DLP651NE 0.65 英寸 1080p 數(shù)字微鏡器件：解鎖高清顯示新可能

在當(dāng)今的顯示技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)字微鏡器件（DMD）憑借其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景，成為了眾多工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的 DLP651NE 0.65 英寸 1080p 數(shù)字微鏡器件，看看它究竟有哪些獨(dú)特之處。

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一、器件概述

DLP651NE 是一款數(shù)控微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）空間照明調(diào)制器（SLM），可用于實(shí)現(xiàn)高亮度 1080p 顯示系統(tǒng)。它采用了 0.65 英寸對(duì)角微鏡陣列，擁有 1080p（1920 × 1080）的顯示分辨率，微鏡間距為 7.6μm，微鏡傾斜角為 ±12°（相對(duì)于平坦表面），還具備角落照明功能。此外，該器件支持全高清 1080p（高達(dá) 240Hz），由 DLPC7530 顯示控制器、DLPA100 電源管理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 支持激光熒光、LED、RGB 激光和燈泡運(yùn)行。其典型應(yīng)用包括激光電視、智能投影儀和企業(yè)投影儀等。

二、引腳配置與功能

DLP651NE 采用 FYP（149）封裝，尺寸為 32.2mm x 22.3mm。其引腳功能豐富多樣，涵蓋了高速差分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)通道、高速差分時(shí)鐘、LVDS 數(shù)據(jù)、LVDS CLK、LVCMOS 輸出、模擬測試多路復(fù)用器、數(shù)字測試多路復(fù)用器等多種類型。不同引腳的布線長度也有所不同，這在設(shè)計(jì) PCB 時(shí)需要特別注意，以確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。例如，高速差分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)通道 A0 的 D_AP(0) 和 D_AN(0) 引腳布線長度分別為 18.09088mm 和 18.0916mm。

三、規(guī)格參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

超出“絕對(duì)最大額定值”運(yùn)行可能會(huì)對(duì)器件造成永久損壞。例如，VDD（LVCMOS 內(nèi)核邏輯和 LVCMOS 低速接口的電源電壓）的范圍為 -0.5V 至 2.3V，VDDA（高速串行接口接收器的電源電壓）的范圍為 -0.3V 至 2.2V 等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)，否則可能會(huì)影響器件的可靠性、功能和性能，并縮短器件壽命。

（二）存儲(chǔ)條件

適用于作為元件或在系統(tǒng)中不運(yùn)行的 DMD。DMD 貯存溫度范圍為 -40°C 至 80°C，平均露點(diǎn)溫度（非冷凝）應(yīng)不超過 28°C，在高露點(diǎn)溫度范圍（28°C 至 36°C）內(nèi)的累積時(shí)間應(yīng)不超過 24 個(gè)月。

（三）ESD 等級(jí)

該器件的人體放電模型（HBM）靜電放電等級(jí)為 ±2000V，充電器件模型（CDM）靜電放電等級(jí)為 +500V。在處理和安裝過程中，必須采取適當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施，以避免靜電對(duì)器件造成損壞。

（四）建議運(yùn)行條件

在自然通風(fēng)條件下，有一系列的工作溫度范圍和電源電壓要求。例如，長期工作時(shí)的陣列溫度應(yīng)在 10°C 至 40 - 70°C 之間，短期工作（最長 500 個(gè)小時(shí)）時(shí)的陣列溫度應(yīng)在 0°C 至 10°C 之間。同時(shí)，對(duì)輸入共模電壓、線路差分阻抗、內(nèi)部差分端接電阻等也有相應(yīng)的要求。

（五）熱性能信息

有源區(qū)域至測試點(diǎn) 1（TP1）的熱阻為 0.60°C/W。該 DMD 可以將吸收和耗散的熱量傳導(dǎo)至封裝背面，但冷卻系統(tǒng)必須能夠?qū)⒎庋b保持在建議運(yùn)行條件中指定的溫度范圍內(nèi)。光學(xué)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為盡量減少處于窗口通光孔隙之外的光能，因?yàn)樵搮^(qū)域的任何額外熱負(fù)荷都會(huì)顯著降低器件的可靠性。

（六）電氣特性

在自然通風(fēng)條件下的工作溫度范圍內(nèi)和電源電壓下，該器件有一系列的電氣特性參數(shù)。例如，電源電流方面，IDD（VDD 電源電流）典型值為 800 - 1250mA，IDDA（VDDA 電源電流）典型值為 900 - 1200mA 等；功率耗散方面，PDD（VDD 電源功率耗散）典型值為 1440 - 2437.5mW 等。

（七）開關(guān)特性

輸出傳播時(shí)間、壓擺率、輸出占空比失真等都有相應(yīng)的規(guī)格要求。例如，輸出傳播時(shí)間在不同負(fù)載電容下有不同的值，當(dāng) CL = 5pF 時(shí)，輸出傳播時(shí)間（時(shí)鐘到 Q，LS_CLK 輸入的上升沿到 LS_RDATA 輸出）最大值為 11.1ns；當(dāng) CL = 10pF 時(shí)，最大值為 11.3ns。

（八）時(shí)序要求

包括 LVCMOS、低速接口（LSIF）和高速串行接口（HSSI）的上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖持續(xù)時(shí)間、建立時(shí)間和保持時(shí)間等都有明確的規(guī)定。例如，LVCMOS 的上升時(shí)間和下降時(shí)間（20% 至 80% 基準(zhǔn)點(diǎn)）均為 25ns，LSIF 的上升時(shí)間和下降時(shí)間（20% 至 80% 基準(zhǔn)點(diǎn)）均為 450ps 等。

（九）系統(tǒng)安裝接口負(fù)載

在電氣接口和熱界面區(qū)域施加負(fù)載時(shí)，有相應(yīng)的最大負(fù)載要求。當(dāng)在電氣接口和熱界面區(qū)域上施加負(fù)載時(shí)，要向電氣接口區(qū)域和熱界面區(qū)域施加的最大負(fù)載均為 111N；當(dāng)僅在電氣接口區(qū)域上施加負(fù)載時(shí)，要向電氣接口區(qū)域施加的最大負(fù)載為 222N，向熱界面區(qū)域施加的最大負(fù)載為 0N。

（十）微鏡陣列物理特性

有源列數(shù)為 1920 個(gè)微鏡，有源行數(shù)為 1080 個(gè)微鏡，微鏡（像素）間距為 7.6um，微鏡有源陣列寬度為 14.592mm，微鏡有源陣列高度為 8.208mm，微鏡有源邊框（微鏡池 POM）為 14 個(gè)微鏡數(shù)/側(cè)。

（十一）微鏡陣列光學(xué)特性

器件之間的微鏡傾斜角變化、圖像性能（如工作區(qū)域中的充像素、POM 中的亮像素、工作區(qū)域中的暗像素、相鄰像素、有源區(qū)域中的不穩(wěn)定像素等）都有相應(yīng)的規(guī)格要求。例如，POM 中的亮像素在灰度 10 屏幕下最大值為 1 個(gè)，工作區(qū)域中的暗像素在白色屏幕下最大值為 4 個(gè)。

（十二）窗口特性

窗口材料標(biāo)識(shí)為 Corning EagleXG，窗口折射率（波長 546.1nm）為 1.5119。

（十三）芯片組元件使用規(guī)格

DLP651NE DMD 需要與適用 DLP 芯片組的其他元件（包括那些包含或?qū)崿F(xiàn) TI DMD 控制技術(shù)的元件）結(jié)合使用才能實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

四、詳細(xì)說明

（一）概述

DMD 是一款 0.65 英寸對(duì)角線空間光調(diào)制器，包含一個(gè)高反射鋁微鏡陣列，是電子輸入、光學(xué)輸出的微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）。微鏡的快速切換速度與先進(jìn)的 DLP 圖像處理算法相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 240Hz 的幀速率。電氣接口為低壓差分信號(hào)（LVDS），由 1 位 CMOS 存儲(chǔ)單元的二維陣列組成。

（二）功能方框圖

通過功能方框圖可以清晰地了解器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號(hào)流向，為電路設(shè)計(jì)和調(diào)試提供重要參考。

（三）特性說明

1. 電源接口：該 DMD 需要 4 個(gè)直流電壓：1.8V 源電壓、VOFFSET、VRESET 和 VBIAS。在典型配置中，DLPA100 電源管理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生 3.3V 電壓，并在 DMD 板上將此電壓用于產(chǎn)生 1.8V 電壓。TI 穩(wěn)壓器 TPS65145 接受 3.3V 輸入電壓，并輸出 VOFFSET、VRESET 和 VBIAS。
2. 時(shí)序：數(shù)據(jù)表指定了器件引腳上的時(shí)序，但在分析輸出時(shí)序時(shí)，必須考慮測試儀引腳電子元件及其傳輸線路影響。TI 建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用 IBIS 或其他仿真工具將時(shí)序基準(zhǔn)負(fù)載與系統(tǒng)環(huán)境相關(guān)聯(lián)。

（四）器件功能模式

DMD 功能模式由 DLPC7530 顯示控制器控制，具體可參閱 DLPC7530 顯示控制器數(shù)據(jù)表或聯(lián)系 TI 應(yīng)用工程師。

（五）光學(xué)接口和系統(tǒng)圖像質(zhì)量注意事項(xiàng)

要實(shí)現(xiàn)所需的終端設(shè)備光學(xué)性能，需要在眾多元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡。例如，TI 建議由照明光學(xué)元件的數(shù)值孔徑定義的光錐角與由投影光學(xué)元件的數(shù)值孔徑定義的光錐角相同，光瞳失準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生不良偽影，照明溢出會(huì)產(chǎn)生偽影等。

（六）微鏡陣列溫度計(jì)算

微鏡陣列溫度無法直接測量，必須根據(jù)封裝外部的測量點(diǎn)、封裝熱阻、電功率和照明熱負(fù)荷進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算公式為 $T{ARRAY }=T{CERAMIC }+left(Q{ARRAY } × R{ARRAY - TO - CERAMIC }right)$，其中 $Q{ARRAY }=Q{ELECTRICAL }+Q_{ILLUMINATION }$。

（七）微鏡功率密度計(jì)算

在計(jì)算不同波長帶內(nèi) DMD 上的照明光功率密度時(shí)，會(huì)使用在 DMD 上測量的總光功率、照明溢出百分比、有源陣列面積以及所需波長帶內(nèi)的光譜與總光譜光功率的比率。相關(guān)公式如 $ILL{UV}=left[OP{UV - RATIO } × Q{INCIDENT }right] × 1000mW / W ÷ A{ILL }$ 等。

（八）窗口孔隙照明溢出計(jì)算

窗口孔隙關(guān)鍵區(qū)域的光學(xué)溢出量無法直接測量，對(duì)于在陣列上有均勻照明的系統(tǒng)，應(yīng)使用在 DMD 上測得的總?cè)肷涔夤β室约?DMD 上指定關(guān)鍵區(qū)域的總光功率比值來確定光學(xué)溢出量。計(jì)算公式為 $Q{AP - ILL }=left[Q{INCIDENT } × OP{AP - ILL - RATIO }right]+A{AP - ILL }$。

（九）微鏡著陸打開/著陸關(guān)閉占空比

1. 定義：微鏡著陸開/著陸關(guān)占空比表示單個(gè)微鏡著陸于打開狀態(tài)的時(shí)長（百分比）與同一微鏡著陸于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)長之比。例如，100/0 表示基準(zhǔn)像素在 100% 的時(shí)間內(nèi)處于打開狀態(tài)，0/100 表示像素在 100% 的時(shí)間內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài)，50/50 表示像素在 50% 的時(shí)間內(nèi)處于打開狀態(tài)。
2. 與使用壽命的關(guān)系：使所有（或部分）DMD 微鏡陣列長時(shí)間處于非對(duì)稱著陸占空比會(huì)縮短 DMD 的使用壽命。著陸占空比的對(duì)稱性取決于兩個(gè)數(shù)字（百分比）的接近程度，完全對(duì)稱的著陸占空比（如 50/50）對(duì)器件壽命影響較小。
3. 與運(yùn)行溫度的關(guān)系：DMD 工作時(shí)的溫度和著陸占空比會(huì)相互作用，從而影響 DMD 的使用壽命。最大建議陣列溫度 - 降額曲線量化了這種關(guān)系，曲線上的所有點(diǎn)表示相同的使用壽命，曲線以上的點(diǎn)表示較短的使用壽命，曲線以下的點(diǎn)表示較長的使用壽命。
4. 估算方法：在給定的時(shí)間段內(nèi)，給定像素的著陸占空比取決于該像素顯示的圖像內(nèi)容?？紤]色彩再現(xiàn)時(shí)，需要了解給定像素的每種構(gòu)成原色（紅色、綠色和藍(lán)色）的顏色強(qiáng)度以及每種原色的顏色周期時(shí)間。此外，應(yīng)用的圖像處理（如 DLPC7530 控制器內(nèi)的伽馬函數(shù)）也會(huì)影響著陸占空比。

五、應(yīng)用和實(shí)施

（一）應(yīng)用信息

DMD 是空間光調(diào)制器，可將來自光源的入射光反射到兩個(gè)方向之一，主要應(yīng)用于激光電視、智能投影儀和企業(yè)投影儀等。DMD 上電和斷電時(shí)序由 DLPC7530 通過 TPS65145 PMIC 進(jìn)行嚴(yán)格控制，為確保可靠運(yùn)行，DLP651NE DMD 必須始終與 DLPC7530 控制器、DLPA100 PMIC/電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 TPS65145 PMIC 搭配使用。

（二）典型應(yīng)用

DLP651NE DMD 與 DLPC7530 數(shù)字控制器和電源管理器件相結(jié)合，可為明亮、多彩的顯示應(yīng)用提供全面 1080p 分辨率。典型顯示系統(tǒng)包括激光熒光體配置和 LED 配置，分別展示了不同的系統(tǒng)方框圖。

（三）設(shè)計(jì)要求

顯示系統(tǒng)的核心元件包括光源、照明和投影光學(xué)元件的光學(xué)引擎、其他電氣元件和機(jī)械部件以及軟件。使用的照明類型和所需的亮度會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和尺寸產(chǎn)生重大影響。

（四）詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

對(duì)于完整的 DLP 系統(tǒng)，需要包含 DLP651NE DMD、相關(guān)光源、光學(xué)元件和必要機(jī)械部件的光學(xué)模塊或光引擎。為確?？煽窟\(yùn)行，DMD 必須始終與 DLPC7530 顯示控制器、TPS65145 PMIC 和 DLPA100 搭配使用?？蓞㈤?DMD 電路板參考設(shè)計(jì)和 DLPC7530 參考設(shè)計(jì)了解布局和設(shè)計(jì)建議。

（五）應(yīng)用曲線

在典型的投影儀應(yīng)用中，DMD 在屏幕上的光通量取決于投影儀的光學(xué)設(shè)計(jì)。照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的效率和總功率決定了投影儀的總光輸出。DMD 本質(zhì)上是一種線性空間光調(diào)制器，其效率與光輸出成正比。

（六）溫度傳感器二極管

DMD 具有內(nèi)置熱敏二極管，用于測量微鏡陣列外芯片某角的溫度。熱敏二極管可以與 TMP411 溫度傳感器連接，軟件應(yīng)用程序可配置 TMP411 以讀取 DLP651NE DMD 溫度傳感器二極管數(shù)據(jù)，客戶可使用這些數(shù)據(jù)在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中整合額外的功能，如調(diào)節(jié)照明、風(fēng)扇速度等。

六、電源相關(guān)建議

運(yùn)行 DMD 需要 VSS、VBIAS、VDD、VOFFSET 和 VRESET 等所有電源，DMD 上電和斷電時(shí)序由 DLP 顯示控制器嚴(yán)格控制。必須遵循電源時(shí)序要求，否則可能會(huì)影響器件的可靠性。例如，從 VoFFSET 上電到 VBIAS 上電的延遲要求為 1 - 2ms，從 VBIAS 和 VRESET 上電并保持穩(wěn)定到 DMD_EN_ARSTZ 變?yōu)楦唠娖降难舆t要求為 20us 等。

七、布局

（一）布局指南

DLP651NE DMD 是芯片組的一部分，這些指南旨在幫助設(shè)計(jì)采用該 DMD 的 PCB 板。建議使用全尺寸或迷你電源平面，接地（VSS）需要實(shí)心平面，PCB 的目標(biāo)阻抗為 50Ω ±10%，使用 10 層堆疊，采用高質(zhì)量 FR - 4 材料制造 PCB。

（二）阻抗要求

TI 建議 PCB 的所有信號(hào)目標(biāo)阻抗為 50Ω ±10%，但 DMD 高速數(shù)據(jù)信號(hào)和 DMD 低速接口信號(hào)的阻抗為 100Ω 差分（50Ω 單端）。

（三）層

每層的層堆疊和覆銅重量有明確規(guī)定，如第 1 層為 A 面 – DMD，主要元件，電源迷你平面，覆銅重量為 0.5 盎司（電鍍前）等。

（四）布線寬度、間距

除非另有說明，建議所有信號(hào)遵循 0.005 英寸/0.015 英寸（布線寬度/間距）設(shè)計(jì)規(guī)則。對(duì)于一些特殊信號(hào)，如 GND、P3P3V、P1P8V 等，有特定的最小布線寬度和最小布線間距要求。

（五）電源

強(qiáng)烈建議不要在電源平面或電源平面相鄰的平面上進(jìn)行信號(hào)布線，要在盡可能多的位置連接所有內(nèi)部數(shù)字接地（GND）平面，將每個(gè)元件的電源和接地引腳連接到電源平面和接地平面，每個(gè)引腳至少有一個(gè)過孔，盡量縮短元件電源引腳和接地引腳的布線長度，避免使用接地平面開槽。

（六）布線長度匹配建議

對(duì)于 HSSI 高速 DMD 數(shù)據(jù)信號(hào)和其他時(shí)序關(guān)鍵型信號(hào)，有建議的信號(hào)布線長度匹配要求。要匹配布線長度，使較長的信號(hào)以蛇形圖案布線，盡可能減少轉(zhuǎn)彎數(shù)，確保轉(zhuǎn)角不低于 45 度。

八、器件和文檔支持

（一）第三方產(chǎn)品免責(zé)聲明

TI 發(fā)布的與第三方產(chǎn)品或服務(wù)有關(guān)的信息，不構(gòu)成對(duì)此類產(chǎn)品或服務(wù)的認(rèn)可。

（二）器件支持

包括器件命名規(guī)則和器件標(biāo)識(shí)，器件標(biāo)識(shí)包含人類可讀的信息和二維矩陣碼。

（三）文檔支持

相關(guān)文檔包括 DLPC7530 顯示控制器數(shù)據(jù)表、TPS65145 數(shù)據(jù)表、DLPA100 電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)表等。

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