KR100289452B1 - 통합된 lcd 제어 모듈과 스위칭 커패시터 드라이버 회로를 갖는 마이크로컨트롤러 칩 - Google Patents

통합된 lcd 제어 모듈과 스위칭 커패시터 드라이버 회로를 갖는 마이크로컨트롤러 칩 Download PDF

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제임스 비. 놀란
스코트 엘리슨
브라이언 보리스
로드니 드랙
러셀 이. 쿠퍼
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씨. 필립 채프맨
마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

마이크로컨트롤러(50) 칩(51)은 다수의 개별 전압을 발생시키는 스위칭-커패시터(83)를 가진 충전 펌프를 포함한다. 스위칭-커패시터(83) 충전회로는 커패시터로부터 개별적으로 보상가능한 연속적인 충전을 발생시키기 위하여 커패시터를 충전한다. LCD 드라이버(173)는 마이크로컨트롤러(50)의 제어하에서 외부 시스템의 상태에 따라 LCD(10)를 활동화하기 위하여 개별 동작전압 레벨을 선택적으로 전송한다.

Description

[발명의 명칭]
통합된 LCD 제어 모듈과 스위칭 커패시터 드라이버 회로를 갖는 마이크로컨트롤러 칩
[배경기술]
본 발명은 일반적으로 외부 시스템 또는 서브시스템에 제어기능을 제공하기에 적합하며 일반적으로 마이크로컨트롤러로 언급되는 마이크로프로세서에 관한 것이며, 특히 디스플레이 그 자체와 다른 주변기기를 필요로 하지 않고 액정 디스플레이(LCD) 드라이버 기능을 제공할 수 있는 마이크로컨트롤러에 관한 것이다.
LCD는 일반적으로 한쌍의 유리 플레이트를 포함하여, 이 한쌍의 유리 플레이트 사이에는 액정물질이 삽입되며, 액정은 플레이트상의 투명한 전기도전 재료사이에 배열된 전기장에 따라 그것의 결정형 구조의 방향이 변화하고 광이 액정을 통해 각 화소의 선택적인 음영을 통과하면 음영 화소가 눈에 보이도록 하는 특성을 가진다. 종래의 패널(10)을 기술하는 도 1에 도시된 것과 같은 전형적인 LCD는 통상적으로 형성된 다수의 잠재적인 영숫자(12)를 사용한다. 각각의 문자는, 비록 디스플레이될 특정 영숫자가 필기식으로 또는 상세하게 재생되어야 하는 곳일지라도, 다수의 개별 선모양, 전형적으로 도 1에 도시된 7단위로 이루어진 ";8";자의 형태를 가진다. 7단위 화소 문자에서, 부호 17, 18 및 19와 같은 3개의 수평 화소는 등간격으로 떨어져 수직으로 정렬되어 있으며, 두 개의 수직 정렬 화소(21, 22)(및 23, 24)는 수평화소의 어레이의 각 끝에 위치하며, 상기 수평화소(17, 18, 19)는 상기 수직화소(21, 22)(및 23, 24) 사이의 각 공간을 경계 짓는다.
화소는 인쇄회로 형태의 전기 도체의 디지털 방식으로 인코딩된 어레이(도 1에 도시 안됨)에 공급된 파형에 의해 통상적으로 구동되며, LCD의 상부측면상의 각각의 도체는 ";세그먼트";에 접속되며 LCD의 하부측면상의 각각의 도체는 ";공통부";에 접속된다. 따라서, 특정 디지털 코드(예를들어, 2진 코드)가 다양한 도체에 전기에너지의 형태로 공급될 때, 특정 영숫자는 플레이트를 통해 발산하는 광의 소스가 존재하는 경우에 LCD상에 디스플레이된다. ";세그먼트";는 전형적으로 반도체 회로칩(도 1에 도시안됨)상에 주변장치의 부분으로써 제공되는 드라이버에 의해 전기적으로 여기된다. ";공통부";은 각 화소에 걸리는 RMS 전압이 임계값 이상(화소 다크(pixel dark)) 또는 임계값 이하(화소 클리어(pixel clear))중 하나 이도록 반도체 회로칩에 의해 구동된다. 임의의 주어진 LCD에 있어서, ";세그먼트";의 수와 ";공통부";의 곱은 디스플레이에서 화소의 수와 동일하다.
LCD는 가정 보안 시스템, 산업 제어 온도조절기, 가정 온도 조절기, 혈압 미터, 혈액 포도당 미터, AC 전력 미터, 장난감, 음성 기록기, 마이크로파 오븐 및 탄소 일산화물 검출기 등을 포함하는 폭 넓은 응용분야에서 사용된다. 이러한 응용분야 그리고 LCD가 사용되는 시스템을 제어하기 위하여 하나 이상의 마이크로컨트롤러가 사용되는 응용분야에서 LCD의 사용은 공지되어 있다. 그러나, 디스플레이(다수의 화소를 포함할 수 있는)는 그 자체의 전원 및 제어 장치에 의해 동작 및 제어되는 반면에, 디스플레이가 사용되는 시스템은 마이크로컨트롤러에 의해 개별적으로 제어된다. 개별 제어장치의 요구는 비용, 복잡성 및 시스템의 전체 제어부분의 크기 측면에서 단점을 가진다.
문제의 본질은 구내의 난방장치, 환기구멍 및 공기 조화(HVAC) 시스템에서 실행되는 제어에 의해 구내의 공기온도를 제어하기 위하여 사용되는 온도 조절기의 비교적 단순한 실시예를 참조로 하면 더 상세히 이해될 수 있다. 서미스터는 구내의 공기온도를 나타내는 아날로그 입력을 제공한다. LCD 디스플레이는 온도의 시각적 표시를 제공하며, 키패드를 사용한 사용자의 적절한 선택에 의해 지정된 설정점 또는 설정 온도를 디스플레이한다. 사용자가 디스플레이를 변화시키기 위하여, 이를테면 다른 출력을 메모리에 기록하기 위하여, 즉 마이크로컨트롤러가 시스템에서 열 펌프를 턴온시킬 수 있는 온도 조절기 출력에 대한 선택 전압을 메모리에 기록하기 위하여, 마이크로컨트롤러에 의해 사용되는 기준으로써 임의의 키패드 정보를 입력할 수 있도록 하는 키패드 인터페이스에 의해 인터럽트가 제공된다.
모든 기능 또는 제어기능의 적어도 한 부분을 단일 제품, 즉 마이크로컨트롤러 칩 그 자체에 통합하는 것은 바람직하다. 그러나, 이러한 목표는 결코 쉬운 일이 아니다. LCD 디스플레이는 마이크로컨트롤러 보다 상당히 느린 속도로 동작한다. 또한, 마이크로컨트롤러 제어 기능의 타이밍은 LCD 제어 기능의 타이밍과 다르다. 다른 문제는 마이크로컨트롤러는 전력을 보존하기 위하여 ";활동중지(sleep)"; 모드 또는 활동중지 상태에 있을 수 있는 능력을 가지는 반면에 LCD 디스플레이는 계속해서 동작을 해야 한다는 점이다.
마이크로컨트롤러에 의해 제어될 시스템과 관련하여 사용되는 LCD 디스플레이를 제어하는 기존 시스템은 클럭 펄스가 마이크로컨트롤러 그 자체 의해 공급되지 않고 마이크로컨트롤러가 활동중지 상태에 있을 때 디스플레이의 타이밍 및 갱신을 제어하기 위하여 클럭 펄스원을 필요로 한다. 비록 마이크로컨트롤러 장치 패키지가 전형적으로 외부 입력단자를 위해 이용가능한 핀을 가질지라도, 장치 사용자는 다른 본질적인 목적을 위해 핀의 사용을 원치 않을 수 있다. LCD가 동작을 유지하기 위하여, 타이밍 모듈은 LCD 디스플레이를 구동하는 논리 섹션에 클럭 신호를 공급해야 한다. 전형적인 기존 응용에 있어서, 현재 이용가능한 마이크로컨트롤러는 활동중지상태에 있을 때 임의의 클럭 기능을 제공할 수 있다.
만일 LCD 디스플레이가 동작상태를 유지해야 하는 것을 장치 사용자가 요구한다면, 마이크로컨트롤러의 외부 핀에 외부 클럭을 공급함으로써 LCD 제어를 위해 이용가능한 외부 클럭신호를 만들 수 있는 개별 장치를 사용하는 것은 사용자를 위해 필요하다. 이것은 선택된 핀(한정된 수의 핀만이 이용가능하며, 통상적인 장치에서는 단지 하나 또는 두 개의 핀만이 이용가능하다)이 다른 목적을 위해 이용될 수 없다는 것을 의미한다. 그리고, 다른 목적은 비상사태시 훨씬 더 본질적일 수 있다.
두 형태의 파형은 이하에서 더 상세히 기술되는 것처럼 LCD 디스플레이를 구동시키기 위하여 다양하게 사용된다. 타입 A 파형은 단일 프레임에 제로(zero)의 DC값을 형성하기 위하여 모든 데이터가 단일 프레임에 포함되고 상보 형태로 어셈블리되는 고전압 및 저전압과 같은 비제로 ";공통부"; 및 ";세그먼트"; 파형을 발생시킨다. 유리 플레이트가 제로의 평균 DC값으로 유지되는 것은 본질적이다. 이는 비제로 DC 전압이 임의의 지속기간동안 공급되는 경우에 유리 플레이트가 파괴될 수 있기 때문이다. 타입 B 파형은 모든 데이터가 두 프레임에 포함되는데 실제 데이터가 제1프레임에 어셈블리되며 동일한 데이터가 반전형식으로 제2프레임에 어셈블리되는 ";공통"; 및 ";세그먼트"; 파형을 발생시켜서, 제로의 평균 DC 값은 데이터의 전체 두 프레임 이상 타입 B 파형을 위해 유지된다.
일반적으로, 타입 A 파형은 단술한 LCD 디스플레이를 위해 사용되며, 타입 B 파형은 향상된 뷰 각도(viewing angle)를 발생시키는 타입 B에 대한 양호한 식별 비율 때문에 더 복잡한 LCD 및 높은 MUX 속도 디스플레이를 위해 이용된다. LCD 화소를 턴온시키기 위하여, 파형중 어느 하나의 RMS 전압은 유리 플레이트의 임계전압(또는 더 정확하게 전기 도전 화소를 구성하는 용량성 엘리먼트의 임계전압)을 초과해야 하며, LCD 화소를 차단시키기 위하여, RMS 전압값은 임계 전압 이하이어야한다. 디스플레이의 콘트라스트는 유리 플레이트의 임계전압 이상 RMS 전압을 증가시킴으로써 제한된 범위로 증가된다. 중요한 문제는 파형 전압이 마이크로컨트롤러로부터 LCD를 효율적으로 구동시키기 위하여 발생되는 방식에서 발생한다.
타입 A 파형이 랜덤 액세스 메모리(RAM)로부터 판독된 데이터를 제로 DC 값의 단일 프레임으로 공급하기 때문에, RAM은 임의의 시간에 판독되거나 기록될 수 있다. 대조적으로, 타입 B의 경우에는 제로 DC값이 두 개의 프레임으로 달성되기 때문에 전체 기간, 즉 두 개의 프레임 또는 파형의 사이클동안 RAM에서 데이터를 보존하는 것이 필요하다. 제2프레임이 완료되기 전 RAM에서의 데이터의 변화는 제1프레임의 데이터의 역 데이터를 포함하지 않는 제2프레임 및 결과적인 비제로 DC값을 발생시킬 수 있다.
LCD 제어를 위한 프레임 속도는 60 내지 100헤르츠(Hz)로 매우 느린 반면에, 마이크로컨트롤러는 1메가헤르츠(MHZ) 이상의 속도에서 동작한다. 고속실행 마이크로컨트롤러에서는 데이터가 매우 빠르게 변화될 수 있기 때문에 단순히 타입 B 파형으로 제로의 DC 값을 유지하는 것이 곤란하다. 따라서, LCD 유리 플레이트 그자체의 신뢰성 및 물리적인 불안정성은 마이크로컨트롤러에 통합된 제어 기능으로부터 LCD 디스플레이를 동작시킬 때 문제를 나타낸다.
또 다른 실질적인 문제점은 통합된 LCD 기능 마이크로컨트롤러가 검사될 수 있는 방식에서 나타난다. 매우 느린 속도의 LCD 디스플레이는 마이크로컨트롤러가 동작속도에 적합한 방식에서 검사될 수 있도록 하며 검사 시간 또는 검사비용이 많이드는 검사 방법을 적용할 때 심각한 문제를 발생시킨다. 더욱이, LCD를 위해 수용될 아날로그 전압 및 기능은 디지털 검사기 또는 디지털 시뮬레이션을 사용하여 마이크로컨트롤러의 검사를 수행하기를 원하는 것과 상충된다.
다른 일련의 문제는 마이크로컨트롤러가 제조되는 반도체 기관이 N-형보다 오히려 P-형일 때 부딪친다. P-형 기판의 도전성은 양의 전압으로 동작시키는 것을 필요로 하여, LCD 디스플레이의 여러 기능 및 그것의 제어를 동작시키기 위하여 양의 전압이 공급되어야 한다.
본 발명의 주요 목적은 마이크로컨트롤러의 시스템 제어 기능과 LCD기능을 효율적 및 경제적으로 통합한 마이크로컨트롤러 장치를 제공하는데 있다. 특히, 본 발명의 목적은 아날로그 전압(또는 다른 파형)을 수신 및 전송하는 아날로그 인터페이스, LCD 디스플레이를 갱신하는 LCD 인터페이스 및 제어동작을 수행하는 마이크로컨트롤러 및 시퀀서를 한 부분, 즉 한 제품으로 통합하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로컨트롤러 칩 그 자체내에 마이크로컨트롤러 제어 시스템의 LCD를 제어하는 능력의 적어도 일부분을 통합하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 마이크로컨트롤러로부터 LCD를 구동시키기 위하여 파형 전압을 발생시키는 효율적인 기술을 제공하는데 있다.
[발명의 요약]
본 발명에 따르면, 1x전압, 2x전압 및 3x전압 등의 스텝으로 이루어진 다중 개별 전압 레벨은 마이크로컨트롤러와 함께 온-칩으로 제조된 LCD 모듈로부터 LCD 공통부 및 세그먼트에 대한 핀을 구동시키기 위하여 사용되며, 상기 LCD는 마이크로컨트롤러에 의해 제어되는 외부 시스템과 관련하여 동작한다. 개별 전압은 마이크로컨트롤러에 대한 공급전압으로부터 유도된 다중 베이스 전압으로써 발생되며, 바람직한 실시예는 스위칭-커패시터 충전하는 충전 펌프를 사용한다. 마이크로컨트롤러 또는 중앙처리장치(CPU)는 LCD 드라이버 및 관련된 아날로그 기능을 제어하기 위하여 LCD 모듈과 상호작용한다. 다른 실시예는 사다리형 저항회로를 사용하나, 시스템에서 요구된 고전압을 초과하는 출력 레벨 전원을 필요로 한다.
스위칭-커패시터 충전동안 발생하는 전압 손실은 감쇠없이 다중 개별 전압 레벨을 유지하기 위하여 보상된다. 부분적으로, 보상은 예상된 전압 손실과 동일한 양만큼 커패시터를 과충전함으로써 달성된다. 추가 충전은 마이크로컨트롤러 공급전압으로부터 유도되며, 액티브 피드백은 커패시터상의 충전을 감시하기 위하여 사용된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
도1은 디스플레이의 여러 부분을 설명하기에 유용한 종래의 LCD 디스플레이의 기능을 나타낸 단순화된 도면.
도2는 LCD 디스플레이가 사용되는 시스템에 대한 마이크로컨트롤러와 온-칩으로 제조될 LCD 모듈의 블록도.
도3A 및 도3B는 타입 A 및 타입 B LCD 드라이버 파형의 예를 나타낸 도면.
도4A 및 도4B는 마이크로컨트롤러 칩에 통합된 도2의 LCD 모듈을 가진 마이크로컨트롤러의 단순화된 블록도.
도5A 및 도5B는 전원(배터리) VDD에 의해 결정된 다중 소정 베이스 전압으로 LCD 디스플레이를 위해 요구된 여러 전압레벨을 공급하기 위하여 요구된 스위칭된 커패시터 구조를 사용하는 충전 펌프의 바람직한 실시예의 개략도와 선택적인 저항 사다리형 구조의 개략도.
도6은 도5A의 스위칭 커패시터 충전 펌프에서 발생하는 에너지 손실을 보상하는 피드백 및 커패시터 과충전 회로의 개략도.
도7은 마이크로컨트롤러와 함께 온-칩으로 제조된 LCD에 내부 RC 발진기를 결합하고, 마이크로컨트롤러가 활동중지상태에 있는 기간동안 발진기가 액정 디스플레이에 내부 클럭을 제공하는 단순화된 블럭도.
도8은 도7의 회로에 도시된 전형적인 내부 RC 발진기의 개략도.
도9, 도10A 및 도10B는 단순화된 이중 포트 RAM이 다수의 마스터와 단일 슬레이브가 공유되도록 하는 기술에 사용된 회로의 블록도 및 개략도.
도11은 LCD 디스플레이를 구동시키기 위하여 타입 B 파형을 사용하여 RAM의 갱신을 제어하는데 사용되는 회로의 블록도.
도12는 비교적 느린 속도의 LCD 및 LCD 제어 모듈을 고속으로 검사하기 위한 바람직한 방식을 기술한 단순화된 블록도.
[실시예]
도2를 참조하면, LCD 모듈(30)은 종래 상보형 금속-산화물-실리콘(COMS), 폴리실리콘 게이트 공정기술을 사용하여 마이크로컨트롤러(이하에 더 상세히 기술됨)가 제조되는 반도체(전형적으로, 실리콘) 칩(도시안됨)에 통합된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 마이크로컨트롤러 및 LCD 모듈은 P-형 도전성 실리콘 기판에 제조되며, 이 요소는 본 발명의 특징에서 중요하나 전부 그런 것은 아니다.
LCD 모듈(30)은 선택 및 분할 능력을 가진 클럭 소스(32)를 포함하며, 이 클럭 소스(32)는 LCD 모듈의 동작을 제어하는 타이밍 제어부(35)와 상호작용한다. 타이밍 제어부(35)는 3개의 클럭 입력, 즉 내부 RC 발진기로부터의 입력, 입력 T1CKI 및 입력 Fosc/4중 하나를 선택하고 이 클럭입력을 분할할지를 선택하도록 클럭 소스를 제어한다. 타이밍 제어부는 I/O 패드 제어회로에 대한 데이터를 신호 세그먼트<31:0>로 갱신할 때를 랜덤 액세스 메모리(RAM)(37)에 지시하며, 패드 제어회로에 신호 1cdc1k, 1cdph 및 COM3:COM0를 공급한다. 패드는 실리콘 칩의 출력으로 언급되며, 실리콘 칩의 출력은 LCD 유리 플레이트의 입력이 된다.
LCD의 각 영숫자의 세그먼트는 RAM(37)에 기록되고 이 RAM(37)으로부터 판독되는 디지털 방식으로 인코딩된 값에 의해 분할되어 패드에 전송된다. 디지털 값은 타이밍 제어부(35)로부터의 제어신호와 충전 펌프 또는 다른 소스에 의해 제공되는 아날로그 전압 값을 사용하는 패드 제어회로에 의해 아날로그 파형으로 변환된다.
발생된 파형은 도 3A의 예로 기술된 타입 A 또는 도 3B에 도시된 타입 B중 하나이다. 도 3A를 참조하면, 타입 A파형은 모든 데이터가 고 및 저전압을 가진 상보형 어셈블리의 단일 프레임에 포함되고 전체 프레임 전반에 걸쳐 제로의 평균 DC 값으로 유지되는 공통부 및 세그먼트 파형을 기술한다. 도면에서, LCD 및 그것의 화소에 대한 단자 접속은 도면의 좌측에 도시되며, 1/4 다중구동펄스로 발생되는 우측에 도시된 파형에 의한 각 화소의 음영부분은 각 단자접속에 제공된다. 화소는 때때로 세그먼트로 언급될지라도 영숫자 디스플레이의 개별 수평 및 수직 바(bar)이며, 구동될 수 있는 화소의 수는 디스플레이에서 공통부의 수와 세그먼트의 수의 곱이다.
도 3A에 도시된 바와같이, 각각의 공통부는 많은 화소에 접속될 수 있다. 유사하게, 각각의 세그먼트는 많은 화소에 접속될 수 있다. 예를들어, 상부 디스플레이에서, 공통부 3 (COM)은 최상부 수평화소 및 상부 좌측 수직화소에 접속되며, COM2는 상부 우측 수직 및 중간 수평 화소에 접속되며, COM1은 하부 좌측 및 우측 수직 화소에 접속되며, COM0은 점(소수점) 및 최하부 수평 화소에 접속된다. 하부 디스플레이(편리하고 명확하게 설명하기 위하여 분리하였으나 사실상 상부 디스플레이와 동일함)에 있어서, 세그먼트 0(SEG0)은 하부 및 중간 수평 화소 뿐만아니라 상부 및 하부 좌측 수직 화소에 접속되며, SEG1은 점, 상부 및 하부 우측 수직 화소 및 상부 수평 화소에 접속된다.
지금, 도3A의 우측을 살펴보면, 여러 핀 및 단자 접속부에서 나타나는 파형은 도면의 첫 번째 6개(상부에서 하부까지 6개) 부분에 도시된다. 그러므로, 핀 COM0에서의 상부 파형에 대해 파형의 최대 진폭(3V)은 다중 구동펄스의 1번째 1/4에서 나타나며, COM3에서의 파형에 대해 최대 진폭은 마지막 1/4에서 나타난다. SEG0로 표시된 파형은 다중 구동펄스의 각 3번째 및 4번째 1/4에서 최대 진폭을 가진다. 공통부가 ";가동상태";(즉, 큰 RMS 값)일 때, 공통부와 연관된 모든 화소는 가동상태이다. 따라서, COM3가 가동상태인 경우에, 상부 좌측 수직 화소는 가동상태에 있다. 그리고, 그 화소는 COM3 및 SEG0의 교점에 놓인다. COM3-SEG0으로써 연속적으로 도시된 두 개의 파형의 결합은 프레임동안 임의의 점(마지막 1/4)에서 최대 값을 가져서, 그들의 교점에 있는 화소는 프레임 전반에 걸쳐 발광된다(즉, 음영된다). 다른 한편으로, 도면의 우측에서 마지막(하부) 파형으로 도시된 COM0 및 SEG0에 대한 파형의 결합은 프레임동안 임의의 시간에 최대값(3V의 진폭)을 가지지 않아서, 하부 수평 화소는 공통부 및 세그먼트가 프레임 전반에 걸쳐 발광되지 않는(즉, 연하게 표시됨) 교점에 놓인다. 도면에서, ";선택"; 및 ";비선택"; 파형의 기준은 단순히 발광 및 비발광을 각각 의미한다.
모든 데이터가 두 개의 프레임 또는 사이클에서 발생되는 1/4 듀티 사이클 구동펄스가 사용되는 것을 제외하고, 도3B에 도시된 디스플레이 및 타입 B 파형에 대해 동일한 해석이 적용된다. 여기서 다시, LCD 및 단자 접속부는 도면의 좌측에 도시되며, 파형에 의해 발생하는 화소의 음영부분은 우측에 도시되며, 단자 접속부는 좌측에 도시된다. 예를들어, 핀 COM0에서의 상부 파형을 살펴보면, 파형의 프레임 1은 두 개의 제1 수직 점선사이에 표시되며 프레임 2는 제2 및 제3 수직점선 사이에 표시되며, 프레임 2의 데이터는 프레임 1에 어셈블리된 실제 데이터의 역인 것은 명백하다. 전술한 바와같이, 이것은 두 개의 프레임 전반에 걸쳐 제로의 평균 DC 전압값을 보증한다.
본 발명에서, 타입 A 파형은 모든 시간(어느 한 타입은 항상 다른 타입과 배타적으로 사용된다)에 사용된다. 전술한 것처럼, LCD 화소는 유리 플레이트의 임계 전압을 초과하는 RMS 전압을 인가함으로써 턴온된다(즉, 음영된다). RMS 전압이 임계 전압 이하로 떨어질 때, 화소는 턴오프된다. 그러나, 만일 타입 B 파형이 사용된다면, 연속하는 두 개의 프레임 증분에서 발생하는 변화는 RAM의 메모리 위치에 기록되며 이 메모리 위치로부터 판독된다. 그리고, 데이터의 두 프레임이 타입 B 파형에 대한 DC 전압의 제로 평균을 달성하기 위하여 요구되기 때문에, 데이터는 두 프레임의 전체 기간동안 RAM에 유지된다. 도 11를 참조로 하여 이하에서 설명되는 것처럼, 타입 B 파형이 사용되는 RAM에서 데이터의 갱신 타이밍은 제2프레임이 완료되기 전 RAM에서의 데이터의 변화가 제1프레임의 데이터의 역인 데이터를 포함하지 않는 제2프레임과 결과적인 비제로 DC 전압값을 발생시키기 때문에 주의깊게 제어된다. LCD 유리 플레이트를 파손시킬 수 있는 고전위는 허용되지 않는다.
도 2의 LCD 모듈(30)은 4개의 공통부 및 32개의 세그먼트를 지원할 수 있다. LCD 유리상의 각 화소는 두 개의 접속부를 가지며, 이 접속부중 하나는 공통부에 접속되며 다른 하나는 세그먼트에 접속된다. 따라서, 각각의 공통부는 세그먼트와 같은 많은 단일 화소에만 접속된다.
임의의 주어진 LCD 드라이버에 있어서, 비록 구동될 수 있는 이론적인 최대수의 화소가 LCD에서 공통부의 수와 세그먼트의 수의 곱과 동일할지라도, 구동가능한 실제 최대수의 화소는 아날로그 전압 발생기상에 로딩되기 때문에 이론적인 최대 수보다 작을 수 있다. 타이밍 제어부(35)는 공통부가 임의의 주어진 시간에 가동상태에 있는 것을 나타내는 디지털 신호를 발생시키며, RAM(37)에서의 세그먼트 데이터가 패드 제어회로에서 갱신될 때 클럭 소스(32)와 함께 제어한다.
도4A 및 도4B는 일부 중요한 기능을 기술하며, LCD 모듈 및 내부 RC 발진기와 같은 다른 소자와의 상호관계를 포함하는 마이크로컨트롤러의 단순화된 블록도이다. 마이크로컨트롤러(50)는 도 2의 LCD 모듈(30)이 집적되는 실리콘 칩(51)상에 제조된다. 마이크로컨트롤러는 장치에 대한 사용자의 편리를 위한 아날로그 인터페이스와, 디스플레이를 주기적으로(필요에 따라 간헐적으로) 갱신하고 아날로그 응용을 제공하기 위한 LCD 인터페이스를 가진다. 마이크로컨트롤러 명령 순서와 함께 이들 기능은 장치가 단일 장치 패키지내의 모든 단일 또는 다중-칩 장치에서 제어기능 및 제어동작을 수행할 수 있도록 한다. 모든 제어 기능은 마이크로컨트롤러 구조 및 동작의 통합 부분이다.
LCD를 타입 A 또는 타입 B로 분할하는 것은 LCD 유리와 등가인 용량성 회로에 걸리는 RMS 전압을 구동시키는 반면에 유리의 파손을 막기 위하여 디스플레이에 걸리는 제로 전압의 평균값의 DC 레벨을 구동시키는 구조화 기술을 사용하여 약간 복잡하다. 모든 파형은 LCD 모듈(30)을 포함하는 디지털 섹션으로부터 발생되며, 제어 기능을 위해 요구된 아날로그 레벨은 마이크로컨트롤러의 내부 또는 외부에 있는 전압발생 회로로부터 제공된다.
마이크로컨트롤러 코어 또는 중앙처리장치(CPU)는 LCD 드라이버의 타이밍 및 아날로그 기능을 제어하기 위하여 LCD 모듈의 논리부분과 통신한다. 충전 펌프 또는 사다리형 저항회로의 전압 발생기는 LCD 공통부 및 세그먼트에 대한 핀을 구동시키기 위하여 요구된 전압을 발생시킨다. LCD 응용에 있어서, 개별 전압레벨은 예를들어 1x 전압, 2x 전압 및 3x 전압의 개별 스텝으로 만들어져야 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 충전 펌프의 동작범위는 기준 전압에 비해 1.0V 내지 2.3V이며 공급되기 위해 요구된 3개의 출력전압에 대해 두배 및 3배이다. 실제적으로, 4개의 전압이 요구되나, 개별 레벨중 하나는 접지된다. 이것은 단지 하나의 전압 레벨만이 필요하나 여러 스테이지가 고 전압레벨을 달성하기 위하여 소정의 저전압 레벨(전형적으로 배터리)을 ";펌핑";하는데 요구되는 전형적인 충전 펌프와 다르다.
도 5A의 개략도를 지금 참조하면, LCD 디스플레이를 위해 필요한 여러 개별 전압레벨은 다중 소정 베이스 전압 VLCD1으로 충전 펌프(75)에 의해 발생되며, 소정 베이스 전압 VLCD1의 진폭 및 범위는 전원배터리 VDD에 의해 결정된다. 이것은 접지 레벨 VSS에 설정된 제4레벨 VLCD0을 배제한다. 베이스 레벨 전압 VLCD1은 전류원(77)의 탭으로부터 취해지며, 이 전류원(77)은 한 측면이 전류원 VDD에 접속되며 다른 측면이 조절가능한 저항(전위차계)(78)에 접속된다. 전위차계는 칩(51)의 외부에 있으며, 이 칩(51)은 도면에서 점선으로 표시되어 있다. 이 출력(VLCDADJ)상의 전압은 단위 이득 증폭기(100)에 의해 베이스 전압 VLCD1에 공급된다.
충전 펌프(75)의 바람직한 전압 레벨은 커패시터(83, 101, 102, 103)와 함께 스위치 매트릭스(80) 및 제어 논리회로(81)(이후 상태장치라 함)를 사용하는 스위칭 커패시터 기술을 사용하여 달성된다. 제1 가동상태 클럭시, 스위치(80-C)는 핀(C1) 및 (C2)사이에 접속된 커패시터(83)가 전압 레벨 VLCD1(통상, 2V)로 충전되도록 제어 논리회로(81)에 의해 접속된다. 제2클럭시, 스위치(80-C)는 개방되고 스위치(80-2)는 접속되어, 커패시터(83)가 VLCD1과 직렬로 그리고 VLCD2와 병렬로 접속되도록 한다. 따라서, 커패시터(83)상의 충전은 커패시터(102)상으로 펌핑될 것이다. 그래서, 커패시터(102)상의 유효 전압 VLCD2는 결국 2x VLCD1(통상, 4V)가 된다. 제3클럭시, 스위치(80-2)는 개방되고 스위치(80-C)는 다시 접속되어, 커패시터(83)가 전압 VLCD1까지 재충전된다. 제4클럭시, 스위치(80-C)는 개방되고 스위치(80-3)는 접속되어, 커패시터(83)는 VLCD2와 직렬로 그리고 VLCD3와 병렬로 접속된다. 따라서, 커패시터(83)상의 전하는 커패시터(101)상으로 펌핑되며, 전압 VLCD3는 결국 3x VLCD1(통상, 6V)이 된다.
이 충전 펌프 구조 및 방법은 마이크로컨트롤러 및 LCD 모듈에 대해 P-형 기판의 사용을 고려하며, 음 전압이 발생될 수 없다는 것을 알려주며, 접지에 대한 양 전압이 회로부분의 동작전압(VDD)을 초과하는 레벨 또는 레벨들로 취해지도록 한다. LCD 디스플레이 응용에 관한 한, LCD 유리에 대해 흥미있는 점은 RMS 값이 발생된다는 점이다(타입 A 파형의 1 프레임의 과정 또는 타입 B 파형의 2 프레임의 과정 동안, 제로의 DC 값을 가진다). 전압이 양 또는 음인지는 중요하지 않다.
장치 사용자는 칩상의 전압 발생기로부터 LCD를 제어하기 위하여 단지 외부 전위차계(78) 및 외부 커패시터(83, 101, 102, 103)를 적용할 필요가 있다. 개별 전압 공급기 또는 전압 조절기를 제공할 필요가 없다. 3개의 전압 레벨은 커패시턴스 충전을 통한 전압 증가에 의해 충전 펌프(75)에 의해 발생된다. 접지는 제4레벨이다. 사용된 모든 커패시터는 칩의 외부에 있어서, 커패시터들중 각각의 한 커패시터에 대해 개별 핀을 필요로 한다. 외부 커패시터는 흐르는 순간 전류가 큰 진폭을 가지기 때문에 사용된다. 따라서, 칩상에 놓인 커패시터는 큰 커패시턴스 값을 필요로 하여 칩의 크기를 상당히 증가시킨다.
필요한 개별 전압레벨을 얻기 위한 다른 기술은 실리콘 칩내에 집적된 사다리형 저항을 사용하며, 이 사다리형 저항은 시스템에서 다른 방식으로 요구되는 가장 높은 전압을 초과하는 출력 전압레벨을 가진 전원에 대한 필요성에 의해 그리고 충전 펌프보다 더 높은 전압의 사용에 의해 요구되었다. 비록 덜 바람직할지라도, 사다리형 저항(90)의 적절한 실시예는 도 5B에 도시되어 있다. 이 회로는 저항(91, 92, 93)을 포함하며, 이 저항(91, 92, 93)은 공급전압 VDD로부터 이 순서대로 분기된다. 트랜지스터(94)는 사다리형 저항을 인에이블 및 디스에이블하기 위하여 저항(93) 및 VLCD0사이에 접속된다. 가장 낮은 전압 및 기준 전압 VLCD0는 전위차계(95)에 접속되며, 가장 높은 전압은 VDD에 접속되는 VLCD3에 이다. 두 개의 저항(91, 92, 93)은 VLCD3 및 VLCD0 사이의 전위차를 균일하게 분할한다. 따라서, 전압 VLCD1은 항상 전압 VLCD0의 1/3일 수 있으며, VLCD1은 항상 전압 VLCD0의 2/3일 수 있다. 전압 VLCD 0, 1 및 2는 전위차계(95) 양단의 전압강하를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
사다리형 저항은 6.5V와 같은 고전압을 필요로 한다. 순간 전류의 적정 레벨이 LCD 디스플레이 유리로 흘러들어가야 한다. 이는 사다리형 회로를 위해 선택된 저항 크기가 충분히 작아서 사다리형 회로를 흐르는 전류가 충전 펌프 스위칭 커패시터 기술에 비교하여 상대적으로 높다는 것을 의미한다. 충전 펌프의 다른 장점은 전류 흐름이 구동되는 LCD 유리에 비례한다는 것이다. 즉 더 많은 세그먼트가 턴온될수록 흐르는 전류는 더 큰 진폭을 가진다. 대조적으로, 사다리형 저항은 흐르는 전류가 LCD 디스플레이의 성질에 관계없이 대략 동일하다.
또한, 스위칭 커패시터 충전 펌프는 배터리의 수명동안 발생하는 전압의 감쇠를 조절할 때 사다리형 저항보다 더 효과적이다. 충전 펌프에서 전류원은 일정한 전류를 유지함으로써 배터리 전압의 감소를 보상하기 때문에 감쇠에 불구하고 디스플레이에 대해 상당히 균일한 기준전압을 유지한다. 결과적으로, 디스플레이에 대한 LCD 전압은 오랜 기간동안 일정하게 유지된다. 대조적으로, 사다리형 저항은 공급전압의 감쇠에 따라 LCD 전압의 강하를 초래한다.
그럼에도 불구하고, 임의의 스위칭 커패시터 설계에서 부딪칠 수 있는 스위칭, 스위치 레지스턴스 및 관련 요소의 성질 때문에 충전 펌프를 가진 시스템에서도 다소의 전압 손실이 발생될 수 있다. 이를 보상하기 위하여, 중요한 핀상의 전압레벨이 검출되고 이 검출된 값이 아날로그 입력을 통해 다시 비교기에 전송되는 과충전 조건이 적용된다. 만일 핀상에 불충분한 충전 레벨이 가동상태 피드백 과정으로부터 검출된다면, 충전 레벨은 손실을 보상하기 위하여 증가된다.
다소의 손실이 항상 존재하기 때문에, 개별 계단형 전압은 기준 전압의 최적 2x 및 3x에 놓이지 않는다. 베이스 전압은 그것이 조절되기 때문에 초기 레벨로 또는 이 레벨 근처로 유지될 수 있으나, 제2 및 제3 전압은 강하되는 경향이 있다. 결과적으로, 이러한 손실 때문에 디스플레이에서는 다른 데이터에 대해 차이가 발생될 수 있으므로, 디스플레이를 일정하게 조절하는 것은 필요하다. 더욱이, 동작시간 전반에 걸쳐 디스플레이를 파괴시킬 수 있는 DC 전압이 존재하기 때문에, 중대한 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 만일 매우 큰 로드 커패시턴스가 존재한다면, 큰 LCD가 구동되는 경우에서처럼 충전 펌프는 전압 증가가 감소되도록 작동하지 않을 수 있다. 따라서, LCD 디스플레이에서 구동될 수 있는 커패시턴스의 크기는 제한된다.
피드백을 사용하고 시스템 손실을 보상하기 위하여 커패시터를 과충전하는 기술에서, 전류는 커패시터를 충전하기 위하여 공급전압 VDD으로부터 공급된다. 이러한 보상회로의 전형적인 실시예는 도 6에 기술된다. 두 개의 부가 저항(105, 106)은 도 5A의 충전 펌프 회로의 전류원(77)에 대한 출력회로와 직렬로 접속된다. 전압 △V1및 △V2는 각각 저항(106, 105)에 걸리며, 직렬경로는 외부 전위차계(78)에서 종료된다. 작은 커패시터(108)는 제2 개별 전압레벨 VLCD2로 충전되기 전에 클럭 사이클동안 잡음을 필터링하기 위하여 전위차계와 병렬로 접속된다. 스위칭 커패시터(83)상의 전하의 축적은 감시되며 비교기(110)의 양 입력에 공급된다. 비교기의 음 입력은 스위치가 클럭 사이클의 일부분동안 저항(105, 106) 사이의 노드로부터의 회로 경로에 접속되기 때문에 기준전압 + △V2이다. 따라서, 커패시터(83) 양단의 충전이 기준 전압 + △V2보다 작은 경우, 커패시터는 기준 전압 + △V2으로 과충전될 것이다.
이것은 커패시터(83)가 기준 전압 + △V2의 레벨로 충전될 때까지 그리고 커패시터의 두 입력이 등가이고 그것의 출력이 0일 때까지 트랜지스터(112)를 턴온하는 비교기(110)의 출력의 결과로써 달성한다. 그때, VLCD3로 충전되기전 클럭 사이클에서, 훨씬 더 큰 손실이 발생하며 저항(106)의 분기로부터의 기준 전압 + △V1은 비교기의 입력으로써 공급된다. 만일 저항(106)상의 전류충전이 레벨(기준 전압 + △V1)이하라면, 커패시터가 과충전되며, 이는 비교기(110)의 두 입력이 등가일 때 종료된다. 따라서, 보상은 피드백 회로에 의해 요구될 때만 발생하며, 과충전 회로는 커패시터(83)를 충전시키는 것이 피드백에 의해 결정될 때만 턴온된다.
도 6의 커패시터 충전 시스템의 주요 장점은 (i) 내부 공급전압 VDD로부터 과충전이 얻어지며, (ii) 가동상태 피드백(가동상태 충전 모니터)이 전압 레벨을 일정하게 유지하기 위하여 사용되며, 및 (iii) 과충전된 상태(VCAP)에 도달하는데 필요한 전압보다 높은 전압(VDD)을 사용함으로써 과충전된 상태에 도달하는데 필요한 충전시간이 감소되는 것이다. 또한, 회로에서 손실의 보상은 특정 기준전압을 사용하지 않고 달성된다. 오히려, 데이터 전압레벨은 충전 펌프 기술의 회로손실 레벨에 근접하게 선택된다.
시스템은 마이크로컨트롤러가 ";활동중지";, 즉 ";활동중지"; 모드 또는 ";활동중지"; 상태로 언급된 저전력 동작모드에 놓이는 동안에도 LCD 디스플레이 동작이 계속되도록 한다. 비록 외부 제어 시스템에 대한 제어기능을 실행하는 것이 필요한 때를 마이크로컨트롤러가 인식할 수 있도록 본질적인 기능 및 감시동작이 가동상태를 유지할지라도, 비본질적인 기능은 전력을 보존하기 위하여 지연된다. 이와같은 본 발명의 실시예의 중요한 특징에 따르면, 저비용 내부 RC 발진기가 마이크로컨트롤러로부터 LCD에 대한 타이밍 기능을 분리하고 클럭 신호를 디스플레이에 제공하기 위하여 사용된다. 따라서, 마이크로컨트롤러의 활동중지 상태는 클럭 기능을 실행하기 위하여 동작될 필요가 없으며, 장치 사용자는 클럭기능을 위해 외부소자를 제공할 필요가 없으며 장치의 외부핀을 통해 마이크로컨트롤러에 상기 클럭기능을 결합할 필요가 없으나, LCD 디스플레이는 계속해서 동작한다. 그리고, 마이크로컨트롤러가 동작하는 기간동안, LCD는 마이크로컨트롤러 코어 또는 내부 RC 발진기중 하나로부터 동작될 수 있으나 바람직하게는 마이크로컨트롤러로부터 동작된다. 그럼에도 불구하고, 외부 클럭입력은, 사용자가 외부 클럭 입력 능력을 바라는 경우에, 마이크로컨트롤러가 활동중지 상태에 있는 동안 디스플레이를 구동하기 위하여 제공될 수 있다.
도 7의 단순화된 블록도에서, 마이크로컨트롤러(50)는 디스플레이의 동작 타이밍을 유지하는 마이크로컨트롤러 내부 클럭으로부터 클럭 신호를 제공하기 위하여 LCD 모듈(30)에 결합된다. 마이크로컨트롤러가 그 칩의 기능제어를 제공하기 위하여 호출되지 않을 때 또는 외부 시스템이 마이크로컨트롤러에 의해 또는 주변장치에 의해 제어될 때, 마이크로컨트롤러는 활동중지상태로 된다. 이것은 임의의 수의 공지된 방식으로 달성되며, 이중 한 방식은 타이밍(클럭) 신호를 LCD 모듈/디스플레이에 공급하는 동작과 다른 마이크로컨트롤러의 마지막 기능동작으로부터 간격을 타이밍하는 것이다. 소정간격이 추가 기능동작없이 경과될 때, 마이크로컨트롤러는 활동중지 상태가 되나 기능동작을 실행하기 위하여 호출될 때 동작된다.
마이크로컨트롤러(50)로부터의 클럭신호는 LCD 모듈(30)에 공급된다. 모듈은 마이크로컨트롤러(50) 및 내부 RF 발진기(117)에 의해 제공된 클럭 소스사이를 선택한다. 사용자는 원하는 클럭 소스를 선택한다. 내부 RC 발진기 또는 외부 클럭의 선택은 LCD 디스플레이가 활동중지 상태동안 구동되도록 하나, 시스템 클럭(마이크로컨트롤러의 내부 클럭)이 선택되는 경우 그렇지 않다. RC 발진기에 의해 제공된 내부 온-칩 클럭은 마이크로컨트롤러 자체의 내부 클럭에 무관하다.
RC 발진기 회로(117) 그 자체는 도 8에 더 상세히 설명되나, 전체적으로 종래기술의 구조를 가질 수 있으며, 중요한 특징은 마이크로컨트롤러 칩에 내부 RC 발진기를 통합하는 것이다. 내부 RC 발진기는 마이크로컨트롤러가 활동중지 상태에 있는 기간동안 마이크로컨트롤러로부터 LCD에 대한 타이밍 기능을 분리하며, 클럭 신호가 발진기로부터 LCD 모듈을 통해 LCD 디스플레이에 공급되도록 한다. 도 8을 참조하면, RC 발진기(117)에로의 입력 CLKEN은 그 입력이 높을 때 발진을 인에이블하며 입력이 낮을 때 발진을 디스에이블한다. 입력이 낮을 때, NAND 게이트(120)의 출력은 항상 높으며, 인버터(123)의 출력은 항상 낮다. 따라서, 발진기(117)의 출력 CLKOUT는 낮으나 발진이 발생하지 않는다.
발진기에로의 입력 CLKEN 입력이 높을 때, NAND게이트(120)의 출력은 낮으며, 이는 결국 인버터(125)의 입력이 낮도록 한다. 비록 이 환경에서 출력이 높게 될지라도 풀-업 장치는 매우 약하게 되며 노드(128)에 접속된 커패시터(126)는 이에 대해 작용한다. 커패시터는 약 40 내지 50마이크로초동안 충전되며, 커패시터가 동작할 때 출력 CLKOUT(입력 CLKEN이 높을 때 높다)은 낮게 된다. 따라서, 인버터(125)의 게이트는 높게 되며 이의 출력은 낮게 되나, 커패시터(126)가 충전되며 풀-다운 장치가 약하게 되어, 커패시터는 약 30 내지 40μsec 동안 방전된다. 이때, 출력 CLKOUT는 높게 되며, 이 과정은 반복된다. 따라서, CLKOUT 신호는 대략 100μsec마다 발진한다.
따라서, LCD 디스플레이는 마이크로컨트롤러(50)가 활동중지 상태에 있을 때 내부 RC 발진기(117)에 의해 공급된 클럭 출력으로부터 동작될 수 있다.
도 9의 슬레이브 공유 블록도에 도시되고 도 10이 개략도에 도시된 이중 포트 RAM를 지금 참조하면, RAM의 종래 사전충전, 방전 및 클로킹은 순환된다. LCD를 제어하기 위하여, 데이터, 즉 화소는 장치 사용자에 의해 RAM(37)(도 2)에 비트 단위로 저장된다. LCD 모듈(30)은 칩 외부에서 장치를 갱신하여, RAM이 LCD와 통신하는 동일한 시간에 마이크로컨트롤러(50)가 RAM(37)과 통신하는 경우가 발생할 것이다. RAM이 마이크로컨트롤러와 통신하는 동안 RAM은 LCD 컨트롤러에 의해 갱신, 즉 증분될 수 있으며, LCD 컨트롤러는 전형적으로 크기가 크며 비교적 비싼 이중 포트 RAM을 필요로 한다. 도 9 및 도 10은 크기가 작고 값이 싼 다른 RAM을 제공한다.
여기서, RAM은 마이크로컨트롤러의 중앙처리장치(CPU)에 의해 제어되는 마스터 측면과 LCD 모듈에 의해 제어되는 슬레이브 측면을 가진 다수의 플립-플롭을 포함한다. 임의의 표준 RAM 레지스터 비트를 가진 경우인 마이크로컨트롤러와 통신하는 4개의 마스터 래치(150, 151, 152, 153)는 각각의 슬레이브 래치(154)를 위해 제공된다. 슬레이브 래치의 갱신은 LCD 모듈에 의해 제어되며, 이러한 갱신은 마스터내의 데이터가 변화되는 동일한 시간에 발생하지 않도록 보증된다. 이러한 목적은 단지 안정한 데이터가 LCD 세그먼트 출력상에 존재하도록 하는 것이다. 도10의 개략도에 도시된 대응하는 마스터-슬레이브 구조는 LCD 모듈에 의해 지원될 수 있는 32 세그먼트에 대해 32번 반복된다.
RAM 동작의 예로써, 마스터 래치(150)는 공통부 0에 대해서 특정 세그먼트에 대한 데이터를 포함한다. 공통부 0이 가동상태가 되기 바로전에, LCD 모듈은 마스터 래치(150)의 데이터를 이용하여 슬레이브 래치(154)를 갱신한다. 이때, 데이터는 공통부 0이 가동상태가 될 때에 래치되는 패드 제어 논리회로에 출력된다. 공통부 0에 대한 세그먼트 데이터가 패드에 래치되기 때문에, LCD 모듈은 마스터 래치(151)로부터의 데이터를 이용하여 슬레이브 래치(154)를 갱신할 수 있다. 마스터 래치(151)로부터의 데이터는 공통부 1이 가동상태가 되기 바로전에 공통부 1에 대한 세그먼트 데이터이다. 유사하게, 공통부 2에 대한 세그먼트 데이터는 마스터 래치(152)에 포함되며, 공통부 3에 대한 세그먼트 데이터는 마스터 래치(153)에 포함된다. 이 과정은 많은 공통부에 대해 계속된다.
세그먼트 데이터를 래치하는 패드 제어 논리에 의하여 LCD 모듈은 다음 공통부이 가동상태가 되기전에 각 마스터 래치로부터 슬레이브 래치의 다음 세그먼트 데이터를 갱신할 수 있다. 따라서, 단지 하나의 슬레이브 래치만이 각 세그먼트 출력에 대해 요구된다.
슬레이브 측면에서는 4×1 멀티플렉스이나, 마스터가 구동을 위해 상호 배타적으로 동작하기 때문에 유선 접속이 사용된다. 단지 32개의 슬레이브가 필요하며, 128(즉, 32×4)개의 개별 마스터-슬레이브 결합 대신에 128개의 마스터가 32개의 슬레이브와 함께 사용된다. 다수의 마스터에 의해 슬레이브를 공유하는 기술은 RAM의 크기 및 비용을 상당히 감소시키며, 각 슬레이브가 각각의 특정 시간 프레임에서만 판독되기 때문에 슬레이브 포트의 스캐닝을 통해 슬레이브의 다중 시분할을 행함으로써 달성된다. 대조적으로, 표준 이중 포트 RAM은 각 슬레이브에 대해 하나의 마스터를 필요로 하며 하나의 슬레이브는 모든 비트에 대해 필요하여, 슬레이브는 한 측면으로부터 판독될 수 있으며 마스터는 다른 측면상에 기록될 수 있다. RAM의 단순화에 부가하여, 장치에서 실리콘 영역을 상당히 절약할 수 있다.
만일 타입 A 파형이 LCD 디스플레이를 구동 및 제어하기 위하여 사용된다면, RAM은 임의의 시간에 갱신될 수 있다. 그러나, 가장 높은 MUX 비율에서는 타입 B 파형이 바람직하다. 도 11에 기술된 타입 B 파형을 사용하는 바람직한 실시예에서는 RAM의 제어 갱신이 수행된다. LCD를 구동하는 타입 B 파형에 있어서, 마이크로컨트롤러는 소정의 시간간격동안만 본 발명의 다른 특징에 따라 RAM에 기록할 수 있도록 한다. 특히, RAM의 갱신은 파형의 두 사이클, 즉 두 개의 완전한 프레임이 경과된후 그리고 다음 사이클이 개시되기 전에 허용된다. 이 갱신후에, 타입 B 파형의 두 사이클은 RAM의 다음 갱신이 허용되기 전에 경과되어야 한다.
도 11에서, LCD 제어부(135)는 RAM(137)의 기록을 인에이블하기 위하여 타입 B 파형에 인해 인에이블된다. 이 기록 인에이블은 데이터의 제2프레임의 끝과 데이터의 다음 프레임의 시작사이에서만, 즉 타입 B 파형의 실제 두 개의 연속적인 사이클의 임의의 부분동안을 제외하고 제공된다. 이러한 구조에서, 만일 기록이 허용되기 전에 RAM에 기록이 수행되기 시작한다면, 시도된 기록은 허용되지 않으며 에러 비트는 기록 에러 발생기(140)에 의해 설정되어, RAM을 갱신하기 위하여 허용되지 않은 시도를 사용자에게 알린다. 이 동작은 적어도 디스플레이의 파괴를 야기할 수 있는 지속기간동안 제로 DC 전압의 값을 초과하는 전압이 LCD 유리에 걸리지 않도록 하는 경향이 있다. 사용자는 어느 동작이 취해져야 하는지를 결정해야 한다.
만일 RAM의 기록이 허용되고 에러비트가 설정되지 않는다면, 기록은 RAM에 의해 허용되며 사용자는 임의의 추가 단계를 취하지 않는 것을 항상 표시한다. 그러나, 시도된 기록이 메모리의 소정 위치에서 데이터를 다시 검사할 필요성을 호출하는 동안 에러 비트가 설정되며, 만일 필요성을 발견한다면 적정한 보정이 수행된다. 바람직한 경우, RAM으로의 데이터 기록이 개시될 때를 사용자에게 알리기 위하여 인터럽트가 발생될 수 있다.
지금 다른 특징을 살펴보면, LCD 및 LCD 제어모듈이 고속 마이크로컨트롤러에 비교하여 상대적으로 느린 속도로 동작하기 때문에 회로 및 LCD의 전체 기능능력을 고속으로 검사하는 방법을 개발할 때 중요한 문제점에 부딪친다. 예를들어, 아날로그 전압이 마이크로컨트롤러의 지정된 기능을 검사하기 위하여 기록되는 경우, 검사 장치는 전압 인가를 측정 또는 검사하기 위하여 저속의 LCD 디스플레이의 60Hz 주기동안 대기해야 하며, 이는 검사시간이 낭비되며 비효율적이다. 본 발명에 따르면, 정확한 전압 또는 펄스가 디지털 회로만을 기초로 하여 출력에서 얻어지는지를 검증하기 위하여 고속 슬롯에서 멀티플렉싱된 값을 사용하는 검사 시스템이 사용된다. 이것은 마이크로컨트롤러/LCD 모듈이 의도대로 동작하도록 아날로그 전압을 평가할 필요없이 초고속으로 그리고 저비용으로 검사를 수행할 수 있다.
보통, LCD 핀은 LCD 디스플레이 및 그것의 제어 모듈의 동작을 수용하기 위하여 저속 드라이버에 의해 구동된다. 본 발명은 상기 동작이 유지되는 사용자 모드를 제공하며, 전체 장치의 고속 검사동안 LCD핀이 고속으로 구동되는 검사 모드를 제공한다. 이 때문에, 사용자 모드에서, 디스플레이를 위한 표준 LCD 드라이버는 디스플레이 및 관련된 회로기능에 적합한 속도로 적절한 전압을 공급하기 위하여 사용된다. 그리고, 개별 검사 모드에서, 초고속으로 동작할 수 있는 다른 드라이버는 검사를 위해 완전히 스위칭된다. 장치 검사가 완료될 때, 고속 드라이버는 스위칭되며 표준 LCD 드라이버는 사용자 모드에서 장치를 동작시키기 위하여 다시 스위칭된다.
도 12를 참조하면, LCD 디스플레이에 대한 LCD 핀(172)은 표준 또는 사용자 모드 인에이블 신호(175)에 응답하여 저속의 작은 LCD 드라이버(173)에 의해 일반적으로 구동된다. 전술한 것처럼, 드라이버는 LCD 디스플레이의 세그먼트를 구동시키기 위하여 적절히 인코딩된 신호를 공급하는 입력(177, 178)으로써 LCD 데이터 및 LCD 전압 레벨을 허용한다. 장치가 검사될 때, 표준 모드 인에이블 신호는 제거되어 작은 LCD 드라이버(173)를 디스에이블하며, 검사모드 인에이블 신호(179)는 LCD 핀(172)을 구동시키기 위하여 고속의 큰 디지털 드라이버(180)을 인에이블하기 위하여 공급된다. 핀에서 디지털 펄스 레벨과 적당한 타이밍을 검출함으로써 검사가 수행된다. 예를들어, 디스플레이의 표준동안에서, 4개의 다른 아날로그 전압은 상호 개별적으로 그리고 다른 시간위상으로 핀(172)에 기록된다. 본 발명의 검사방법에 있어서, 검사 펄스는 LCD 데이터와 함께 다른 시간 슬롯으로 드라이버에 공급되기 위하여 멀티플렉싱되어, 핀(172)에서 저속 아날로그 전압에서 고속 디지털 전압으로 그리고 입력의 타이밍으로 나타난다. 검사 장치, 즉 디지털 검사기(185)는 단순히 핀상에서 나타나는 디지털 레벨 및 타이밍을 관측한다.
만일 핀이 소정 시간슬롯으로 펄스화된다면, 대응하는 아날로그 전압이 각 슬롯에 대해 적절한 시간에서 공급되는 것이 지시된다. 이 구조는 디지털 검사기(185)가 아날로그 채널에서 연속성을 검사하는데 사용되도록 한다. 개별전압을 검사하는 것보다 오히려, 검사기는 검사를 위해 특별히 스위칭되는 고속 포트상에서 시간 윈도우내의 펄스를 검사한다. 이 기술은 디지털 시뮬레이터를 사용하여 시뮬레이션이 수행되도록 하며, 이 디지털 시뮬레이터는 다른 응용을 위해 LCD 모듈 동작에서 검색될 수 있는 아날로그 LCD 기능 및 전압 레벨을 ";1"; 및 ";0";으로 제한한다.
다른 장점에 부가하여, 고속 검사모드에서 모듈을 구동하는 능력이 실리콘 사용의 관점에서 부가의 비용없이 제공될 수 있다. 이것은 패드상의 정전기 방전(ESD) 보호용 회로에서 일반적으로 요구되는 트랜지스터가 사용되는 경우 동일한 트랜지스터가 고속 검사모드를 위해 만들어질 수 있기 때문이다.
당업자는 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않고 본 발명을 변형할 수 있다. 따라서, 본 발명은 청구범위의 사상 및 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (17)

  1. 마이크로컨트롤러 칩에 통합된 액정 디스플레이(LCD) 모듈로부터 액정 디스플레이(LCD)를 구동시키는 다중 개별 조절 전압 레벨을 제공하는 방법으로서, 상기 LCD 디스플레이는 상기 마이크로컨트롤러에 의해 제어되는 시스템과 관련하여 동작하며 상기 마이크로컨트롤러는 상기 LCD 디스플레이의 동작 타이밍을 유지하기 위한 상기 LCD 모듈에 대한 내부 클록 신호를 포함하는 동작 기능들을 제공하며, 상기 방법은,
    커패시터로부터 개별적으로 보상가능한(retrievable) 연속적인 부가의 충전을 얻도록 상기 커패시터의 스위칭-커패시터 충전에 의해 다중 베이스 전압 레벨이 발생되고 상기 베이스 전압이 공급 전압 레벨의 변화와 상관없이 실질적으로 변화없이 유지되는, 마이크로컨트롤러 칩에 대한 공급전압으로부터 유도된 다중 베이스 전압 레벨로서 다중 개별 조절 전압 레벨을 발생시키는 단계; 및
    액정 디스플레이(LCD)를 활성화하기 위하여 상기 개별 조절 전압 레벨을 선택적으로 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭-커패시터 충전은 상기 다중 베이스 전압으로 커패시터를 충전하기 위하여 상기 커패시터상에 소정 전압을 스위칭함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 커패시터 충전동안 전압 손실을 보상하고 감쇠없이 상기 다중 개별 조절 전압 레벨을 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 보상단계는 상기 커패시터의 전압 손실양과 동일한 양만큼 상기 커패시터를 과충전함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 커패시터를 과충전하는 상기 단계는 상기 마이크로컨트롤러에 대한 공급전압으로부터 부가의 충전을 유도함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 커패시터를 과충전하는 상기 단계는 상기 커패시터상의 충전을 감시하는 가동상태 피드백을 사용함으로써 추가로 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 상보형 금속-산화물-실리콘(CMOS) 칩 외부 시스템의 선택된 파라미터들을 제어하기 위해 상기 칩에 통합된 마이크로컨트롤러와, 상기 파라미터들 중 적어도 하나를 디스플레이하도록 상기 외부 시스템과 관련하여 동작하도록 조절된 액정 디스플레이(LCD)를 구동시키기 위한 다중 개별 전압 레벨을 제공하기 위해 상보형 금속-산화물-실리콘(CMOS) 칩에 통합된 LCD 모듈을 포함하는 상보형 금속-산화물-실리콘(CMOS) 칩에 구현된 반도체 장치로서,
    상기 마이크로컨트롤러에 대한 공급전압으로부터 유도된 다중 베이스 전압 레벨로서 상기 다중 개별 전압 레벨을 발생시키는 스위칭-커패시터 수단으로서, 적어도 일부가 상기 공급 전압보다 더 큰 크기를 갖는 상기 개별 전압 레벨들의 각각의 레벨로서 커패시터로부터 개별적으로 보상가능한 연속적인 부가의 충전을 발생시키도록 상기 커패시터를 선택적으로 충전하는 스위칭-커패시터 충전회로를 포함하는 스위칭-커패시터 수단;
    상기 마이크로컨트롤러에 의해 제어될 시스템의 상기 파라미터들의 적어도 일부의 상태에 따라 액정디스플레이(LCD)를 활성화하기 위하여 상기 개별 전압 레벨을 선택적으로 전송하기 위한 LCD 구동수단; 및
    상기 LCD 디스플레이의 동작 타이밍을 위해 상기 LCD 모듈에 타이밍 신호를 제공하도록 상기 마이크로컨트롤러 칩에 통합된 타이밍 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스위칭-커패시터 수단은 상기 다중 개별 베이스 전압으로 상기 커패시터를 충전시키기 위하여 상기 커패시터상에 소정 전압을 스위칭하는 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 공급전압으로부터 상기 베이스 전압 레벨을 유도하고 상기 공급 전압 레벨에서의 변화와 상관없이 실질적으로 일정하게 상기 베이스 전압 레벨을 유지하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 스위칭-커패시터 충전동안 전압손실을 보상하고, 감쇠없이 상기 다중 개별 전압 레벨을 유지하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 보상수단은 커패시터상의 전압손실양과 동일한 양만큼 상기 커패시터를 과충전하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 커패시터를 과충전하는 상기 수단은 상기 마이크로컨트롤러에 대한 공급전압으로부터 부가의 충전을 유도하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 커패시터를 과충전하는 상기 수단은 상기 커패시터상의 충전을 감시하기 위하여 가동상태 피드백을 사용하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  14. 마이크로컨트롤러 칩의 집적 회로 내에 구현된 액정 디스플레이(LCD) 모듈로부터 상기 마이크로컨트롤러 칩에 의해 제어될 상기 칩 외부 시스템과 관련하여 동작하는 액정 디스플레이(LCD)를 구동하기 위해 다중 개별 조절 전압 레벨을 제공하기 위한 장치로서,
    공급전압으로부터 유도된 다중 베이스 전압 레벨로서 상기 공급 전압 레벨과 독립적으로 실질적으로 일정하게 유지되는 상기 다중 개별 조절 전압 레벨을 발생시키기 위한 수단으로서, 적어도 하나의 커패시터로부터 개별적으로 각각 보상가능한 상기 다중 베이스 전압 레벨로서 연속적인 부가의 충전을 얻도록 상기 적어도 하나의 커패시터를 충전하는 스위칭-커패시터 수단과 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 다중 개별 조절 전압 레벨을 발생시키기 위한 수단;
    상기 개별 전압 레벨을 발생시키기 위한 수단에 응답하여, 발생된 상기 개별 조절 전압 레벨을 선택적으로 인가하여 상기 액정 디스플레이(LCD)를 활성화하기 위한 수단; 및
    상기 LCD 디스플레이의 동작 타이밍을 유지하도록 상기 LCD 모듈에 클록 신호를 공급하기 위한 상기 마이크로컨트롤러 칩의 내부 클록 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스위칭-커패시터 수단은 상기 적어도 하나의 커패시터를 별개의 다중 개별 공급전압으로 충전하기 위하여 상기 적어도 하나의 커패시터상에 소정 전압을 스위칭하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 스위칭-커패시터 충전동안 전압손실을 보상하고, 감쇠없이 상기 다중 개별 조절 전압 레벨을 유지하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 보상수단은 상기 적어도 하나의 커패시터상의 전압손실 양과 동일한 양만큼 상기 적어도 하나의 커패시터를 과충전하는 것을 특징으로 하는 장치.
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