KR100670066B1 - 전하 펌프 및 이를 이용한 저소비전력 직류-직류 변환기 - Google Patents

전하 펌프 및 이를 이용한 저소비전력 직류-직류 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전하 펌프 및 직류-직류 변환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전하 전달 트랜지스터의 전력 손실을 최소화하는 전하펌프 회로와 이를 이용한 저소비전력 직류-직류 변환기에 관한 것이다. 입력 전압을 받아들이는 입력 단자, 출력 전압을 출력하는 출력 단자, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 직렬 연결되는 복수 개의 펌핑단들, 입력받은 제1 및 제2 게이트 클럭 신호가 소정 크기의 진폭을 가지도록 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 전압 레벨을 이동하는 전압 레벨 이동부를 포함하는 전하 펌프는 VGS의 크기를 최대화하여 전력 효율을 높일 수 있다. 그리고 상기 전하 펌프를 이용한 직류-직류 변환기 역시 전력 소비를 최소화하여 휴대용 장치에 응용가능하다.
전하 펌프, 직류-직류 변환기, 고효율, 저소비전력, 스윙

Description

전하 펌프 및 이를 이용한 저소비전력 직류-직류 변환기{Charge pump and low-power DC-DC converter using it}
도 1은 종래 기술에 따른 딕슨 구조의 전하 펌프(100)를 나타낸 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 개선된 전하 펌프(200)를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직류-직류 변환기를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전하 펌프(310)의 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클럭 신호들의 타이밍도를 나타낸 도면.
도 6은 도 4에 도시된 전하 전달 트랜지스터에 인가되는 전압의 스윙 폭을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전압 레벨 이동부(420)의 출력 전압의 특성을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 전류에 따른 출력 전압의 특성을 비교한 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 전류에 따른 전력 효율 특성을 비교한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300 : 직류-직류 변환기
310 : 전하 펌프
320 : 신호 발생기
330 : 신호 구동 장치
340 : 전압 레벨 검출 장치
본 발명은 전하 펌프 및 직류-직류 변환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전하 전달 트랜지스터의 전력 손실을 최소화하는 전하펌프 회로와 이를 이용한 저소비전력 직류-직류 변환기에 관한 것이다.
평판 디스플레이 구동 칩 내부의 디지털 회로 부분은 저전압 회로로 구성되어 칩의 공급 전압인 3V 정도의 전압으로 동작한다. 그러나, 유기발광소자(OLED) 패널을 구동하는 데이터 구동회로와 스캔 구동회로의 아날로그 출력단은 고전압 회로로 이루어져 있다. 디스플레이 패널의 특성에 따라서 10 ~ 20V 정도의 전압이 인 가되고 있다. 따라서, 3V 정도의 공급 전원 전압을 입력으로 받아 데이터 구동회로와 스캔 구동회로의 출력단에 필요한 고전압을 발생시킬 수 있는 직류-직류 변환기가 필요하게 된다. 특히 휴대용 기기에 사용되는 만큼 직류-직류 변환기는 저소비전력, 고효율 설계 기술을 필요로 한다.
직류-직류 변환기는 스위칭 방식과 전하 펌프 방식으로 나눌 수 있다. 휴대 기기용 디스플레이 장치에는 전력 효율이 높은 전하 펌프 방식의 직류-직류 변환기가 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 딕슨 구조의 전하 펌프(100)를 나타낸 도면이다. 도 2는 종래 기술에 따른 개선된 전하 펌프(200)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 입력된 Vcc는 M1 내지 M4의 전하 전달 트랜지스터를 통과하여 Vpp로 출력된다. 클럭 신호 CLK1 및 CLK1의 반전된 클럭 신호 CLK2는 각각 하이(high)일 때 전압값이 Vcc이다. 클럭 신호 CLK1 및 반전된 클럭 신호 CLK2는 CP1 내지 CP3의 펌핑 커패시터를 통해 N1 내지 N3 노드에 전달되고, M2 내지 M4의 전하 전달 트랜지스터의 드레인 및 게이트의 전압으로 입력된다. 즉, N1 노드는 입력 전압 Vcc가 펌핑 트랜지스터 M1을 통해 전달되지만, M1의 문턱 전압만큼 손실된 (Vcc-Vth) 의 값을 가진다. N2 노드는 N1 노드의 전압값이 펌핑 커패시터 CP1을 통해 CLK1의 하이 신호만큼 펌핑된 값에서 M2의 문턱 전압이 손실된 값 즉, 2(Vcc-Vth) 의 값을 가지게 된다. 이러한 원리로 Vpp까지 각 펌핑 트랜지스터를 통과하면서 전압이 펌핑된다. 즉, 딕슨 구조의 전하 펌프(100)는 전하 전달 트랜지스터 M1 내지 M4의 다이오드 구조로 인한 문턱 전압 손실이 발생하는 단점을 가지고 있다.
도 2에 도시된 개선된 전하 펌프(200)는 각 펌핑단에서의 문턱 전압 손실을 줄일 수 있도록 개선되었다. N 단으로 구성된 개선된 전하 펌프(200)는 펌핑 동작시에 1번째 단에서부터 (N-1)번째 단의 문턱 전압 손실을 줄이기 위해서, 1 번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터 MS1의 게이트에 2 번째 단의 출력 전압(즉, N2 노드 전압)인 펌핑된 전압인 3Vcc 전압을 인가하여, 전하 펌핑시 2Vcc 전압을 문턱전압 강하 없이 다음 단으로 전달한다. 이러한 방식으로 (N-1)번째 단까지의 전하 펌프에서는 문턱 전압 강하 없이 전압을 펌핑시킨다. 그렇지만 마지막 단인 N 번째 단의 전하 전달 트랜지스터 MD4의 게이트에는 프리 차지 동작시 전달하고자 하는 전압인 Vpp 전압보다 높은 전압을 인가할 수 없고 같은 Vpp 레벨의 전압을 인가하므로 문턱 전압 강하가 발생한다. 즉, 마지막 단에서는 여전히 문턱 전압이 발생하는 단점을 극복하지 못하였다.
도 1 내지 도 2의 전하 펌프를 구성하는 전하 전달 트랜지스터에서는 문턱 전압으로 인하여 전압 강하가 발생한다. 이로 인해 전력 소모가 발생하게 되고, 높은 전압과 큰 전류를 출력하는 구조에서는 전력 손실이 더욱 커져 효율이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전하 전달 트랜지스터의 전력 손실을 최소화할 수 있는 고효율의 전하 펌프를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 고효율의 전하 펌프를 사용하여 유기발광소자를 사용하는 디스플레이 장치에 응용가능한 저소비전력 직류-직류 변환기를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 모바일용 디스플레이 장치에 응용가능한 저소비전력 직류-직류 변환기를 제공하고자 한다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 입력 전압을 받아들이는 입력 단자; 출력 전압을 출력하는 출력 단자; 입력받은 제1 및 제2 게이트 클럭 신호가 소정 크기의 진폭을 가지도록 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 전압 레벨을 이동하는 전압 레벨 이동부; 및 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 직렬 연결되는 복수 개의 펌핑단들을 포함하되, 상기 각 펌핑단은, 제1 단자로 입력된 전압을 제2 단자로 전달하고, 제1 게이트 단자에 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 상기 펌핑단에 상응하는 게이트 클럭 신호가 인가되며, 상기 제2 단자로 전달된 전압의 레벨이 상기 게이트 클럭 신호의 최대 레벨인 전하 전달 트랜지스터를 포함하는 전하 펌프가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 펌핑단들 중 홀수번째 펌핑단들은 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 하나의 신호에 응답하여 동작하고, 짝수번째 펌핑단들은 나머지 게이트 클럭 신호에 응답하여 동작할 수 있으며, 상기 각 펌핑단은, 상기 제1 단자와 연결된 제2 게이트 단자, 상기 제2 단자와 연결된 제3 단자 및 상기 제1 게이트 단자와 연결된 제4 단자를 포함하는 스윙 트랜지스터(GP); 상보적인 상태를 가지는 제1 및 제2 펌핑 클럭 신호 중 대응하는 펌핑 클럭 신호와 상기 제2 단자 사이에 연결되는 펌핑 커패시터(CP); 및 상기 소정 크기의 진폭을 가지는 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 대응하는 게이트 클럭 신호와 상기 제1 게이트 단자 사이에 연결되는 스윙 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전하 전달 트랜지스터 및 상기 스윙 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터일 수 있고, 상기 제1 펌핑 클럭 신호와 상기 제1 게이트 클럭 신호가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되고, 상기 제1 게이트 클럭 신호의 로우(low) 구간은 상기 제1 펌핑 클럭 신호의 로우 구간에 포함되며, 상기 제2 펌핑 클럭 신호와 상기 제2 게이트 클럭 신호가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되고, 상기 제2 게이트 클럭 신호의 로우 구간은 상기 제2 펌핑 클럭 신호의 로우 구간에 포함될 수 있다. 그리고 상기 전압 레벨 이동부는, 상기 출력 단자로부터 상기 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 진폭이 상기 출력 전압의 크기가 되도록 전압 레벨을 이동할 수 있다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전하 펌프; 제1 및 제2 펌핑 클럭 신호, 제1 및 제2 게이트 클럭 신호를 생성하는 신호 발생기; 및 상기 제1 및 제2 펌핑 클럭 신호 및 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호를 이용하여 연결된 상기 스윙 트랜지스터 및 상기 펌핑 커패시터를 구동하는 신호 구동 장치를 포함하되, 상기 전하 펌프는, 입력 전압을 받아들이는 입력 단자와, 출력 전압을 출력하는 출력 단자와, 입력받은 제1 및 제2 게이트 클럭 신호가 소정 크기의 진폭을 가지도록 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 전압 레벨을 이동하는 전압 레벨 이동부와, 그리고 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 직렬 연결되는 복수 개의 펌핑단들을 포함하고, 상기 각 펌핑단은, 제1 단자로 입력된 전압을 제2 단자로 전달하고, 제1 게이트 단자에 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 상응하는 게이트 클럭 신호가 인가되며, 상기 게이트 클럭 신호의 최대 레벨은 상기 제2 단자로 전달된 전압의 레벨인 전하 전달 트랜지스터를 포함하는 직류-직류 변환기가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 출력 전압의 크기가 소정 크기 이하인 경우 상기 신호 발생기가 동작하도록 인에이블(enable) 신호를 출력하고, 상기 출력 전압의 크기가 소정 크기 이상인 경우 상기 신호 발생기가 동작하지 못하도록 디스에이블(disable) 신호를 출력하는 전압 레벨 검출기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 펌핑단들 중 홀수번째 펌핑단들은 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 하나의 신호에 응답하여 동작하고, 짝수번째 펌핑단들은 나머지 게이트 클럭 신호에 응답하여 동작할 수 있으며, 상기 전하 전달 트랜지스터 및 상기 스윙 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터일 수 있고, 상기 제1 펌핑 클럭 신호와 상기 제1 게이트 클럭 신호가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되고, 상기 제1 게이트 클럭 신호의 로우(low) 구간은 상기 제1 펌핑 클럭 신호의 로우 구간에 포함되며, 상기 제2 펌핑 클럭 신호와 상기 제2 게이트 클럭 신호가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되고, 상기 제2 게이트 클럭 신호의 로우 구간은 상기 제2 펌핑 클럭 신호의 로우 구간에 포함될 수 있다. 그리고 상기 전압 레벨 이동부는, 상기 출력 전압을 입력받 고, 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 진폭이 상기 출력 전압의 크기가 되도록 전압 레벨을 이동할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다. 이하, 본 발명에 따른 전하 펌프 및 이를 이용한 저소비전력 직류-직류 변환기의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
전하 펌프의 전하 전달 트랜지스터에서의 전압 강하로 인한 문제점은 전하 전달 트랜지스터의 저항 성분으로 인한 전도 전력 소비와 전하 전달 트랜지스터의 게이트를 구동하기 위한 스위치 전력 손실로 볼 수 있다. 각각의 전하 전달 트랜지스터의 저항을 줄이면 전하 전달 트랜지스터의 전도 전력 소비를 줄일 수 있다. 전하 전달 트랜지스터의 저항을 줄이기 위해서는 전하 전달 트랜지스터의 사이즈를 크게 하는 방법과 게이트 및 소스 간의 전압(VGS) 값을 크게 하는 방법이 있다. 또한, 스위치 전력 손실을 줄이기 위해서는 게이트 구동 전압, 전하 전달 트랜지스터의 사이즈, 클럭 신호를 모두 줄여야 한다. 사이즈를 크게 하는 방법은 휴대용 장치에 사용하고자 하는 목적과 어긋나고 스위치 전력 손실을 증가시키는 바 VGS 값을 크게 하여 저항값을 줄이면서 스위치 전력 손실은 최소화하는 구조에 대해 이하 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직류-직류 변환기를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 직류-직류 변환기(300)는 전하 펌프(310), 신호 발생기(320) 및 신호 구동 장치(330)를 포함한다. 그리고 출력 전압 레벨을 제어하고자 할 때 전압 레벨 검출기(340)를 더 포함할 수 있다.
전하 펌프(310)는 입력 단자(400), 출력 단자(410), 전압 레벨 이동부(420) 및 복수의 펌핑단들(430-1 내지 430-n)을 포함한다. 전하 펌프(310)는 입력 단자(400)를 통해 받아들여진 입력 전압을 미리 설정된 소정 크기 또는 원하는 크기의 전압이 출력되도록 펌핑하여 출력 단자(410)를 통해 출력한다. 전압 레벨 이동부(420)는 각 펌핑단(430)의 전하 전달 트랜지스터의 게이트 전압을 제어할 수 있도록 게이트 클럭 신호의 전압 레벨을 이동하는 장치이다. 전하 펌프(310)는 도 4를 참조하여 상세히 후술한다.
신호 발생기(320)는 메인 클럭(main clock)을 입력받아 전하 펌프(310)의 각 커패시터들을 구동시킬 각각의 클럭 신호를 발생시키는 부분이다. 펌핑 작용에 사용되며 서로 상보적인 상태를 가지는 펌핑 클럭 신호 CLK 및 CLKB, 전하 전달 트랜지스터의 게이트에 연결된 스윙 커패시터를 구동하는 게이트 클럭 신호 GCLK 및 GCLKB를 발생시킨다. CLK와 GCLK가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되며, CLKB와 GCLKB가 대응하여 또 다른 동일한 펌핑단에 인가된다. CLK와 CLKB는 서로 180도(degree)의 위상차를 가지며, 서로 동일한 진폭을 가지고, 서로 상보적인 관계에 있는 신호이다. GCLK와 GCLKB는 서로 180도의 위상차를 가지며, 서로 동일한 진폭 을 가지기는 하지만, 상보적인 관계에 있는 신호는 아니다. 이는 도 5에 도시된 각 클럭의 타이밍도에 잘 나타나 있다.
단, GCLK가 로우인 구간은 CLK가 로우인 구간에 포함되며, GCLKB가 로우인 구간은 CLK가 로우인 구간에 포함된다. 그리고 CLK가 하이인 구간은 GCLK가 하이인 구간에 포함되며, CLKB가 하이인 구간은 GCLKB가 하이인 구간에 포함된다.
신호 구동 장치(330)는 전하 펌프(310)에서 펌핑 작용에 사용되는 각 커패시터들을 상기 클럭 신호를 통해 구동시키는 장치이다. 신호 구동 장치(330)는 전하 펌프(310)의 펌핑단에서 펌핑과 직접 관련된 펌핑 커패시터를 구동하는 펌핑 클럭 신호 CLK 및 CLKB를 전하 펌프(310)로 출력한다. 그리고 전하 전달 트랜지스터의 게이트와 연결된 스윙 커패시터를 구동하는 게이트 클럭 신호 GCLK 및 GCLKB를 전하 펌프(310)로 출력한다.
전압 레벨 검출기(340)는 출력 전압의 레벨을 제어한다. 사용자가 원하는 출력 전압 레벨을 설정하고서, 지속적으로 출력 전압의 레벨을 검출하여 확인한다. 출력 전압이 원하는 값에 도달하지 아니한 경우에는 신호 발생기(320)로 인에이블(enable) 신호를 출력하고, 출력 전압이 원하는 값 이상에 도달한 경우에는 디스에이블(disable) 신호를 출력하여 클럭 신호 발생이 중단되도록 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전하 펌프(310)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 전하 펌프(310)는 입력 단자(400), 출력 단자(410), 전압 레벨 이동부(420) 및 복수의 펌핑단들(430-1 내지 430-6)을 포함 한다. 도 4에서는 6단으로 구성된 전하 펌프(310)를 나타내고 있으나, 단 수의 제한이 없음은 자명하다.
입력 단자(400)는 전하 펌프(310)에서 펌핑하고자 하는 입력 전압을 받아들이는 부분이다. 입력 전압은 일반적으로 전하 펌프(310)를 구동하는데 사용되는 Vcc 전압이다.
출력 단자(410)는 전하 펌프(310)를 통하여 소정 크기로 펌핑된 출력 전압을 출력하는 부분이다.
전압 레벨 이동부(420)는 신호 구동 장치(330)로부터 입력받은 게이트 클럭 신호 GCLK, GCLKB가 소정 크기의 진폭을 가지도록 게이트 클럭 신호의 전압 레벨을 이동하는 부분이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 진폭은 출력 전압의 크기를 의미하며, 전압 레벨 이동부(420)는 출력 단자(410)로부터 출력 전압을 입력 받아 게이트 클럭 신호가 출력 전압 크기의 진폭을 가지도록 한다.
복수의 펌핑단들(430-1 내지 430-6) 중에서 하나의 펌핑단(430-1)은 전하 전달 트랜지스터(MP1)와, 스윙 트랜지스터(GP1)와, 펌핑 커패시터(CP1)와, 스윙 커패시터(C1)를 포함한다. 여기서, 전하 전달 트랜지스터(MP1)와 스윙 트랜지스터(GP1)은 PMOS 트랜지스터인 것이 바람직하다.
전하 전달 트랜지스터(MP1)는 게이트 단자, 드레인 단자, 소스 단자를 구비한다.
스윙 트랜지스터(GP1)는 전하 전달 트랜지스터(MP1)의 소스 단자와 연결된 게이트 단자, 전하 전달 트랜지스터(MP1)의 드레인 단자와 연결된 소스 단자, 전하 전달 트랜지스터(MP1)의 게이트 단자와 연결된 드레인 단자를 구비한다.
펌핑 커패시터(CP1)는 펌핑 클럭 신호 CLK와 전하 전달 트랜지스터(MP1)의 소스 단자 사이에 연결된다.
스윙 커패시터(C1)는 게이트 클럭 신호 GCLK와 전하 전달 트랜지스터(MP1)의 게이트 단자 사이에 연결된다.
나머지 펌핑단(430-2 내지 430-6) 역시 1번째 펌핑단(430-1)과 동일한 구성을 가진다. 하지만, 마지막번째 펌핑단(430-6)은 펌핑 커패시터가 없을 수 있다.
전압 레벨 이동부(420)는 게이트 클럭 신호 GCLK 및 GCLKB에 따라 각 전하 전달 트랜지스터의 게이트 전압이 게이트 클럭 신호의 진폭만큼 전압 스윙(swing)이 일어나도록 하는 장치이다. 게이트 클럭 신호의 진폭은 바람직하게는 출력 전압의 크기이다. 즉, 전압 레벨 이동부(420)는 출력 단자(410)로부터 출력 전압을 입력 받아 게이트 클럭 신호 GCLK 및 GCLKB의 진폭을 출력 전압의 크기와 동일하도록 변경한다.
전하 펌프(310)를 구성하는 트랜지스터는 P형 트랜지스터로 구성된다. 즉 P형 금속 산화물 반도체(PMOS)로 구성되어 일반적인 CMOS 공정에서 제작이 가능하도록 설계되어 있다.
전하 펌프(310)의 동작 원리는 이하 도 5를 참조하여 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클럭 신호들의 타이밍도를 나타낸 도면이다. 게이트 클럭 신호 GCLK는 C1, C3 및 C5의 홀수번째 스윙 커패시터에 연결되고, 게이트 클럭 신호 GCLKB는 C2, C4 및 C6의 짝수번째 스윙 커패시터에 연결된다. GCLK와 GCLKB가 인가되는 스윙 커패시터가 서로 바뀔 수 있음은 물론이다. GCLK 및 GCLKB는 전압 레벨 이동부(313)에서 입력받은 최종 출력 전압 Vpp의 전압값을 진폭으로 한다. 펌핑 클럭 신호 CLK 및 펌핑 클럭 신호 CLKB는 장치 전체에 기본적으로 인가되는 Vcc의 전압값을 진폭으로 한다.
본 발명에서 입력 전압은 Vcc이고, 출력 전압 Vpp는 6단의 펌핑으로 인해 6Vcc가 될 수 있다. N1 내지 N5 노드의 전압은 펌핑 커패시터를 통한 펌핑이 없는 경우는 각각 Vcc 내지 5Vcc이고, 펌핑이 있는 경우는 2Vcc 내지 6Vcc이다.
도 5를 참조하면, 510 구간에서 게이트 클럭 신호 GCLK, 게이트 클럭 신호 GCLKB, 펌핑 클럭 신호 CLKB는 하이(high)이고, 펌핑 클럭 신호 CLK는 로우(low)이다. GCLK 및 GCLKB가 하이이므로, 각 전하 전달 트랜지스터 MP1 내지 MP6는 게이트 전압 즉, G1 내지 G6 노드의 전압(VG1 내지 VG6)이 하이가 되어 스위치가 오프(off)된다. N1 노드 내지 N5 노드의 전압은 VN1 내지 VN5로 표시한다.
520 구간에서 GCLK, GCLKB는 510 구간과 동일하며, CLK 및 CLKB가 반전되어 CLK는 하이, CLKB는 로우가 된다. 즉, 홀수번째 펌핑단(430-1)의 출력 전압 즉, VN1이 CLK에 의해 펌핑되어 2Vcc가 된다. 그리고 짝수번째 펌핑단(430-2)의 출력 전압 즉, VN2이 CLKB에 의해 펌핑되지 아니한 값 2Vcc가 된다. 스윙 트랜지스터 GP2의 소스 전압이 2Vcc가 되고 GP2의 게이트 전압은 2Vcc이 되므로, GP2가 온(on)되고, VG2 전압이 VN2 전압인 2Vcc가 된다.
530 구간에서 GCLK, CLK 및 CLKB는 520 구간과 동일하며, GCLKB가 반전되어 로우가 된다. 즉, 짝수번째 펌핑단(430-2)의 전하 전달 트랜지스터(MP2)의 게이트 전압 즉, VG2가 GCLKB에 의해 최종 출력 전압 Vpp(=6Vcc)의 폭만큼 하강된다. VG2가 2Vcc ~ -4Vcc의 값을 가지면서 스윙하게 된다. 따라서, MP2의 게이트 전압이 MP2의 소스 전압 즉, VN1 전압인 2Vcc보다 작아지므로, MP2가 온(on)되고, 2Vcc가 N2 노드로 전달된다. 이 경우 전하 전달 트랜지스터인 MP2가 P형 트랜지스터이므로, 문턱 전압 강하로 인한 손실은 없게 된다.
540 구간에서 GCLKB가 반전되어 하이가 되면, MP2는 오프된다.
이후 CLKB가 하이가 되면 N2 노드의 전압이 펌핑되어 2Vcc에서 3Vcc가 되고, 이 값이 MP3를 통해 전달되는 과정을 각 단에서 반복함으로써 최종 출력 전압인 Vout은 6Vcc가 될 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 전하 전달 트랜지스터에 인가되는 전압의 스윙 폭을 나타낸 도면이다. Vcc가 3V이고, 펌핑단은 6단인 경우를 가정하고 있다.
각 펌핑단 중 2번째 펌핑단(430-2)를 중심으로 상세히 설명한다. 도 5에 도시된 각 클럭 신호의 타이밍도에 따라서 G2 노드의 전압 VG2가 스윙을 하는 타이밍은 CLKB가 로우이어서 2번째 펌핑단(430-2)의 출력 부분인 N2 노드의 전압 VN2가 펌 핑되지 아니한 2Vcc(=6V)의 값을 가질 때이다. 따라서, VG2 전압 역시 2Vcc(=6V)가 되고, 최종 출력 전압은 6Vcc(=18V)이므로, VG2가 2Vcc인 경우를 최대값으로 하고 (2Vcc-6Vcc(=-12V))인 경우를 최소값으로 하는 진폭으로 스윙한다. 그 외 VG1, VG3 내지 VG6 역시 마찬가지이다.
직류-직류 변환기에서 소비 전력이 가장 큰 부분은 일반적으로 전하 펌프 부분이다. 전하 펌프의 전력 손실은 전하 전달 트랜지스터의 저항 성분에 기인하는 전도 전력 소비와 전하 공급용 커패시터와 전하 전달 트랜지스터의 게이트 전압을 스위칭하기 위한 스위치 전력 손실로 나눌 수 있다. 본 발명에서는 전압 레벨 이동부(420)를 이용하여 절대적인 전압 레벨은 다르지만, 스위칭 트랜지스터가 스위칭될 때의 스위칭 전압 레벨의 크기는 같은 전압이 출력되도록 한다. 즉, 각 펌핑단에서 전하 전달 트랜지스터의 게이트 전압은 펌핑되어 입력되는 입력 전압을 기준으로 하여 최종 출력 전압 Vpp의 스윙폭을 가짐으로써 각 전하 전달 트랜지스터의 VGS의 절대값을 최대로 한다. 따라서, 전하 전달 트랜지스터의 저항 성분을 줄일 수 있으며, 기존의 구조에 비하여 스위치 전력 손실은 증가하지 않는다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전압 레벨 이동부(420)의 출력 전압의 특성을 나타낸 도면이다. 도 7은 도 6에 도시된 스윙 전압폭에 대하여 시뮬레이션한 결과를 보여주고 있다.
도 7을 참조하면, 첫번째 구간(대략 13.45㎳ ~ 13.475㎳)에서 홀수번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터 MP1, MP3 및 MP5의 게이트에 인가되는 전압 레벨 이동부(420)의 출력 전압은 각각 대략 -12V, -6V, 0V이다. 이는 홀수번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터 MP1, MP3 및 MP5 각각의 소스에 인가되는 입력 전압보다 작은 값이어서 MP1, MP3 및 MP5는 턴온된다. 그리고 짝수번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터 MP2, MP4 및 MP6의 게이트에 인가되는 전압 레벨 이동부(420)의 출력 전압은 각각 대략 6V, 12V, 18V이다. 게이트에 인가되는 전압이 소스 전압 이상이므로 짝수번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터들은 각각 턴오프된다.
두번째 구간(대략 13.475㎳ ~ 13.50㎳)에서 반대 상황이 발생한다. 짝수번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터 MP2, MP4 및 MP6의 게이트에 인가되는 전압 레벨 이동부(420)의 출력 전압은 각각 대략 -9V, -3V, 3V이다. 이는 짝수번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터 MP2, MP4 및 MP6 각각의 소스에 인가되는 입력 전압보다 작은 값이어서 MP2, MP4 및 MP6은 턴온된다. 그리고 홀수번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터 MP1, MP3 및 MP5의 게이트에 인가되는 전압 레벨 이동부(420)의 출력 전압은 각각 대략 3V, 9V, 15V이다. 게이트에 인가되는 전압이 소스 전압 이상이므로 홀수번째 펌핑단의 전하 전달 트랜지스터들은 각각 턴오프된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 전류에 따른 출력 전압의 특성을 비교한 도면이고, 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 출력 전류에 따른 전력 효율 특성을 비교한 도면이다.
도 8에서는 참조번호 '800'은 도 1에 도시된 딕슨 구조의 전하 펌프(100)에 의한 결과, 참조번호 '810'은 도 2에 도시된 개선된 전하 펌프(200)에 의한 결과, 참조번호 '820'은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전하 펌프(310)에 의한 결과를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 원하는 출력 전류와 출력 전압의 특성이 딕슨 구조의 전하 펌프(100), 개선된 전하 펌프(200), 본 발명에 따른 전하 펌프(310)의 순으로 점점 더 개선됨을 알 수 있다.
도 9에서는 참조번호 '900'은 도 1에 도시된 딕슨 구조의 전하 펌프(100)에 의한 결과, 참조번호 '910'은 도 2에 도시된 개선된 전하 펌프(200)에 의한 결과, 참조번호 '920'은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전하 펌프(310)에 의한 결과를 나타낸다. 전력은 전압과 전류의 곱으로 나타나고, 전력 효율은 (출력 전력)/(입력 전력) 을 백분율(%)로 나타낸 값이다. (출력 전력)은 최종 출력단에서 출력 전압과 출력 전류의 곱으로 나타나고, (입력 전력)은 입력되는 입력 전압과 입력 전류의 곱으로 나타난다. 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 전하 펌프(310)를 사용하는 경우(920)가 딕슨 구조의 전하 펌프(100)를 사용하는 경우(900) 및 개선된 전하 펌프(200)를 사용하는 경우(910)보다 훨씬 좋은 전력 효율을 보여줌을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전하 펌프는 펌핑단의 전하 전달 트랜지 스터의 게이트에 인가되는 전압의 스윙폭을 최대화하여 VGS를 크게 함으로써 전하 전달 트랜지스터의 저항 성분을 줄일 수 있다.
또한, 저항 성분이 줄어들어 전력 손실을 최소화하고 전력 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 저소비전력 직류-직류 변환기는 고효율의 전하 펌프를 사용하여 유기발광소자를 사용하는 디스플레이 장치에 응용가능하며, 모바일용 디스플레이 장치에 응용가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 입력 전압을 받아들이는 입력 단자;
    출력 전압을 출력하는 출력 단자;
    입력받은 제1 및 제2 게이트 클럭 신호가 소정 크기의 진폭을 가지도록 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 전압 레벨을 이동하는 전압 레벨 이동부; 및
    상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 직렬 연결되는 복수 개의 펌핑단들을 포함하되,
    상기 각 펌핑단은,
    제1 단자로 입력된 전압을 제2 단자로 전달하고, 제1 게이트 단자에 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 상기 펌핑단에 상응하는 게이트 클럭 신호가 인가되며, 상기 제2 단자로 전달된 전압의 레벨이 상기 게이트 클럭 신호의 최대 레벨인 전하 전달 트랜지스터를 포함하는 전하 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑단들 중 홀수번째 펌핑단들은 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 하나의 신호에 응답하여 동작하고, 짝수번째 펌핑단들은 나머지 게이트 클럭 신호에 응답하여 동작하는 전하 펌프.
  3. 제1항에 있어서, 상기 각 펌핑단은,
    상기 제1 단자와 연결된 제2 게이트 단자, 상기 제2 단자와 연결된 제3 단자 및 상기 제1 게이트 단자와 연결된 제4 단자를 포함하는 스윙 트랜지스터(GP);
    상보적인 상태를 가지는 제1 및 제2 펌핑 클럭 신호 중 대응하는 펌핑 클럭 신호와 상기 제2 단자 사이에 연결되는 펌핑 커패시터(CP); 및
    상기 소정 크기의 진폭을 가지는 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 대응하는 게이트 클럭 신호와 상기 제1 게이트 단자 사이에 연결되는 스윙 커패시터(C)
    를 포함하는 전하 펌프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전하 전달 트랜지스터 및 상기 스윙 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터인 전하 펌프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 펌핑 클럭 신호와 상기 제1 게이트 클럭 신호가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되고, 상기 제1 게이트 클럭 신호의 로우(low) 구간은 상기 제1 펌핑 클럭 신호의 로우 구간에 포함되며,
    상기 제2 펌핑 클럭 신호와 상기 제2 게이트 클럭 신호가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되고, 상기 제2 게이트 클럭 신호의 로우 구간은 상기 제2 펌핑 클럭 신호의 로우 구간에 포함되는 전하 펌프.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전압 레벨 이동부는,
    상기 출력 단자로부터 상기 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 진폭이 상기 출력 전압의 크기가 되도록 전압 레벨을 이동하는 전하 펌프.
  7. 전하 펌프;
    제1 및 제2 펌핑 클럭 신호, 제1 및 제2 게이트 클럭 신호를 생성하는 신호 발생기; 및
    상기 제1 및 제2 펌핑 클럭 신호 및 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호를 이용하여 상기 전하 펌프를 구동하는 신호 구동 장치를 포함하되,
    상기 전하 펌프는,
    입력 전압을 받아들이는 입력 단자와,
    출력 전압을 출력하는 출력 단자와,
    입력받은 제1 및 제2 게이트 클럭 신호가 소정 크기의 진폭을 가지도록 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 전압 레벨을 이동하는 전압 레벨 이동부와, 그리고
    상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 직렬 연결되는 복수 개의 펌핑단들을 포함하고,
    상기 각 펌핑단은,
    제1 단자로 입력된 전압을 제2 단자로 전달하고, 제1 게이트 단자에 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 상응하는 게이트 클럭 신호가 인가되며, 상기 게이트 클럭 신호의 최대 레벨은 상기 제2 단자로 전달된 전압의 레벨인 전하 전달 트랜지스터
    를 포함하는 직류-직류 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 출력 전압의 크기가 소정 크기 이하인 경우 상기 신호 발생기가 동작하도록 인에이블(enable) 신호를 출력하고, 상기 출력 전압의 크기가 소정 크기 이상인 경우 상기 신호 발생기가 동작하지 못하도록 디스에이블(disable) 신호를 출력하는 전압 레벨 검출기
    를 더 포함하는 직류-직류 변환기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 펌핑단들 중 홀수번째 펌핑단들은 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호 중 하나의 신호에 응답하여 동작하고, 짝수번째 펌핑단들은 나머지 게이트 클럭 신호에 응답하여 동작하는 직류-직류 변환기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 각 펌핑단은 상기 제1 단자와 연결된 제2 게이트 단자, 상기 제2 단자와 연결된 제3 단자 및 상기 제1 게이트 단자와 연결된 제4 단자를 포함하는 스윙 트랜지스터(GP)를 더 포함하고,
    상기 전하 전달 트랜지스터 및 상기 스윙 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터인 직류-직류 변환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 펌핑 클럭 신호와 상기 제1 게이트 클럭 신호가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되고, 상기 제1 게이트 클럭 신호의 로우(low) 구간은 상기 제1 펌핑 클럭 신호의 로우 구간에 포함되며,
    상기 제2 펌핑 클럭 신호와 상기 제2 게이트 클럭 신호가 대응하여 동일한 펌핑단에 인가되고, 상기 제2 게이트 클럭 신호의 로우 구간은 상기 제2 펌핑 클럭 신호의 로우 구간에 포함되는 직류-직류 변환기.
  12. 제7항에 있어서, 상기 전압 레벨 이동부는,
    상기 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 및 제2 게이트 클럭 신호의 진폭이 상기 출력 전압의 크기가 되도록 전압 레벨을 이동하는 직류-직류 변환기.
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