用於液晶顯示器的多輸出dc/dc變換器的製作方法
2023-04-25 07:41:46 4
專利名稱：用於液晶顯示器的多輸出dc/dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及液晶顯示器(LCD)系統，它包括產生多個LCD驅動電壓的裝置，該電壓值關於預定的電壓值對稱，上述裝置具有緩衝電容器結構為每一個LCD驅動電壓提供緩衝電容，LCD系統進一步包括具有矩陣開關和控制裝置的LCD驅動電路，來為LCD面板終端提供與上述LCD驅動電壓相應的電壓，導致LCD面板象素的適當的亮度級。
背景技術：
實際上需要的LCD模塊，它僅由給定的電壓源，尤其是電池，或者源於電池的電壓來供電並且對於面板上的畫面具有給定的形式。對於小型LCD系統在蜂窩電話中的應用是最重要的應用之一；在該應用中電池是電壓電源。通常該電池是單鋰離子電池或由鎳型電池構成，例如鎳鎘電池(NiCd)或鎳-金屬氫化物(NiMH)電池。實際中，當完全充滿和逐漸變為完全放電的時侯，電池電壓對於鋰電池來說在4.2至2.5V之間變化，對於鎳電池來說在4.8至0.9V之間變化。將自該單獨的電池供給電壓產生所需要的LCD驅動電壓。除了畫面質量之外，對於蜂窩電話來說待機功率消耗是最重要的參數之一。顯示器一直開著，從而顯示器的電源是關注的問題。因此，需要相對高效率地完成將單電池電壓轉換成多個良好受控的LCD驅動電壓，以便保持待機功率消耗較低。
在開始段落中描述的LCD系統可以從US-A-5,986,649中獲知。一種電荷泵技術被應用於產生上述文獻中的多個對稱LCD電壓的裝置中，以獲得良好限定的電壓V3和-V3，而良好限定的中間電壓V2、VC和-V2由驅動元件產生，這些驅動元件包括電阻R1-R4、運算放大器OP1和OP2、以及電容C1-C4的串聯結構。雖然這種已知的系統產生良好限定的LCD驅動電壓，但是這種驅動元件與出現在這些放大器中負載電流相結合的應用在這些放大器中導致了能量的損耗，特別是在運算放大器中，這實際中通常不會被接受。
發明內容
本發明的目的在於提供一種LCD系統，其中用於產生LCD驅動電壓的裝置中的損耗相對於已知的配置大大地減少。
因此，根據本發明，在開始段落中描述的LCD系統其特徵在於至少一個具有一個泵電容器和開關元件的電荷泵單元連接到緩衝電容器。
緩衝電容器與在緩衝電容器輸出中應用電荷泵技術的組合，使得在多個緩衝電容器之間高效率電荷交換成為可能。如在上述現有技術中的情況，緩衝放大器的應用現在是多餘的，因此在LCD系統中將損耗更少的功率。
緩衝電容器的結構可以不同的方式實現。上述現有技術文獻提出了一種緩衝電容器的串聯結構，它被布置在單電源電壓裝置的輸出端子之間，該單電源電壓裝置在每一個LCD驅動電壓之間有一個緩衝電容器。進一步可能的緩衝電容器的結構是一種星形結構，在這裡緩衝電容器被布置在各個LCD驅動電壓和公共點，例如地或者關於其具有對稱值的另一個LCD驅動電壓的LCD驅動電壓之間。也可能是組合的緩衝電容器的串聯結構和星形結構。
在一個更特別的實施例中，LCD系統其特徵在於其中用於產生多個LCD驅動電壓的裝置包括DC/DC變換器來為緩衝電容器結構提供輸出電壓，和提供了電荷泵單元，它包含至少一個第一泵電容器和相應用於限定第一組LCD驅動電壓差以及至少一個第二泵電容器和相應的開關，與至少一個第一泵電容器和相應的開關相結合，用於限定第二組LCD驅動電壓差，後一電壓差與第一組LCD驅動電壓差基本相等。在另一個特定的實施例中，LCD系統其特徵在於用於產生多個LCD驅動電壓的裝置包括DC/DC變換器用於為緩衝電容器結構提供輸出電壓，和提供了第一電荷泵單元，其包含至少一個泵電容器和相應的開關用於限定第一組LCD驅動電壓差，以及第二電荷泵單元包含至少一個泵電容器和相應的開關用於限定第二組LCD驅動電壓差。兩種實施例的組合是可能的。
將提供一種特別用於蜂窩電話的LCD系統，其中產生多個LCD驅動電壓的裝置包含DC/DC上變換器，該變換器由電池電壓供電來產生LCD驅動電壓。然而，由電池電壓供電來產生LCD驅動電壓的DC/DC下變換器可以被有選擇地應用。因為下變換比上變換提供的輸出波動要少，所以這種方法可能具有有益效果。可應用的較低的電容值能夠導致較小的尺寸和較低的成本。當然，上變換或下變換的選擇將對於電荷泵單元的控制電路的實現產生影響。
參考下面描述的範例和附圖，本發明將變得顯而易見並且被闡明。在該圖中圖1是一種LCD系統的原理圖；圖2示出了一種根據現有技術具有驅動元件的LCD系統；圖3示出了可能產生中點電壓VC的LCD系統的一部分；圖4示出了圖3中系統不適用的擴展；圖5示出了根據本發明具有DC/DC上變換器的LCD電源電壓發生器的第一實施例，其中發生器電荷泵技術被用於電壓的產生和能量損耗的減少；圖6示出了這樣一種具有可選擇實現的電荷泵單元的電壓發生器的第二實施例；圖7示出了這樣一種具有第二電荷泵單元的電壓產生器的第三實施例，該電荷泵單元用於為LCD系統提供額外的驅動電壓；以及圖8示出了一種具有DC/DC下變換器的LCD電源電壓發生器的第四實施例和如圖7中所示的電荷泵單元的實現。
具體實施例方式
圖1是具有產生多個對稱LCD電壓的裝置的LCD系統的原理圖，其形式是由電池2供電的LCD電源電壓發生器1和將LCD驅動電壓提供給LCD面板4的端子的LCD驅動電路3。LCD驅動電路3包含已知方式的矩陣開關和控制裝置。68行98列，或對於彩色面板3x98列的矩陣是用於一個蜂窩電話的切實可行的結構。LCD系統進一步包括具有控制上述硬體的控制算法的處理器；該處理器在圖中未顯示。
作為範例，矩陣開關和控制裝置可以要求下列的LCD驅動電壓V3＝15.8V；V2＝10.7V；V1＝9.3V；VC＝7.9V；MV1＝6.5V；MV2＝5.1V；以及MV3＝OV。這些值顯示於圖1中。從這些值中可以看出，4組以VC(V公共)為中心的1.4V電壓依次延伸在5.1V兩邊。對於LCD來說，對地電壓水平是不相關的；除了MV3以外的任何電平都可以被選為零參考點。所需要的電壓範圍超過電池2提供的電壓，例如完全充電時，電池2提供電壓最大值4.8V，所以在LCD電源電壓發生器1中必須應用一些電壓上變換類型。用於LCD驅動電路3的LCD驅動電壓需要被良好地控制並且獨立於電池充電狀態。
雖然由LCD面板4形成的負載是容性的，但這並不意味著傳遞給驅動電路3的LCD驅動電壓不提供DC電流。但是，LCD驅動電路3傳遞的驅動電壓的DC成分必須是零。這可以用具有相反極性的相同電壓交替驅動LCD驅動電路3來實現。這樣做的實際方法意味著補償驅動電壓的存在。上述具有關於VC值對稱的值的驅動電壓可以實現這些。例如，電壓差V1-VC和VC-MV1提供流入和流出端子VC的相等的電流，正如將進一步說明的那樣。
LCD電源電壓發生器1必須傳遞驅動電流。雖然負載是容性的，但是電源電壓發生器傳遞的淨電流並不為零。大部分有意義的電流是那些通過各自的負載從V1到VC並且通過一個諸如此類的負載從VC到MV1的電容。在實際的LCD系統中，100mA數量級的大的單極電流脈衝將由V1流向VC並且接著由VC到MV1。這些從一個電源端子流向另一個的電流脈衝可以總計達到平均電流，例如，250μA。
圖2示出了LCD系統的範例，其中LCD驅動電路3和LCD面板4被等效電路5所取代，用箭頭的形式說明了平均負載電流。隨後，短峰值容性負載電流在LCD驅動電路3裡以恰當選擇的順序產生。這意味著負載電流在不同的時隙流動，該時隙由LCD驅動電路3中的驅動方案決定。這個順序是通過LCD系統中處理器的控制算法來實現。
作為範例，平均負載電流可以是V3→V1＝12.5μA；V3→MV1＝12.5μA；V2→VC＝0.50μA；以及V1→VC＝250μA；對稱的另外那些是一樣的。
在圖2的範例中，LCD電源電壓發生器1中的輸出驅動器6-10提供了LCD驅動電壓V2，V1，VC，MV1，以及MV2。由於實際的原因，給這些輸出驅動器輸入最高的和最低的電壓V3和MV3。但是，可以選擇更適當的電源電壓。
如上所述，平均電流由大量的在不同的時隙中流動的短峰值組成，時隙由驅動方案決定。較大的電流脈衝的存在是由將電壓階躍應用到容性負載上引起的。在驅動器6-10的輸出應用退耦或應用緩衝電容器11-16減輕了這些驅動器的要求性能，因為在這種情況下由電容器來提供較大的電流峰值，並且僅僅驅動器6-10必須施加平均電流。在這種情況下，驅動器可能具有較低的電流驅動能力和較高的輸出阻抗，這意味著在IC中更小型的電路。
在圖2的系統中，經輸出驅動器6-10提供平均負載電流，該驅動器提供LCD驅動電壓V2，V1，VC，MV1以及MV2。功率在每一個驅動器6-10中的損耗依賴於其電源電壓，在這種情況下是V3和MV3的值，以及負載電流。甚至在一個更複雜的實施例中，當使用了用於每個驅動器的最小可能的電源電壓時，功率的消耗仍是關注點。
在LCD系統中，交流操作條件意味著負載電流基本上等於兩個負載電流電源組。因此，從V1到VC以及接著從VC到MV1的負載電流在VC的端子中有效地產生為零的淨電流。當考慮VC的負載電流時，退耦電容的應用意味著VC驅動電壓的直流阻抗可能相當高，因為平均電流為零。這使得應用兩個電阻17和18替代輸出驅動器來產生VC成為可能。圖3示出了這樣的中點電壓VC的產生。電壓變換器19產生電壓V1和MV1。正如參照圖4將要說明的那樣，雖然應用簡單的電阻器替代驅動器是一種廉價的解決辦法，並且通過省略驅動器減少了能量的消耗，但是這種解決辦法並不是非常有效，因為其它LCD驅動電壓的產生遇到了進一步的困難。
如圖2所示，通過DC驅動器6-9在退耦電容器11-16的輔助下產生電壓V2，V1，VC，MV1，和MV2，用來提供瞬時很高的負載峰值。當不需要傳送DC電流時，高歐姆電阻已經可以提供適當的DC電壓。這就是圖3所闡明的VC的情況。如果要求四個相等的電壓V2-V1、V1-VC、VC-MV1、以及MV1-MV2，這種測量只能在提供V1、VC、以及MV1的端子中的DC負載電流為零的情況下才能進行。但是，情況並非這樣。當考慮圖2時，除了通過各自的驅動器外，並未提供從V1到VC接著又從VC到MV1的負載電流。如上面的例子對於負載電流的說明，從V2到VC接著又VC到MV2傳遞的電流並未產生實際的淨電流流入VC。圖4中，描述了一個LCD電壓產生器，其中這種四個相等的LCD電壓差的無電流負載的情況可以用高歐姆電阻17-20來響應。但是，實際電流負載會改變幾個驅動電壓的DC電勢。由於能量損失的緣故低歐姆電阻的應用是不能接受的，並且具有不同值的電阻來提供適當電壓的應用只有在良好定義和恆流的情況下才可能。這裡是不可能的，因為LCD面板的負載電流是由畫面的內容決定的。與無電流負載狀態下4個相等電壓1.4V的情況相悖，由於負載電流，兩個中間電容器13和14將被放電並且兩個相鄰電容器12和15將被充電，因此電壓V1-VC和VC-MV1將會低於1.4V，並且電壓V2-V1和MV1-MV2將會高於1.4V。應當注意到電壓上變換器21產生電壓V2和MV2。
如圖4看出的那樣，在相同電容器值的情況下，LCD電源電壓產生器通過電容器12和15提供了一半的負載電流。裡面的電容器13和14被放電以及相鄰的電容器12和15被充電。這就意味著一個更好的方法是應用驅動電路來限定多個DC電壓。但是，這仍然不是一個能效解決方法。
根據本發明，電荷泵技術的應用能夠提供充電的再分配，也就是電荷可從兩個充電的電容器12和15轉移到兩個放電的電容器13和14。圖5中描述了一個需要電荷泵單元22的LCD系統，電荷泵單元是單個泵電容器23和開關24-27相組合的形式。隨後泵電容器23通過所述開關24-27並聯連接到成組的電容器12-15，並且將電荷從一個電容器轉移到另一個。驅動電壓由於某個負載電流應該被幹擾的時刻，泵電容器將會恢復各自的驅動電壓。在該系統中電阻值可能會較高。正如實際中發現的那樣，到目前為止，在負載狀態下只有電荷泵技術提供了正確的電壓分布，以便連電阻都可以被省略。能量被從一個電容器轉移到另一個，並且來自DC/DC變換器的所施加的電流理論上可以是原來的一半。
應當注意到，如圖4實施例中的情況，電壓上變換器28產生了電壓V2和MV2。如圖4實施例中所示，電壓V1、VC以及MV1由電荷泵技術獲得而不是電阻。
實際上，由於脈動、可利用的元件值、優選的開關頻率等原因使用更多的泵電容器會很有利。圖6中描述了應用兩個泵電容器29和30的配置。這種配置示出了具有泵電容器29和開關24及25的第一組以及具有泵電容器30和開關26及27的第二組。
在圖6中，未採取適當的方法限定中點直流電壓(也就是VC)。還有，這可以通過應用驅動電路或一對電阻來實現。
在這種特定的負載情況下，只有一些由於洩漏、電路負載等等引起的可能的不對稱必須被適應。對於更大的不對稱最好是建立兩個開關電容器組的重疊。這有點象圖5中描述的兩種情形，或者例如其中一種情形，其中，只有兩個中間電容器13和14通過額外的開關被連接到兩組的泵電容器29和30。如圖6中虛線箭頭表明的那樣，這意味著額外的電荷從一個泵電容器轉移到另一個。
到目前為止，沒有注意過5.1V的外部電壓。還有，這些電壓可通過電荷泵技術由系統中可用的電壓得到。這些適當的電壓在節點V2和MV2之間是可以得到的。因此，圖5中的實施例可象圖7中描述的那樣通過添加額外的泵電容器31和開關32-34來擴展。
圖8示出了與圖7基本上相同的實施例。但是，取代上變換器來得到驅動電壓V2和MV2，下變換器35被用來得到驅動電壓V1和MV1。因為實現下變換器比上變換器更便宜，這個實施例會具有優點。驅動電壓VC通過泵電容器29和開關25及26限定，而驅動電壓V3、V2、MV2和MV3由泵電容器29和31以及開關24、27和32-34共同限定。
將很清楚，負載電流的順序及其控制，和電荷泵單元的開關的控制都可以處理器的方式來實現，該處理器形成LCD系統的一部分。負載電流的順序可以與電荷泵單元的開關的控制聯繫在一起。此外，LCD系統的控制可以是同步或異步的，以相同的頻率或不同的頻率。關於圖像缺陷這可能具有優點。
本發明並不局限於所描述的實施例；在後面權利要求的範圍內的變型是可能的。特別地，電荷泵單元可以通過布置更多的泵電容器和其他的開關配置以不同的方式實現。可以提供更多的電荷泵單元。而且，例如，可以將圖6的配置與圖7的相結合，產生一種具有兩個電荷泵單元的LCD系統，電荷泵單元總共具有三個泵電容器，每個電容器與一組開關共同操作第一泵電容器29和開關24及25用於限定LCD驅動電壓V2、V1、和VC，具有開關26和27的第二泵電容器30用於限定LCD驅動電壓VC、MV1、和MV2，以及一個具有開關32、33和34第三泵電容器31用於限定LCD驅動電壓V3和MV3。通常，在這種情況下的LCD系統其特徵在於產生多個LCD驅動電壓的裝置包含DC/DC變換器，用來為緩衝電容器配置提供輸出電壓，並且提供第一電荷泵單元，它包含至少一個第一泵電容器和各自的開關來限定第一組相等的LCD驅動電壓差，以及至少一個第二泵電容器和各自的開關，與至少一個第一泵電容器和各自的開關相結合，來限定第二組相等的LCD驅動電壓，後一電壓差與第一組LCD驅動電壓差相等，以及第二電荷泵單元包含至少一個第三泵電容器和各自的開關以限定額外一組相等的LCD驅動電壓差。
對於液晶的限制是必須施加平均值為零的驅動電壓。由於這個原因，VC周圍大致對稱的多個驅動電壓必須可用；圖和說明書中的範例提供了一種LCD系統，它具有4個中點VC周圍的基本相等的LCD驅動電壓差。應當理解到本系統可以可以被擴展成為提供4個以上這種電壓差的系統，特別是對於彩色LCD。
雖然圖和說明書中的範例示出了串聯連接的緩衝電容器，用於當相關的端子受一些電流影響時保持LCD驅動電壓基本恆定，如在引言部分簡述的可替換的緩衝電容器配置也是同樣可能的。
進一步還可以注意到，DC/DC變換器的類型是無關的。變換器可以是感性的(上變換，下變換和上變換/下變換)或容性的；後一情況中將應用電荷泵技術。變換器的選擇由成本、實際輸入電壓範圍、和所要求的效率決定。
權利要求
1.液晶顯示器(LCD)系統，包括產生多個LCD驅動電壓的裝置，該驅動電壓值關於預定的電壓值對稱，所述裝置具有緩衝電容器結構來為每一個LCD驅動電壓提供緩衝電容，LCD系統進一步包括LCD驅動電路，該驅動電路具有矩陣開關和控制裝置來為LCD面板終端提供與所述LCD驅動電壓相對應的電壓，導致LCD面板象素的適當的亮度級，其特徵在於，至少一個具有至少一個泵電容器和開關元件的電荷泵單元被連接到緩衝電容器。
2.根據權利要求1的LCD系統，其特徵在於，用於產生多個LCD驅動電壓的裝置包括DC/DC變換器來將為緩衝電容器結構提供輸出電壓，以及提供了電荷泵單元，它包含至少一個第一泵電容器和相應的開關用於限定第一組LCD驅動電壓差，和至少一個第二泵電容器和相應的開關，與至少一個第一泵電容器和相應的開關相結合，來限定第二組LCD驅動電壓差，後一電壓差基本上等於第一組LCD驅動電壓差(圖6)。
3.根據權利要求1的LCD系統，其特徵在於，用於產生多個LCD驅動電壓的裝置包括DC/DC變換器來為緩衝電容器結構提供輸出電壓，以及提供了第一電荷泵單元，它包含至少一個泵電容器和相應的開關來限定第一組LCD驅動電壓差，以及第二電荷泵單元包含至少一個泵電容器和相應的開關來限定第二組LCD驅動電壓差(圖7和8)。
4.根據權利要求1的LCD系統，其特徵在於，用於產生多個LCD驅動電壓的裝置包括DC/DC變換器來為緩衝電容器結構提供輸出電壓，以及提供了第一電荷泵單元，它包含至少一個第一泵電容器和相應的開關來限定第一組基本相等的LCD驅動電壓差，和至少一個第二泵電容器和相應的開關，與至少一個第一泵電容器和相應的開關相結合，來限定同一組基本相等的LCD驅動電壓(圖6)。
5.根據權利要求1的LCD系統，其特徵在於用於產生多個LCD驅動電壓的裝置包括DC/DC變換器來為緩衝電容器結構提供輸出電壓，並且提供第一電荷泵單元，它包含至少一個第一泵電容器和相應的開關來限定第一組LCD電壓差，以及至少一個第二泵電容器和相應的開關，與至少一個第一泵電容器和相應的開關相結合，來限定第二組LCD驅動電壓，後一電壓差與第一組LCD驅動電壓差基本上相等，以及第二電荷泵單元，它包含至少一個第三泵電容器和相應的開關來限定額外一組基本上相等的LCD驅動電壓差(圖6和7的結合)。
6.根據權利要求2的LCD系統，其特徵在於，產生多個LCD驅動電壓的裝置包含由電池電壓供電的DC/DC上變換器以便產生LCD驅動電壓(圖5-7)。
7.根據權利要求2的LCD系統，其特徵在於，產生多個LCD驅動電壓的裝置包含由電池電壓供電的DC/DC下變換器以便產生LCD驅動電壓(圖8)。
全文摘要
一種液晶顯示(LCD)系統，它包括用於產生多個LCD驅動電壓的裝置，該驅動電壓值關於預定的電壓值對稱，所述裝置具有緩衝電容器結構為每一個LCD驅動電壓提供緩衝電容，LCD系統進一步包括LCD驅動電路，該驅動電路具有矩陣開關和控制裝置，來將與所述LCD驅動電壓相對應的電壓提供費LCD面板的端子，導致LCD面板象素的適當的亮度級。為了限定LCD驅動電壓值，提供至少一個帶至少一個泵電容器和開關元件的電荷泵單元，其中至少一個電荷泵單元被連接到緩衝電容器。
文檔編號H02M3/07GK1714385SQ200380104020
公開日2005年12月28日 申請日期2003年11月21日 優先權日2002年11月25日
發明者F·A·C·M·斯庫夫斯, W·J·R·范利爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司