본 논문에서는 자동차 계기판의 OLED 디스플레이 모듈용 One-chip DC-DC 변환기 회로를 제안하였다. 전하 펌핑 방식의 OLED 패널 구동전압 회로는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 사용한 DC-DC 변환기 회로에 비해 소형화, 저가격 및 낮은 EMI 특성을 갖는다. 그리고 Bulk-potential 바이어싱 회로를 사용하므로 전하 펌핑 시 기생하는 PNP BJT에 의한 전하 손실을 방지하도록 하였고, 밴드갭 기준전압 발생기의 Start-up 회로에서 전류소모를 기존 BGR 회로에 비해 42% 줄였고 VDD의 링 발진기 회로에 로직전원인 VLP를 사용하여 링 발진기기 레이아웃 면적을 줄였다. 또한 OLED 구동전압인 VDD의 구동 전류는 OLED 패널에서 요구하는 40mA 이상이다. $0.25{\mu}m$ High-voltage 공정을 이용하여 테스트 칩을 제작 중에 있으며, 레이아웃 면적은$477{\mu}m{\times}653{\mu}m$이다.
본 논문에서는 자동차 계기판의 OLED 디스플레이 모듈용 One-chip DC-DC 변환기 회로를 제안하였다. 전하 펌핑 방식의 OLED 패널 구동전압 회로는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 사용한 DC-DC 변환기 회로에 비해 소형화, 저가격 및 낮은 EMI 특성을 갖는다. 그리고 Bulk-potential 바이어싱 회로를 사용하므로 전하 펌핑 시 기생하는 PNP BJT에 의한 전하 손실을 방지하도록 하였고, 밴드갭 기준전압 발생기의 Start-up 회로에서 전류소모를 기존 BGR 회로에 비해 42% 줄였고 VDD의 링 발진기 회로에 로직전원인 VLP를 사용하여 링 발진기기 레이아웃 면적을 줄였다. 또한 OLED 구동전압인 VDD의 구동 전류는 OLED 패널에서 요구하는 40mA 이상이다. $0.25{\mu}m$ High-voltage 공정을 이용하여 테스트 칩을 제작 중에 있으며, 레이아웃 면적은$477{\mu}m{\times}653{\mu}m$이다.
A one-chip DC-DC converter circuit for OLED(Organic Light-Emitting Diode) display module of automotive clusters is newly proposed. OLED panel driving voltage circuit, which is a charge-pump type, has improved characteristics in miniaturization, low cost and EMI(Electro-Magnetic Interference) compare...
A one-chip DC-DC converter circuit for OLED(Organic Light-Emitting Diode) display module of automotive clusters is newly proposed. OLED panel driving voltage circuit, which is a charge-pump type, has improved characteristics in miniaturization, low cost and EMI(Electro-Magnetic Interference) compared with DC-DC converter of PWM(Pulse Width Modulator) type. By using bulk-potential biasing circuit, charge loss due to parasitic PNP BJT formed in charge pumping, is prevented. In addition, the current dissipation in start-up circuit of band-gap reference voltage generator is reduced by 42% and the layout area of ring oscillator is reduced by using a logic voltage VLP in ring oscillator circuit using VDD supply voltage. The driving current of VDD, OLED driving voltage, is over 40mA, which is required in OLED panels. The test chip is being manufactured using $0.25{\mu}m$ high-voltage process and the layout area is $477{\mu}m{\times}653{\mu}m$.
A one-chip DC-DC converter circuit for OLED(Organic Light-Emitting Diode) display module of automotive clusters is newly proposed. OLED panel driving voltage circuit, which is a charge-pump type, has improved characteristics in miniaturization, low cost and EMI(Electro-Magnetic Interference) compared with DC-DC converter of PWM(Pulse Width Modulator) type. By using bulk-potential biasing circuit, charge loss due to parasitic PNP BJT formed in charge pumping, is prevented. In addition, the current dissipation in start-up circuit of band-gap reference voltage generator is reduced by 42% and the layout area of ring oscillator is reduced by using a logic voltage VLP in ring oscillator circuit using VDD supply voltage. The driving current of VDD, OLED driving voltage, is over 40mA, which is required in OLED panels. The test chip is being manufactured using $0.25{\mu}m$ high-voltage process and the layout area is $477{\mu}m{\times}653{\mu}m$.
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가설 설정
정상상태에서 VDD 전하 펌프의 전압 파형은 그림 7(b)에서 보는 바와 같고 VDD 전하 펌프의 각 노드의 전압은 표 3에 나타나 있다. 그림 7(b)에 보이는 tl의 시간 구간 동안 CLK0와CLK1은 VDD가 된다. 이때 NO, N1 과 N2 노드의 전압은 VSS, VPP와 VSS 이 므로 MP2는 OFF 상태이고 MP1은 ON 상태가 되어 N2 노드의 전압은 VPP 전압으로 프리 차징 된다.
제안 방법
본 논문에서는 N1 노드의 전압을 VPP로 프리 차징 할때 MP1에 기 생하는 PNPBJT로 인한 전하손실 문제를 해결하기 위해 Body-Potential 바이어싱 회로(MP3, MP4)를 추가하여 입력 전압인 VPP와N1 노드의 전압 중 높은 전압이 MP1의 Body에 인가되도록 하여 항상PNPBJT 가 OFF 상태에 있도록 하여 전하손실 문제를 제거하였다. 그리고 전하펌핑 시 MP2에 기생하는PNP 트랜지스터로 인한 전하손실 문제를 해결하기 위해 또 다른 Body-Potential 바이어싱 회로(MP5, MP6)를 추가하여 N1 노드 전압과 출력 전압인 VDD 전압 중 높은 전압이 MM의 Body에 인가되도록 하여 전하손실 문제를 제거하였다.
대기 모드(Stand-by Mode)로 진입 시 VDD_EN 및 VDD_ENb 신호를 사용하여 N1 노드를 0V로 방전 (Discharging) 시 킴으로써 비교기 에 사용되는 로직 소자의 신뢰성을 확보하였다.
그리고 DC-DC 변환기 에 사용되는 기준전압 발생 기 는 동작 시 동작 전류를 감소시키는 스타트-업 회로를 사용하여 전류소모를 줄였다. 또한 VDD 전원회로의 링 발진기 회로에 VBP 전원을 사용하는 대신 로직 전원전압을 사용하여 링 발진기의 레이아웃 면적을 줄였다';
그리고 OLED 패널 구동 전압인 VDD 전원회로는 인덕터를 사용한 PWM 방식 대신 전하펌 핑 방식 을 사용하므로 EMI 방사 및 잡음문제를 개선하였으며, VDD 전하펌프 회로에서 PMOS 전하 전달스위 치 에 기 생 하는 PNP BJT(Bipolar Junction Transistor) 가 전하 펌핑 시 활성영 역(active region)에 있으므로 펌핑된 전하가 기판으로 빠져나가는 전하 손실(Charge loss) 문제[4]를 해결하기 위해 Body-Potential 바이어스 회 로[5][6]를 사용하였다. 또한 밴드갭 기준전압 발생기에서 저전류 소모의 start-up 회로를 제안하였고, 레이아웃(layout) 면적을 줄이 기 위해 VDD 전원회로의 링 발진기(ring oscillator) 회로에 VBP의 전원전압을 사용하여 18V의 HV(High-voltage) 소자를 사용하는 대신 링 발진기는 VBP의 조정(Regulation)된 로직 전원전압(Logic power voltage)Ql VLP를 사용하여 로직소자로 구현하므로 링 발진기의 레이아웃 면적을 줄였다. PMU 칩은0.
그래서 전하 펌핑은 한 싸이클(Cycle) 동안 1번 일어나고 VDD는 최대 2VPP 전압 레 벨까지 부스팅 (Boosting)된다. 본 논문에서는 N1 노드의 전압을 VPP로 프리 차징 할때 MP1에 기 생하는 PNPBJT로 인한 전하손실 문제를 해결하기 위해 Body-Potential 바이어싱 회로(MP3, MP4)를 추가하여 입력 전압인 VPP와N1 노드의 전압 중 높은 전압이 MP1의 Body에 인가되도록 하여 항상PNPBJT 가 OFF 상태에 있도록 하여 전하손실 문제를 제거하였다. 그리고 전하펌핑 시 MP2에 기생하는PNP 트랜지스터로 인한 전하손실 문제를 해결하기 위해 또 다른 Body-Potential 바이어싱 회로(MP5, MP6)를 추가하여 N1 노드 전압과 출력 전압인 VDD 전압 중 높은 전압이 MM의 Body에 인가되도록 하여 전하손실 문제를 제거하였다.
OLED 모듈 기술 개발이 요구되고 있다. 본 논문에서는 OLED 디스플레이 모듈용 DC-DC 변환기를 단일 칩(One-CWp)으로 설계하였다. 내장된 DC-DC 변환기 (Converter)는 OLED 패 널 구동전압, OLED 구동 IC의 전원 전압 및 인터페이스용 전원전압을 공급한다.
본 논문에서는 자동차 계기판용 PMU 모듈에서 필요로 하는 OLED 패 널 구동전 압인 VDD, OLED 구동 IC의 전원 전압인 VCI와 인터페이스 전압인 VDDI를 한 개의 칩(Chip)에서 공급하는 PMU 칩을 설계하므로 파워 모듈을 소형화하였다. 그리고 OLED 패널 구동 전압인 VDD 전원회로는 인덕터를 사용한 PWM 방식 대신 전하펌 핑 방식 을 사용하므로 EMI 방사 및 잡음문제를 개선하였으며, VDD 전하펌프 회로에서 PMOS 전하 전달스위 치 에 기 생 하는 PNP BJT(Bipolar Junction Transistor) 가 전하 펌핑 시 활성영 역(active region)에 있으므로 펌핑된 전하가 기판으로 빠져나가는 전하 손실(Charge loss) 문제[4]를 해결하기 위해 Body-Potential 바이어스 회 로[5][6]를 사용하였다.
설계된 PMB 칩은 그림 5에서 보는 바와 같이 기준 바이어스 발생기와 VPP, VCI, VLP, VDDI 전압을 공급하는 전압 조정기와 VDD 전압을 공급하는 VDD 발생기 (DC-DC 변환기)로 구성되어 있다. PMU 칩의 임력전압은 VBP, VCC가 사용되며, 출력전압으로는 VDD, VCI, VDDI 전압을 공급한다.
또한 PMOS 트랜지스터인 MP3의 소스(Source)와 게이트 (Gate) 전압의 차이 도 증가하여 M旳의 전류도 증가한다. 이와 같이 고전압의 VBP에서 스타트-업 회로에서의 전류 증가를 개선 하기 위해 그림 11의 스타트- 업 회 로를 제안하였다. 제안된 스타트-업 회로는 N1 노드와 MN3의 드레 (Drain) 노드 사이에 N 개의 PMOS 다이오드를 삽입하므로 MN3의 드레 인 노드 전압을 감소시 켜 MN3를 통해 흐르는 전류를 줄였다.
제안된 VDD 전하펌 프 회 로는 N1 노드전 압을 VPP로프리차징 시 켜주는 회로(MP1, MP7, MN1), N2 노드를 VPP와 GND 사이에서 스위칭 시키는 인버터(INV), PMOS 전하 전달 스위 칭(MP2), Bulk Potential 바이어싱회 로(MP3, MP4, MP5, MP6), 외 장형 펌 핑 커 패 시 터 인 CP와 외장형 전하 저장 커패시터인 CR로 구성되어 있다. 정상상태에서 VDD 전하 펌프의 전압 파형은 그림 7(b)에서 보는 바와 같고 VDD 전하 펌프의 각 노드의 전압은 표 3에 나타나 있다.
이와 같이 고전압의 VBP에서 스타트-업 회로에서의 전류 증가를 개선 하기 위해 그림 11의 스타트- 업 회 로를 제안하였다. 제안된 스타트-업 회로는 N1 노드와 MN3의 드레 (Drain) 노드 사이에 N 개의 PMOS 다이오드를 삽입하므로 MN3의 드레 인 노드 전압을 감소시 켜 MN3를 통해 흐르는 전류를 줄였다. 또한MN3 전류가 줄어들어 |VDSAT| 전압을 줄여 MP3의 소스와 게이트 전압차를 줄이 므로 MP3에 흐르는 전류를 줄였다.
패널 구동 전압인 VDD는 PWM 방식을 사용한 DC-DC 변환기 대신 디스플레이 모듈의 소형화, 저가격 및 낮은 EMI 특성을 갖는 전하 펌 핑 방식의 DC-DC 변환기 회로를 제안하였다. 제안된 전하 펌 프 회 로는 Bulk-Potential 바이어싱 회로를 추가하여 전하 펌 핑 시 발생할 수 있는 기 생하는 PNPBJT에 의한 전하 손실을 방지하도록 하였다. 그리고 DC-DC 변환기 에 사용되는 기준전압 발생 기 는 동작 시 동작 전류를 감소시키는 스타트-업 회로를 사용하여 전류소모를 줄였다.
내장된 DC-DC 변환기 (Converter)는 OLED 패 널 구동전압, OLED 구동 IC의 전원 전압 및 인터페이스용 전원전압을 공급한다. 패널 구동 전압인 VDD는 PWM 방식을 사용한 DC-DC 변환기 대신 디스플레이 모듈의 소형화, 저가격 및 낮은 EMI 특성을 갖는 전하 펌 핑 방식의 DC-DC 변환기 회로를 제안하였다. 제안된 전하 펌 프 회 로는 Bulk-Potential 바이어싱 회로를 추가하여 전하 펌 핑 시 발생할 수 있는 기 생하는 PNPBJT에 의한 전하 손실을 방지하도록 하였다.
이론/모형
소형화하였다. 그리고 OLED 패널 구동 전압인 VDD 전원회로는 인덕터를 사용한 PWM 방식 대신 전하펌 핑 방식 을 사용하므로 EMI 방사 및 잡음문제를 개선하였으며, VDD 전하펌프 회로에서 PMOS 전하 전달스위 치 에 기 생 하는 PNP BJT(Bipolar Junction Transistor) 가 전하 펌핑 시 활성영 역(active region)에 있으므로 펌핑된 전하가 기판으로 빠져나가는 전하 손실(Charge loss) 문제[4]를 해결하기 위해 Body-Potential 바이어스 회 로[5][6]를 사용하였다. 또한 밴드갭 기준전압 발생기에서 저전류 소모의 start-up 회로를 제안하였고, 레이아웃(layout) 면적을 줄이 기 위해 VDD 전원회로의 링 발진기(ring oscillator) 회로에 VBP의 전원전압을 사용하여 18V의 HV(High-voltage) 소자를 사용하는 대신 링 발진기는 VBP의 조정(Regulation)된 로직 전원전압(Logic power voltage)Ql VLP를 사용하여 로직소자로 구현하므로 링 발진기의 레이아웃 면적을 줄였다.
성능/효과
0.25㎛HV 공정을 이용하여 설계된 OLED 디스플레이 모듈용 DC-DC 변환기 칩은 현재 제작 중에 있으며, 모의실험 결과 8V의 VPP 전압, 90℃의 온도, Slow 트랜지스터 모델 조건에서 목표전류인 40mA을 공급할 수 있으며, BGR 회로에서 의 전류 소모는 기존 회 로보다 42% 줄였고 레이아웃 면적은477网x653㎛이다.
제안된 BGR 회로의 소모전류는 기존의 BGR 회로에 비해 42% 낮게 흐르는 것을 볼 수 있다.
후속연구
현재 자동차 계기판에 사용되고 있는 평판 디스플레이는 TFT-LCD (Thin Film 1馅1点敬0「1」<]1泅&)曲11)卷阪力가 주로 개발되고 있으나 TFT-LCD는 자체 발광형 이 아닌 별도의 광원을 필요로 하기에 초박화 및 시야각등의 측면에서 한계를 지닌다. 그래서 향후 자동차 계기판에 사용될 평판디스플레이로 TFT-LCD에 비해 넓은 시야각 및 높은 채도, 빠른 응답 속도를 지니며 별도의 광원을 필요로 하지않는 자체 발광 소자를 가지는 초박화 및 경 량화에 유리한 3.5인치 QVGA급 OLED 디스플레이의 사용이 확대될 것으로 예상된다[2丄 그림 1은 자동차 계기판의 사진을 보여주고 있다.
참고문헌 (9)
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Seong-Ik Cho, Jin-Seok Heo, Sung-Han Yoo, Gyu-Ho Lim, Pan-Bong Ha, Kyeong-Sik Min, and Yong-Hee Kim, "A boosted voltage generator for low-voltage DRAMs", Current Applied Physics, vol. 3, pp. 501-505, Dec. 2003
E. Bayer et al., "A High Efficiency Single-Cell Cascaded Charge Pump Topology," Proc. IEEE Power Electronics Specialists Conference, vol. 1, pp. 290-295, Aug. 2001
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