KR20220063869A - Dc-dc 컨버터 및 이를 포함하는 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 DC-DC 컨버터는, 입력 전압을 변환하여 제1 전원 전압을 생성하는 제1 컨버터, 제1 컨버터의 스위칭 펄스의 온-듀티비(on-duty ratio)를 가변하여 제1 전원 전압의 전압 레벨을 제어하기 위한 듀티 제어 신호를 생성하는 듀티 제어부, 스위칭 펄스의 스위칭 주파수에 대응하는 제1 컨버터의 구동 주파수를 제어하기 위한 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는 스위칭 주파수 제어부, 및 제1 컨버터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서를 포함한다. 제1 컨버터는, 제1 모드에서 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 제1 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 듀티 제어 신호에 기초하여 제1 레벨의 제1 전원 전압을 생성하고, 제2 모드에서 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 제1 주파수와 상이한 제2 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 듀티 제어 신호에 기초하여 제1 레벨과 상이한 제2 레벨의 제1 전원 전압을 생성한다. 스위칭 주파수 제어부는 전류 센서의 오프 여부를 결정한다.

Description

DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 표시 장치{DC-DC CONVERTER AND DISPLAY DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 표시 장치에 관한 것이다.
표시 장치는 외부로부터 공급되는 입력 전원을 변환함으로써 화소들의 구동에 필요한 고전위 전원과 저전위 전원을 생성하는 DC-DC 컨버터를 포함한다. 예를 들어, DC-DC 컨버터는 생성된 양극성의 전원과 음극성의 전원을 전원선을 통하여 화소들로 공급한다.
화소들로 공급되는 구동 전류의 크기가 작은 저휘도 등으로 구동될 때, 표시 장치는 고전위 전원 및/또는 저전위 전원의 전압 레벨을 가변하여 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 다만, DC-DC 컨버터에 요구되는 최소 온-시간(minimum on-time)으로 인해, DC-DC 컨버터가 생성하는 고전위 전원 및/또는 저전위 전원의 전압 레벨 가변 범위가 제한될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 최소 온-시간을 확보하면서, 안정적으로 제1 전원 전압의 전압 레벨을 가변할 수 있는 DC-DC 컨버터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 DC-DC 컨버터를 포함하는 표시 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 DC-DC 컨버터는, 입력 전압을 변환하여 제1 전원 전압을 생성하는 제1 컨버터, 상기 제1 컨버터의 스위칭 펄스의 온-듀티비(on-duty ratio)를 가변하여 상기 제1 전원 전압의 전압 레벨을 제어하기 위한 듀티 제어 신호를 생성하는 듀티 제어부, 상기 스위칭 펄스의 스위칭 주파수에 대응하는 상기 제1 컨버터의 구동 주파수를 제어하기 위한 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는 스위칭 주파수 제어부, 및 상기 제1 컨버터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서를 포함할 수 있다. 상기 제1 컨버터는, 제1 모드에서 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 제1 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 제1 레벨의 상기 제1 전원 전압을 생성하고, 제2 모드에서 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 상기 제1 레벨과 상이한 제2 레벨의 상기 제1 전원 전압을 생성할 수 있다. 상기 스위칭 주파수 제어부는 상기 전류 센서의 오프 여부를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 낮고, 상기 제1 레벨은 상기 제2 레벨보다 낮을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 듀티 제어부는 상기 온-듀티비를 감소시켜 상기 제1 전원 전압의 상기 전압 레벨을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 입력 전압의 전압 레벨 및 상기 제2 레벨에 대응하는 목표 전압 레벨에 기초하여 목표 온-듀티비를 산출하고, 상기 목표 온-듀티비에 기초하여 상기 제2 주파수에 대응하는 보정 스위칭 주파수를 산출하며, 상기 보정 스위칭 주파수에 기초하여 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 입력 전압의 전압 레벨과 상기 목표 전압 레벨에 기초하여 상기 목표 온-듀티비를 산출하는 듀티 연산부, 상기 목표 온-듀티비 및 상기 제1 컨버터의 최소 온-시간(minimum on-time)에 기초하여 상기 보정 스위칭 주파수를 산출하는 스위칭 주파수 연산부, 및 상기 보정 스위칭 주파수에 기초하여 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는 스위칭 주파수 제어 신호 생성부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수 연산부는, 상기 보정 스위칭 주파수에 대응하는 스위칭 주기와 상기 목표 온-듀티비의 곱에 대응하는 스위칭 온-시간이 상기 최소 온-시간과 동일하도록, 상기 보정 스위칭 주파수를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 보정 스위칭 주파수가 기준 주파수보다 낮은 경우, 상기 제1 컨버터를 상기 기준 주파수의 스위칭 주파수로 구동시키기 위한 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 전류 센서를 오프시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 컨버터는, 제1 노드와 접지 사이에 연결되며, 제1 인덕터 전류를 생성하는 제1 인덕터, 상기 입력 전압이 입력되는 제1 입력단과 상기 제1 노드 사이에 연결되는 제1 트랜지스터, 상기 제1 노드와 상기 제1 전원 전압이 출력되는 제1 출력단 사이에 연결되는 제2 트랜지스터, 및 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 온-오프를 제어하는 제1 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 스위칭 제어부는, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 턴-온 시간을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 스위칭 제어부는, 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여, 동일한 시간 동안 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 턴-온 횟수를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전류 센서는 상기 제1 인덕터 전류를 센싱할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 입력 전압을 변환하여 제2 전원 전압을 생성하는 제2 컨버터를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 컨버터는, 상기 입력 전압이 입력되는 제2 입력단과 제2 노드 사이에 연결되며, 제2 인덕터 전류를 생성하는 제2 인덕터, 상기 제2 노드와 접지 사이에 연결되는 제3 트랜지스터, 상기 제2 노드와 상기 제2 전원 전압이 출력되는 제2 출력단 사이에 연결되는 제4 트랜지스터, 및 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터의 온-오프를 제어하는 제2 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 표시 장치는, 복수의 화소들을 포함하고, 제1 모드 및 제2 모드 중 하나로 영상을 표시하는 표시 패널, 상기 표시 패널에 데이터 신호를 제공하는 데이터 구동부, 및 상기 표시 패널에 전원 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 상기 DC-DC 컨버터는, 입력 전압을 변환하여 상기 전원 전압을 생성하는 컨버터, 상기 컨버터의 스위칭 펄스의 온-듀티비(on-duty ratio)를 가변하여 상기 전원 전압의 전압 레벨을 제어하기 위한 듀티 제어 신호를 생성하는 듀티 제어부, 상기 스위칭 펄스의 스위칭 주파수에 대응하는 상기 컨버터의 구동 주파수를 제어하기 위한 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는 스위칭 주파수 제어부, 및 상기 컨버터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서를 포함할 수 있다. 상기 컨버터는, 상기 제1 모드에서 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 제1 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 제1 레벨의 상기 전원 전압을 생성하고, 상기 제2 모드에서 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 상기 제1 레벨과 상이한 제2 레벨의 상기 전원 전압을 생성할 수 있다. 상기 스위칭 주파수 제어부는 상기 전류 센서의 오프 여부를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 데이터 구동부는 전원 제어 신호를 생성하여 상기 스위칭 주파수 제어부로 제공하고, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 전원 제어 신호에 기초하여 상기 제2 레벨에 대응하는 목표 전압 레벨을 산출하고, 상기 입력 전압의 전압 레벨 및 상기 목표 전압 레벨에 기초하여 목표 온-듀티비를 산출하며, 상기 목표 온-듀티비에 기초하여 상기 제2 주파수에 대응하는 보정 스위칭 주파수를 산출하고, 상기 보정 스위칭 주파수에 기초하여 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 보정 스위칭 주파수가 기준 주파수보다 낮은 경우, 상기 컨버터를 상기 기준 주파수의 스위칭 주파수로 구동시키기 위한 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 전류 센서를 오프시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨버터는 인덕터 전류를 생성하며, 상기 전류 센서는 상기 인덕터 전류를 센싱할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 표시 장치는, 상기 DC-DC 컨버터로 상기 입력 전압 및 주파수 변경 제어 신호를 제공하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 주파수 제어부는 상기 주파수 변경 제어 신호에 기초하여, 상기 제2 모드에서 상기 컨버터를 상기 제1 주파수의 스위칭 주파수로 구동하기 위한 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 DC-DC 컨버터는, 목표 전압 레벨에 대응하여 최소 온-시간에 최적화된 스위치 주파수에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 이에 따라, DC-DC 컨버터는 최소 온-시간을 확보하면서, 안정적으로 제1 전원 전압의 전압 레벨을 가변할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 표시 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 DC-DC 컨버터에 포함되는 제1 컨버터의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 DC-DC 컨버터에 포함되는 제2 컨버터의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 제1 컨버터 및 도 4의 제2 컨버터의 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2의 DC-DC 컨버터에 포함되는 스위칭 주파수 제어부의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 6의 스위칭 주파수 제어부의 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 도 2의 DC-DC 컨버터의 동작의 일 예를 나타내는 파형도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터를 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터를 나타내는 블록도이다.
도 12는 도 11의 DC-DC 컨버터에 포함되는 스위칭 주파수 제어부의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12의 스위칭 주파수 제어부의 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 표시 장치를 나타내는 블록도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터를 나타내는 블록도이다.
도 16은 도 15의 DC-DC 컨버터의 동작의 일 예를 나타내는 파형도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결된다"고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 표시 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 표시 장치(1000)는 표시 패널(100), 타이밍 제어부(200), 주사 구동부(300), 데이터 구동부(400), DC-DC 컨버터(500), 및 전원 공급부(600)를 포함할 수 있다.
표시 패널(100)은 화소(PX)들을 포함할 수 있다. 각각의 화소(PX)는 대응하는 데이터 라인 및 주사 라인에 연결될 수 있다. 또한, 각각의 화소(PX)는 DC-DC 컨버터(500)로부터 제1 전원 전압(VSS) 및 제2 전원 전압(VDD)을 공급받을 수 있다. 여기서, 제1 전원 전압(VSS) 및 제2 전원 전압(VDD)은 화소(PX)들의 동작에 필요한 전압들일 수 있으며, 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨은 제2 전원 전압(VDD)의 전압 레벨보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 제1 전원 전압(VSS)은 음(negative)의 전압이고, 제2 전원 전압(VDD)은 양(positive)의 전압일 수 있다.
타이밍 제어부(200)는 외부로부터 입력 영상 데이터(IDATA) 및 제어 신호(CS)를 수신할 수 있다. 여기서, 제어 신호(CS)는 동기 신호, 클럭 신호 등을 포함할 수 있다.
타이밍 제어부(200)는 제어 신호(CS)에 기초하여 제1 제어 신호(SCS)(또는, 주사 제어 신호) 및 제2 제어 신호(DCS)(또는, 데이터 제어 신호)를 생성할 수 있다. 타이밍 제어부(200)는 제1 제어 신호(SCS)를 주사 구동부(300)에 공급하고, 제2 제어 신호(DCS)를 데이터 구동부(400)에 공급할 수 있다.
제1 제어 신호(SCS)는 주사 개시 신호, 클럭 신호 등을 포함할 수 있다. 주사 개시 신호는 주사 신호의 타이밍을 제어하기 위한 신호일 수 있다. 제1 제어 신호(SCS)에 포함되는 클럭 신호는 주사 개시 신호를 시프트(shift)하기 위하여 사용될 수 있다.
제2 제어 신호(DCS)는 소스 스타트 신호, 클럭 신호 등을 포함할 수 있다. 소스 스타트 신호는 데이터의 샘플링 시작 시점을 제어할 수 있다. 제2 제어 신호(DCS)에 포함되는 클럭 신호는 샘플링 동작을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
또한, 타이밍 제어부(200)는 입력 영상 데이터(IDATA)를 재정렬하여 영상 데이터(DATA)를 생성하고, 이를 데이터 구동부(400)에 제공할 수 있다.
주사 구동부(300)는 타이밍 제어부(200)로부터 제1 제어 신호(SCS)를 수신하고, 제1 제어 신호(SCS)에 기초하여 주사 라인들(SL1 내지 SLn, 단, n은 자연수)로 주사 신호들을 공급할 수 있다. 예를 들어, 주사 구동부(300)는 주사 라인들(SL1 내지 SLn)로 주사 신호들을 순차적으로 공급할 수 있다. 주사 신호들이 순차적으로 공급되면, 화소(PX)들은 수평 라인 단위(또는, 화소행 단위)로 선택되며, 선택된 화소(PX)들에 데이터 신호가 공급될 수 있다. 이를 위하여, 화소(PX)들 각각에 포함되며 주사 신호를 수신하는 트랜지스터가 턴-온될 수 있도록, 주사 신호는 게이트 온 전압(로우 전압 또는 하이 전압)으로 설정될 수 있다.
데이터 구동부(400)는 타이밍 제어부(200)로부터 영상 데이터(DATA) 및 제2 제어 신호(DCS)를 수신하고, 제2 제어 신호(DCS)에 응답하여 영상 데이터(DATA)에 상응하는 데이터 신호들(또는, 데이터 전압들)을 데이터 라인들(DL1 내지 DLm, 단, m은 자연수)로 공급할 수 있다. 데이터 라인들(DL1 내지 DLm)로 공급된 데이터 신호들은 주사 신호들에 의하여 선택된 화소(PX)들로 공급될 수 있다. 이를 위하여, 데이터 구동부(400)는 주사 신호와 동기되도록 데이터 라인들(DL1 내지 DLm)로 데이터 신호들을 공급할 수 있다.
일 실시예에서, 데이터 구동부(400)는 전원 제어 신호(SWIRE)를 생성하여 DC-DC 컨버터(500)에 제공할 수 있다. 한편, 도 1에서는 데이터 구동부(400)가 DC-DC 컨버터(500)에 전원 제어 신호(SWIRE)를 제공하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 전원 제어 신호(SWIRE)는 타이밍 제어부(200)로부터 DC-DC 컨버터(500)로 제공될 수도 있으며, 별도의 제어부로부터 DC-DC 컨버터(500)로 제공될 수도 있다.
한편, 타이밍 제어부(200)와 데이터 구동부(400)는 하나의 드라이버 IC에 집적되거나, 표시 패널(100) 상에 직접 배치될 수 있다. 또한, 주사 구동부(300)는 표시 패널(100) 상에 직접 배치되거나, IC 형태로 표시 패널(100)에 연결될 수 있다.
DC-DC 컨버터(500)는 전원 공급부(600)로부터 입력 전압(VIN)을 공급받을 수 있다. DC-DC 컨버터(500)는 입력 전압(VIN)에 기초하여 제1 전원 전압(VSS) 및 제2 전원 전압(VDD)을 생성할 수 있다. DC-DC 컨버터(500)는 스위칭 펄스의 스위칭 주파수에 따라 복수의 트랜지스터들을 서로 교번하여 턴-온(turn-on)시킴으로써, 인덕터 전류를 생성하는 방식으로 제1 전원 전압(VSS) 및 제2 전원 전압(VDD)을 생성할 수 있다.
한편, 표시 장치(1000)는 일반적으로 영상을 표시하는 일반 모드(또는, 제1 모드), 저전력으로 영상을 표시하는 절전 모드(또는, 제2 모드)로 구동될 수 있다. 절전 모드는 표시 패널(100)의 최대 휘도를 기 설정된 휘도 이하로 제한함으로써 소비 전력을 최소화하는 구동 방식이다. 예를 들어, 절전 모드는 간단한 표시 정보를 항상 표시하는 AOD(Always On Display) 모드, 어두운 환경에서 초저휘도로 화면을 표시하는 소정의 디스플레이 모드 등일 수 있다.
절전 모드에서, 표시 장치(1000)는 DC-DC 컨버터(500)를 이용하여 표시 패널(100)로 공급되는 제1 전원 전압(VSS) 및/또는 제2 전원 전압(VDD)의 전압 레벨을 가변함으로써, 소비 전력을 최소화시킬 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의상, 절전 모드에서 DC-DC 컨버터(500)가 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 가변하는 것을 기준으로 설명하기로 한다.
표시 장치(1000)는 음극성의 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 증가시킴으로써, 제1 전원 전압(VSS)과 제2 전원 전압(VDD)의 전압차를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 소비 전력이 최소화될 수 있다. 예를 들어, 표시 장치(1000)는 일반 모드에서 제1 레벨의 제1 전원 전압(VSS)을 생성하며, 절전 모드에서 제1 레벨보다 높은 제2 레벨의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, DC-DC 컨버터(500)는 절전 모드에서 전원 제어 신호(SWIRE)에 기초하여, 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 가변할 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터(500)는 스위칭 펄스의 온/오프 듀티비(on/off duty ratio)를 제어함으로써, 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 가변할 수 있다. 즉, DC-DC 컨버터(500)는 온/오프 듀티비를 제어하여, 목표 전압 레벨의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다. 일 예로, DC-DC 컨버터(500)는 입력 전압(VIN)에 대응하여 온-듀티비를 감소시킴으로써 음극성의 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 증가시킬 수 있다(즉, 제1 전원 전압(VSS)의 절대값의 크기를 감소시킴). 이에 따라, 절전 모드에서 소비 전력이 최소화될 수 있다.
한편, DC-DC 컨버터(500)가 안정적으로 제1 전원 전압(VSS) 및 제2 전원 전압(VDD)을 생성하기 위해서는, 최소 온-시간(minimum on-time)이 요구된다. 예를 들어, DC-DC 컨버터(500)의 인덕터 전류를 센싱하여 DC-DC 컨버터(500)에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 시간, 복수의 트랜지스터들이 동시에 턴-온(turn-on)되는 것을 방지하기 위한 스위칭 간 데드 타임(dead time) 등을 확보하기 위하여 최소 온-시간이 요구될 수 있다. 이에 따라, 온-듀티비에 대응하는 시간이 DC-DC 컨버터(500)에 요구되는 최소 온-시간 이상으로 설정될 필요가 있다. 여기서, 온-듀티비에 대응하는 시간(이하, "스위칭 온-시간"이라 함)이란 스위칭 펄스의 스위칭 주기에 온-듀티비를 곱한 값에 대응할 수 있다.
이와 같은 최소 온-시간에 의해, DC-DC 컨버터(500)가 가변하는 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨에 제약이 생길 수 있다. 상술한 바와 같이, 스위칭 온-시간은 최소 온-시간 이상으로 설정되어야 하므로, 스위칭 주파수가 동일한 경우, DC-DC 컨버터(500)의 온/오프 듀티비의 가변 범위가 제한되어, DC-DC 컨버터(500)는 음극성의 제1 전원 전압(VSS)을 일정 범위 이상으로 증가시킬 수 없다. 즉, DC-DC 컨버터(500)는 최소 온-시간에 따라, 온-듀티비를 일정 범위 이상으로 감소시킬 수 없다.
이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터(500)는 제1 전원 전압(VSS)을 상기 일정 범위 이상으로 증가시키기 위하여(또는, 목표 전압 레벨의 제1 전원 전압(VSS)을 생성하기 위하여), 스위칭 주파수를 가변할 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터(500)가 스위칭 주파수를 감소시키는 경우, 감소된 스위칭 주파수에 대응하여 스위칭 주기가 증가하므로, 동일한 온-듀티비에 대해 스위칭 온-시간이 증가할 수 있다. 이에 따라, DC-DC 컨버터(500)는 온-듀티비를 더 감소시킴으로써, 목표 전압 레벨의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, DC-DC 컨버터(500)는 전원 제어 신호(SWIRE)에 기초하여 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨을 판단할 수 있다. DC-DC 컨버터(500)는 입력 전압(VIN)의 전압 레벨과 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨에 기초하여 목표 온-듀티비를 산출하고, 목표 온-듀티비에 대응하여 최소 온-시간을 위한 최적의 스위칭 주파수(또는, 보정 스위칭 주파수, 제2 주파수)를 산출할 수 있다. 이에 따라, DC-DC 컨버터(500)는 스위칭 주파수를 현재 구동되는 스위칭 주파수(또는, 제1 주파수)에서 보정 스위칭 주파수(또는, 제2 주파수)로 가변함으로써, 목표 전압 레벨의 제1 전원 전압(VSS)을 안정적으로 생성할 수 있다.
다만, 입력 전압(VIN) 및 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨에 기초하여 산출된 제2 주파수가 기준 주파수보다 낮은 경우(예를 들어, 500kHz 미만), DC-DC 컨버터(500)의 스위칭 동작 주기가 길어짐으로써, 출력 리플(ripple)이 발생할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터(500)는 제2 주파수가 기준 주파수보다 낮은 경우, 기준 주파수에 대응하여 스위칭 주파수를 설정하되, 인덕터 전류 센싱에 필요한 전류 센서의 동작을 오프(off)시킴으로써 최소 온-시간을 감소시킬 수 있다. 이 경우, DC-DC 컨버터(500)가 산출된 제2 주파수보다 높은 기준 주파수로 구동되는 경우에도, DC-DC 컨버터(500)는 목표 전압 레벨의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다. 여기서, 기준 주파수는 출력 리플이 발생하지 않는 가장 작은 스위칭 주파수를 의미할 수 있으며, 실험 등에 의해 기 설정된 값일 수 있다.
전원 공급부(600)는 DC-DC 컨버터(500)에 직류 전원 전압(또는, 입력 전압(VIN))을 제공하는 배터리(battery)일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 전원 공급부(600)는 교류 전원 전압을 직류 전원 전압(또는, 입력 전압(VIN))으로 변환하여 DC-DC 컨버터(500)에 제공하는 정류 장치일 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, DC-DC 컨버터(500)는 제1 컨버터(510), 제2 컨버터(520), 듀티 제어부(530), 및 스위칭 주파수 제어부(540)를 포함할 수 있다.
제1 컨버터(510)는 입력 전압(VIN)을 변환하여 제1 전원 전압(VSS)을 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 컨버터(510)는 인버팅 벅 부스트 컨버터(inverting buck boost converter)로 구현될 수 있다.
제2 컨버터(520)는 입력 전압(VIN)을 변환하여 제2 전원 전압(VDD)을 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 컨버터(520)는 부스트 컨버터(boost converter)로 구현될 수 있다.
듀티 제어부(530)는 데이터 구동부(도 1의 400)로부터 제공된 전원 제어 신호(SWIRE)에 기초하여, 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)을 판단할 수 있다. 또한, 듀티 제어부(530)는 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 대응하는 듀티 제어 신호(DTCS)를 생성하고, 제1 컨버터(510)에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 컨버터(510)는 듀티 제어부(530)로부터 제공되는 듀티 제어 신호(DTCS)에 기초하여, 스위칭 펄스의 온-듀티비를 목표 온-듀티비로 가변할 수 있다. 예를 들어, 제1 컨버터(510)는 듀티 제어 신호(DTCS)에 기초하여 스위칭 펄스의 온-듀티비를 목표 온-듀티비로 감소시킴으로써 음극성의 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 증가시킬 수 있다(즉, 제1 전원 전압(VSS)의 절대값의 크기를 감소시킴).
스위칭 주파수 제어부(540)는 데이터 구동부(도 1의 400)로부터 제공된 전원 제어 신호(SWIRE)에 기초하여, 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)을 판단할 수 있다. 또한, 스위칭 주파수 제어부(540)는 입력 전압(VIN)의 전압 레벨과 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 기초하여 스위칭 펄스의 목표 온-듀티비를 산출하고, 목표 온-듀티비에 대응하여 최소 온-시간을 위한 제2 주파수를 산출할 수 있다. 스위칭 주파수 제어부(540)는 제2 주파수에 대응하여 스위칭 주파수 제어 신호(FCS)를 생성하고, 제1 컨버터(510)에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 컨버터(510)는 스위칭 주파수 제어부(540)로부터 제공되는 스위칭 주파수 제어 신호(FCS)에 기초하여, 스위칭 펄스의 스위칭 주파수를 보정 스위칭 주파수(또는, 제2 주파수)로 가변하여 구동할 수 있다.
제1 컨버터(510)의 스위칭 펄스의 온-듀티비 가변 동작 및 스위칭 주파수 가변 동작에 대해서는 도 6 내지 도 8을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 도 2의 DC-DC 컨버터에 포함되는 제1 컨버터의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 4는 도 2의 DC-DC 컨버터에 포함되는 제2 컨버터의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 3의 제1 컨버터 및 도 4의 제2 컨버터의 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 컨버터(510)는 스위칭부 및 제1 스위칭 제어부(515)를 포함할 수 있다. 제1 컨버터(510)의 스위칭부는 제1 인덕터(L1), 제1 트랜지스터(M1), 및 제2 트랜지스터(M2)를 포함할 수 있다.
제1 인덕터(L1)는 제1 노드(N1)와 접지 사이에 연결될 수 있다. 제1 인덕터(L1)에 흐르는 제1 인덕터 전류에 기초하여 제1 전원 전압(VSS)이 제어될 수 있다.
제1 트랜지스터(M1)는 입력 전압(VIN)이 인가되는 제1 입력단 및 제1 노드(N1) 사이에 연결될 수 있다. 제1 트랜지스터(M1)는 제1 스위칭 제어부(515)로부터 제1 제어 신호(G1)를 인가받아 턴-온되고, 제1 인덕터(L1)에 전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
제2 트랜지스터(M2)는 제1 노드(N1)와 제1 전원 전압(VSS)이 출력되는 제1 출력단 사이에 연결될 수 있다. 제2 트랜지스터(M2)는 제1 스위칭 제어부(515)로부터 공급되는 제2 제어 신호(G2)에 응답하여 제1 트랜지스터(M1)와 교번하여 턴-온 될 수 있다. 따라서, 제1 트랜지스터(M1)가 턴-온 되어 제1 인덕터(L1)에 기전력이 발생된 이후, 제2 트랜지스터(M2)가 턴-온 됨으로써 입력 전압(VIN)이 제1 전원 전압(VSS)으로 변환되고, 제1 출력단으로 제1 전원 전압(VSS)이 출력될 수 있다. 이 때, 제1 노드(N1)는 제1 트랜지스터(M1), 제2 트랜지스터(M2) 및 제1 인덕터(L1)의 공통 노드로 정의될 수 있다.
제1 스위칭 제어부(515)는 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)의 온-오프를 제어할 수 있다. 제1 및 제2 트랜지스터들(M1, M2)은 제1 스위칭 제어부(515)의 제어에 의해 교번하여 온-오프될 수 있다.
제1 전원 전압(VSS)이 출력되는 제1 출력단과 접지 사이에는 제1 커패시터(C1)가 연결될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 스위칭 제어부(515)는 듀티 제어 신호(DTCS)에 기초하여 스위칭 펄스의 온-듀티비를 가변하고, 스위칭 주파수 제어 신호(FCS)에 기초하여 스위칭 펄스의 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2 컨버터(520)는 스위칭부 및 제2 스위칭 제어부(525)를 포함할 수 있다. 제2 컨버터(520)의 스위칭부는 제2 인덕터(L2), 제3 트랜지스터(M3), 및 제4 트랜지스터(M4)를 포함할 수 있다.
제2 인덕터(L2)는 입력 전압(VIN)이 인가되는 제2 입력단 및 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다. 제2 인덕터(L2)를 통해 흐르는 제2 인턱터 전류에 기초하여 제2 전원 전압(VDD)이 제어될 수 있다.
제3 트랜지스터(M3)는 제2 노드(N2)와 접지 사이에 연결될 수 있다. 제3 트랜지스터(M3)는 제2 스위칭 제어부(525)로부터 제3 제어 신호(G3)를 인가받아 턴-온되고, 제2 인덕터(L2)에 전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
제4 트랜지스터(M4)는 제2 노드(N2)와 제2 전원 전압(VDD)이 출력되는 제2 출력단 사이에 연결될 수 있다. 제4 트랜지스터(M4)는 제2 스위칭 제어부(525)로부터 공급되는 제4 제어 신호(G4)에 응답하여 제3 트랜지스터(M3)와 교번하여 턴-온될 수 있다. 따라서, 제3 트랜지스터(M3)가 턴-온 되어 제2 인덕터(L2)에 기전력이 발생된 이후, 제4 트랜지스터(M4)가 턴-온 됨으로써 제2 노드(N2)의 전압(V2)이 제2 전원 전압(VDD)으로 변환될 수 있다.
제2 스위칭 제어부(525)는 제3 트랜지스터(M3) 및 제4 트랜지스터(M4)의 온-오프를 제어할 수 있다. 제3 및 제4 트랜지스터들(M3, M4)은 제2 스위칭 제어부(525)의 제어에 의해 교번하여 온-오프될 수 있다.
제2 전원 전압(VDD)이 출력되는 제2 출력단과 접지 사이에는 제2 커패시터(C2)가 연결될 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 제1 컨버터(510)와 제2 컨버터(520)의 구체적인 동작에 대해서 설명하기로 한다. 도 5에는 트랜지스터들(M1, M2, M3, M4)의 온/오프 제어를 위한 스위칭 펄스(SP) 및 인덕터들(L1, L2)에 흐르는 인덕터 전류(IL)의 타이밍도가 도시되어 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 제1 컨버터(510)는 스위칭 펄스(SP)의 온/오프 스위칭에 따라 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)를 교번하여 턴-온 및 턴-오프시킬 수 있다.
스위칭 펄스(SP)는 소정의 스위칭 주파수 및 이에 대응하는 스위칭 주기(Ts)를 가질 수 있다. 스위칭 펄스(SP)는 스위칭 주파수에 따라 온/오프 스위칭될 수 있다. 여기서, 스위칭 주기(Ts) 대비 스위칭 펄스(SP)가 온-레벨(또는, 하이 레벨)인 구간에 대응하는 시간(t1)의 비율이 온-듀티비(D)에 대응한다. 이에 따라, 온-듀티비(D)는 0에서 1 사이의 값을 가질 수 있다.
스위칭 주기(Ts) 중 스위칭 펄스(SP)가 온-레벨(또는, 하이 레벨)인 구간에 대응하는 시간(t1)에서, 제1 제어 신호(G1)에 의해 제1 트랜지스터(M1)가 턴-온되고, 제2 제어 신호(G2)에 의해 제2 트랜지스터(M2)가 턴-오프될 수 있다. 제1 트랜지스터(M1)가 턴-온되고 제2 트랜지스터(M2)가 턴-오프되면(t1), 제1 노드(N1)의 전압(V1)이 입력 전압(VIN)의 전압 레벨을 가지고, 제1 노드(N1)의 전압(V1)과 접지의 그라운드 전압 레벨 차이에 의해 제1 인덕터(L1)에 흐르는 인덕터 전류(IL)의 크기가 증가할 수 있다.
또한, 스위칭 주기(Ts) 중 스위칭 펄스(SP)가 오프-레벨(또는, 로우 레벨)인 구간에 대응하는 시간(t2)에서, 제1 제어 신호(G1)에 의해 제1 트랜지스터(M1)가 턴-오프되고, 제2 제어 신호(G2)에 의해 제2 트랜지스터(M2)가 턴-온될 수 있다. 제1 트랜지스터(M1)가 턴-오프되고 제2 트랜지스터(M2)가 턴-온되면(t2), 제1 노드(N1)의 전압(V1)이 하강하여 접지의 그라운드 전압 레벨을 가지고, 접지와 제1 노드(N1)의 전압(V1) 차이에 의해 제1 인덕터(L1)에 흐르는 인덕터 전류(IL)의 크기가 감소할 수 있다.
이와 같은 스위칭 주기(Ts)가 반복됨으로써, 제1 컨버터(510)는 제1 출력단으로 제1 전원 전압(VSS)을 출력할 수 있다. 한편, 제2 컨버터(520)는 제1 컨버터(510)와 실질적으로 동일한 스위칭 동작에 의해 제2 전원 전압(VDD)을 출력할 수 있다.
제1 컨버터(510)는 듀티 제어 신호(DTCS)에 기초하여 온-듀티비(D)를 제어함으로써, 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 가변할 수 있다. 예를 들어, 제1 컨버터(510)는 듀티 제어 신호(DTCS)에 기초하여 온-듀티비(D)를 감소시키는 경우, 동일한 스위칭 주기(Ts)에 대응하여 스위칭 온-시간(도 5에서 DⅹTs로 도시됨)이 감소될 수 있다. 이에 따라, 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨이 감소할 수 있다.
다만, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 스위칭 온-시간(DⅹTs)은 최소 온-시간 이상으로 설정될 필요가 있으므로, 제1 컨버터(510)는 동일한 스위칭 주파수(또는, 스위칭 주기(Ts))를 기준으로 일정 범위 이상으로 음극성의 제1 전원 전압(VSS)을 증가시킬 수 없다.
예를 들어, 입력 전압(VIN)과 온-듀티비(D)에 따른 출력 전압(즉, 제1 전원 전압(VSS))의 관계는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, VSS는 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 나타내고, D는 온-듀티비(D)를 나타내며, VIN은 입력 전압(VIN)의 전압 레벨을 나타낸다.
또한, 스위칭 온-시간(DⅹTs)은 최소 온-시간 이상으로 설정될 필요가 있으므로, 제1 컨버터(510)는 스위칭 온-시간(DⅹTs)과 최소 온-시간이 동일할 때까지 온-듀티비(D)를 감소시킬 수 있다. 일 예로, 스위칭 주파수가 1.45MHz로 설정되고 최소 온-시간이 100ns로 설정되는 경우, 제1 컨버터(510)는 온-듀티비(D)를 0.145까지 감소시킬 수 있다. 이 때, 입력 전압(VIN)이 4.5V인 경우, 제1 컨버터(510)가 생성할 수 있는 제1 전원 전압(VSS)의 최대값은 약 -0.763V이다.
다만, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 표시 장치(1000)는 절전 모드에서 음극성의 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 증가시켜 소비 전력을 저감할 수 있으며, 이를 위하여, 상술한 예시의 제1 전원 전압(VSS)의 최대값보다 더 큰 제1 전원 전압(VSS)(즉, 목표 전압 레벨(T_VSS)의 제1 전원 전압(VSS))이 요구될 수 있다.
이에 따라, 제1 컨버터(510)는 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 대응하여 스위칭 주파수(또는, 스위칭 주기(Ts))를 가변함으로써 목표 전압 레벨(T_VSS)의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다. 제1 컨버터(510)의 스위칭 주파수 가변 동작에 대해 구체적으로 설명하기 위해 도 6 내지 도 8이 참조될 수 있다.
도 6은 도 2의 DC-DC 컨버터에 포함되는 스위칭 주파수 제어부의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 7 및 도 8은 도 6의 스위칭 주파수 제어부의 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 스위칭 주파수 제어부(540)는 듀티 연산부(541), 스위칭 주파수 연산부(542), 및 스위칭 주파수 제어 신호 생성부(543)를 포함할 수 있다.
듀티 연산부(541)는 입력 전압(VIN) 및 전원 제어 신호(SWIRE)를 수신할 수 있다. 듀티 연산부(541)는 전원 제어 신호(SWIRE)에 기초하여 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)을 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 듀티 연산부(541)는 입력 전압(VIN)의 전압 레벨과 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 기초하여 목표 온-듀티비(TD)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 듀티 연산부(541)는 상기 수학식 1을 이용하여 목표 온-듀티비(TD)를 산출할 수 있다.
스위칭 주파수 연산부(542)는 목표 전압 레벨(T_VSS)에 대응하는 목표 온-듀티비(TD)에 기초하여, 최소 온-시간을 위한 보정 스위칭 주파수(SF)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 주파수 연산부(542)는 아래의 수학식 2를 이용하여 보정 스위칭 주파수(SF)에 대응하는 스위칭 주기(도 5의 Ts)와 목표 온-듀티비(TD)의 곱에 해당하는 스위칭 온-시간이 최소 온-시간과 동일하도록 보정 스위칭 주파수(SF)를 산출할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Ts는 보정 스위칭 주파수(SF)에 대응하는 스위칭 주기를 나타내고, Min은 최소 온-시간을 나타내며, TD는 목표 온-듀티비(TD)를 나타낸다.
스위칭 주파수 제어 신호 생성부(543)는 스위칭 주파수 연산부(542)에 의해 산출된 보정 스위칭 주파수(SF)에 기초하여, 제1 컨버터(510)의 스위칭 주파수를 가변하기 위한 스위칭 주파수 제어 신호(FCS)를 생성할 수 있다.
도 7을 더 참조하면, 도 7에는 표시 장치(도 1의 1000)가 일반 모드에서 구동될 때 제1 컨버터(510)의 구동 스위칭 주파수(또는, 제1 주파수)에 대응하는 스위칭 주기(Ts)를 가지는 스위칭 펄스(SP1)와 표시 장치(도 1의 1000)가 절전 모드에서 구동될 때 보정 스위칭 주파수(SF, 또는, 제2 주파수)에 대응하는 스위칭 주기(Ts')를 가지는 스위칭 펄스(SP2)가 도시되어있다.
제1 컨버터(510)는 일반 모드에서 스위칭 펄스(SP1)의 스위칭 주기(Ts)에 따라 제1 주파수로 스위칭 동작을 수행함으로써, 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다. 여기서, 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨은 스위칭 펄스(SP1)의 온-듀티비(D1)(또는, 스위칭 온-시간(SWT1))에 따라 결정될 수 있다. 한편, 일반 모드에서의 스위칭 주파수(제1 주파수)는 표시 장치(도 1의 1000)의 설계에 따라 기 설정될 수 있으며, 예를 들어, 제1 주파수는 1.45Mhz로 설정될 수 있다.
제1 컨버터(510)는 절전 모드에서 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 기초하여 목표 온-듀티비(TD)(또는, 온-듀티비(D2))를 산출하고, 보정 스위칭 주파수(SF)(또는, 제2 주파수)를 산출할 수 있다. 여기서, 보정 스위칭 주파수(SF)에 대응하는 스위칭 주기(Ts')는 제1 주파수에 대응하는 스위칭 주기(Ts)보다 클 수 있다(Ts<Ts'). 이에 따라, 음극성의 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)이 큰 경우, 즉, 온-듀티비(D2)가 작은 경우에도 스위칭 온-시간(SWT2)이 충분히 확보될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 온-시간(SWT2)은 최소 온-시간(MOT)과 동일할 수 있다. 이에 따라, 제1 컨버터(510)가 안정적으로 동작할 수 있다.
도 8을 더 참조하면, 도 8은 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 대응하는 보정 스위칭 주파수(SF)가 도시되어있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)이 증가(또는, 절대값이 감소)함에 따라, 산출된 보정 스위칭 주파수(SF)는 감소할 수 있다. 예를 들어, 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)이 -0.8V에서 -0.1V로 증가할수록 산출된 보정 스위칭 주파수(SF)는 1.45MHz에서 217kHz까지 감소할 수 있다.
한편, 제1 컨버터(510)는 제1 주파수에 대응하여 가변할 수 있는 목표 전압 레벨(T_VSS)까지 제1 주파수로 구동될 수 있다. 예를 들어, 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)이 -4.0V에서 -0.8V인 경우, 제1 컨버터(510)는 1.45MHz(제1 주파수)로 구동될 수 있다.
도 9는 도 2의 DC-DC 컨버터의 동작의 일 예를 나타내는 파형도이다. 도 9에는 표시 장치(도 1의 1000)의 구동 모드에 따른 제1 전원 전압(VSS) 및 제2 전원 전압(VDD)의 전압 레벨과 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨에 따른 보정 스위칭 주파수(SF)가 도시되어있다.
도 1, 도 2, 도 6, 및 도 9를 참조하면, 일반 모드에서 표시 장치(1000)는 제1 전원 전압(VSS)과 제2 전원 전압(VDD)의 전압 레벨을 가변하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨은 -4V이며, 제2 전원 전압(VDD)의 전압 레벨을 4V일 수 있다. 한편, 일반 모드에서 DC-DC 컨버터(500)(또는, 제1 컨버터(510))의 스위칭 주파수(또는, 제1 주파수)는 1.45MHz로 설정될 수 있다.
절전 모드에서 표시 장치(1000)는 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 가변할 수 있다. 예를 들어, 표시 장치(1000)는 DC-DC 컨버터(500)를 이용하여 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 -4V에서 -0.1V까지 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, DC-DC 컨버터(500)는 제1 주파수에 대응하여 가변할 수 있는 목표 전압 레벨(T_VSS)까지 제1 주파수로 제1 컨버터(510)를 구동하면서 제1 전원 전압(VSS)의 전압 레벨을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 컨버터(510)는 1.45MHz의 스위칭 주파수로 스위칭 동작을 수행하면서, -4V에서 -0.8V까지의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, DC-DC 컨버터(500)는 입력 전압(VIN)과 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 기초하여 목표 온-듀티비(TD)를 산출하고, 목표 온-듀티비(TD)에 기초하여 보정 스위칭 주파수(SF)를 산출하며, 보정 스위칭 주파수(SF)로 제1 컨버터(510)를 구동시킴으로써, 목표 전압 레벨(T_VSS)의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 컨버터(510)는 0.2MHz에서 1.45MHz의 스위칭 주파수(또는, 보정 스위칭 주파수(SF))로 스위칭 동작을 수행하면서, -0.8V에서 -0.1V의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다.
도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 표시 장치(1000)(또는, DC-DC 컨버터(500))는 보정 스위칭 주파수(SF)에 따라 제1 컨버터(510)를 구동함으로써, 최소 온-시간(MOT)을 확보하여 목표 전압 레벨(T_VSS)의 제1 전원 전압(VSS)을 안정적으로 생성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터를 나타내는 블록도이다. 스위칭 주파수 제어부(540_1)를 제외하고, 도 10의 DC-DC 컨버터(500_1)는 도 2의 DC-DC 컨버터(500)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 10을 참조하면, 스위칭 주파수 제어부(540_1)는, 도 2의 스위칭 주파수 제어부(540)와 같이 전원 제어 신호(SWIRE)에 기초하여 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)을 판단하지 않고, 제1 컨버터(510)의 제1 출력단으로부터 직접 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)을 센싱할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터를 나타내는 블록도이고, 도 12는 도 11의 DC-DC 컨버터에 포함되는 스위칭 주파수 제어부의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 13은 도 12의 스위칭 주파수 제어부의 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다. 스위칭 주파수 제어부(540_2) 및 전류 센서(550)를 제외하고, 도 11의 DC-DC 컨버터(500_2)는 도 2의 DC-DC 컨버터(500)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 11을 참조하면, 전류 센서(550)는 제1 컨버터(510)의 인덕터 전류를 센싱할 수 있다. 예를 들어, 전류 센서(550)는 전류 미러 회로(current mirror circuit) 등으로 구현되어 제1 컨버터(510)의 인덕터 전류를 센싱할 수 있다. 전류 센서(550)는 제1 컨버터(510)의 인덕터 전류를 센싱하고, 온도, 인덕터의 산포 등에 따라 인덕터에 과전류가 흐르는 것을 방지하도록 제1 컨버터(510)를 제어할 수 있다. 한편, 설명의 편의상 도 11에서는 제1 컨버터(510)의 인덕터 전류를 센싱하기 위한 전류 센서(550)만을 도시하였으나, DC-DC 컨버터(500_2)는 제2 컨버터(520)의 인덕터 전류를 센싱하기 위한 전류 센서를 더 포함할 수도 있다.
한편, 제1 컨버터(510)의 최소 온-시간에는 전류 센서(550)의 인덕터 전류 센싱 동작에 필요한 시간이 대부분을 차지하고 있다. 예를 들어, 최소 온-시간이 100ns로 설정되는 경우, 전류 센서(550)의 인덕터 전류 센싱 동작에 필요한 시간은 최소 온-시간 중 약 절반에 대응될 수 있다.
다만, 제1 컨버터(510)의 스위칭 주파수가 낮은 경우(예를 들어, 기준 주파수), 인덕터에 과전류가 흐르지 않아 전류 센서(550)의 전류 센싱 동작이 불필요할 수 있다. 이 경우, 스위칭 주파수 제어부(540_2)는 전류 센서(550)의 동작을 오프시킴으로써, 최소 온-시간을 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 스위칭 주파수 제어부(540_2)는 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 기초하여 산출된 보정 스위칭 주파수가 기준 주파수보다 낮은 경우, 제1 컨버터(510)가 기준 주파수로 스위칭 구동하도록 제어하되, 인덕터 전류 센싱에 필요한 전류 센서(550)의 동작을 오프시킴으로써 최소 온-시간을 추가 확보할 수 있다.
도 12를 더 참조하면, 스위칭 주파수 제어부(540_2)는 듀티 연산부(541), 스위칭 주파수 연산부(542), 스위칭 주파수 제어 신호 생성부(543_2), 메모리(544), 및 전류 센서 제어부(545)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 듀티 연산부(541) 및 스위칭 주파수 연산부(542)는 도 6을 참조하여 설명한 듀티 연산부(541) 및 스위칭 주파수 연산부(542)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
메모리(544)는 스위칭 주파수 제어 신호 생성부(543_2)와 전류 센서 제어부(545)로 기준 주파수(RF)의 값을 제공할 수 있다.
스위칭 주파수 제어 신호 생성부(543_2)는 스위칭 주파수 연산부(542)로부터 제공되는 보정 스위칭 주파수(SF)가 기준 주파수(RF)보다 낮은 경우, 제1 컨버터(510)가 기준 주파수(RF)로 스위칭 구동하도록 스위칭 주파수 제어 신호(FCS)를 생성할 수 있다. 여기서, 기준 주파수(RF)는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 출력 리플이 발생하지 않는 가장 작은 제1 컨버터(510)의 스위칭 주파수를 의미할 수 있으며, 실험 등에 의해 기 설정된 값일 수 있다. 스위칭 주파수 제어 신호 생성부(543_2)에 의해 제1 컨버터(510)의 스위칭 주파수가 기준 주파수(RF)로 제한됨으로써, 제1 컨버터(510)는 출력 리플 발생없이 안정적으로 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다.
또한, 전류 센서 제어부(545)는 스위칭 주파수 연산부(542)로부터 제공되는 보정 스위칭 주파수(SF)가 기준 주파수(RF)보다 낮은 경우, 전류 센서를 오프시키기 위한 전류 센서 제어 신호(CSCS)를 생성할 수 있다. 이 경우, 전류 센서 제어 신호(CSCS)에 의해 전류 센서(550)가 오프됨으로써, 최소 온-시간이 감소될 수 있다. 이에 따라, 제1 컨버터(510)가 기준 주파수(RF)로 스위칭 동작을 수행하는 경우에도, 제1 컨버터(510)는 목표 전압 레벨(T_VSS)의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다. 구체적으로, 낮은 목표 전압 레벨(T_VSS)의 제1 전원 전압(VSS)에 대응하여 제1 컨버터(510)가 온-듀티비를 감소시키더라도, 전류 센서(550) 오프에 의해 최소 온-시간이 감소되었으므로, 목표 전압 레벨(T_VSS)에 대응하는 스위칭 온-시간은 최소 온-시간 이상으로 설정되어 제1 컨버터(510)는 안정적으로 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 도 13을 더 참조하면, -0.2V 이상의 목표 전압 레벨(T_VSS)에 대응하여, 제1 컨버터(510)는 기준 주파수(RF)인 500kHz로 스위칭 동작을 수행하되, 전류 센서(550)의 동작을 오프시킴으로써, 목표 전압 레벨(T_VSS)에 대응하는 제1 전원 전압(VSS)을 안정적으로 생성할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 표시 장치를 나타내는 블록도이고, 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 DC-DC 컨버터를 나타내는 블록도이며, 도 16은 도 15의 DC-DC 컨버터의 동작의 일 예를 나타내는 파형도이다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 표시 장치(1000_1)의 전원 공급부(600_1)는 출력단을 통해 DC-DC 컨버터(500_3)로 출력되는 입력 전압(VIN)의 흔들림을 센싱하여 주파수 변경 제어 신호(TDMA)를 생성할 수 있다. 전원 공급부(600_1)는 주파수 변경 제어 신호(TDMA)를 DC-DC 컨버터(500_3)로 제공할 수 있다.
DC-DC 컨버터(500_3)의 스위칭 주파수 제어부(540_3)는 주파수 변경 제어 신호(TDMA)에 기초하여, 절전 모드에서 제1 컨버터(510)의 스위칭 주파수를 제1 주파수로 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 절전 모드에서 제1 전원 전압(VSS)의 목표 전압 레벨(T_VSS)이 -0.8V에서 -0.1V로 증가함에 따라 스위칭 주파수 제어부(540_3)는 제1 컨버터(510)의 스위칭 주파수를 1.45MHz(제1 주파수)에서 0.2MHz(제2 주파수)까지 감소시킬 수 있다. 다만, 절전 모드에서도 전원 공급부(600_1)에 의해 입력 전압(VIN)의 흔들림이 감지되는 경우, 제1 컨버터(510)의 스위칭 주파수 가변 동작에 따른 출력 리플을 방지하기 위하여, 스위칭 주파수 제어부(540_3)는 전원 공급부(600_1)로부터 제공되는 주파수 변경 제어 신호(TDMA)에 기초하여, 제1 컨버터(510)가 1.45MHz(제1 주파수)로 구동되도록 스위칭 주파수 제어 신호(FCS)를 생성할 수 있다.
이에 따라, 절전 모드에서, 제1 컨버터(510)는 제1 주파수에 대응하는 최대 목표 전압 레벨(T_VSS)(예를 들어, -0.8V)의 제1 전원 전압(VSS)을 생성할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하고 설명하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있으며, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 표시 패널 200: 타이밍 제어부
300: 주사 구동부 400: 데이터 구동부
500, 500_1, 500_2, 500_3: DC-DC 컨버터
510: 제1 컨버터 515: 제1 스위칭 제어부
520: 제2 컨버터 525: 제2 스위칭 제어부
530: 듀티 제어부
540, 540_1, 540_2, 540_3: 스위칭 주파수 제어부
541: 듀티 연산부 542: 스위칭 주파수 연산부
543, 543_2: 스위칭 주파수 제어 신호 생성부
544: 메모리 545: 전류 센서 제어부
550: 전류 센서 600, 600_1: 전원 공급부
1000, 1000_1: 표시 장치 PX: 화소

Claims (20)

  1. 입력 전압을 변환하여 제1 전원 전압을 생성하는 제1 컨버터;
    상기 제1 컨버터의 스위칭 펄스의 온-듀티비(on-duty ratio)를 가변하여 상기 제1 전원 전압의 전압 레벨을 제어하기 위한 듀티 제어 신호를 생성하는 듀티 제어부;
    상기 스위칭 펄스의 스위칭 주파수에 대응하는 상기 제1 컨버터의 구동 주파수를 제어하기 위한 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는 스위칭 주파수 제어부; 및
    상기 제1 컨버터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서를 포함하며,
    상기 제1 컨버터는,
    제1 모드에서 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 제1 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 제1 레벨의 상기 제1 전원 전압을 생성하고,
    제2 모드에서 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 상기 제1 레벨과 상이한 제2 레벨의 상기 제1 전원 전압을 생성하며,
    상기 스위칭 주파수 제어부는 상기 전류 센서의 오프 여부를 결정하는, DC-DC 컨버터.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 낮고,
    상기 제1 레벨은 상기 제2 레벨보다 낮은, DC-DC 컨버터.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 듀티 제어부는 상기 온-듀티비를 감소시켜 상기 제1 전원 전압의 상기 전압 레벨을 증가시키는, DC-DC 컨버터.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 입력 전압의 전압 레벨 및 상기 제2 레벨에 대응하는 목표 전압 레벨에 기초하여 목표 온-듀티비를 산출하고, 상기 목표 온-듀티비에 기초하여 상기 제2 주파수에 대응하는 보정 스위칭 주파수를 산출하며, 상기 보정 스위칭 주파수에 기초하여 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는, DC-DC 컨버터.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수 제어부는,
    상기 입력 전압의 전압 레벨과 상기 목표 전압 레벨에 기초하여 상기 목표 온-듀티비를 산출하는 듀티 연산부;
    상기 목표 온-듀티비 및 상기 제1 컨버터의 최소 온-시간(minimum on-time)에 기초하여 상기 보정 스위칭 주파수를 산출하는 스위칭 주파수 연산부; 및
    상기 보정 스위칭 주파수에 기초하여 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는 스위칭 주파수 제어 신호 생성부를 포함하는, DC-DC 컨버터.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수 연산부는, 상기 보정 스위칭 주파수에 대응하는 스위칭 주기와 상기 목표 온-듀티비의 곱에 대응하는 스위칭 온-시간이 상기 최소 온-시간과 동일하도록, 상기 보정 스위칭 주파수를 산출하는, DC-DC 컨버터.
  7. 제4 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 보정 스위칭 주파수가 기준 주파수보다 낮은 경우, 상기 제1 컨버터를 상기 기준 주파수의 스위칭 주파수로 구동시키기 위한 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는, DC-DC 컨버터.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 전류 센서를 오프시키는, DC-DC 컨버터.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제1 컨버터는,
    제1 노드와 접지 사이에 연결되며, 제1 인덕터 전류를 생성하는 제1 인덕터;
    상기 입력 전압이 입력되는 제1 입력단과 상기 제1 노드 사이에 연결되는 제1 트랜지스터;
    상기 제1 노드와 상기 제1 전원 전압이 출력되는 제1 출력단 사이에 연결되는 제2 트랜지스터; 및
    상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 온-오프를 제어하는 제1 스위칭 제어부를 포함하는, DC-DC 컨버터.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 제1 스위칭 제어부는, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 턴-온 시간을 제어하는, DC-DC 컨버터.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 제1 스위칭 제어부는, 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여, 동일한 시간 동안 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터의 턴-온 횟수를 제어하는, DC-DC 컨버터.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 전류 센서는 상기 제1 인덕터 전류를 센싱하는, DC-DC 컨버터.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 입력 전압을 변환하여 제2 전원 전압을 생성하는 제2 컨버터를 더 포함하며,
    상기 제2 컨버터는,
    상기 입력 전압이 입력되는 제2 입력단과 제2 노드 사이에 연결되며, 제2 인덕터 전류를 생성하는 제2 인덕터;
    상기 제2 노드와 접지 사이에 연결되는 제3 트랜지스터;
    상기 제2 노드와 상기 제2 전원 전압이 출력되는 제2 출력단 사이에 연결되는 제4 트랜지스터; 및
    상기 제2 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터의 온-오프를 제어하는 제2 스위칭 제어부를 포함하는, DC-DC 컨버터.
  14. 복수의 화소들을 포함하고, 제1 모드 및 제2 모드 중 하나로 영상을 표시하는 표시 패널;
    상기 표시 패널에 데이터 신호를 제공하는 데이터 구동부; 및
    상기 표시 패널에 전원 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터를 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    입력 전압을 변환하여 상기 전원 전압을 생성하는 컨버터;
    상기 컨버터의 스위칭 펄스의 온-듀티비(on-duty ratio)를 가변하여 상기 전원 전압의 전압 레벨을 제어하기 위한 듀티 제어 신호를 생성하는 듀티 제어부;
    상기 스위칭 펄스의 스위칭 주파수에 대응하는 상기 컨버터의 구동 주파수를 제어하기 위한 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는 스위칭 주파수 제어부; 및
    상기 컨버터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서를 포함하며,
    상기 컨버터는,
    상기 제1 모드에서 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 제1 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 제1 레벨의 상기 전원 전압을 생성하고,
    상기 제2 모드에서 상기 스위칭 주파수 제어 신호에 기초하여 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수의 스위칭 주파수로 구동되고, 상기 듀티 제어 신호에 기초하여 상기 제1 레벨과 상이한 제2 레벨의 상기 전원 전압을 생성하며,
    상기 스위칭 주파수 제어부는 상기 전류 센서의 오프 여부를 결정하는, 표시 장치.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 데이터 구동부는 전원 제어 신호를 생성하여 상기 스위칭 주파수 제어부로 제공하고,
    상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 전원 제어 신호에 기초하여 상기 제2 레벨에 대응하는 목표 전압 레벨을 산출하고, 상기 입력 전압의 전압 레벨 및 상기 목표 전압 레벨에 기초하여 목표 온-듀티비를 산출하며, 상기 목표 온-듀티비에 기초하여 상기 제2 주파수에 대응하는 보정 스위칭 주파수를 산출하고, 상기 보정 스위칭 주파수에 기초하여 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는, 표시 장치.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 보정 스위칭 주파수가 기준 주파수보다 낮은 경우, 상기 컨버터를 상기 기준 주파수의 스위칭 주파수로 구동시키기 위한 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는, 표시 장치.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수 제어부는, 상기 전류 센서를 오프시키는, 표시 장치.
  18. 제14 항에 있어서, 상기 컨버터는 인덕터 전류를 생성하며,
    상기 전류 센서는 상기 인덕터 전류를 센싱하는, 표시 장치.
  19. 제14 항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터로 상기 입력 전압 및 주파수 변경 제어 신호를 제공하는 전원 공급부를 더 포함하는, 표시 장치.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 스위칭 주파수 제어부는 상기 주파수 변경 제어 신호에 기초하여, 상기 제2 모드에서 상기 컨버터를 상기 제1 주파수의 스위칭 주파수로 구동하기 위한 상기 스위칭 주파수 제어 신호를 생성하는, 표시 장치.
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