CN115411932A - 一种amoled低功耗低启动电流高精度pwm调制的电荷泵电路结构 - Google Patents

一种amoled低功耗低启动电流高精度pwm调制的电荷泵电路结构 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，包括电荷泵模块(chargepump)、脉宽调制模块(PWM)、斜坡产生模块(slope_gen)、逻辑模块(logic)和驱动模块(driver)等五大模块，当轻载时，可以通过0％占空比达到低功耗，具有效率高且面积小和结构简单的优点，同时低启动电流，且精度高，只有一组FB，保证了FB与VREF相等，相对于数字调节方式，可以达到更高精度。

Description

一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路 结构
技术领域
本发明涉及电荷泵技术领域，尤其涉及一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构。
背景技术
AMOLED为有源矩阵有机发光器件显示器。这种显示器和传统液晶显示器相比的优点包括低功耗、制造灵活以及刷新速率更快。与传统液晶显示器相比，AMOLED显示器无背光，因此各个像素由独立发光的不同颜色的OLED组成。OLED基于通过驱动晶体管提供的电流而发光，该驱动晶体管由编程电压控制。
晶体管本身是一个非线性器件，在电路中会呈现一定的电阻效应，而这个电阻的阻值是非线性变化的，根据通过电流大小不同而不同，研究表明较低导通电阻(RDSON)的MOSFET取代二极管，正向压降远低于二极管整流器的正向压降，因此整流器的导通损耗大大降低。
由于PWM调制器用于生成调整信号，调整各OLED发光单元的各OLED亮度，当负载很重时需要电荷泵电路用来提供高于外部电源电压的高电压或者负电压。但是根据电荷泵特性：电荷泵占空比由0到50％时，输出电压由低到高，50％到100％时输出电压由高到低，即使电荷泵达到最大输出能量，也无法满足负载要求，电荷泵的输出能量反而会下降。上述两个原因都会导致PWM调制电路的性能不稳定，功耗高。
本发明设计一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，能够通过逻辑控制，使得vgh降低，来抵消负载变轻的过程，从而保证精度高。只有一组FB，保证了FB与VREF相等，相对于数字调节方式，可以达到更高精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，包括：电荷泵模块、脉宽调制模块、斜坡产生模块、逻辑模块和驱动模块。
其中，电荷泵模块由五个Pmos管，即Pmos2、Pmos3、Pmos4、Pmos5和Pmos6，加飞电容C2与电容C3组成，飞电容C2的正端与Pmos2的drain端、Pmos6的drain端以及Pmos3的source端连接，飞电容C2的负端与Pmos5的drain端以及Pmos4的source端连接；驱动信号PH1_s接Pmos2的gate端与Pmos5的gate端，驱动信号PH1接Pmos6的gate端，驱动信号PH2接Pmos3的gate端与Pmos4的gate端，输入信号AVDD接Pmos2的source端和Pmos6的source端，输入信号vicb接所述Pmos4的drain端，地信号gnd接Pmos5的source端，输出信号vgh接pmos3的drain端以及滤波电容C3的正端，滤波电容C3的负端接地信号gnd。
其中，脉宽调制模块由分压电阻R2、电阻R3、误差放大器EA以及比较器COMP组成，电荷泵模块的输出信号vgh接分压电阻R2的一端，分压电阻R2的另一端与输入信号FB以及分压电阻R3的一端连接，分压电阻R3的另一端接地信号gnd，误差放大器EA的正端输入连接与温度无关的输入信号vref，误差放大器EA的负端输入与输入信号FB连接，误差放大器EA的输出端VC连接比较器COMP的负端输入，比较器COMP的正端输入与斜坡信号slope连接，比较器COMP的输出端连接RS触发器的输入端R端，为RS触发器提供R信号。
其中，斜坡信号slope由所述斜坡产生模块生成，斜坡产生模块由一个nmos管nmos1、一个Pmos管Pmos1、电阻R1以及电容C1组成，0.1％占空比的上升沿信号CK2与Pmos1的gate端、nmos1的gate端连接，Pmos1的source端接电源信号，Pmos1的drain端接电阻R1的一端，电阻R1的另一端与电容C1的正端以及nmos1的drain端之间连接，连接处的节点信号就是为比较器COMP的正端输入99.9％占空比的斜坡信号slope，电容C1的负端接地，nmos1的source端接地。
其中，逻辑模块由D触发器、上升沿抓取模块、RS触发器、与门、或非门以及反相器inv1组成，时钟输入信号CLK接所述D触发器的输入clk端，D触发器的输入端D和输出端QB短接在一起，输出端Q输出占空比为50％的分频时钟信号CK2_A，分频时钟信号CK2_A作为上升沿抓取模块的输入信号，上升沿抓取模块输出分频时钟信号CK2_A的上升沿信号CK2，RS触发的输入端S端接上升沿信号CK2，RS触发的输入端R端接脉宽调制模块里的比较器COMP的输出端，RS触发器的输出端PH1_ii与反相器inv1的输入端、与门的一个输入端连接，与门的另一个输入端连接或非门的一个输入端并且接入占空比为50％的分频时钟信号CK2_A，或非门的另一个输入端接反相器inv1的输出端，与门的输出信号为PH1_i_s，或非门的输出信号为PH1_i。
其中，驱动模块由三个驱动器件和一组错相时钟产生器组成，与门的输出端PH1_i_s信号接错相时钟产生器输入端，产生出两组互不交叠的错相时钟信号，这两组信号分别接第一、第二个驱动器件的输入端，第一、第二个驱动器件的输出端分别输出驱动信号PH1_s与驱动信号PH2；或非门的输出端PH1_i信号接第三个驱动器件的输入端，第三个驱动器件的输出端输出驱动信号PH1。
附图说明
图1所示是本发明的电路图；
图2所示为本发明的PWM调制的工作时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明提供一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，包括：包括电荷泵模块(chargepump)、脉宽调制模块(PWM)、斜坡产生模块(slope_gen)、逻辑模块(logic)和驱动模块(driver)。
其中，电荷泵模块由五个Pmos管，即Pmos2、Pmos3、Pmos4、Pmos5和Pmos6，加飞电容C2与电容C3组成，飞电容C2的正端与Pmos2的drain端、Pmos6的drain端以及Pmos3的source端连接，飞电容C2的负端与Pmos5的drain端以及Pmos4的source端连接；驱动信号PH1_s接Pmos2的gate端与Pmos5的gate端，驱动信号PH1接Pmos6的gate端，驱动信号PH2接Pmos3的gate端与Pmos4的gate端，输入信号AVDD接Pmos2的source端和Pmos6的source端，输入信号vicb接所述Pmos4的drain端，地信号gnd接Pmos5的source端，输出信号vgh接pmos3的drain端以及滤波电容C3的正端，滤波电容C3的负端接地信号gnd。
其中，脉宽调制模块由分压电阻R2、电阻R3、误差放大器EA以及比较器COMP组成，电荷泵模块的输出信号vgh接分压电阻R2的一端，分压电阻R2的另一端与输入信号FB以及分压电阻R3的一端连接，分压电阻R3的另一端接地信号gnd，误差放大器EA的正端输入连接与温度无关的输入信号vref，误差放大器EA的负端输入与输入信号FB连接，误差放大器EA的输出端VC连接比较器COMP的负端输入，比较器COMP的正端输入与斜坡信号slope连接，比较器COMP的输出端连接RS触发器的输入端R端，为RS触发器提供R信号。
其中，斜坡信号slope由所述斜坡产生模块生成，斜坡产生模块由一个nmos管nmos1、一个Pmos管Pmos1、电阻R1以及电容C1组成，0.1％占空比的上升沿信号CK2与Pmos1的gate端、nmos1的gate端连接，Pmos1的source端接电源信号，Pmos1的drain端接电阻R1的一端，电阻R1的另一端与电容C1的正端以及nmos1的drain端之间连接，连接处的节点信号就是为比较器COMP的正端输入99.9％占空比的斜坡信号slope，电容C1的负端接地，nmos1的source端接地。
其中，逻辑模块由D触发器、上升沿抓取模块(posedge)、RS触发器、与门、或非门以及反相器inv1组成，时钟输入信号CLK接所述D触发器的输入clk端，D触发器的输入端D和输出端QB短接在一起，输出端Q输出占空比为50％的分频时钟信号CK2_A，分频时钟信号CK2_A作为上升沿抓取模块的输入信号，上升沿抓取模块输出分频时钟信号CK2_A的上升沿信号CK2(占空比0.1％左右)，RS触发的输入端S端接上升沿信号CK2，RS触发的输入端R端接脉宽调制模块里的比较器COMP的输出端，RS触发器的输出端PH1_ii与反相器inv1的输入端、与门的一个输入端连接，与门的另一个输入端连接或非门的一个输入端并且接入占空比为50％的分频时钟信号CK2_A，或非门的另一个输入端接反相器inv1的输出端，与门的输出信号为PH1_i_s，或非门的输出信号为PH1_i。
其中，驱动模块由三个驱动器件(dr)和一组错相时钟产生器(phase_gen)组成，与门的输出端PH1_i_s信号接错相时钟产生器输入端，产生出两组互不交叠的错相时钟信号，这两组信号分别接第一、第二个驱动器件的输入端，第一、第二个驱动器件的输出端分别输出驱动信号PH1_s与驱动信号PH2；或非门的输出端PH1_i信号接第三个驱动器件的输入端，第三个驱动器件的输出端输出驱动信号PH1。
其工作原理：
1、ClK产生：环形振荡器产生；
2、CK2_A产生：CLK的分频信号，其占空比固定为50％；
3、CK2的产生：CK2_A的上升沿抓取；
4、FB的产生：vgh的分压，FB＝K*vgh；
5、VC的产生：误差放大器的输出，vc＝K*(VREF-FB1)；
6、Slope信号的产生：占空比为99.9％(受CK2控制)的固定斜坡信号；
7、R信号的产生：VC与slope信号做比较，当VC越高，R信号越往后即远离CK2。VC越低，R信号越往前即靠近CK2；
8、PH1_ii信号产生：其高电平时间为CK2信号的上升沿到R信号的上升沿，低电平时间为R信号的上升沿到CK2信号的上升沿，由于CK2上升沿固定，VC控制着R信号的上升沿，故可以通过VC改变PH1_ii信号的占空比(最大占空比为99.9％)；
9、PH1_s(PH1)信号产生：PH1_s控制小充电mos管，PH1控制大充电mos管，由于电荷泵特性占空比由0到50％时，输出电压由低到高；50％到100％时输出电压由高到低，且PH1_s导通时ph1才能导通，否则会有倒灌，所以当PH1_ii信号占空比在0到50％时，PH1_s信号为100％到50％调节且PH1信号固定占空比为0％(举例1：PH1_ii占空比为0时，PH1_s占空比为100％且PH1信号固定占空比为0％；举例2：PH1_ii占空比为25％时，PH1_s占空比为75％且PH1信号固定占空比为0％；举例3：PH1_ii占空比为50％时，PH1_s占空比为50％且PH1信号固定占空比为0％)，当ph1_ii在50％到99.9％时，PH1_s信号保持50％，PH1信号为0到49.9％调节(举例4：PH1_ii占空比为60％时，PH1_s占空比为50％，PH1信号占空比为10％；举例5：PH1_ii占空比为99.9％时，PH1_s占空比为50％，PH1信号占空比为49.9％)，即保证了ph1_ii在0到99.9％内与vgh均线性变化。在启动时，只开小充电mos管，达到减小启动电流的作用，稳定时，根据负载情况，自动化决定大小管子的占空比，达到低功耗的效果,自动化的过程：当负载变重的时候，FB下降，VC输出高，PH1_ii占空比变大，使得vgh升高，达到自动调节过程；
10、PH2信号产生：与PH1_s相反。
反馈控制工作过程：
PH1_s控制小充电mos管，PH1控制大充电mos管，由于电荷泵特性占空比由0到50％时，输出电压由低到高；50％到100％时输出电压由高到低，且PH1_s导通时ph1才能导通，否则会有倒灌，所以当PH1_ii信号占空比在0到50％时，PH1_s信号为100％到50％调节且PH1信号固定占空比为0％(举例1：PH1_ii占空比为0时，PH1_s占空比为100％且PH1信号固定占空比为0％；举例2：PH1_ii占空比为25％时，PH1_s占空比为75％且PH1信号固定占空比为0％；举例3：PH1_ii占空比为50％时，PH1_s占空比为50％且PH1信号固定占空比为0％)，当ph1_ii在50％到99.9％时，PH1_s信号保持50％，PH1信号为0到49.9％调节(举例4：PH1_ii占空比为60％时，PH1_s占空比为50％，PH1信号占空比为10％；举例5：PH1_ii占空比为99.9％时，PH1_s占空比为50％，PH1信号占空比为49.9％)，即保证了ph1_ii在0到99.9％内与vgh均线性变化。在启动时，只开小充电mos管，达到减小启动电流的作用，稳定时，根据负载情况，自动化决定大小管子的占空比，达到低功耗的效果,自动化的过程：当负载变重的时候，FB下降，VC输出高，PH1_ii占空比变大，使得vgh升高，达到自动调节过程。
请参见图2，环形振荡器始终产生一个固定频率的时钟CIK，其经过D触发器二分频产生出占空比固定50％的时钟信号CK2_A，CK2_A信号由上升沿提取模块提取出CK2_A的上升沿时钟信号CK2作为RS触发器的S端，CK2信号同样还控制着斜坡产生信号模块，即slope信号是可以0.1％时间为低信号，99.9％时间为三角波信号，重载时，PH1_ii占空比高于到50％，此时PH1_s保持50％占空比，ph1保持ph1_ii占空比-50％，当负载逐渐变轻时，vgh升高，vc下降，PH1_ii占空比减小，即ph1占空比逐渐减小，PH1_s保持50％占空比，随着负载再次逐渐减小，PH1_ii占空比低于50％，即ph1占空比减小到0，ph1_s由50％逐渐升高，使得vgh降低，来抵消负载变轻的过程。从而保证vgh保持不变。
本发明提供的一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构具有以下有点：
1、低功耗：当轻载时，可以通过0％占空比达到低功耗；
2、结构简单：复用了误差放大器，以及比较器，结构简单，节省了误差放大器，以及比较器功耗更低；
3、效率高且面积小：相对于固定占空比，改变rdson，少一个调节rdson管，从而少了面积，少了一个调节rdson管，也避免了rdson管子上面能量损耗，提高效率；
4、低启动电流；
5、精度高，只有一组FB，保证了FB与VREF相等，相对于数字调节方式，可以达到更高精度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限制。

Claims (6)

1.一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，其特征在于，包括：电荷泵模块、脉宽调制模块、斜坡产生模块、逻辑模块和驱动模块。
2.根据权利要求1所述的一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，其特征在于，所述电荷泵模块由五个Pmos管，即Pmos2、Pmos3、Pmos4、Pmos5和Pmos6，加飞电容C2与电容C3组成，所述飞电容C2的正端与所述Pmos2的drain端、Pmos6的drain端以及所述Pmos3的source端连接，所述飞电容C2的负端与所述Pmos5的drain端以及所述Pmos4的source端连接；驱动信号PH1_s接所述Pmos2的gate端与所述Pmos5的gate端，驱动信号PH1接Pmos6的gate端，驱动信号PH2接所述Pmos3的gate端与所述Pmos4的gate端，输入信号AVDD接所述Pmos2的source端和所述Pmos6的source端，输入信号vicb接所述Pmos4的drain端，地信号gnd接所述Pmos5的source端，输出信号vgh接所述pmos3的drain端以及滤波电容C3的正端，所述滤波电容C3的负端接地信号gnd。
3.根据权利要求2所述的一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，其特征在于，所述脉宽调制模块由分压电阻R2、电阻R3、误差放大器EA以及比较器COMP组成，所述电荷泵模块的输出信号vgh接分压电阻R2的一端，所述分压电阻R2的另一端与输入信号FB以及分压电阻R3的一端连接，所述分压电阻R3的另一端接地信号gnd，所述误差放大器EA的正端输入连接与温度无关的输入信号vref，所述误差放大器EA的负端输入与所述输入信号FB连接，所述误差放大器EA的输出端VC连接所述比较器COMP的负端输入，所述比较器COMP的正端输入与斜坡信号slope连接，所述比较器COMP的输出端连接RS触发器的输入端R端，为RS触发器提供R信号。
4.根据权利要求3所述的一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，其特征在于，所述斜坡信号slope由所述斜坡产生模块生成，所述斜坡产生模块由一个nmos管nmos1、一个Pmos管Pmos1、电阻R1以及电容C1组成，0.1％占空比的上升沿信号CK2与所述Pmos1的gate端、所述nmos1的gate端连接，所述Pmos1的source端接电源信号，所述Pmos1的drain端接电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端与所述电容C1的正端以及所述nmos1的drain端之间连接，连接处的节点信号就是为所述比较器COMP的正端输入99.9％占空比的斜坡信号slope，所述电容C1的负端接地，所述nmos1的source端接地。
5.根据权利要求4所述的一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，其特征在于，所述逻辑模块由D触发器、上升沿抓取模块、RS触发器、与门、或非门以及反相器inv1组成，时钟输入信号CLK接所述D触发器的输入clk端，所述D触发器的输入端D和输出端QB短接在一起，输出端Q输出占空比为50％的分频时钟信号CK2_A，所述分频时钟信号CK2_A作为所述上升沿抓取模块的输入信号，所述上升沿抓取模块输出所述分频时钟信号CK2_A的上升沿信号CK2，所述RS触发的输入端S端接所述上升沿信号CK2，所述RS触发的输入端R端接所述脉宽调制模块里的比较器COMP的输出端，所述RS触发器的输出端PH1_ii与所述反相器inv1的输入端、所述与门的一个输入端连接，所述与门的另一个输入端连接所述或非门的一个输入端并且接入占空比为50％的分频时钟信号CK2_A，所述或非门的另一个输入端接所述反相器inv1的输出端，所述与门的输出信号为PH1_i_s，所述或非门的输出信号为PH1_i。
6.根据权利要求5所述的一种AMOLED低功耗低启动电流高精度PWM调制的电荷泵电路结构，其特征在于，所述驱动模块由三个驱动器件和一组错相时钟产生器组成，所述与门的输出端PH1_i_s信号接所述错相时钟产生器输入端，产生出两组互不交叠的错相时钟信号，这两组信号分别接第一、第二个驱动器件的输入端，第一、第二个驱动器件的输出端分别输出驱动信号PH1_s与驱动信号PH2；所述或非门的输出端PH1_i信号接第三个驱动器件的输入端，第三个驱动器件的输出端输出驱动信号PH1。
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