KR101598071B1 - Ａｍｏｌｅｄ를 위한 전원 공급 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 능동형 유기 전계 발광 다이오드(AMOLED)를 위한 전원 공급 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. AMOLED로 전원을 공급하며, 클럭 신호에 따라 스위칭 주파수가 변하는 이 장치는, AMOLED의 부하 전류와 제1 기준 전압을 비교하고, 비교된 결과를 부하 검사 신호로서 출력하는 부하 검사부 및 부하 검사 신호에 응답하여 가변되는 주파수를 갖는 클럭 신호를 발생하는 주파수 발진부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, AMOLED의 부하 조건 예를 들면 부하 전류에 따라 변조되는 주파수를 갖는 클럭 신호에 따라 스위칭되므로 낮은 부하 전류가 발생하는 조건에서 불필요하게 소모되는 스위칭 전력의 손실을 줄여 효율을 개선시킬 수 있는 즉, 부하 전류가 낮은 상황에 크게 영향을 받지 않아 효율 개선을 극대화시킬 수 있는 효과를 갖는다.
능동형 유기 전계 발광 다이오드, 전력 손실, 클럭 신호

Description

ＡＭＯＬＥＤ를 위한 전원 공급 장치 및 방법{Apparatus and method for supplying power of AMOLED}
본 발명은 능동형 유기 전계 발광 다이오드(AMOLED)를 이용한 디스플레이에 관한 것으로서, 특히, AMOLED에 전원을 공급하는 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.
AMOLED에 전력을 공급하는 집적 회로(IC)(이하, 전원 공급 장치라 한다.)는 AMOLED에 안정적으로 전원을 공급한다. 대부분의 IC들은 입력 전원의 조건에 따라 포지티브(Positive) 전원을 형성하는 전압 하강부(Buck), 혹은 전압 상승부(Boost Converter)와 네가티브(Negative) 전원을 형성하는 인버터(Inverter)로 구성된다. 사용되는 내부소자로서, 포지티브단은 NMOS 트랜지스터를 사용하고, 네가티브단은 PMOS 트랜지스터를 사용한다.
실제 응용(application)에서 포지티브 단과 네가티브 단이 OLED의 양전원을 형성하며, 전원 공급 장치의 출력단 트랜지스터에 흐르는 전류의 량이 곧 전력의 크기를 결정한다. 선형(linear) 소자와는 달리, 전원 공급 장치는 효율 개선을 위하여 스위치 모드(Switch mode)로 동작된다. 이상적인 경우, 전원 공급 장치는 부 하의 크기에 상관없이 동일한 효율을 가져야 하지만, 실제 회로적으로 및 시스템적으로 내부적인 전력 손실(Power Loss)이 발생할 수 밖에 없다.
전원 공급 장치의 전력 손실은 크게 스위칭 손실(switching loss)와 전도 손실(conduction loss)로 나눌 수 있다. 용량이 큰 전력 트랜지스터(Power Transistor)를 스위치(Switch)로 사용하는 경우, 전도 손실은 전력 트랜지스터의 크기에 비례한다. 그러므로, 전도 손실을 줄이기 위해 전원 공급 장치의 스위칭 주파수(Switching frequency)를 빠르게 한다. 이 경우, 스위칭 손실이 증가하게 된다. 이와 같이, 스위칭 손실과 전도 손실은 서로 교환(trade off) 관계에 있기 때문에, 적정한 주파수 및 전력 트랜지스터가 적정한 크기를 갖도록 해야 한다.
일반적인 전원 공급 장치에서의 전력 손실은 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008089977574-pat00001
여기서, Pswitching은 전력의 스위칭 성분으로서, 충/방전 기생 커패시턴스에 의한 전력 손실로서, 전체 손실의 대략 70 내지 90%를 차지한다. Pshort-circuit는 전력의 단락 회로 성분으로서, 전력 트랜지스터의 온(ON) 저항에 의한 전력 손실로서, 전체 손실의 대략 10% 내지 30%를 차지한다. Pleakage는 전력의 누설 성분으로서 전체 손실의 약 1%이하이다. Pstatic는 정적 전력으로서 이상적인 MOS 트랜지스터를 이용한 회로에서 거의 없다. 수학식 1로부터 알 수 있듯이, 전원 공급 장치의 평균 전력(Paverage)에서 스위칭 전력(Pswitching)의 손실이 가장 큰 부분을 차지함을 알 수 있다.
그럼에도 불구하고, 전원 공급 장치를 설계할 때, 대부분 최대 전력을 구동할 수 있도록 전력 트랜지스터의 크기를 우선적으로 고려한다. 따라서, 전원 공급 장치에서 사용하는 주파수 역시 빠르게 만들어지고, 정상적인 부하 조건에서는 최적화된 설계가 가능하지만, 부하가 낮은 영역에서는 주파수가 빠를수록 효율 저하가 불가피하게 발생되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, AMOLED의 부하 조건에 따라 낮은 주파수로 스위칭할 수 있도록 하여 불필요하게 소모되는 스위칭 전력을 줄일 수 있는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위해, 능동형 유기 전계 발광 다이오드(AMOLED)로 전원을 공급하며, 클럭 신호에 따라 스위칭 주파수가 변하는 본 발명에 의한 전원 공급 장치는, 상기 AMOLED의 부하 전류와 제1 기준 전압을 비교하고, 비교된 결과를 부하 검사 신호로서 출력하는 부하 검사부 및 상기 부하 검사 신호에 응답하여 가변되는 주파수를 갖는 상기 클럭 신호를 발생하는 주파수 발진부로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 다른 과제를 이루기 위해, 능동형 유기 전계 발광 다이오드(AMOLED)로 전원을 공급하며, 클럭 신호에 따라 스위칭 주파수가 변하는 전원 공급 장치에서 수행되는 본 발명에 의한 전원 공급 방법은, 상기 AMOLED의 부하 전류 임계값보다 적은가를 판단하는 단계와, 상기 부하 전류가 상기 임계값보다 적다고 판단되면, 상기 클럭 신호의 주파수를 감소시키는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 AMOLED를 위한 전원 공급 장치 및 방법은 고정된 주파수를 갖는 클럭 신호에 따라 스위칭되므로 불필요하게 고속으로 스위칭되어 전력을 손실 하는 일반적인 전원 공급 장치와 달리, AMOLED의 부하 조건 예를 들면 부하 전류에 따라 변조되는 주파수를 갖는 클럭 신호에 따라 스위칭되므로 낮은 부하 전류가 발생하는 조건에서 불필요하게 소모되는 스위칭 전력의 손실을 줄여 효율을 개선시킬 수 있는 즉, 부하 전류가 낮은 상황에 크게 영향을 받지 않아 효율 개선을 극대화시킬 수 있는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 능동형 유기 전계 발광 다이오드(AMOLED)를 위한 전원 공급 장치를 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 AMOLED를 위한 전원 공급 장치의 블럭도이다.
도 1에 도시된 전원 공급 장치는 AMOLED로 전원을 공급하는 역할을 하며, 클럭 신호(CLK)에 따라 자신의 스위칭 주파수가 변한다. 본 발명에 의한 전원 공급 장치에서 AMOLED로 전원을 공급하는 회로는 일반적인 사항이므로, 여기서는 AMOLED의 부하 전류에 따라 클럭 신호의 주파수를 변화시키는 부분에 대해서만 중점적으로 살펴본다.
먼저, 도 1에 도시된 전원 공급 장치는 부하 검사부(10) 및 주파수 발진부(20)로 구성된다.
부하 검사부(10)는 AMOLED의 부하 전류(IL)에 의하여 부하 저항(R)에 걸리는 전압과 기준 전압(VREF)을 비교하고, 비교된 결과를 부하 검사 신호(VLO)로서 주파수 발진부(20)로 출력한다. 이를 위해, 부하 검사부(10)는 부하 저항(R), 다이오드(14) 및 제1 비교기(12)로 구성된다. 여기서, 부하 전류(IL)는 AMOLED 전원 공급 장치에 일반적으로 포함되는 전력(power) 트랜지스터의 스위칭의 부하일 수 있다.
부하 저항(R)은 부하 전류(IL)가 인가되는 일단을 갖고 접지와 연결되는 타단을 갖는다. 부하 전류(IL)가 흐르는 다이오드(14)는 부하 저항(R)과 연결되는 음극을 갖고 부하 전압(Vout)와 연결되는 양극을 갖는다. 여기서, 부하 전압(Vout)은 고정된 값일 수 있다. 제1 비교기(12)는 부하 저항(R)의 일단과 연결되는 음의 입력단자(-) 및 제1 기준 전압(VREF)과 연결되는 양의 입력 단자(+)를 갖는다.
전술한 구성을 갖는 부하 검사부(10)는 부하 전류(IL)가 낮을 경우, 제1 비교기(12)의 음의 입력단자(-)로 낮은 전압이 인가되므로, "고" 논리 레벨의 부하 검사 신호(VLO)가 주파수 발진부(20)로 출력된다. 그러나, 부하 전류(IL)가 높을 경우, 제1 비교기(12)의 음의 입력단자(-)로 높은 전압이 인가되므로, "저" 논리 레벨의 부하 검사 신호(VLO)가 주파수 발진부(20)로 출력된다.
전술한 본 발명에 의한 전원 공급 장치에서, 부하 검사부(10)는 부하의 조건을 감지(sensing)하는 역할을 수행함을 알 수 있다. 따라서, 부하 전류(IL)의 조건에 따라 부하 저항(R)의 저항값과, 제1 기준 전압(VREF)의 레벨이 결정될 수 있다.
한편, 주파수 발진부(20)는 부하 검사부(10)로부터 제공되는 부하 검사 신 호(VLO)에 응답하여 가변되는 주파수를 갖는 클럭 신호(CLK)를 발생한다. 이를 위해, 주파수 발진부(20)는 전류원(Ic), 복수개의 커패시터들(C1 및 C2), 제1 및 제2 스위치들(30 및 32) 및 스위칭부(22)로 구성된다.
먼저, 전류원(Ic)은 일정한 전류를 공급하는 역할을 한다. 복수 개의 커패시터들(C1 및 C2)은 전류원(Ic)과 접지 사이에 병렬 연결된다.
제1 스위치(30)는 커패시터들(C1 및 C2)중 일부(C2)와 접지 사이에 연결되고, 부하 검사부(10)로부터 제공된 부하 검사 신호(VLO)에 응답하여 스위칭된다. 도 1의 경우, 두 개의 커패시터들(C1 및 C2)만이 존재하지만, 세 개 이상의 커패시터들이 존재할 수도 있다. 이 경우, 2개를 초과하는 커패시터들은 전류원(Ic)과 커패시터(C1)가 접속하는 제1 노드(N1)와 제1 스위치(30) 사이에 병렬 연결된다. 설명의 편의상 2개의 커패시터들(C1 및 C2)을 기준으로 설명하지만, 3개 이상의 커패시터들이 존재할 경우에도 본 발명의 원리가 동일하게 적용된다.
제1 스위치(30)는 제1 NMOS 트랜지스터(MN1)으로 이루어질 수 있다. 제1 NMOS 트랜지스터(MN1)는 커패시터들(C1 및 C2)중 하나(C2)와 접지 사이에 연결되는 드레인 및 소스를 갖고, 부하 검사 신호(VLO)가 인가되는 게이트를 갖는다.
제2 스위치(32)는 커패시터들(C1 및 C2)중 나머지(C1)에 병렬 연결되어, 클럭 신호(CLK)에 응답하여 스위칭된다. 이를 위해, 제2 스위치(32)는 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)로 구성된다. 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)는 전류원(Ic)과 접지에 각각 연결되는 드레인 및 소스를 갖고, 클럭 신호(CLK)가 인가되는 게이트를 갖는다.
스위칭부(22)는 커패시터들(C1 및 C2)에 충전된 전압과 제2 기준 전압들(VL 및 VH)을 비교한 결과에 따라 클럭 신호(CLK)를 출력한다.
전술한 구성을 갖는 주파수 발진부(20)의 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
부하 전류(IL)가 낮을 경우, "고" 논리 레벨의 부하 검사 신호(VLO)가 발생되므로 제1 스위치(30)가 턴 온된다. 즉, 제1 NMOS 트랜지스터(MN1)가 턴 온되어 커패시터(C2)에서 전류(Ic)를 충전하기 위한 경로가 형성된다. 이 경우, 전류원(Ic)으로부터 공급되는 전류가 커패시터들(C1 및 C2)에 모두 충전된다. 등가 커패시턴스가 C1+C2가 되므로, 충전되는 전압이 상승하게 된다. 따라서, 노드(N1)에서의 전압이 상승하게 된다. 이 경우, 노드(N1)에서의 전압이 상승하면, 스위칭부(22)는 클럭 신호(CLK)의 주파수를 감소시켜 출력한다. 즉, 커패시턴스의 증가분(C2)만큼 클럭 신호(CLK)의 주파수가 감소하게 된다. 전술한 전원 공급 장치의 안정적인 동작을 위해 제1 스위치(30)와 연결되는 커패시터(C2)의 커패시턴스는 제2 스위치(32)와 연결되는 커패시터(C1)의 커패시턴스의 대략 절반(1/2)일 수 있다. 이 경우, 부하 전류(IL)가 낮을 경우, 클럭 신호(CLK)의 주파수는 대략 2/3 정도로 줄어들 수 있다.
이와 반대로, 부하 전류(IL)가 낮지 않은 경우, "저" 논리 레벨의 부하 검사 신호(VLO)가 발생되므로 제1 스위치(30)가 턴 오프된다. 즉, 제1 NMOS 트랜지스 터(MN1)가 턴 오프되어 커패시터(C1)에서 전류(Ic)를 충전하기 위한 경로가 차단된다. 이 경우, 전류원(Ic)으로부터 공급되는 전류가 커패시터(C1)에만 충전된다. 따라서, 노드(N1)에서의 전압이 상승하지 않게 된다. 이 경우, 노드(N1)에서의 전압이 상승하지 않으면, 스위칭부(22)는 클럭 신호(CLK)의 주파수를 감소시키지 않는다. 즉, 커패시턴스가 C1만으로서 C2 만큼 증가되지 않았기 때문에 클럭 신호(CLK)의 주파수가 감소되지 않는다.
즉, 이와 같이, 주파수 발진부(20)는 부하 전류(IL)의 대소에 따라 클럭 신호(CLK)의 주파수를 변조함을 알 수 있다.
이때, 제2 스위치(32)는 클럭 신호(CLK)에 응답하여 턴 온되거나 턴 오프된다. 만일, "고" 논리 레벨의 클럭 신호(CLK)가 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 게이트로 제공되면 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)는 턴 온되고, "저" 논리 레벨의 클럭 신호(CLK)가 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 게이트로 제공되면 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)는 턴 오프된다. 이와 같이, 제2 NMOS 트랜지스터(MN2)의 스위칭 동작으로 인해 클럭 신호는 "고" 및 "저" 논리 레벨이 반복되는 형태로 출력될 수 있다.
전술한 바와 같이, 노드(N1)에서의 전압이 상승하면 클럭 신호(CLK)의 주파수가 감소되고, 노드(N1)에서의 전압이 하강하면 클럭 신호(CLK)의 주파수가 증가되도록 하는 데 결정적인 역할을 하는 스위칭부(22)는 제2 및 제3 비교기들(24 및 26)과 SR 플립플롭(28)으로 구성된다.
제2 비교기(24)는 커패시터들(C1 및 C2)중 적어도 하나에 충전된 전압 즉, 노드(N1)와 연결되는 음의 입력단자(-) 및 제2 기준 전압들 중 낮은 레벨을 갖는 제2 기준 전압(VL)과 연결되는 양의 입력단자(+)를 갖는다. 제3 비교기(26)는 커패시터들(C1 및 C2) 중 적어도 하나에 충전된 전압 즉, 노드(N1)와 연결되는 양의 입력단자(+) 및 제2 기준 전압들 중 높은 레벨을 갖는 제2 기준 전압(VH)과 연결되는 음의 입력단자(-)를 갖는다. SR 플립플롭(28)은 제3 비교기(26)의 출력과 연결되는 S단자 및 제2 비교기(24)의 출력과 연결되는 R단자를 갖고, 클럭 신호(CLK)를 출력하는 출력단자를 갖는다. 여기서, 정출력단자(Q)를 통해 클럭 신호(CLK)가 출력되는 것으로 도시되어 있지만 부출력 단자(미도시)를 통해서도 클럭 신호(CLK)가 출력될 수도 있다.
결국, 전술한 본 발명에 의한 AMOLED를 위한 전원 공급 장치는 내부 회로의 전파 지연(propagation delay)이 동일하다고 가정할 때, 전원 공급 장치가 부하 전류(IL)의 크기에 관계없이 고속으로 스위칭할 때 불필요하게 소모되는 전력 손실을 줄일 수 있어, 낮은 부하 전류가 발생할 때 전력 효율을 개선시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 AMOLED를 위한 전원 공급 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 AMOLED를 위한 전원 공급 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 2에 도시된 전원 공급 방법은 도 1에 도시된 전원 공급 장치에서 수행될 수 있다.
먼저, AMOLED의 부하 전류(IL)가 임계값보다 적은가를 판단한다(제40 단계). 여기서, 도 1에 도시된 회로의 경우 임계값은 VREF/R이다. 제40 단계는 제1 비교기(12)의 비교 동작에 의해 수행될 수 있다.
만일, 부하 전류(IL)가 임계값보다 적다고 판단되면, 이는 부하 전류(IL)가 낮다는 것을 의미하므로, 클럭 신호(CLK)의 주파수를 감소시킨다(제42 단계). 그러나, 부하 전류(IL)가 임계값보다 적지 않다고 판단되면, 클럭 신호(CLK)의 주파수를 감소시키지 않는다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 AMOLED를 위한 전원 공급 장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 AMOLED를 위한 전원 공급 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 부하 검사부 12 : 제1 비교기
14 : 다이오드 20 : 주파수 발진부
22 : 스위칭부 30 : 제1 스위치
32 : 제2 스위치

Claims (10)

  1. 능동형 유기 전계 발광 다이오드(AMOLED)로 전원을 공급하며, 클럭 신호에 따라 스위칭 주파수가 변하는 전원 공급 장치에 있어서,
    부하 검사 신호를 출력하는 부하 검사부; 및
    상기 부하 검사 신호에 응답하여 가변되는 주파수를 갖는 상기 클럭 신호를 발생하는 주파수 발진부를 구비하며,
    상기 부하 검사부는,
    음의 입력 단자 및 기준 전압이 입력되는 양의 입력 단자를 가지며, 상기 부하 검사 신호를 출력하는 제1 비교기; 및
    일 단이 상기 음의 입력 단자와 연결되고, 타 단이 접지와 연결되는 부하 저항을 가지며, 상기 부하 저항의 일 단으로 부하 전류가 인가되는 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 부하 검사부는
    상기 부하 전류가 흐르는 다이오드를 더 구비하며, 상기 다이오드의 음극은 상기 부하 저항의 일단에 연결되고, 상기 다이오드의 양극에는 부하 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 주파수 발진부는
    일정한 전류를 공급하는 전류원;
    상기 전류원과 상기 접지 사이에 연결되는 제1 커패시터;
    일 단이 상기 전류원과 상기 제1 커패시터가 접속하는 제1 노드에 연결되는 제2 커패시터;
    상기 제2 커패시터의 타 단과 상기 접지 사이에 연결되고, 상기 부하 검사 신호에 응답하여 스위칭되는 제1 스위치;
    상기 제1 커패시터에 병렬 연결되어, 상기 클럭 신호에 응답하여 스위칭되는 제2 스위치; 및
    상기 제1 및 제2 커패시터들에 충전된 전압과 제2 기준 전압들을 비교한 결과에 따라 상기 클럭 신호를 출력하는 스위칭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 스위칭부는
    상기 제1 노드와 연결되는 음의 입력단자, 및 상기 제2 기준 전압들 중 낮은 레벨을 갖는 상기 제2 기준 전압과 연결되는 양의 입력단자를 갖는 제2 비교기;
    상기 제1 노드와 연결되는 양의 입력단자, 및 상기 제2 기준 전압들 중 높은 레벨을 갖는 상기 제2 기준 전압과 연결되는 음의 입력단자를 갖는 제3 비교기; 및
    상기 제3 비교기의 출력과 연결되는 S단자 및 상기 제2 비교기의 출력과 연결되는 R단자를 갖고, 상기 클럭 신호를 출력하는 출력 단자를 갖는 SR 플립플롭을 구비하는 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 제1 스위치는
    상기 제2 커패시터와 상기 접지 사이에 연결되는 드레인 및 소스를 갖고, 상기 부하 검사 신호가 인가되는 게이트를 갖는 제1 NMOS 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 제2 스위치는
    상기 제1 노드와 상기 접지에 각각 연결되는 드레인 및 소스를 갖고, 상기 클럭 신호가 인가되는 게이트를 갖는 제2 NMOS 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 커패시터의 커패시턴스는 상기 제1 커패시터의 커패시턴스의 절반인 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  8. 제2 항에 있어서, 상기 주파수 발진부는,
    상기 부하 전류의 대소에 따라서 상기 클럭 신호의 주파수를 변조하는 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 주파수 발진부는,
    상기 부하 전류가 임계값보다 적으면, 상기 클럭 신호의 주파수를 감소시키며, 상기 임계값은 상기 기준 전압을 상기 부하 저항으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제2 커패시터와 병렬 연결되는 적어도 하나의 제3 커패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 AMOLED를 위한 전원 공급 장치.
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