CN1993876A - 包含电荷泵的装置以及包含这样装置的lcd驱动器 - Google Patents

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Abstract

装置包括具有多个独立调节输出(V1、V2)的电荷泵(20)，此电荷泵用于在所述输出的每个上提供不同的电压电平。电荷泵(20)包括低电压输入(12)，开/关调节(30)，以及至少两个以级联方式排列的充电级(11、21)。每个充电级(11、21)包括级电容器(16、26)，开关(S1、S3)，以及用于向级电容器(16、26)的底板泵送的缓冲器(15、25)。

Description

包含电荷泵的装置以及包含这样装置的LCD驱动器
技术领域
本发明涉及电荷泵及其基于其上的系统，例如LCD驱动器。
背景技术
电荷泵被用于产生比电源能够提供的电压更高的电压。例如，在液晶显示(LCD)驱动器中，电荷泵被用于产生驱动电路所需要的偏置电压。
在LCD驱动集成电路(IC)中，现在的趋势是制造商不断发展用于移动终端(电话、PDA等)的更高分辨率和色彩的显示器。这些显示器需要在接近20V电压下的大电流，此电压是由LCD驱动IC产生的。配合片上电容或者外接电容，使用电荷泵以达到这样的电压。
用于无源液晶显示器(LCD)的现代驱动电路的特征是切换若干DC电压电平来提供给像素(比如电容器)矩阵的行和列。由于这些切换，实现这些驱动电路的LCD驱动IC具有不可忽略的电流损耗。
驱动使用多行寻址(MRA)电路(一次选择4行)的LCD所需要的每个电压电平(例如7个不同的电压)将看出不同的电流损耗。取决于LCD面板上显示的图案，不同电压电平的负载能够变得非常不均衡(有时具有因数10)。由于这个高的随机负载分布，发展一种最佳的偏置电平发生器是非常困难的。例如容性增压器，众所周知需要的电压越高，电流损耗将会更高。
最近发展建议了一种非最佳解决方案。此解决方案是基于在第一个步骤泵送(pumping)一个大约最高电压一半的泵送量电平，供给比这个泵送量电平小的电压电平，然后使用电压倍压器来供给其余的更高电压电平。
具有串联排列的多个充电级的电荷泵在公开的美国专利申请US2002/0114199A1中公开。通过激活/释放多个级可以调整所需的倍增因数。
例如，如果负载是不均衡的，用于提供一组电压电平的公知步骤是不能令人满意的。
因此，本发明的一个目的是提供一种考虑电流负载的特性的解决方案。
本发明的进一步目的是改进传统电荷泵并提供具有减少的电流损耗的电荷泵。
本发明的进一步目的是改进传统LCD驱动器并减少这些驱动器的电流损耗。
发明内容
如上所述，借助所述发明和其中的权利要求，已知系统的这些缺点减少或者消除。
在权利要求1中要求了根据本发明的一种装置。在权利要求2到7中要求了各种有益的实施例。
在权利要求8中要求了根据本发明的一种LCD驱动器。在权利要求9中要求了一种有益的LCD驱动器。
根据本发明，最重负载电平中的每一个均由相应容性电荷泵的单独输出提供。
本发明叙述了使用包含多个充电级的单个电荷泵怎样产生驱动LCD所需的多个电压电平，其中每个电压电平均被调节为具有一个精确值。
在本发明的一个优选实施例中，电压电平是可编程的。
主要地，本发明已经发展成使用用于电荷泵的片上级电容器和外部较大值的缓冲电容器，使得输出波动最小化，但并不局限于这个实施例。电荷泵也可以使用外部级电容器来替代片上级电容器。使用片上和外部电容器的组合也是可能的。
本发明特别适用于任何需要提供多个高于或小于输入(电源)电压的电压电平的应用，其中每个电平在电流上的负载是不同的。
本发明的附加特征和优点将在接下来的说明中阐明，并且从说明书将部分表现出来。
附图说明
为了更加完整地叙述本发明并且为了进一步说明其目的和优点，结合附图，在下列叙述中使用参考，其中：
图1示出了包含根据本发明的装置的LCD显示器的原理框图；
图2示出了根据本发明的第一装置的原理框图；
图3A示出了根据本发明的第二装置的原理意框图；
图3B示出了能够用于连接根据本发明的装置的电路的原理框图；
图3C示出了能够用于连接根据本发明的装置的另一个电路的原理框图；
图4示出了根据本发明的第三装置的原理框图；
图5示出了根据本发明的第四装置的原理框图。
具体实施方式
在说明本发明的具体实施例之前，首先说明LCD系统10的典型框图。
图1示出了LCD系统10的典型框图。一个串连或并联接口在主计算机(图1中未示出)和显示模块之间作为接口使用。一个串联接口功能11典型地集成到显示器计时控制器12中。具有驱动LCD显示器16的各列的列驱动器组14。列驱动器组14包括多个列驱动器。典型地，通过提供模拟输出信号(例如5个电平V2，V1，VC，MV1和MV2)，列驱动器组14的每个源驱动器驱动显示器面板16的n个列电极(例如，n＝288＝96RGB或396＝132RGB)。在本示例中，每个列驱动器仅驱动一个列电极。具有包括一个行驱动器的阵列的行驱动器阵列15。在许多现有应用中，在四个连续时隙期间以DC电压V3和MV3驱动一组P＝4行，所有其余的行均连接到VC。在下一个四个时隙期间，随后的连续四行以电平V3和MV3被寻址。显示器16的每个像素均为在行和列电极之间的电容器。例如，显示器16可以是具有132RGB列和176行的无源矩阵LCD面板。
具有一个在本实例中提供一组m+n＝7个不同电压电平(由于VC对行和列是公用的，所以存在7个电平)的装置13。在图1的实施例中，通过栅极驱动器阵列15，3个电压(m＝3)被用于驱动各行并且通过源极驱动器阵列14，5个电压(n＝5)被用于驱动各列。
根据本发明，一个电荷泵可以位于装置13的内部。根据本发明，此电荷泵具有多重调节输出以最好地适合m+n＝7个单独偏压电平的每个的电流负载。
根据本发明，图2表示了电荷泵20的最基本原理图，电荷泵20包括两个级联的级11、21。如图2中说明的，电荷泵20包括多个独立调节输出节点V1和V2。不同电压电平V1、V2被提供到所述输出的每一个。电荷泵20包括一个低电压DC输入Vin 12、一个开/关调节30以及以级联方式排列的至少两个充电级11、21。每个充电级11、21包括级电容器Cstage16、26，输入开关S1、S3，优选是MOS开关，以及用于泵送级电容器16、26的底板的缓冲器15、25。缓冲器15、25的每个均具有从开/关调节30接收时钟信号CLK1、CLK2的时钟输入。在本实施例中，存在使用附加元件，就是在输入端具有接触电阻器Rcon 13并且具有输入电容器14。使用输入电容器14来补偿在接触电阻器Rcon 13上的电压降。
每个输出V1、V2均具有串联排列的输出电阻器19、29，输出电容18、28以及输出开关S2、S4。使用这些输出开关S2、S4，能够关闭两个输出电压V1、V2。
开关S1、S3和S2、S4由数字信号控制，其分别相互关联于时钟CLK1和CLK2。条件是在相同时间S1和S2不导通(并且相同地应用于S3和S4)，即它们在互补相位导通。一个用于泵送级(比如11)的指令序列的实例为：相位1，CLK＝0，S2打开并且S1关闭，在相位2：S2打开，CLK＝1，S2导通。当该级停用时，那么时钟保持在相位1并且输出V1和电容器18不再被泵送。
电荷泵20如下工作。DC电压Vin提供给低电压输入12。只要所需输出电压V1没有达到输出V1，开/关调节30持续提供时钟信号CLK1给第一级11的缓冲器15并且缓冲器15向级电容器16泵送电荷。一旦达到所需输出电压V1，开/关调节30关闭时钟信号CLK1并且结束泵送。在指定为V1的各自输出上V1是可用的。只要开/关调节部30提供时钟信号CLK2，并且如果输入开关S3关闭，绝对相同的电压V1也用于给随后充电级21的级电容器26充电。因为充电级11、21以级联方式排列，第一充电级11提供输出电压V1给下一充电级21。不同的输出电压V1和V2能够如下表示：
V1＝a Vin
V2＝b Vin
其中a和b为整数。仅在如果没有负载连接到这些输出并且如果输出没有被开/关-调整的情况下，这些等式是有效的。如果开/关调节工作，a和b就不必要是整数。
根据本发明，电荷泵20的优点是，每个级11、21能够通过单独的输入开关S1、S3来开启或关闭。由于实际上提供了一个开/关调节30，级电容器16、26的充电是可控的。电荷泵20的另一个优点是，每个输出V1、V2能够在没有各自电压的影响下提供高电流。
根据本发明，图3A表示了另一个原理图，包括两个级联的级11、21。如图3A中说明的，电荷泵20包括多个独立调节输出V1、V2和V3’。不同电压电平V1、V2、V3’被提供到所述输出的每一个。相同的附图标记与在图2中使用的相同。
电荷泵20包括低电压DC输入Vin 12、开/关调节30以及以级联方式排列的至少两个充电级11、21。每个充电级11、21包括级电容器Cstage16、26，输入开关S1、S3，优选是MOS开关，以及用于泵送级电容器16、26的底板的缓冲器15、25。缓冲器15、25的每个均具有从开/关调节30接收时钟信号CLK1、CLK2的时钟输入。在本实施例中，存在使用附加元件，就是在输入端具有接触电阻器Rcon 13并且具有输入电容器14。每个输出V1、V2、V3’具有串联排列的输出电阻器19、29、39和输出电容器18、28、38。除了电压V1和V2之外，第三电压电平提供给输出V3’。此电压V3’通过施加电容器26的顶板上的电位横跨输出电容38和输出电阻器39来产生。电压V2和V3’均由一个并且相同的充电级21提供。
开关S1、S3和S2、S4由数字信号控制，其分别相互关联于时钟CLK1和CLK2。条件是在相同时间S1和S2不导通(并且相同地应用于S3和S4)，即它们在互补相位导通。一个用于泵送级(比如11)的指令序列的实例为：相位1，CLK＝0，S2打开并且S1关闭，在相位2：S1打开，CLK＝1，S2导通。当该级停用时，那么时钟保持在相位1并且输出V1和电容器18不再被泵送。
在本实施例中，第二级21提供两个电压V2和V3’。那就是说，使用第二充电级21给两个储能元件即电容器28、38充电。因而，输入开关S3能够用作一起关闭两个电压V2和V3’。不同的输出电压V1、V2和V3’能够如下表示：
V1＝a Vin
V2＝b Vin
V3’＝c Vin
其中a、b和c为整数。仅在如果没有负载连接到这些输出并且如果输出不被开/关-调整的情况下，这些等式是有效的。如果开/关调节工作，a、b和c就不必要是整数。
如图3B和3C中所示，图3A中的装置可以通过加入电路31和/或32来改变。最重的负载电位V1在单个充电级11(倍压器)产生。MOS晶体管充当开关S1-S5。调整V1电压电位并且在本实施例中V1电压电平低于2*Vin。然而，在其他实施例中第一电荷泵11可能远远地高于输入电压Vin的两倍。
例如，如果使用电路31，由缓冲电容器18来保持稳定的电压电平V1能够进一步用于产生用于驱动LCD的更低的电压电平Vc和MV1。电压V1还形成第二级联电荷泵21的输入，第二级电荷泵21具有两个输出V2和V3’，并且每个输出位于不同的电压并具有不同的电流负载。为了驱动LCD，将V3’加到V2上并且V3’也相对于地电位进行镜像来形成MV3电平。如图3C中叙述的，使用电压镜像32能够得到这个。例如，电压电平象这样：V3＝11V、V2＝6V、V1＝4.5V、Vc＝3V、MV1＝1.5V、MV2＝OV、MV3＝-5V、Vin＝2.6V并且V3’＝5V。第二电荷泵21的两个输出也通过两个输出开关S4和S5的数字控制的开/关配置来调整，向缓冲电容器28、38的每一个充电直到达到需要的电荷。这些电容器28、38也可以作为电压源。
在这个实施例中的效率也是非常优秀：将Vin加到V1上的一个级将充分地从V1电平、以及V2和V3’得到(在本实施例中，V1＝4.5V、V2＝6V并且V3’＝5V)。因此仅两个充电级11、21能充分得到驱动LCD所需的所有偏压电平。
为了达到此目的的传统解决方案需要三个电容器(一个倍压器和一个分离的三倍器)。这可以转换为节约面积(在现代亚微米工艺中电容器面积是昂贵的)，或者对于相同的面积，该电容器能够增大1.5倍，这样就提高了在输出端能够得到的最大电流。由于较少的开关过程(较少的充电级)也能够提高功率效率。
图4中描述了一个进一步的实施例。如图4中举例说明，第一充电级11通过加上另一个充电级41能够达到双倍。此充电级41与充电级11并联设置。电荷泵20使用两个相位：在第一相位，级电容器16从输入12充电并且没有连接负载(电荷在缓冲电容器18中保存)，并且在第二相位，级电容器16从输入12断开并且通过底板驱动器15被泵送到(“上升”)2倍Vin，通过输出开关S2，允许电荷充入缓冲电容器18中。如上提及的，第二级41能够设置为在相反相位并联(推拉原理)。两个级电容器16、46顺次从Vin充满，每个都在一个相位上。如图4中所示，同样的也应用于第二电荷泵21，或者V2和V3’也被应用在两个不同的级21、51，第一充电级21在第一相位中工作并且第二充电级51在第二相位中工作。取决于负载情况，可以如先前结合图3A说明的那样产生V2和V3’。请注意在图4中提供下述情况：CLK1＝NOT CLK3并且CLK2＝NOTCLK4。那就是说，信号CLK1的相位为相对于信号CLK3的相移并且信号CLK2为相对于信号CLK4的相移。
如图3B和3C中描述，图4的装置20可以通过增加电路31和/或32来改变。
另一个实施例在图5中描述。装置70包括电荷泵60和开/关调节80。电荷泵60具有DC电压输入62和三个输出V1、V2和V3’。如图5中所示，在这些输出的电压通过基准线61提供给开/关调节80。使用这些基准线61使得开/关调节80能够将三个输出V1、V2和V3’的实际电压电平与参考电压相比较。开/关调节80可以包括电路90，电路90将通过基准线61提供的实际电压与相应参考电压比较。例如，电路90可以包括连接到地电位的电阻排，使得能够将通过基准线61接收到的电压与内部参考电压比较。只要实际电压V1没有达到相应参考电压Vlref，通过电路90提供一个信号(例如，一个逻辑“1”)给一个与门81的一个输入端。通用时钟信号CLK提供给与门81的另一个输入端。只要信号为逻辑“1”，此与门81输出一个与通用时钟信号CLK相似的输出信号CLK1。一旦电路90确定电压V1达到参考电压Vlref，信号被改变(例如变成逻辑“0”)并且与门81阻止输出并且输出信号CLK1不再有效。由于这些，电荷泵60的各自的充电级停止泵送并且电压电平V1保持稳定。相同的原理应用于其他的电压。每个电压都由电路90分别监视并且开/关调节80通过切换时钟信号CLK2、CLK3开或关来使得能够或禁止相应充电级的泵送。
请注意在本实施例中三个时钟信号CLK1、CLK2、CLK3具有相同的频率，因为他们从通用时钟信号CLK导出。然而，其也可能使用用于电荷泵60的不同充电级的不同时钟信号。
在本实施例中，具有接收通用时钟信号CLK的三个与门81、82和83。根据需要，也可以使用其他逻辑元件来使得单独的充电级的泵送能被接通或关断。
本发明机构的另一个优点是，所有电压电平均能够由单个软件可配置的电荷泵产生。从位于不同电压的相同电荷泵输出电流，并且取决于LCD屏上显示的图案，一个电平也许会比另外一个更多地使用(更多地加载)。
平均地，V1和MV1最有负载，接下来是V3和MV3，接着是V2和MV2。但是具有这样的图案，其中V1和MV1几乎没有负载并且所有电流必须输出到V2、V3、MV2和MV3。在这种情况下，由于如本发明中所述的单个电荷泵能够被配置为在任何需要的部位和时间输出电流，该单个电荷泵就更加灵活。在传统结构中，在这种情况下倍压器几乎不使用并且三倍器将承担很重的负载。
本发明机构的另一个优点是，取决于负载和所需要的电压，部分电荷泵的每一个包含不止一个充电级(例如，V1能够由三倍器提供并且V2和V3’由两个另外的泵送级提供)。对于特殊的负载，根据效率，构造成如三倍器的电荷泵也许是更加最优的解决方案。
在任何图中都未被描述的另一个实施例中，使用一个倍压器或者三倍器电路来获得附加电压电平。这样一个倍压器或者三倍器能够由本发明的充电级的输出端提供的电压馈送。采用这些附加的电路，人们可以轻松获得更多的电压电平。
如上所述，根据本发明的装置使用了多个级联充电级，这些充电级构成独立调节的电荷泵。这样的布置具有若干优点。最明显的是，对于相同的驱动强度需要更少的电容器。在图2、3、4中，除了连接电阻Rcon和缓冲电容器18、28、38之外的所有的电路均位于单个芯片上(例如，显示器驱动器IC)。这些缓冲电容器18、28、38为外部电容器，其足够大保持电压电平稳定并且其工作接近于理想电压源。
仿真已经显示了本发明工作优异，并且在相同部件值和典型负载情况下，与传统倍压器和三倍器相比，效率也完全相同。
当然，由于每个开关事件均消耗一些能量来充电和放电寄生电容器，电荷泵的效率取决于使用多少个充电级。输出电压在一定范围内取决于实际电路负载。当在高电压消耗电流时，来自输入的电流消耗为输出电流加上开关电流乘以充电级的数目。因此在对于给定负载能够获得必须的电压的条件下，充电级的数目优选保持在最小值。
因而，除了节省级(以及内部电容器)的数量之外，由于更少的开关事件发生(并且存在更少的寄生元件)，具有一个电荷泵的建议结构将也更加有效，其中该电荷泵具有多个独立调节的输出。单独电平的调节的灵活性没有受到影响：级电容器比每个电压电平的缓冲电容器小并且开/关调节在数字域以最容易的方式完成。
建议的结构带来主要优点是，在某种意义上，即使以亚微米技术(最小数量和微小值)也能将级电容器集成在芯片上。但是即使在外部级电容器的情况下，本发明帮助减小电容器数量到最小值。
为了清楚，应理解在分开的实施例的上下文中叙述的本发明的各种特征也可以被组合提供在单个实施例中。相反地，为了简洁，在单个实施例的上下文中叙述的本发明的各种特征也可以被分开地或者以任何适合的再组合(subcombination)来提供。
在附图和说明书中已经叙述了发明的优选实施例，并且，虽然使用了具体的术语，但是由此给出的描述使用了一般的术语并且仅仅是描述的意义并不是为了限制的目的。

Claims (9)

1.装置(10)，包括具有多个独立调节输出(V1、V2、V3’)的电荷泵(20；60)，此电荷泵用于在所述输出的每个上提供不同的电压电平，所述电荷泵(20；60)包括低电压输入(12)，开/关调节(30；80)，以及至少两个以级联方式排列的充电级(11、21)，每个充电级(11、21)包括
-级电容器(16、26)，
-开关(S1、S3)，
-用于向级电容器(16、26)的底板泵送的缓冲器(15、25)，以及
-位于输出节点和地之间的电容器(18、28)。
2.权利要求1的装置(10)，其中附加充电级(41、51)与所述充电级(11、21)的第一个并联排列，所述附加充电级(41、51)工作于与所述充电级(11、21)的第一个不同的相位。
3.权利要求1或2的装置(10)，其中附加电压电平通过另外的级联的电荷泵级和/或通过附加电路(31、32)来提供。
4.权利要求1的装置(10)，其中级电容器(16、26)中的至少一个被集成到与电荷泵(20、60)相同的芯片上。
5.权利要求1的装置(10)，其中电荷泵具有低输出电阻。
6.权利要求1、2或3的装置(10)，具有在所述输出的每一个驱动不同电流负载的能力。
7.权利要求1的装置(10)，其中开/关调节(30；80)包括逻辑门(81、82、83)以及用于将在所述调节输出(V1、V2、V3’)提供的实际电压电平与参考电压(Vref1)进行比较的装置。
8.LCD驱动器，包括根据前述一个或多个权利要求的装置(13)。
9.权利要求8的LCD驱动器，使用用于无源灰度或彩色液晶显示器(16)的多行寻址电路。
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