与所述信号处理及选择模块相连接。

根据上述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其中，所述信号处理及选择模块包括电流、电压、光电信号转换模块、降压跟随模块和多路选择器。

根据上述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其中，所述电流泵模块中，电路泵包括五个电阻以及三个运算放大器。

因此，本发明的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统具有以下有益的技术效果：

（1）采用模块化的电路设计，集成了微控制器模块、电流泵模块、AD/DA模块等，使得各模块之间工作相对独立，稳定性较好；

（2）本发明中电流泵模块采用基于改进型的Howland电流泵设计，使得实际输出的电流更加准确与稳定；

（3）本发明可以对一个OLED样片上4个不同的点进行测试，这样不但可以得到4个点不同电流下的半衰期，而且可以绘制出不同初始亮度下的半衰期，简化了测试过程，而且可以通过单片机连接的上位机来设置不同的工作状态，并可以通过上位机实时观察待测样片的状态，使得操作更加简单、方便；

（4）降低了OLED寿命测试的设备成本，只需要这样一套设备即可以满足OLED寿命测试的需要，有助于测试的小型化、智能化，使得整体成本明显降低。

附图说明

图1为本发明的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统的三大部分的连接示意图；

图2为本发明的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统的电路模块框图；

图3为本发明的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统的Howland电流泵电路图；

图4为本发明的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统的微控制器模块中单片机的工作流程图；

图5为本发明的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统的上位机操作面板的外观示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

考虑到设计的初衷：小型化、智能化，如图1、图2所示，本发明的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统主要由三大部分组成：下位机1、上位机2以及若干个OLED样片固定盒3。上位机2和OLED样片固定盒3分别与下位机1相连接。

其中，OLED样片固定盒3中包括光电信号采集电路、OLED样片固定插口以及与下位机的信号传输接口。用于样片检测时，在一个密闭的环境下，OLED样片固定盒3不受周围环境光的影响，并通过串口信号传输线与下位机相连，电流泵的电流信号驱动OLED样片，相应的光强信号返回到下位机。另外，OLED样片固定盒3可以根据实际的需要同时连接多个OLED样片固定盒，即可同时测试多个OLED样片。在本实例设计同时测试4个OLED样片的电路，每个样片上可以同时测试4个不同点。

上位机操作平台2用于与下位机1的微控制器模块4的通信和数据处理与显示，传输控制命令于下位机1，并从下位机1中获取相应的数据，并对数据进行解码，图像化显示和储存。上位机操作平台2是基于Labview的设计的应用软件，其操作界面如图5所示。整个操作界面可以分成5个区域：串口通信参数设置区、启动控制区、用户信息设置区、数据设定与返回显示区和图形曲线显示区。其中串口通信参数设置区主要是对波特率、停止位、校验位等基本串口通信的参数进行配置，使得上位机2能与微控制器模块4正常的通信；启动控制区主要是控制整个上位机操作平台2的启动和关闭以及某个OLED样片测试的启动与关闭；用户信息设置区主要设置测试者的基本信息，以便于保存的文件易于识别；数据设定与返回显示区主要是对OLED样片的各个测试点的电流设置以及显示返回过来的电压、电流与相对光强数据；图形曲线显示区主要是图形化的表示从开始测试到当前状态下所有电压、电流以及相对光强变化的趋势，该区域的左上角有3个标签：电压曲线、电流曲线、相对亮度曲线，可以通过选择不同的标签查看不同数据的变化趋势。在本实施例中，操作界面的最上方还有4个标签：样片1、样片2、样片3、样片4，即可以同时对4个样片进行测试。

下位机1包括微控制器模块4、AD/DA模块5、电流泵模块7、信号处理及选择模块6、电源模块8和串口9。其中，电流泵模块7、OLED样片固定盒3、信号处理及选择模块6、AD/DA模块5、微控制器模块4、串口9和上位机2依次连接；AD/DA模块5再与电流泵模块7相连接。

微控制器模块4用于与控制信号处理及选择模块6、AD/DA模块5，获取相应的待测OLED样片的电压、电流、光强等电信号，并对于这些数据信息进行编码、处理，最后通过串口9发送至上位机2。本实例中微控制器模块4采用PIC18系列的PIC18F4520单片机，其接收上位机2的命令信号，控制多路选择器、AD/DA模块5和获取AD采集的电信号。

AD/DA模块5包括多片高精度的AD、DA芯片以及相应的参考电压电路。在本实例中采用TI公司两款8通道的16位AD/DA芯片，其中AD用于采集负载即OLED样片的工作电压、通过采样电阻得到的实际电流和OLED发光时的光亮信号；DA用于精确输出电压信号控制基于Howland电流泵的恒流源输出恒定的电流驱动OLED样片。其中，AD/DA模块5和微控制器模块4、电流泵模块7、信号处理及选择模块6连接，其中DA部分与电流泵模块7连接，用于精确控制电流泵的电流输出，AD部分与信号处理及选择模块6连接，用于采集处理后OLED不同电信号。

电流泵模块7采用基于改进型Howland电流泵电路设计，提供恒定的电流输出，驱动OLED样片。本发明中电流泵模块可以根据需要，增加新的子模块，这样就可以满足更多样片的同时测试。其中，电流泵模块7和信号处理及选择模块6与待测OLED样片连接，其中电流泵模块7为OLED样片提供恒定、精度的驱动电流；信号处理及选择模块6对工作状态下OLED样片的电压、电流、光强等信号进行处理和选择。

更进一步说明，图3为改进型Howland电流泵的电路结构图，其包括R1、R2、R3、R4、R5、以及3个精密运算放大器（U1A、U1B、U1C）。可以通过控制U1B正向的输入电压，实现控制输出电流大小的目的。同时，利用差分放大器直接取R3两端的电压，就可以知道实际流过OLED测试样片点的电流为多少，这样就可以知道每一支路的负载电压、实际电流等信号。一般常见的压控恒流源为并联型的电流负反馈电路，但是这种电路的输出电压柔性较差，且电压输出效率较低，这是因为采样电阻会占用很大一部分电压，并且常规的压控电流源电路不能做到一端接地，这也是并联电流负反馈电路本身的缺陷。如图3所示，本发明采用改进型的Howland电流泵设计，运放U1B输出端的电压Vout分别通过两个电压跟随器U1A和U1C以及两组电阻反馈网络R1、R2和R5、R4连接到运放U1B的负向和正向输入端。简单分析其原理：运放U1B的输出端电压Vout通过电压跟随器U1A以及反馈电阻网络R1和R2反馈到运放U1B的负向输入端，电压记为Vn，且因为运放两输入端的电压保持一致，所以有Vn=Vp=Vout*R1/(R1+R2)，其中Vp为运放U1B的正向输入端电压。而Iout=(Vout–V10)/R3，其中V10为运放U1C的正向输入端的电压，R3为采样电阻，Iout为输出电流。又因为运放U1C在电路也是一个电压跟随器，因此V10=V8=(Vp-Vi)*(R4+R5)/R4+Vi，其中V8为运放U1C的输出器电压，Vi为输入电压。因此，综上可得：

$\mathrm{Iout}=\frac{\mathrm{Vn}\·\frac{R1+R2}{R1}-((\mathrm{Vp}-\mathrm{Vi})\·\frac{R4+R5}{R4}+\mathrm{Vi})}{R3}$

当

时，则根据虚断和虚短，有

$\mathrm{Io}=\mathrm{Vi}\·\frac{R5}{R4\·R3}$

更加简单的处理，可以使R1=R2=R4=R5，则有

$\mathrm{Io}=\frac{\mathrm{Vi}}{R3}$

从图3中可以看出，调节R3使可以改变输出电流Io。

此电路具有较好的输出电压柔性，并且一端实现接地，较常规的Howland电流泵不同之处在于，引入了两个反馈电流，这样有利于电阻的选择。

信号处理及选择模块6主要包括电流、电压、光电信号转换模块、降压跟随模块和多路选择器。其中电流、电压、光电信号转换模块主要是通过对电流泵输出端的采样电阻两端取差分电压信号，从而得到相应的实际电流信号，另一方面通过光电感应二极管把光强信号转换为电流信号，再通过一个转换电路得到相应电压信号。降压跟随模块主要是考虑到负载电压的变化范围一般都比较大，而AD的参考电压相对较小，所以为了与AD的参考电压以及模拟输入端口相匹配，对幅值变化较小的电压信号进行降压跟随。在本实例中需要采集的电信号有32个之多，一种方法是采用多个AD，另一种则是采用1个AD加多路选择器的组合，很显明，后一种组合更加经济。

电源模块8将变压器输出的交流电转换为系统使用所需不同电压的直流电源，电源模块8的输出端与微控制器模块4、AD/DA模块5、电流泵模块7和信号处理及选择模块6分别连接，为其提供相应的工作电源。

图4为单片机的工作流程图。单片机作为下位机的主控制器，其主要任务就是负责接收上位机2的命令信息、分析命令、控制多路选择器、DA、AD以及返回收集到的数据。按照图4所示的流程图，对下位机1上电时，整个系统初始化，开启串口中断接收，等待上位机2的命令信息，待接收到命令信息后，进行解析，分析是对哪个OLED样片进行操作以及OLED样片各个工作点的电流分别是多少，等这些信息确定后，再对相应的DA、多路选择器和AD进行相应的操作，最后把获取的负载电压、实际电流以及相对光强等信息进行编码并通过串口发送给上位机2。以上便为完整一次操作流程。

具体地，本发明的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统工作流程如下：先从上位机操作平台上输入相应的控制信息，控制信息通过串行通信方式发送给下位机上的单片机，单片机中断接收到一句指令信号，再对接收到的指令信号进行解析：一是判断上位机要求对第几号样片进行操作，二是判断对该样片各点的电流驱动；等到这些信息都确认无误后，单片机再做出相应的控制DA输出对应电压以及控制多数复用选择器和AD采集不同电信号等操作，最后把本次所采集的信号进行编码再通过串口发送给上位机，而上位机接收到数据后，进行相应的计算，得到实际所需的电压、电流以及相对光亮强度信号，并在操作平台的用户界面上显示出相应的结果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其特征在于，包括下位机、上位机以及若干个OLED样片固定盒，其中，所述下位机包括微控制器模块、AD/DA模块、电流泵模块、信号处理及选择模块和串口；所述电流泵模块、OLED样片固定盒、信号处理及选择模块、AD/DA模块、微控制器模块、串口和上位机依次连接；所述AD/DA模块再与所述电流泵模块相连接。

2.根据权利要求1所述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块分别与所述微控制器模块、AD/DA模块、电流泵模块和信号处理及选择模块相连接。

3.根据权利要求1所述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其特征在于，所述OLED样片固定盒中包括光电信号采集电路、OLED样片固定插口以及与下位机的信号传输接口。

4.根据权利要求1所述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其特征在于，所述上位机的操作界面包括以下区域：串口通信参数设置区、启动控制区、用户信息设置区、数据设定与返回显示区和图形曲线显示区。

5.根据权利要求1所述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其特征在于，所述AD/DA模块中，DA部分与所述电流泵模块相连接；AD部分与所述信号处理及选择模块相连接。

6.根据权利要求1所述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其特征在于，所述信号处理及选择模块包括电流、电压、光电信号转换模块、降压跟随模块和多路选择器。

7.根据权利要求1所述的基于Howland电流泵的多路OLED寿命测试系统，其特征在于，所述电流泵模块中，电路泵包括五个电阻以及三个运算放大器。

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