DE60204850T2

DE60204850T2 - Programmierbares ladungspumpenbauelement

Info

Publication number: DE60204850T2
Application number: DE60204850T
Authority: DE
Inventors: C. Andy NEGOI
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Entropic Communications LLC
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: DE60204850D1; EP1358710A1; JP2004519186A; KR20020093015A; KR100897636B1; JP4040467B2; EP1358710B1; WO2002061930A1; US20020114199A1; US6801077B2; CN1455980A; ATE298945T1; CN1295852C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ladungspumpenbauelement sowie einen Anzeigetreiber mit einem Ladungspumpenbauelement. Des Weiteren bezieht sie sich auf ein Anzeigemodul mit einem Anzeigetreiber, welcher ein Ladungspumpenbauelement aufweist, sowie ein Telekommunikationsterminal mit einem solchen Anzeigemodul.
Ladungspumpenbauelemente oder Spannungsvervielfacher werden in Vorrichtungen verwendet, bei denen eine höhere Spannung als die Versorgungsspannungen erforderlich ist. Diese Ladungspumpenbauelemente werden im Besonderen in LCD-Modulen und in Flash-Speichern eingesetzt, da die höchste, erforderliche Spannung größer als die vorhandene Versorgungsspannung ist. Diese Teile werden heutzutage in großen Mengen hergestellt, und die Stromausbeute stellt ein Hauptproblem dar. Sie sollen zum Einsatz in batteriebetriebenen Anwendungen dienen; daher werden ein geringer Stromverbrauch und neuerdings eine niedrige Spannung immer wichtiger.
Die LCD-Module werden in großem Umfang in Zellulartelefonen und anderen Handheld-Geräten wie Organizern, Laptops, PDAs usw. verwendet. Bei den Telefonen beträgt die für analoge Blocks abgebbare Versorgungsspannung 2,8 V, und ein grafischer LCD-Bildschirm kann mit Spannungen von 6 bis 16 V angesteuert werden. Die Spannung muss bis zu mindestens der dreifachen Versorgungsspannung vervielfacht werden. Da ein Display in einem großen Versorgungsspannungsbereich arbeiten können sollte, sollte sich der Vervielfachungsfaktor mit der Anwendung ändern.
Eine Ladungspumpe setzt sich aus einer Kaskade von mehreren Stufen zusammen, wobei eine Stufe mindestens einen Schalter oder eine Diode, ein Ladungsspeicherelement, in den meisten Fällen als Kondensator realisiert, sowie einen Treiber aufweist. Der Treiber erteilt den Ladungsspeicherelementen Befehle und wird durch periodische Signale oder Phasen betrieben. Eine in der ersten Stufe gespeicherte Ladung wird zu der nächsten Stufe geleitet, wo sie zu der Ladung dieser Stufe hinzugefügt wird; dadurch wird eine höhere Spannung erzeugt, welche an die Bauelemente, d.h. ein LCD-Modul in einem Mobiltelefon, abgegeben wird.
Es stehen zwei Ladungspumpenarten zur Verfügung:

– mit chipinternen Kondensatoren oder
– mit externen Kondensatoren.

Chipinterne Kondensatoren stellen die einfachste Lösung für Realisierungen mit Chipmontage auf Glas dar und können eine Stromausbeute von etwa 95% bieten. Die Kosten für die chipinterne Lösung sind geringer. Die Ladungspumpe mit externen Kondensatoren ist leistungsfähiger, jedoch für die Realisierungen mit Chipmontage auf Glas weniger geeignet, da sie kostenaufwendiger ist.
Um den Vervielfachungsfaktor einer Ladungspumpe zur Anpassung der Lösung an verschiedene Anwendungen zu ändern, wäre es möglich, nicht alle Stufen der Ladungspumpe einzusetzen, um Ausgangsspannungen unterhalb der maximal möglichen Spannungen zu erzeugen, wo sämtliche Stufen der Ladungspumpe verwendet werden. Zum Beispiel ist eine der Charakteristiken des Flüssigkristalls des Displays, dass es mit einer höheren Spannung bei niedrigen Temperaturen angesteuert werden muss, während die Batterie lediglich eine niedrige Spannung abgeben kann. In diesem Fall könnte die Wahl eines höheren Vervielfachungsfaktors als bei Raumtemperatur den Stromverbrauch des Anzeigemoduls verbessern.
In dem vorliegenden Fall kommt es selbst bei einer nicht so niedrigen Versorgungsspannung V_dd bei Nichtverwendung sämtlicher Stufen vor, dass eine der mittleren Stufen als erste Schaltstufe verwendet wird, wodurch ein Verlust der Stromausbeute hervorgerufen wird.
Auf diese Weise ist die Ladungspumpe funktionell, verbraucht jedoch auf Grund des Rückstroms mehr Energie als das Optimum. Um die Verluste in Folge des Rückstroms, welcher von einer Stufe zu der Stufe vor dieser zu dem Eingang des Ladungspumpenbauelements hin fließt, während der sich im verriegelten Stadium befindliche Schalter noch nicht vollständig geöffnet ist, zu minimieren, wurden die Schalter verbessert.
Um das Problem im Hinblick auf den Rückstrom zu lösen, unterscheiden sich die Schalter der ersten Stufe und der letzten Stufe der Ladungspumpe von den mittleren Schaltern.
Bei bekannten Anwendungen wurde die Ladungspumpe so konstruiert, dass ein Maskenwechsel vorgesehen ist, wobei die erste verwendete Stufe transformiert wurde, um die Effektivität zu erhöhen, weitere Softwareänderungen des Vervielfachungsfaktors jedoch unzulässig sind. Diese Lösung ist recht einschränkend.
EP 0 319 063 A2 beschreibt eine Spannungsvervielfacherschaltung, die eine Reihe Gleichrichterelemente aufweist, welche abwechselnd in den leitenden Zustand versetzt werden, indem wechselweise komplementäre Taktsignale an Kapazitäten angelegt werden, die mit Anschlusspunkten von Paaren benachbarter Elemente verbunden sind.
JP 2000262044 offenbart ein Ladungspumpenbauelement mit mehreren Stufen, wobei jede Stufe einen Schalter und ein Ladungsspeicherelement aufweist. Die Anzahl Stufen zur Erzeugung einer bestimmten Spannung ist durch eine Umschaltsteuereinheit einstellbar.
Bei einer programmierbaren Ladungspumpe wird der Vervielfachungsfaktor dadurch bestimmt, wie viele Stufen schaltbar sind. Die näher an dem Eingang vorgesehenen Stufen, mit der ersten Stufe beginnend, werden in den leitenden Zustand versetzt, um die Versorgungsspannung am Eingang der ersten Schaltstufe zu erzeugen. Die Zwischen- oder mittleren Stufen sind sämtlich von der in 2 dargestellten Art mit Bootstrap-Kondensator, um den Pegel des Command-Gates zu erhöhen.
Bei einer programmierbaren Ladungspumpe kann die erste Schaltstufe jedoch durch irgendeine Stufe dargestellt sein.
Durch Verwenden dieser Art Stufen oder Elemente als erste Stufe eines Spannungsvervielfachers oder einer Ladungspumpe ist die Eingangsspannung (V_dd) konstant und kann nicht auf dieselbe Weise wie eine mittlere Stufe umgeschaltet werden. In diesem Fall kann der Schalter nicht in den EIN-Zustand versetzt werden, wenn die Versorgungsspannung niedriger als 2|Vtp| (Vtp stellt die Schwellenspannung des PMOS dar) ist.
Dieses Problem tritt auf, während die Versorgungsspannung V_dd immer niedriger wird. Die in heutigen Ladungspumpen verwendeten Schalter werden mit PMOS-Transistoren als Schalter der Stufe vorgesehen. Um das Verhalten solcher Schalter zu verbessern, werden entweder Bootstrap-Kondensatoren oder Pegelumsetzer eingesetzt, um das Gate eines PMOS-Schalters anzusteuern. Die Bootstrap-Kondensatortechnik für alle mittleren und letzten Stufen wird als eine sehr effiziente Lösung angesehen und angewandt. Jedoch können die Schalter ausschließlich bei einer Versorgungsspannung V_dd > 2|V_tp| korrekt arbeiten, wobei V_tp die Schwellenspannung eines PMOS-Transistors darstellt. Die Begrenzung stellt in diesem Fall ein Schalter mit Bootstrap-Kondensator dar, welcher als erste Stufe verwendet und zwischen V_dd und V_ss permanent gespeist wird, wobei V_SS die Erdung des Schalters, angenommen 0 V, darstellt, welche auf Grund parasitärer Widerstände jedoch variieren kann. Bei einer niedrigeren Versorgungsspannung arbeitet die Ladungspumpe nicht. Eine |V_tp| kann bis zu 1,3 V betragen, wobei sich diese mit den Prozessparametern und der Temperatur verändert. Daher ruft eine niedrigere V_dd als 2,6 V ein Problem hervor.
Somit liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein Bauelement mit einer Ladungspumpe mit einem frei einstellbaren Vervielfachungsfaktor und minimierten Leistungsverlusten vorzusehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ladungspumpenbauelement zur Erzeugung einer höheren Spannung als die Versorgungsspannung gelöst, welches mindestens zwei Stufen, die in Reihe angeordnet sind, aufweist, wobei eine Stufe einen Schalter und ein Ladungsspeicherelement vorsieht, wobei ein erforderlicher Vervielfachungsfaktor der Ladungspumpe durch Aktivieren/Deaktivieren einer definierbaren Anzahl Stufen einstellbar ist, wobei die Schalter in sämtlichen Stufen auf die gleiche Weise angeordnet sind, ein Schalter einen ersten Transistorschalter MP1 aufweist, welcher zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Stufe angeordnet ist, und ein Bootstrap-Kondensator vorgesehen ist, um die Ladung zur Steuerung des Gates des ersten Transistorschalters zu speichern, wobei der Bootstrap-Kondensator durch eine Gate-Umschaltsteuereinheit gesteuert wird.
Die Erfindung befasst sich mit der Begrenzung der niedrigen Versorgungsspannung und sieht ebenfalls eine Lösung in Bezug auf einen Effektivitätsverlust, wenn der Vervielfachungsfaktor niedriger als das Maximum programmiert ist, vor. Die Verbesserung betrifft die Schalter mit Bootstrap-Kondensatoren. Die neue Ladungspumpe ist, bei V_dd = |V_tp| beginnend, funktionell, und selbst das Programmieren eines anderen Vervielfachungsfaktors als die Anzahl Stufen N verringert nicht die Stromausbeute.
Ein Ausführungsbeispiel eines Ladungspumpenbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen eines Vervielfachungsfaktors, welcher kleiner als der maximal mögliche Faktor ist, die von einem Eingang des Ladungspumpenbauelements ausgehenden Stufen deaktiviert werden. Dadurch ist die Möglichkeit zum Einsatz dieser Ladungspumpe für verschiedene Anwendungen gewährleistet, wobei auf Grund des Abschaltens nicht erforderlicher Stufen kein Leistungsverlust auftritt.
Bei Anwendungen, bei denen der maximale Vervielfachungsfaktor nicht erforderlich ist, können die nicht verwendeten Stufen ohne Leistungsverlust abgeschaltet werden.
Um dieses zu erreichen, setzt sich die Ladungspumpe aus einer Kaskade von Schaltern, Treibern und Ladungsspeicherelementen, als Stufenkondensatoren realisiert, zusammen. Jeder Schalter SW einer Stufe weist einen Schalter MP1, welcher zwischen einem Eingang EIN und einem Ausgang AUS der Stufe (S) des Ladungspumpenbauelements angeordnet ist, außerdem zwei Transistoren MP2 und MP3 zur Steuerung des isolierten Bulks des Schalters MP1 sowie einen vierten Transistor MP4 zum Laden eines Bootstrap-Kondensators (C_B) auf, wobei der Bootstrap-Kondensator (C_B) vorgesehen ist, um die Ladung zur Steuerung des Gates des Schalters MP1 zu speichern, und weiterhin eine Gate-Umschaltsteuereinheit GSU aufweist, wobei diese angeordnet ist, um das Gate des Schalters MP1 umzuschalten.
PMOS-Transistoren weisen einen isolierten Bulk auf, da sie in einen n-Wannenbereich eingebaut sind. Durch Vorspannen dieses n-Wannenbereichs auf stets das höchste Potential, wird der Übergang in Sperrrichtung vorgespannt und isoliert den PMOS-Transistor elektrisch von dem Substrat. Die Rolle von MP2 und MP3 ist, zu bestimmen, welches das höchste Potential zwischen dem Eingang und dem Ausgang ist. Sämtliche PMOS-Transistoren eines Schalters sind in den gleichen n-Wannenbereich eingebaut. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Schalter MP1 vorzugsweise als Transistor mit isoliertem Bulk realisiert.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Ladungspumpenbauelement eine Pegelgeneratoreinheit (LGU) auf, um Steuersignale für die Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) abzugeben, wobei im Voraus feststeht, ob die Gate-Umschaltsteuereinheit das Gate des Transistorschalters MP1 mit dem C_B-Kondensator verbindet oder von diesem trennt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Ladungspumpenbauelement eine Gate-Umschaltsteuereinheit auf, welche zur Abgabe von Steuersignalen vorgesehen ist, um MP1 der Stufe bei Spannungen unter V_dd umzuschalten.
Durch Verwendung der Gate-Umschaltsteuereinheit GSU und der Pegelgeneratoreinheit LGU wird erreicht, den Bootstrap-Kondensator C_B von dem Gate von MP1 zu trennen, wenn MP1 einzuschalten ist, und direkt mit V_dd anzusteuern. Muss MP1 ausgeschaltet werden, wird MN1 aus- und MP5 eingeschaltet. Die anderen zwei Transistoren MN2 und MP6 müssen dem Gate von MP5 korrekte Befehle erteilen. Bei der erfinderischen Lösung sind die in der GSU vorgesehenen, beiden Transistoren MN1 und MP5 nicht zur gleichen Zeit leitend. MN1 ist aktiv, wenn der Schalter MP1 in den leitenden Zustand zu versetzen ist: wir legen 0 V (alias<switchb>) an das Gate von MP1 statt an die untere Platte des Bootstrap-Kondensators C_B an, welche zu diesem Zeitpunkt auf |V_tp| liegen kann; es wird dann durch den MP5 getrennt, wobei dieser nicht leitend ist, da sich sein Gate auf dem höchsten, eingestellten Potential befindet.
Mit dieser neuen Architektur ist es somit möglich, die Ladungspumpe mit Schaltern zu realisieren, die in sämtlichen Stufen Bootstrap-Kondensatoren aufweisen, und darüber hinaus arbeitet die Ladungspumpe bei V_dd = |V_tp|.
Sämtliche Stufen können dadurch auf die gleiche Weise realisiert werden, was darin resultiert, dass durch Programmieren eines niedrigeren Vervielfachungsfaktors als der maximale eine der mittleren Stufen der Ladungspumpe durch Verhindern des Leistungsverlusts als erste Stufe verwendet werden kann.
Weiterhin besteht durch Verwendung dieser Art Stufen eines Ladungspumpenbauelements die Möglichkeit, nach Einsetzen eines bestimmten, ersten Vervielfachungsfaktors einen Vervielfachungsfaktor umzuprogrammieren.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch einen Anzeigetreiber gelöst, um Anzeigeinformationen und Spannungen einer Anzeigeeinheit zuzuführen, welcher ein Ladungspumpenbauelement, wie oben beschrieben, aufweist.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Anzeigemodul mit einer Anzeigeeinheit und einem Anzeigetreiber, welcher ein Ladungspumpenbauelement nach Anspruch 1 aufweist, gelöst.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Telekommunikationsterminal mit einer Anzeigeeinheit (DU) und einen Anzeigetreiber (DD) mit einem Ladungspumpen-(CP)-Bauelement nach Anspruch 1 gelöst.
Bei batteriebetriebenen Telekommunikationsterminal ist es sehr wichtig, in Folge einer längeren Standby- oder Betriebszeit ein LCD-Modul mit einem minimierten Energieverbrauch zu haben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – ein Beispiel einer konventionellen Ladungspumpe;
2 – eine Stufe einer konventionellen Ladungspumpe;
3 – eine Stufe mit Gate-Umschaltsteuereinheit und Pegelgeneratoreinheit;
4 – ein LCD-Modul mit einem Anzeigetreiber mit Chipmontage auf Glas.
1 zeigt ein Schemaschaltbild einer konventionellen Ladungspumpe CP. Es sind mehrere Stufen S_n vorgesehen. Eine Stufe S_n setzt sich aus einem Schalter SW_n und einem Ladungsspeicherelement oder -bauelement CS_n sowie einem Treiber D zusammen. Die Treiber D steuern die Ladungsspeicherelemente CS₁–CS_n gemäß einem periodischen Signal abwechselnd in Paaren. Der C_Puffer ist auf Grund seiner Größe nicht auf dem Chip integriert und ist vorgesehen, um die Ausgangsspannung zu glätten. Die Versorgungsspannung V_dd wird am Eingang EIN der Ladungspumpe CP abgegeben. Die höhere Spannung, welche an die Bauelemente, d.h. ein LCD-Modul, abgegeben wird, wird an dem Ausgang AUS des Ladungspumpenbauelements CP erzeugt.
Das oben beschriebene Problem tritt auf, wenn ein Schalter SW_n mit Bootstrap-Kondensator C_B als erste Stufe verwendet wird, die an dem Eingang mit V_dd gespeist wird. 2 zeigt einen solchen Schalter SW_n, welcher in einer konventionellen Ladungspumpe CP eingesetzt wird.
Der Transistor MP1 stellt das Hauptschaltelement des Schalters SW_n mit zwei Zuständen dar: in den EIN- oder geschlossenen Zustand kann der Strom vom Drain zur Source fließen, während in dem AUS- oder geöffneten Zustand kein Strom durchfließt. MP2 und MP3 bilden einen Spannungskomparator. Deren Aufgabe ist es, den n-Wannenbereich oder den isolierten Bulk des Schalters MP1 mit der höchsten Spannung vorzuspannen, um Streuverlust auf Grund in Durchlassrichtung vorgespannter Dioden zu verhindern. C_B ist wesentlich kleiner als der Stufenkondensator CS_n. Seine Aufgabe ist es, ausreichend Spannung abzugeben, um den Schalter MP1 in einer der zwei Phasen des Pumpvorgangs zu öffnen. Der Transistor MP4 spielt beim Abschalten des MP1 und Erzeugen eines Gleichstrompfads, um den Knoten switchbhv (Bootstrap-Kondensator) von dem Stufenkondensator CS_n zu laden, wenn MP1 ausgeschaltet ist, eine Rolle.
In der ersten Phase wird der Schalter SW_n, wie in 2 dargestellt, als erster aktiver Schalter SW₁ programmiert und ist anfänglich eingeschaltet. C_B ist anfänglich entladen. Der Eingang EIN wird auf die Versorgungsspannung V_dd, die untere Platte von CS₁ auf V_ss = 0 V eingestellt und der Ausgang AUS bis V_dd geladen. MP1 und MP2 sind eingeschaltet, MP3 und MP4 sind ausgeschaltet, WANNE = EIN = V_dd. C_B wird entladen und switchbhv isoliert, switchb = 0 V, so dass C_B entladen bleibt und switchbhv auf 0 V zieht, wobei MP1 und MP2 eingeschaltet bleiben.
In der nächsten Phase muss der Schalter SW₁ in den AUS-Zustand versetzt werden, bevor die untere Platte des CS₁ auf V_dd gebracht wird. Es finden die folgenden Vorgänge statt: EIN = V_dd (da es die erste Stufe ist). Der Knoten switchb wird auf V_dd gebracht. Da C_B keinen Gleichstrompfad aufwies und nicht angesteuert wurde, wird der Knoten switchbhv von dem Bootstrap-Kondensator C_B hochgesetzt. MP1 und MP2 sind ausgeschaltet. MP3 und MP4 bleiben ebenfalls ausgeschaltet. Sodann wird die untere Platte des Stufenkondensators CS₁ von 0 V auf V_dd gesetzt, und der Schalter SW₂ der nächsten Stufe S₂ wird in den EIN-Zustand versetzt. Der Ausgangsknoten AUS liegt auf 2V_dd und entlädt sich in dem nächsten Stufenkondensator CS₂. Da V_dd > |V_tp|, werden MP3 und MP4 eingeschaltet. Dadurch weisen die Knoten WANNE und switchbhv die gleiche Spannung wie der Ausgangsknoten AUS auf, bis die Spannung von Ausgang AUS auf V_dd + |V_tp| abfällt. Danach werden MP3 und MP4 in den AUS-Zustand versetzt. An dieser Stelle wird der Bootstrap-Kondensator C_B mit V_dd + |V_tp| – V_dd = |V_tp| (wobei switchbhv > switchb) geladen. MP1 und MP2 bleiben ausgeschaltet, da deren Gatespannung höher als die Drain- und die Sourcespannung ist. Die Spannung an Knoten AUS kann in zwei Fällen unter V_dd + |V_tp| fallen: zu Beginn, wenn sämtliche Kondensatoren entladen sind und wenn an dem Ausgang ein großer Strom erforderlich ist.
Anschließend wird Schalter SW₂ der nächsten Stufe S₂ in den AUS-Zustand versetzt, und die untere Platte des Stufenkondensators CS₂ wird erneut auf 0 V gesetzt. Die Spannung an Ausgangsknoten AUS ist nun niedriger als |V_tp|, EIN = V_dd, switchb wird an 0 V gelegt. MP3 und MP4 bleiben weiterhin ausgeschaltet, und MP1 und MP2 müssen erneut eingeschaltet werden. Dieses ist nur dann möglich, wenn switchbhv < EIN – |V_tp|. Falls dieses NICHT die erste Stufe S₁ wäre, würden an dem Eingang EIN zweimal V_dd von der vorherigen Stufe anliegen, so dass es kein Problem ist, die Forderung zu erfüllen. Als erste Stufe jedoch ist EIN = V_dd.
Jedoch wurde C_B mit |V_tp| geladen, und der Knoten switchbhv sieht nun keinen Gleichstrompfad zum Entladen dieses Kondensators vor. Der Knoten switchb liegt auf 0 V (er ist in den EIN-Zustand zu versetzen), so dass switchbhv auf |V_tp| heruntergesetzt wird.
Bis jetzt arbeitete der Schaltkreis, da switchbhv = |V_tp| < EIN – |V_tp|, somit V_dd > 2|V_tp|, was die Grenze dieser Architektur darstellt.
Um dieses zu beheben, darf die erste Stufe S₁ keinen Bootstrap-Kondensator C_B aufweisen, oder dieser könnte bei einem Maskenwechsel, also definitiv nur bei der einen Anwendung, kurzgeschlossen werden. Da V_dd = 2,8 V im schlimmsten Fall nicht wesentlich größer als 2|V_tp| = 2,6 V ist, ist ebenfalls ein Effektivitätsverlust zu verzeichnen.
Neue LCD-Treiber müssen bei niedrigeren Versorgungsspannungen als diesem Grenzwert von 2,6 V betrieben werden, und die maximale V_dd könnte im Hinblick auf die Flexibilität bis zu 4,5 V betragen. Das Programmieren des Vervielfachungsfaktors wird bei allen neuen Anzeigetreibern gefordert. Daher ist eine Architektur der Schalter erforderlich, welche niedrigere Eingangsspannungen ermöglicht. Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung in Bezug auf die niedrige V_dd-Spannung und gleichzeitig in Bezug auf den Effektivitätsverlust.
VERBESSERTE ARCHITEKTUR DER MITTLEREN SCHALTER
In 3 ist die neue Schalterarchitektur mit Bootstrap-Kondensator dargestellt. Es wurden eine Gate-Umschaltsteuereinheit GSU und eine Pegelgeneratoreinheit LGU zusätzlich angeordnet. Diese sind im Vergleich zu MP1 und MP4 relativ klein und von der Größe her mit MP2 und MP3 vergleichbar.
Die GSU weist zwei Transistoren MN1 und MP5 auf. MN1 ist zwischen den Knoten switchb und switchbhv angeordnet, während MP5 zwischen swoffhv und switchbhv vorgesehen ist. Die LGU enthält zwei Transistoren MP6 und MN2, um das Signal pgatectrl zu erzeugen. Darüber hinaus weist die LGU einen Wechselrichter INV auf, um aus dem Signal switchb das Signal switch2 zu erzeugen.
Der Sinn ist, dass es möglich wäre, MP1 immer bei 0 V einzuschalten und in der anderen Phase immer bei einer Spannung > V_dd + |V_tp| auszuschalten.
Zum Einschalten von MP1 ist MN1 aktiv: switchb liegt auf 0 V, switch2 auf V_dd, somit ist MN1 eingeschaltet und zieht die Gates von MP1 und MP2 auf 0 V. Zum Ausschalten wird der Knoten switchb auf V_dd, switch2 auf 0 V gesetzt, somit ist MN1 ausgeschaltet, MN2 eingeschaltet, WANNE – swoffhv < |V_tp|, so dass MP6 ausgeschaltet ist. Hierdurch wird der Knoten pgatectrl auf 0 V gezogen, wodurch MP5 eingeschaltet wird. Folglich wird der Knoten switchbhv von switchb getrennt und mit swoffhv zusammengeschaltet. Wie zuvor wird, wenn MP1 ausgeschaltet ist, swoffhv anfänglich mit 2 V_dd geladen und fällt auf Grund der Last bis auf V_dd + |V_tp| ab.
In der nächsten Phase wird der Knoten switchb zum Einschalten auf 0 gesetzt. Hierdurch wird MN2 in den AUS-Zustand versetzt. Die Spannung an Knoten AUS ist niedriger als |V_tp|. Der Knoten swoffhv liegt nun auf |V_tp| und switch2 auf V_dd. MN1 wird daher in den EIN-Zustand versetzt, und switchbhv wird schnell auf 0 V gesetzt. MP5 ist bis zu einem gewissen Grad noch immer geöffnet: swoffhv = |V_tp|, pgatectrl wird nicht mehr auf 0 V gezogen, sondern liegt auf freiem Potential (WANNE = EIN, da MP2 im EIN-Zustand ist). MP6 ist in schwacher Inversion, geringfügig leitend. Er steuert pgatectrl zu Beginn zu WANNE = EIN = V_dd hin. Gleichzeitig wird C_B durch MP5 zu 0 V hin entladen, ist dabei noch immer eingeschaltet. Durch diese Entladung und da swoffhv anfänglich auf |V_tp| liegt, wird MP5 sehr schnell abgeschaltet, da pgatectrl nicht mehr auf 0 V gezogen wird, und von diesem Zeitpunkt an verliert C_B keine Ladung mehr. Auf diese Weise wird das Problem gelöst, und der Schalter arbeitet theoretisch, bis V_dd = Eins |V_tp|.
Wird der neue Schalter nicht als erste, aktive Stufe, sondern als mittlere Stufe, d.h. als zweite Stufe, verwendet, liegt die EIN-Spannung zwischen 2V_dd und |V_tp| (aus den gleichen Überlegungen wie zuvor); ist der Schalter im EIN-Zustand, liegt WANNE auf 2V_dd, swoffhv auf V_dd + |V_tp| und wird durch MP5 entladen, bis WANNE – |V_tp| erreicht ist (s. MP6, welcher in den EIN-Zustand versetzt wird), somit von V_dd + |V_tp| bis 2V_dd – |V_tp|. Die Höhe des Ladungsverlusts bei C_B (diese Ladung wird CS in der anderen Phase entnommen) pro Zyklus liegt dann bei C_B·(V_dd + |V_tp| – 2V_dd + |V_tp|) = C_B·(2|V_tp| – V_dd) Wenn V_dd > 2|Vtp|, geht keine Ladung verloren, so dass die Effizienz nicht beeinträchtigt wird.
Eine Anwendung zum Niederspannungsbetrieb eines Spannungsvervielfachers oder eines Ladungspumpenbauelements für chipintegrierte Stufenkondensatoren ist in 4 dargestellt. Die Ladungspumpe CP stellte einen sehr wichtigen Teil jedes ICs mit LCD-Treiber (DD) dar, da die vorhandene Versorgungsspannung V_dd immer niedriger als die für eine gute optische Leistung des LCD-Moduls DM erforderliche ist. Die Stromausbeute der Ladungspumpe CP bestimmt den geringen Stromverbrauch des gesamten LCD-Moduls DM. In 4 ist ein LCD-Modul DM mit einem Anzeigetreiber-(DD)-IC mit Chipmontage auf Glas dargestellt. Dem Ladungspumpenbauelement CP wird die Versorgungsspannung V_dd zugeführt. Darüber hinaus ist dieses mit einer nicht dargestellten Programmierschnittstelle PI verbunden. Durch Verwendung der Programmierschnittstelle PI kann ein Vervielfachungsfaktor MF gewählt werden, welcher kleiner als der maximal mögliche MF_max ist. Dieses wird durch Deaktivieren mehrerer Stufen S erreicht. Durch diese Lösung kann der MF in Abhängigkeit der Anwendung geändert werden, wobei die Ladungspumpe mit dem geänderten MF auf einen anderen MF ohne Einschränkungen umprogrammiert werden kann.
Die LCD-Module stellen wichtige Teile jedes Mobiltelefons und weiterer Handgeräte dar. Sie werden im großen Umfang hergestellt. Eine weitere Anwendung könnten Flash-Speicher sein, welche ebenfalls bei höheren Spannungen als der vorhandenen Versorgungsspannung betrieben werden müssen. Flash-Speicher werden zum Beispiel bei digitalen Standcameras als Speicherelement eingesetzt, wobei ebenfalls eine geringe Leistung und niedrige Spannung erforderlich sind.
Inschrift der Zeichnung
1

IN
EIN
OUT
AUS
C_buffer
C_Puffer

2

IN
EIN
OUT
AUS
WELL
WANNE
Bottom plate driver
Untere Platte Treiber

3

WELL
WANNE
Bottom plate driver
Untere Platte Treiber
IN
EIN
OUT
AUS
C_stage
C_Stufen
(alle anderen Bezeichnungen werden nicht übersetzt)

Claims

Ladungspumpenbauelement zur Erzeugung einer höheren Spannung als die Versorgungsspannung (V_dd), welches mindestens zwei Stufen (S), die in Reihe angeordnet sind, aufweist, wobei eine Stufe (S) einen Schalter (SW_n) und ein Ladungsspeicherelement (CS_n) vorsieht, wobei ein erforderlicher Vervielfachungsfaktor (MF) der Ladungspumpe (CP) durch Aktivieren/Deaktivieren einer definierbaren Anzahl Stufen (S) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (SW_n) in sämtlichen Stufen (S_n) auf die gleiche Weise angeordnet sind, ein Schalter (SW_n) einen ersten Transistorschalter (MP1) aufweist, welcher zwischen einem Eingang (EIN) und einem Ausgang (AUS) der Stufe (S) angeordnet ist, und ein Bootstrap-Kondensator (C_B) angeordnet ist, um die Ladung zur Steuerung des Gates des ersten Transistorschalters (MP1) zu speichern, wobei das Gate des ersten Transistorschalters (MP1) durch eine Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) gesteuert wird.
Ladungspumpenbauelement nach Anspruch 1, wobei zum Einstellen eines kleineren Vervielfachungsfaktors (MF) des Ladungspumpenbauelements als der maximal mögliche Vervielfachungsfaktor (MF_max) die an einem Eingang (IN) des Ladungspumpen-(CP)-Bauelements beginnenden Stufen (S) deaktiviert werden.
Ladungspumpenbauelement nach Anspruch 1 oder 2, welches weiterhin zwei Transistoren (MP2) und (MP3) zur Steuerung eines isolierten Bulks des Schalters (SW₁) sowie einen vierten Transistor MP4 zum Laden des Bootstrap-Kondensators (C_B) aufweist, wobei die Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) vorgesehen ist, um das Gate des ersten Transistorschalters (MP1) zu steuern.
Ladungspumpenbauelement nach Anspruch 3, wobei der erste Transistorschalter (MP1) vorzugsweise als Transistor mit isoliertem Bulk realisiert wird.
Ladungspumpenbauelement nach Anspruch 3, welches eine Pegelgeneratoreinheit (LGU) aufweist, um Steuersignale für die Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) abzugeben.
Ladungspumpenbauelement nach Anspruch 3, wobei die Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) vorgesehen ist, um das Gate des ersten Transistorschalters (MP1) mit dem Kondensator (C_B) zu verbinden oder von diesem zu trennen.
Ladungspumpenbauelement nach Anspruch 3, wobei die Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) angeordnet ist, um bei Spannungen unter V_dd dem Schalter (SW) der Stufe (S) Steuersignale zuzuführen.
Anzeigetreiber (DD), um Anzeigeinformationen und Spannungen einer Anzeigeeinheit (DU) zuzuführen, welcher ein Ladungspumpenbauelement (CP) mit mindestens zwei Stufen (S) aufweist, welche in Reihe angeordnet sind, um eine höhere Spannung als die Versorgungsspannung (V_dd) zu erzeugen, wobei eine Stufe einen Schalter (SW_n) und ein Ladungsspeicherelement (CS_n) vorsieht, wobei ein erforderlicher Vervielfachungsfaktor (MF) der Ladungspumpe durch Aktivieren/Deaktivieren einer definierbaren Anzahl Stufen (S) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (SW_n) in sämtlichen Stufen (S_n) auf die gleiche Weise angeordnet sind, ein Schalter (SW_n) einen ersten Transistorschalter (MP1) aufweist, welcher zwischen einem Eingang (EIN) und einem Ausgang (AUS) der Stufe (S) angeordnet ist, und ein Bootstrap-Kondensator (C_B) vorgesehen ist, um die Ladung zur Steuerung des Gates des ersten Transistorschalters (MP1) zu speichern, wobei das Gate des ersten Transistorschalters (MP1) durch eine Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) gesteuert wird.
Anzeigemodul (DM) mit einer Anzeigeeinheit (DU) und einem Anzeigetreiber (DD), welcher ein Ladungspumpenbauelement (CP) aufweist, um eine höhere Spannung als eine Versorgungsspannung (V_dd) zu erzeugen, welches mindestens zwei Stufen (S) aufweist, welche in Reihe angeordnet sind, wobei eine Stufe einen Schalter (SW_n) und ein Ladungsspeicherelement (CS_n) vorsieht, wobei ein erforderlicher Vervielfachungsfaktor (MF) der Ladungspumpe durch Aktivieren/Deaktivieren einer definierbaren Anzahl Stufen (S) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (SW_n) in sämtlichen Stufen (S_n) auf die gleiche Weise angeordnet sind, ein Schalter (SW_n) einen ersten Transistorschalter (MP1) aufweist, welcher zwischen einem Eingang (EIN) und einem Ausgang (AUS) der Stufe (S) angeordnet ist, und ein Bootstrap-Kondensator (C_B) vorgesehen ist, um die Ladung zur Steuerung des Gates des ersten Transistorschalters (MP1) zu speichern, wobei das Gate des ersten Transistorschalters (MP1) durch eine Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) gesteuert wird.
Telekommunikationsterminal mit einer Anzeigeeinheit (DU) und einem Anzeigetreiber (DD) mit einem Ladungspumpen-(CP)-Bauelement, um eine höhere Spannung als eine Versorgungsspannung (V_dd) zu erzeugen, welches mindestens zwei Stufen (S) aufweist, welche in Reihe angeordnet sind, wobei eine Stufe einen Schalter (SW_n) und ein Ladungsspeicherelement (CS_n) vorsieht, wobei ein erforderlicher Vervielfachungsfaktor (MF) der Ladungspumpe durch Aktivieren/Deaktivieren einer definierbaren Anzahl Stufen (S) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (SW_n) in sämtlichen Stufen (S_n) auf die gleiche Weise angeordnet sind, ein Schalter (SW_n) einen ersten Transistorschalter (MP1) aufweist, welcher zwischen einem Eingang (EIN) und einem Ausgang (AUS) der Stufe (S) angeordnet ist, und ein Bootstrap-Kondensator (C_B) vorgesehen ist, um die Ladung zur Steuerung des Gates des ersten Transistorschalters (MP1) zu speichern, wobei das Gate des ersten Transistorschalters (MP1) durch eine Gate-Umschaltsteuereinheit (GSU) gesteuert wird.