KR20020093015A - 전하 펌프 장치와, 이 장치를 갖는 디스플레이 드라이버,디스플레이 모듈 및 통신 단말기 - Google Patents

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KR20020093015A KR1020027013069A KR20027013069A KR20020093015A KR 20020093015 A KR20020093015 A KR 20020093015A KR 1020027013069 A KR1020027013069 A KR 1020027013069A KR 20027013069 A KR20027013069 A KR 20027013069A KR 20020093015 A KR20020093015 A KR 20020093015A
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Abstract

본 발명은 전하 펌프 장치(charge pump device)와, 이 전하 펌프 장치를 갖는 디스플레이 드라이버(display driver)에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전하 펌프 장치를 이용하는 디스플레이 드라이버를 갖는 디스플레이 모듈(display module)과, 이러한 디스플레이 모듈을 구비하는 통신 단말기(telecom terminal)에 관한 것이다. 공급원 전압보다 더 높은 전압을 발생하기 위해 전하 펌프를 필요로 하는 장치를 제공하기 위해서, 적어도 두 개의 스테이지(S)를 포함하는 전하 펌프 장치가 제안되는데, 이 때 스테이지(S)는 공급원 전압(Vdd)보다 더 높은 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치(charge device)(CSn)와 스위치(SWn)를 포함하여, 스테이지들(S)이 직렬로 배열되고, 전하 펌프(CP)의 요구된 승수(multiplication factor)(MF)는 정의 가능한 개수의 스테이지들(S)을 활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능하여, 각 스테이지(Sn)의 스위치들(SWn)이 동일한 방식으로 배열된다. 이로써, 공급원 전압의 승수가 자유롭게 프로그램 가능하게 되고, 동시에 최대 승수보다 작은 승수를 프로그래밍함으로써 전력 소비에 있어서 최적화된 전하 펌프내의 스위치들을 구비하게 된다.

Description

전하 펌프 장치와, 이 장치를 갖는 디스플레이 드라이버, 디스플레이 모듈 및 통신 단말기{PROGRAMMABLE CHARGE PUMP DEVICE}
전하 펌프 장치 혹은 전압 배율기(voltage multipliers)는 공급원 전압보다 더 높은 전압이 필요한 장치들에 이용된다. 이러한 전하 펌프는 특히 LCD 모듈과 플래시 메모리에서 이용될 것인데, 그 이유는, 입수 가능한 공급원 전압보다 이런 장치에서 요구되는 최고 전압이 더 크기 때문이다. 이 부분들은 오늘날 다량으로 발생되며, 전류 효율이 주요 관건이다. 이들은 배터리로 동작되는 애플리케이션에 이용되게 되어 있어서, 저 전류 소비와 함께 최근에는 저 전압 문제도 점점 더 중요해지고 있다.
LCD 모듈은 셀룰러 전화기와 그 밖의 휴대용 장치 예컨대 오거나이저(organizer), 랩탑, PDA 등에 많이 응용되어 있다. 전화기에서, 아날로그 블록을 위해 입수 가능한 공급원 전압은 2.8V이고, LCD 그래픽 디스플레이는 6 내지 16V의 전압으로 구동될 수 있다. 전압은 공급원 전압의 적어도 3배로 승압될 필요가 있다. 디스플레이는 방대한 범위의 공급원 전압내에서 동작할 수 있어야 하므로, 승수(multiplication factor)가 애플리케이션에 따라 변해야 한다.
전하 펌프는 몇 개 스테이지의 캐스케이드(cascade of several stages)로 구성되므로, 스테이지는 적어도 스위치 혹은 다이오드와, 대부분 캐패시터로 실현되는 전하 축적 소자 및, 하나의 드라이버를 포함한다. 드라이버는 전하 축적 소자를 제어하며, 주기적인 신호나 단계들(phases)에 의해 동작된다. 제 1 스테이지에 축적된 전하는 다음 스테이지로 보내질 것이고, 여기에서 이 스테이지의 전하와 더해져서 더 높은 전압이 발생될 것이며, 이렇게 높아진 전압은 장치 즉, 이동 전화기의 LCD 모듈에 제공된다.
전하 펌프에는 두 종류, 즉, 온-칩 캐패시터(on-chip capacitors) 혹은 외부 캐패시터(external capacitors)가 존재한다. 온-칩 캐패시터 드라이버는 칩-온-글래스 실현(Chip-On-Glass realizations)을 위한 가장 간단한 솔루션으로, 약 95%의 전류 효율을 제공할 수 있다. 온-칩 솔루션의 비용은 저가이다. 외부 캐패시터를 갖는 전하 펌프는 더 효율적이지만, 더 비싸기 때문에 칩-온-글래스 솔루션에는 덜 적합하다.
솔루션을 상이한 애플리케이션들에 맞게 조절하도록 전하 펌프의 승수를 변경하기 위해서, 모든 전하 펌프 스테이지가 이용되었을 때의 최대 가능 전압 이하의 출력 전압을 발생하는 데에는 전하 펌프 스테이지들 모두가 아닌 일부를 이용하는 것도 가능할 것이다. 예를 들면, 디스플레이 액정의 특성중 하나는, 이들이 저온에서 고전압으로 구동되어야 한다는 것이지만, 배터리는 오로지 저전압만을 공급할 수 있다. 이 경우, 실온에서보다 더 높은 승수를 선택함으로써, 디스플레이 모듈의 전류 소비를 개선할 수 있다.
이 때, 너무 낮지 않은 공급원 전압 Vdd과 함께, 모두가 아닌 일부 스테이지가 이용되는 경우, 중간 스테이지중 하나가 제 1 스위칭 스테이지로 이용되는 일이 발생하여, 전류 효율의 손실을 초래한다.
그러므로, 전하 펌프는 편리하지만, 역방향 전류(back current) 때문에 최적 이상의 전력을 소비한다. 로크된 스테이지의 스위치가 아직 완전히 개방되지 않은 동안에 어떤 스테이지에서 전하 펌프 장치의 입력을 향하는 스테이지 이전의 스테이지로 흐르는 역방향 전류로 인한 손실을 최소화하기 위해, 스위치가 개선되었다.
역방향 전류가 갖는 문제를 해결하기 위해, 전하 펌프의 제 1 스테이지와 최종 스테이지의 스위치는 중간 스테이지의 스위치와 다르다.
공지된 애플리케이션에서는, 전하 펌프가 마스크 교환(mask change)을 포함하도록 설계되는데, 이로써 첫 번째로 이용된 스테이지는 효율을 증가시키도록 변형되었지만, 승수의 추가 소프트웨어 변경을 허용하지 않는다. 이 솔루션은 꽤 제한적이다.
EP 제 03190634호는 일련의 정류기 소자를 포함하는 전압 배율기 회로를 개시하는데, 이 회로에서는 이웃하는 소자들의 쌍의 접점에 연결되어 있는 캐패시턴스들에게 상보적인 클록 신호를 선택적으로 인가함으로써 정류기 소자들이 선택적으로 도전된다.
프로그램 가능 전하 펌프에서, 승수는 얼마나 많은 스테이지들이 스위칭하고 있는지에 따라 결정된다. 제 1 스테이지를 필두로 하여 입력에 근접한 스테이지들은 도전성으로 바뀌어, 제 1 스위칭 스테이지의 입력에 공급 전압을 초래한다. 중간 스테이지들은 도 2에서 모든 유형의 것으로, 커맨드 게이트(command gate)의 레벨을 증가시키는 부트스트랩 캐패시터(bootstrap capacitor)를 갖는다.
그러나 프로그램 가능 전하 펌프에서 제 1 스위칭 스테이지는 스테이지중의 어떤 것일 수도 있다.
이러한 유형의 스테이지 혹은 소자를 전압 배율기 혹은 전하 펌프의 제 1 스테이지로 이용함으로써, 입력은 일정(Vdd)하며, 중간 스테이지에서처럼 입력이 전환될 수 없다. 이 경우, 공급원 전압이 2｜Vtp｜보다 낮다면, 스위치는 온(ON)이 될 수 없다(Vtp는 PMOS의 임계 전압임).
공급원 전압 Vdd가 점점 더 낮아질수록, 이러한 문제가 제기된다. 오늘날의 전하 펌프에 이용되는 스위치는 PMOS 트랜지스터를 이용해 스테이지의 스위치를 구성한다. 이러한 스위치 작동을 개선하기 위해, PMOS 스위치의 게이트를 구동하는데 부트스트랩 캐패시터나 레벨 시프터가 이용된다. 모든 중간 및 최종 스테이지에 부트스트랩 캐패시터 기술이 이용되며, 이것은 매우 효율적인 솔루션인 것으로 인식된다. 하지만, 이 스위치들은 오로지 공급원 전압 Vdd>2｜Vtp｜일 때에만 정확하게 동작할 수 있으며, 이 때 Vtp는 PMOS 트랜지스터의 임계 전압이다. 이것은 스위치의 부트스트랩 캐패시터가 제 1 스테이지로서 이용되고 Vdd∼Vss가 항시 공급되는 경우로 제한되며, 여기에서 Vss는 0V로 간주되는 스위치의 접지 전위이지만, 기생 저항 때문에 변할 수 있다. 더 낮은 공급원 전압에 대해서는, 전하 펌프가 작동하지 않을 것이다. ｜Vtp｜는 1.3V정도의 크기를 가질 수 잇으며, 프로세스 파라미터와 온도에 따라 변한다. 그러므로, 2.6V보다 낮은 Vdd는 문제를 유발할 것이다.
발명의 개요
그러므로, 본 발명의 목적은, 자유로이 조정 가능한 승수를 갖고 전력 손실이 최소화된 전하 펌프를 갖는 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 적어도 두 개의 스테이지를 포함하는 전하 펌프 장치에 의해 해결되는데, 스테이지는 공급원 전압보다 더 높은 특정한 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치(charge device)와 스위치를 포함하여, 스테이지들이 직렬로 배열되고, 전하 펌프의 필요한 승수는 특정 개수의 스테이지를 활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능하여, 각각의 스테이지의 스위치들은 동일한 방식으로 배열된다.
본 발명은 승수가 최대치보다 더 낮게 프로그램될 때 낮은 공급원 전압의 한계를 처리하고, 또한 효율 손실에 대한 솔루션도 만들어 낸다. 부트스트랩 캐패시터를 갖는 스위치도 개선된다. 새로운 전하 펌프는 Vdd=｜Vtp｜에서 시작하여 편리하고, 스테이지의 개수 N과는 다른 승수를 프로그래밍하는 것조차도 전류 효율을 감소시키지 않는다.
본 발명에 따른 전하 펌프의 일 실시예는, 최대 가능 인수보다 작은 승수를 조정하기 위해 전하 펌프 장치의 입력에서부터 시작하는 스테이지들이 비활성화되는 것을 특징으로 한다. 이로써, 다른 애플리케이션에 대해 이 전하 펌프를 이용하는 가능성이 보장되어, 필요치 않은 스테이지들의 스위칭 오프로 인한 전력 손실이 나타나지 않는다.
최대 승수가 요구되지 않는 애플리케이션에 대해서는, 전력을 조금도 손실하지 않으면서 미사용 스테이지들이 스위치 오프될 수 있다.
이를 달성하기 위해, 전하 펌프는 스위치와, 드라이버와, 실제로는 스테이지 캐패시터인 충전 장치로 이루어진 캐스케이드로 구성된다. 스테이지의 각 스위치 SW는 전하 펌프 장치의 스테이지(S)의 입력 IN과 출력 OUT 사이에 배열된 스위치 MP1과, 스위치 MP1의 분리된 벌크(isolated bulk)를 제어하는 두 개의 트랜지스터 MP2, MP3과, 부트 캐패시터(CB)를 충전하는 네 번째 트랜지스터 MP4를 포함하여, 부트 캐패시터(CB)가 스위치 MP1의 게이트를 구동하는 전하를 축적하도록 배열되고, 게이트 스위치 제어 유닛(GSU;gate switch control unit)을 더 포함하여, 이 게이트 스위치 제어 유닛 GSU가 스위치 MP1의 게이트를 스위치하도록 배열된다.
PMOS 트랜지스터는 이들이 N-웰 영역(N-well area)에 만들어지기 때문에 분리된 벌크를 갖는다. 이 N-웰 영역을 항상 최고 전위로 바이어싱(biasing)함으로써, 접합부(junction)는 역방향으로 바이어스되고, PMOS 트랜지스터를 기판으로부터 전기적으로 절연시킨다. MP2와 MP3의 역할은 입력과 출력 사이에서 어떤 것이 최고 전위인지를 결정하는 것이다. 하나의 스위치의 모든 PMOS 트랜지스터는 동일한 N-웰 영역에 만들어진다. 본 발명의 일 실시예에서, 스위치 MP1은 바람직하게 분리된 벌크 트랜지스터로 실현된다.
본 발명의 일 실시예에서, 전하 펌프 장치는 게이트 스위치 제어 유닛(GSU)에 대해 제어 신호를 제공하는 레벨 발생 유닛(LGU;level generation unit)을 포함하여, CB캐패시터에 대해 스위치 MP1 트랜지스터의 게이트를 접속할 것인지 분리할 것인지가 게이트 스위치 제어 유닛에게 미리 알려진다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 전하 펌프 장치는, 전압이 Vdd미만인 경우에 스테이지의 스위치 MP1에 제어 신호를 제공하도록 배열된 게이트 스위치 제어 유닛을 구비한다.
게이트 스위치 제어 유닛 GSU와 레벨 발생 유닛 LGU를 이용함으로써, MP1이 턴 온되어, Vdd로 직접 구동하는 것이 필요할 때, 부트스트랩 캐패시터 Cb를 MP1의 게이트로부터 분리시키는 것이 달성된다. MP1을 턴 오프시키는 것이 필요하면, MN1이 오프되고 MP5는 온된다. 다른 두 개의 트랜지스터 MN2와 MP6은 MP5의 게이트를 올바르게 제어하는 것이다. 본 발명의 솔루션에서, GSU에 위치된 두 개의 트랜지스터 MN1과 MP5는 동시에 도통하지 않는다. 스위치 MP1이 도전 상태로 되어야 할 때 MN1은 활성인데, 즉,이 순간에 ｜Vtp｜일 수 있는 부트스트랩 캐패시터 Cb의 하부 플레이트(bottom plate) 대신에 MP1의 게이트에 0V(다시말해서 <switchb>)가 인가되고, 이후에 MP1은 MP5에 의해 격리되어 비도통될 것인데, 그 이유는 그것의 게이트가 선택된 최고 전위이기 때문이다.
그러므로 신규의 아키텍처로는 모든 스테이지에 부트스트랩 캐패시터를 구비하는 스위치들을 갖는 전하 펌프를 실현하는 것이 가능하며, 또한 전하 펌프가 Vdd=｜Vtp｜에서 작동할 것이다.
모든 스테이지가 동일한 방식으로 구성 또는 실현될 수 있음에도 불구하고, 승수를 최고치 미만으로 프로그래밍함으로써, 전하 펌프의 중간 스테이지중 하나가 전력 손실을 피하면서 제 1 스테이지로 이용될 수 있게 된다.
또한, 이런 종류의 스테이지들을 갖는 전하 펌프 장치를 이용함으로써, 특정한 첫 번째 승수를 이용한 이후에 승수를 다시 프로그램하는 것이 가능하다.
이 목적은 또한 적어도 두 개의 스테이지를 포함하는 전하 펌프 장치를 갖는 디스플레이 유닛으로 디스플레이 정보와 전압을 제공하는 디스플레이 드라이버에 의해 해결될 것인데, 이 때 스테이지는 공급원 전압보다 더 높은 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치와 스위치를 포함하여, 스테이지들이 직렬로 배열되고, 모든 스테이지들은 동일한 방식으로 실현되며, 요구된 승수는 특정 개수의 스테이지들을활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능하다.
더우기 이 목적은 적어도 두 개의 스테이지를 포함하는 전하 펌프 장치를 갖는 디스플레이 드라이버 및 디스플레이 유닛을 구비하는 디스플레이 모듈에 의해 해결될 것인데, 이 때 스테이지는 공급원 전압보다 더 높은 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치와 스위치를 포함하여, 스테이지들이 직렬로 배열되고, 모든 스테이지들은 동일한 방식으로 실현되며, 요구된 승수는 특정 개수의 스테이지들을 활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능하다.
이 목적은 또한 적어도 두 개의 스테이지를 포함하는 전하 펌프(CP) 장치를 갖는 디스플레이 드라이버(DD)와, 디스플레이 유닛(DU) 및, 디스플레이 모듈(DM)을 구비하는 통신 단말기에 의해 해결될 것인데, 이 때 스테이지는 공급원 전압(Vdd)보다 더 높은 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치(CSn)와 스위치(SWn)를 포함하고, 스테이지들(S)은 직렬로 배열되며, 모든 스테이지들(S)은 동일한 방식으로 실현되고, 요구된 승수(MF)는 특정 개수의 스테이지들(S)을 활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능하다.
배터리 동작의 통신 단말기에서는, 더 높은 대기 혹은 동작 시간으로 인해 전력 소비가 최소화되는 LCD 모듈을 갖는 것이 매우 중요하다.
본 발명은 전하 펌프 장치(charge pump device)와, 이 전하 펌프 장치를 갖는 디스플레이 드라이버(display driver)에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전하 펌프 장치를 이용하는 디스플레이 드라이버를 갖는 디스플레이 모듈(display module)과, 이러한 디스플레이 모듈을 구비하는 통신 단말기(telecom terminal)에 관한 것이다.
도 1은 종래의 전하 펌프의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 종래의 전하 펌프의 스테이지를 도시한 도면,
도 3은 게이트 스위치 제어 유닛과 레벨 발생 유닛을 갖는 스테이지를 도시한 도면,
도 4는 칩-온-글래스 디스플레이 드라이버를 갖는 LCD 모듈을 도시한 도면.
본 발명은 이후부터 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 종래의 전하 펌프 CP를 개략적으로 도시한다. 여기에는 몇 개의 스테이지 Sn가 존재하는데, 이 스테이지 Sn는 스위치 SWn와, 전하 축적 소자 혹은 장치 CSn과, 드라이버 D로 이루어진다. 드라이버 D는 주기적인 신호에 따라서 쌍으로 전하 축적 소자 CS1-CSn를 선택적으로 구동한다. CBuffer는 그 크기 때문에 칩 상에 존재하지 않으며, 출력 전압을 평탄화하기 위해 배열된다. 공급원 전압 Vdd은 전하 펌프 CP의 입력 IN에 제공된다. 예컨대 LCD 모듈에 제공하기 위한 고 전압은 전하 펌프 장치 CP의 출력 OUT에 발생된다.
입력에 Vdd가 공급되어, 부트스트랩 캐패시터 CB를 갖는 스위치 SWn가 제 1 스테이지로 이용될 때, 전술한 문제가 발생한다. 도 2는 공통 전하 펌프 CP에 이용되는 이러한 스위치 SWn를 도시한다.
트랜지스터 MP1은 두 가지 상태를 갖는 스위치 SWn의 주요 스위칭 소자인데,즉, 온(ON) 혹은 폐쇄 상태(closed state)에서는 전류가 드레인에서 소스로 흐르도록 되고, 오프(OFF) 혹은 개방 상태(open state)에서는 어떠한 전류도 흐르지 않는다. MP2와 MP3은 전압 비교기를 형성한다. 이들의 역할은 스위치 MP1의 분리된 벌크 또는 N-웰 영역을 최고 전압으로 바이어스하여, 순방향 바이어스된 다이오드로 인한 누설을 막아주는 것이다. CB는 스테이지 캐패시터 CSn보다 훨씬 더 작다. 이것의 역할은 펌핑(pumping)의 두 가지 단계(phases)중 하나에서 스위치 MP1을 개방시키기에 충분한 전압을 제공하는 것이다. 트랜지스터 MP4는 MP1을 턴 오프시키는데 일조하고, MP1이 오프(OFF) 상태이면, 스테이지 캐패시터 CSn로부터 노드 switchbhv(부트스트랩 캐패시터)를 충전시키는 DC 경로를 제공하는 역할을 수행한다.
제 1 단계에서, 도 2에 표시된 스위치 SWn는 제 1 활성 스위치 SW1로 프로그램되고, 초기에는 온(ON) 상태이다. CB는 초기에 방전된다. 입력 IN은 공급원 전압 Vdd으로 설정되고, CS1의 하부 플레이트는 Vss=0V로 설정되며, 출력 OUT는 Vdd로 충전된다. MP1과 MP2는 온 상태이고, MP3과 MP4는 오프 상태이며, WELL=IN=Vdd이다. CB는 방전되고, switchbhv는 절연되며, switchb=0V여서, CB가 방전 상태를 유지하여 switchbhv를 0V로 만들고, MP1과 MP2는 온 상태를 유지한다.
다음 단계에서, 스위치 SW1는 CS1의 하부 플레이트가 Vdd로 구동되기 전에 턴오프되는 것이 필요하다. IN=Vdd로 된다(이것이 제 1 스테이지이기 때문임). 노드 스위치 switchb는 Vdd로 구동된다. CB가 DC 경로를 갖지 않고 구동되지 않았으므로, switchbhv는 부트스트랩 캐패시터 CB에 의해 상승된다. MP1과 MP2는 턴 오프된다. MP3과 MP4도 마찬가지로 오프 상태를 유지한다. 다음, 스테이지 캐패시터 CS1의 하부 플레이트는 0V에서 Vdd로 구동되고, 다음 스테이지 S2의 스위치 SW2가 턴 온된다. 출력 노드 OUT은 2Vdd를 가질 것이고, 다음 스테이지 캐패시터 CS2에서 방전될 것이다. Vdd>｜Vtp｜이므로, MP3과 MP4는 턴 온될 것이다. 이들을 통해, 노드 WELL과 switchbhv는, 출력 OUT 전압이 Vdd+｜Vtp｜로 떨어질 때까지 출력 노드 OUT와 동일한 전압을 가질 것이다. 다음 MP3과 MP4가 턴 오프될 것이다. 이 때, 부트스트랩 캐패시터 CB는 Vdd+｜Vtp｜-Vdd=｜Vtp｜로 충전된다(switchbhv>switchb). MP1과 MP2는 오프상태를 유지하는데, 그 이유는 이들의 게이트 전압이 드레인과 소스 전압보다 더 높기 때문이다. 출력 OUT은 두 경우, 즉, 모든 캐패시터가 방전되기 시작할 때와 큰 전류가 출력에서 요구될 때에 Vdd+｜Vtp｜ 아래로 떨어질 수 있다.
이후에, 다음 스테이지 S2의 스위치 SW2가 턴 오프하고, CS2의 하부 플레이트가 다시 0V로 구동된다. 출력 노드 OUT는 이제 ｜Vtp｜보다 더 낮으며, IN=Vdd이고, switchb는 0V로 묶인다. MP3과 MP4는 계속해서 오프 상태이고, MP1과 MP2를 다시턴 온시키는 것이 필요하다. 이것은 오로지 switchbhv<IN-｜Vtp｜일 때 가능하다. 만약 이것이 제 1 스테이지 S1가 아니었다면, 그 입력 IN에는 이전 스테이지로부터 2×Vdd가 제공될 것이고, 이것은 요구 조건을 만족시켜 아무런 문제가 되지 않을 것이다. 그러나, 만약 제 1 스테이지라면, IN=Vdd이다.
하지만, CB는 ｜Vtp｜로 충전되었고, 지금 switchbhv 노드는 이 캐패시터를 방전시키기 위한 DC 경로를 갖지 않는다. 노드 switchb는 0V(이것은 턴 온되어야 함)이므로, switchbhv는 ｜Vtp｜로 떨어진다.
지금까지는, switchbhv=｜Vtp｜<IN-｜Vtp｜이므로 회로가 동작했고, 따라서, Vdd>2｜Vtp｜이고, 이것은 이 아키텍처의 한계이다.
이것을 극복하기 위해서는, 제 1 스테이지 S1가 부트스트랩 CB를 갖지 않아야 하거나 혹은 이것이 마스크 교환으로 단락될 수 있었고, 그러므로 결정적으로 이것은 오로지 하나의 애플리케이션만을 위한 것이다. 최악의 경우에, Vdd=2.8V는 2｜Vtp｜=2.6V 보다 그리 크지 않으므로, 효율의 손실도 존재한다.
신규의 LCD 드라이버는 이러한 2.6V의 제한보다 더 낮은 공급원 전압으로부터 동작되는 것을 필요로 하고, 융통성을 위해 최대 Vdd는 4.5V만큼 높을 수 있다. 승수를 프로그래밍하는 것은 모든 신규한 디스플레이 드라이버를 위한 요구이다.그러므로, 더 낮은 입력 전압을 허용하는 스위치의 아키텍처가 요구된다. 본 발명은 낮은 전압과 효율 손실 둘 다를 동시에 만족시키는 솔루션이다.
중간 스위치의 개선된 아키텍처
도 3에는, 브트스트랩 캐패시터를 갖는 신규한 스위치가 예시된다. 게이트 스위치 제어 유닛 GSU와 레벨 발생 유닛 LGU가 추가되었다. 이들은 MP1 및 MP4와 비교하면 오히려 작고, MP2 및 MP3과는 그 크기가 비슷하다.
GSU는 두 개의 트랜지스터 MN1 및 MP5를 포함한다. MN1은 switchb와 switchbhv 노드 사이에 배열되는 반면, MP5는 swoffhv와 switchbhv 사이에 위치된다. LGU는 신호 pgatectrl을 발생하기 위해 두 개의 트랜지스터 MP6 및 MN2를 포함한다. 또한, LGU는 신호 switchb로부터 신호 switch2를 발생하기 위해 인버터 INV를 포함한다.
취지는 다음과 같다. 즉, 가능하다면, MP1을 항상 0V로 턴 온시키고, 다른 단계에서 항상 Vdd+｜Vtp｜보다 큰 전압으로 오프시킨다.
MP1을 턴 온하기 위해, switchb는 0V이고, switch2는 Vdd이어서 MN1은 활성이고, 따라서 MN1은 온 상태로서, MP1과 MP2의 게이트를 0V로 끌어 올린다. 턴 오프하기 위해, 노드 switchb는 Vdd로 되고, switch2는 0V로 되어, MN1은 오프 상태이고, MN2는 온 상태이며, WELL-swoffhv<｜Vtp｜이므로 MP6은 오프 상태이다. 이것은 노드 pgatectrl를 0V로 묶어, MP5를 턴 온시킨다. 따라서, 노드 switchbhv는switchb로부터 분리되고, swoffhv에 접속된다. 이전처럼, MP1이 오프 상태일 때, swoffhv는 처음에 2Vdd로 충전되었다가, 부하 때문에 Vdd+｜Vtp｜정도로 낮게 감소한다.
다음 단계에서, 노드 switchb는 턴 온을 위해 0으로 구동된다. 이것은 MN2를 강하게 오프시킨다. 노드 OUT은 ｜Vtp｜보다 더 낮다. 노드 swoffhv는 이제 ｜Vtp｜이고, switch2는 Vdd이다. 그러므로, MN1은 온 상태로 구동되고, switchbhv는 재빨리 0V가 된다. MP5는 여전히 특정 기준 즉, swoffhv=｜Vtp｜에서 개방 상태이고, pgatectrl은 더 이상 상하게 0V로 구동되지 않지만 부유 상태(floating)이다(WELL이 IN과 동일한데, 그 이유는 온 상태로 스위치된 MP2 때문이다). MP6은 약한 반전 상태로서, 약간 도통되었다. 이것은 처음에 pgatectrl을 약하게 WELL=IN=Vdd로 구동한다. 동시에 CB는 MP5에 의해 0V를 향해 방전되고, 여전히 온 상태이다. 이러한 방전 때문에, 그리고 초기에 swoffhv가 ｜Vtp｜를 갖기 때문에, MP5는 pgatectrl이 더 이상 0V로 강하게 구동지 않는 것처럼 매우 신속하게 턴 오프될 것이고, 이 순간부터 CB는 더 이상 전하를 손실하지 않는다. 이것은 Vdd가 ｜Vtp｜와 동일할 때까지 이론적으로 전술한 문제와 스위치 기능을 해결한다.
신규의 스위치가 제 1 활성 스테이지로 이용되지 않고 중간 스테이지 즉, 제2 스테이지로 이용되면, IN 전압은 (이전과 동일한 고찰로부터) 2Vdd와 ｜Vtp｜사이에 있고, 스위치가 온 상태로 되면, WELL은 2Vdd이고, swoffhv는 Vdd+｜Vtp｜인데, 이것은 WELL-｜Vtp｜에 도달할 때까지 MP5를 통해 반전(MP6은 강하게 온 상태로 되는 것을 참조할 것)하여, 결국 Vdd+｜Vtp｜에서 2Vdd-｜Vtp｜로 된다. 사이클당 CB와 관련하여 잃어버린 전하의 양(이것은 CS로부터 다른 단계에서 끌어낸 것임)은 CB*(Vdd+｜Vtp｜- 2Vdd+｜Vtp｜)=CB*(2｜Vtp｜- Vdd)이다. 만약 Vdd>2｜Vtp｜이면, 어떠한 전하도 손실되지 않으며, 따라서 효율이 저하되지 않는다.
온-칩 스테이지 캐패시터와 관련한 전압 배율기 또는 전하 펌프 장치의 저전압 동작을 위한 애플리케이션이 도 4에 도시된다. 전하 펌프 CP는 모든 LCD 드라이버 IC(DD)의 매우 중요한 부분인데, 그 이유는, 입수 가능한 공급원 전압 Vdd이 LCD 모듈 DM이 양호한 최적 성능을 갖기 위해 요구되는 전압보다 항상 낮기 때문이다. 전하 펌프 CP의 전류 효율은 전체 LCD 모듈 DM의 낮은 전류 소비를 결정하는 것이다. 도 4에는, 온-칩-글래스 디스플레이 드라이버(DD)-IC를 갖는 LCD 모듈 DM이 도시되어 있다. 전하 펌프 장치 CP에는 공급원 전압 Vdd가 공급된다. 선택적으로, 이것은 도면에 도시되지 않은 프로그래밍 인터페이스 PI에 연결된다. 프로그래밍 인터페이스 PI를 이용함으로써, 승수 MF가선정될 수 있고, 이것은 최대 가능 MFmax보다 작다. 이것은 몇 개의 스테이지를 비활성화시킴으로써 달성된다. 이 솔루션은 애플리케이션에 따라 MF를 변경하는 것을 허용하여, 변경된 MF를 갖는 전하펌프가 제한없이 다른 MF로 다시 프로그램될 수 있다.
LCD 모듈은 모든 이동 전화기와 그 밖의 휴대용 장치의 중요한 부분이다. 이들은 큰 부피로 제조된다. 다른 애플리케이션으로 플래시 메모리를 들 수 있는데, 이것은 마찬가지로 입수 가능한 공급원보다 더 큰 동작 전압을 필요로 한다. 플래시 메모리는 예컨대 디지털 스틸 카메라에서 축적 소자로서 이용되고, 저전력 및 저전압이 요구된다.

Claims (10)

  1. 적어도 두 개의 스테이지(stages)(S)를 포함하는 전하 펌프 장치(charge pump device)에 있어서,
    스테이지(S)는 공급원 전압(Vdd)보다 더 높은 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치(charge device)(CSn)와 스위치(SWn)를 포함하여, 그럼으로써 상기 스테이지들(S)이 직렬로 배열되고 상기 전하 펌프(CP)의 요구된 승수(multiplication factor)(MF)는 정의 가능한 개수의 상기 스테이지들(S)을 활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능하고, 그럼으로써 상기 각각의 스테이지(Sn)의 상기 스위치들(SWn)이 동일한 방식으로 배열되는
    전하 펌프 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    최대 가능 승수(MFmax)보다 더 작은 승수(MF)를 위해, 상기 전하 펌프(CP)의 입력(IN)으로부터 시작하는 상기 스테이지들(S)이 비활성화되는 전하 펌프 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치(SW1)는,
    상기 전하 펌프 장치의 상기 스테이지(S)의 입력(IN)과 출력(OUT)사이에 배열된 스위치 MP1과,
    상기 스위치(SW1)의 분리된 벌크(isolated bulk)를 제어하기 위한 두 개의 트랜지스터 MP2 및 MP3과,
    상기 스위치(MP1)의 게이트를 구동하기 위한 전하를 축적하도록 배열되어 있는 부트 캐패시터(boot capacitor)(CB)를 충전하는 제 4 트랜지스터 MP4와,
    상기 스위치 MP1의 상기 게이트를 제어하도록 배열된 게이트 스위치 제어 유닛(GSU;gate switch control unit)을 포함하는
    전하 펌프 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스위치 MP1은 분리된 벌크 트랜지스터로 바람직하게 실현되는 전하 펌프 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 게이트 스위치 제어 유닛(GSU)에 대해 제어 신호를 제공하는 레벨 발생 유닛(LGU;level generation unit)을 더 포함하는 전하 펌프 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 게이트 스위치 제어 유닛(GSU)에게는, 상기 스위치 MP1 트랜지스터의 게이트를 상기 CB캐패시터에 대해 접속시킬 것인지 혹은 분리시킬 것인지가 미리 알려지는 전하 펌프 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 게이트 스위치 제어 유닛(GSU)은 전압이 Vdd미만인 경우에 상기 스테이지(S)의 상기 스위치(SW)에 제어 신호를 제공하도록 배열되는 전하 펌프 장치.
  8. 적어도 두 개의 스테이지(S)를 포함하는 전하 펌프(CP) 장치를 갖는 디스플레이 유닛(DD)에 디스플레이 정보와 전압을 제공하는 디스플레이 드라이버(DD)에있어서,
    상기 스테이지는 공급원 전압(Vdd)보다 더 높은 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치(CSn)와 스위치(SWn)를 포함하여, 상기 스테이지들(S)이 직렬로 배열되고, 상기 모든 스테이지들(S)은 동일한 방식으로 실현되며, 요구된 승수는 특정 개수의 상기 스테이지들(S)을 활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능한
    디스플레이 드라이버.
  9. 적어도 두 개의 스테이지(S)를 포함하는 전하 펌프(CP) 장치를 갖는 디스플레이 드라이버(DD) 및 디스플레이 유닛(DU)을 구비하는 디스플레이 모듈(DM)에 있어서,
    상기 스테이지는 공급원 전압(Vdd)보다 더 높은 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치(CSn)와 스위치(SWn)를 포함하여, 상기 스테이지들(S)이 직렬로 배열되고, 상기 모든 스테이지들(S)은 동일한 방식으로 실현되며, 요구된 승수(MF)는 특정 개수의 상기 스테이지들(S)을 활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능한
    디스플레이 모듈.
  10. 적어도 두 개의 스테이지(S)를 포함하는 전하 펌프(CP) 장치를 갖는 디스플레이 드라이버(DD)와 디스플레이 유닛(DU) 및 디스플레이 모듈(DM)을 구비하는 통신 단말기(telecom terminal)에 있어서,
    상기 스테이지는 공급원 전압(Vdd)보다 더 높은 전압을 발생하도록 배열된 충전 장치(CSn)와 스위치(SWn)를 포함하여, 상기 스테이지들(S)이 직렬로 배열되고, 상기 모든 스테이지들(S)은 동일한 방식으로 실현되며, 요구된 승수(MF)는 특정 개수의 상기 스테이지들(S)을 활성화/비활성화시킴으로써 조정 가능한
    통신 단말기.
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