CN101329838B - 电荷再循环的双输出电压系统 - Google Patents

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Abstract

电荷再循环的双输出电压系统。具有分段和公共线路的平板显示器的驱动系统包含第一电荷泵，包含接收输入电平电荷的输入端和生成第一电平的电路；连接到第一电荷泵、存储第一电平电荷的第一电容器；第二电荷泵，包括连接到第一电容器、接收第一电平电荷的输入端，泵输出端和在泵输出端生成第二电平的电路；连接到泵输出端、存储第二电平电荷的第二电容器；和连接到第一和第二电容器的控制器，包括：分别连到相关平板显示器分段和公共线路的分段和公共输出端，连到第一和第二电容器的多个开关，和控制电路，其操作开关以有选择地把分段输出端连到第一和第二电容器，以在第一阶段向分段输出端提供电荷且在第二阶段从分段输出端回送电荷到第一电容器。

Description

电荷再循环的双输出电压系统
技术领域
本发明通常涉及用于平板显示器的驱动系统。更具体地，本发明涉及电泳平板显示器(EPD)应用中的电荷再循环的双输出电压系统。 
背景技术
平板显示器通常用于电子产品。已知有基于电泳效应的平板显示器。电泳效应包括分散于在电场的影响下移动的流体或液体介质中的充电粒子。作为电泳效应的应用的一个例子，显示器可以使用染料溶液中分散和包含并且布置在一对电极之间的充电颜料微粒。散布有充电颜料微粒的染料溶液被称作″电泳墨水″或″电子墨水″。使用电泳墨水的显示器被称作电泳显示器(″EPD″)。在电场的影响下，充电颜料微粒被吸引到两个显示器电极中的一个。作为响应，显示出所期望的图像。 
近年来，引入EPD技术用于平板显示器。图1A和B说明了使用微小的微胶囊的技术，其中微胶囊电气地填充有在着色油中悬浮的充电白色微粒。例如，图1A说明了由基础电路控制白色微粒是处于胶囊的顶部还是处于胶囊的底部的一个实现。在这个例子中，如果白色微粒处于胶囊的顶部，则向观看者显示出白色。反之，如果白色微粒处于胶囊的底部，则观看者看见油的颜色，如图1B所示。因此，微胶囊的使用允许在柔性塑料纸以及玻璃上使用显示器。 
EPD技术的一个特征是像素是双稳态的。即，可以将像素保持在两种状态中的任意一种状态而无需恒定供电。EPD技术的另一个特征是EPD面板中的微粒根据控制电压在不同方向上移动，以便显示不同颜色。结果，EPD面板具有比其它类型的平板显示器的响应时间慢的响应时间。 
正在开发EPD技术的一个应用，即电子纸张显示设备以作为下一代显示设备来替代液晶显示设备、等离子体显示面板和有机电致发光显示面板。尤其是，在某些应用中，期待使用″电子墨水″的电子纸张显示面板来 替代诸如书籍、报纸、杂志等等的现有打印介质。 
由于柔性显示设备可以被建立在柔性基底上，所以电子墨水显示器较适用于该设备。例如，通过在使用柔性材料基底的面板上建立电子墨水显示设备，该电子墨水显示设备可以具有柔性、简单和可靠的优点。电子墨水显示设备也可以提供构造产生极低功耗的、像纸一样薄的、无需使用背光的投影显示器的手分段。 
然而，EPD面板的驱动系统需要高电压电平。这些高电压可以通过传统DC-DC方法提供。然而，低功耗是包含EPD技术的应用的重要目标。结果，期望在这些应用中降低功耗。 
图2说明了电泳平板显示器的典型驱动电压电平和波形。最初，顶端透明″分段″电极被连接到第一电压电平(V1)。接着，分段电极在返回到V1之前被驱动到第二更高电压电平(V0)。对于整个周期，公共电极总是被连接到V1。 
第二DC-DC方法由Kurt Muhlemann在标题为″A 30-VRow/Column Driver for Flat-Panel Liquid Crystal Displays″的文章中公开。Muhlemann介绍了在STN(扭曲向列)显示驱动器中使用的系统体系结构，其可以被略微修改以用于电泳平板显示器(EPD)。例如，图3示出具有输出电压V0和V1的高电压产生电路300。向模拟缓冲器301提供正数值的电压V0和零值的VSS。通常，可以从调节电荷泵302生成电压V0或由外部电源提供电压V0。电阻器梯303被用来设置V1为参考电压电平。 
模拟缓冲器301的功能是为V1电压提供大驱动能力。图3中还示出了简化的分段和公共(Seg/Com)控制器304。Seg/Com控制器304包括连接到EPD面板中的多个像素(只示出其中的一个)的多个开关。每个像素可以由电容器CPIXEL 305表示。Seg/Com控制器304中的多个开关可以被用于把面板的像素连接到诸如V0、V1或VSS的不同电压电平。 
然而，上面公开的电压产生方法表现出若干缺点。例如，模拟缓冲器301耗用静态电流。因而，模拟缓冲器301和电阻器梯303表现出即使在驱动波形(如图2所示)非活动时也不能降低的电流消耗。 
上述电压产生方法的另一个缺点是面板的像素中的电荷不能再循环或重用。如上所述，每个像素可以由电容器(CPIXEL)305表示。 
图2的结构能够表现出如图4和5所示的电荷传送。图4描述了作为 分立单元(分段406和公共407)的Seg/Com控制器304。如图4所示，在图2的阶段1期间，分段406被连接到V0源并且从V1充电到V0。在阶段一期间，公共407还被连接到V1。在这个操作期间，分段406存储由等式1确定的电荷(Q)。 
Q＝(V0-V1)＊CPixel(Eq.1) 
如图5所示，在图2的阶段2期间，分段406被连接到V1的偏压源。此时，释放分段406中等于(V0-V1)＊CPIXEL的电荷。如果由模拟缓冲器301提供偏置电压V1，则面板的像素中的电荷通过模拟缓冲器301到达地(VSS)并且被消耗。因而，没有来自该像素的电荷能够被重用或再循环，从而产生不合需要的高电流消耗。 
在Katayama等人的美国专利6,556,177中，通过电致发光显示器面板(EL)应用(图6)的电荷再循环系统600解决了这个缺点。由Katayama公开的该系统包含V1的电源和可以表示像素(CPIXEL)的电容器602。系统600也可以包含电容器601以执行电荷再循环。结果，Katayama的系统600提供了两倍于V1值的电压电平。 
图7A-C示出了Katayama的电荷再循环操作。如图7A所示，在阶段1期间，像素电容器602和再循环电容器601被从VSS充电到V1。在阶段2期间，开关如图7B所示进行操作，使得电容器601与电源(V1)串联连接。于是，电容器601上的电压上升到等于V1的值两倍的电平(2＊V1)并且把像素602充电到相同电平。在这个操作期间，等于V1＊CPIXEL的电荷被传送到像素电容器602。如图7C所示，在阶段3期间，开关如图所示进行操作，使得像素电容器602被再次连接到V1。等于V1＊CPIXEL的电荷被传送回电容器601并且被存储在电容器601中。 
图8A-B说明了作为Katayama公开的电荷再循环系统600的一部分的电容器601的电压输出和像素602的波形EL。最初，如图8A所示，在阶段1期间，开关进行操作使得电容器601被从VSS充电到V1。在阶段2期间，如图8A所示，开关进行操作使得电容器601与电源(V1)串联连接。于是，电容器601上升到等于V1的值的两倍的电压电平(2＊V1)。在这个操作期间，等于V1＊CPIXEL的电荷被传送到像素电容器602。在阶段3期间，等于V1＊CPIXEL的电荷被传送回电容器601并且被存储在电容器601中。 
如图8B所示，在阶段1期间，像素电容器602(EL)被电压V1充电。 在阶段2期间，如图8B所示，电容器601具有等于V1的值两倍的电压电平(2＊V1)并且把像素电容器602充电到相同电压电平(2＊V1)。在这个操作期间，等于V1＊CPIXEL的电荷被传送到像素电容器602(EL)。如图8B所示，在阶段3期间，像素602上的电压再一次为V1。因此，等于V1＊CPIXEL 的电荷被从像素602传送并且被存储在电容器601中。 
然而，由于Katayama公开的电容器601在阶段1期间被充电到V1，并且在阶段2被用于生成等于V1的值两倍的电压电平(2＊V1)，所以电压V1和2＊V1的源不同时存在。图8说明了在电荷再循环操作期间，像素电容器602的波形EL。图8A示出像素电容器602的电压波形取决于电容器601的操作。 
图8A-B还示出在每个阶段该系统的可用电压。在阶段1和3处，电压电平V1和VSS可用于驱动像素。在阶段2，2＊V1和VSS电平可用。因为该电压可用性限制，所以在任一时刻只有一个驱动电压电平(V1或2＊V1)可用于驱动像素。 
Katayama中的DC-DC变压器的输出电压未随时间连续。使用图2中提供的EPD像素的典型驱动波形作为一个例子，如果来自具有连续时间电压形式的DC-DC变压器的V0和V1未同时可用，则按顺序而不是共同驱动不同像素的方法不可行。按顺序驱动不同像素包括在不同时间针对不同像素开始和停止例如V1-V0-V1的驱动模式。共同驱动不同像素包括同时针对不同像素开始和停止驱动模式。 
同样地，存在对提供连续时间输出电压的电力经济的电荷再循环DC-DC变压器系统的需要。 
发明内容
在一个示例性实施例中，提供了用于具有分段和公共线路的平板显示器的驱动系统。该系统可以包含第一电荷泵，其中第一电荷泵包含在输入电压电平接收电荷的输入端和生成第一泵浦电压电平的电路。该系统也可以包含连接到第一电荷泵的第一存储电容器，其用于存储在第一泵浦电压电平的电荷。该系统可以包含第二电荷泵，其中第二电荷泵包含连接到第一存储电容器的、接收第一泵浦电压电平的电荷的输入端；泵输出端；和在泵输出端处生成第二泵浦电压电平的电路。该系统还可以包含连接到泵输出端的、存储在第二泵浦电压电平的电荷的第二存储电容器。该系统也可以包含连接到第一和第二存储电容器的控制器，其中控制器包含连接到平板显示器的分段线路的分段输出端；连接到平板显示器的公共线路的公共输出端；连接到第一和第二存储电容器的多个开关设备；和控制电路，其操作开关设备以有选择地把分段输出端连接到第一和第二存储电容器，以便在第一阶段期间向分段输出端提供电荷并且在第二阶段期间从分段输出端回送电荷到第二存储电容器
在该驱动系统中，第一和第二电荷泵的至少一个在反馈调节中可以使用至少一个电阻器梯和比较器控制电压电平在预定值。该系统的至少一部分可以被封装为集成电路，该集成电路被配置成提供用于显示器的驱动模式。另外，第一和第二电荷泵可以包括进行操作以传送能量和提升输入电压到输出电压的开关，并且第一和第二电荷泵可以包括被配置为传送电荷的快速电容器。 
该系统还可以包括多个附加电荷泵，其被配置成从用于泵浦电荷的上游泵中的存储电容器获得电荷，以生成后续电压电平，附加电荷泵具有用于保持电荷在后续对应电压电平的对应存储电容器，其中控制器在多阶段多电平驱动模式的阶段使得电荷从所述显示器的耦合分段和公共线路返回到上游存储电容器的至少一个。其中，多个下游电荷泵可以包括用以传送能量和提升输入电压到输出电压的开关，并且多个下游电荷泵可以包括被配置成传送电荷的快速电容器。 
应当理解，前面的概括说明和下面的详细描述均只是示例性和说明性的，并不是对所描述的本发明的限制。除了这里提出的那些之外提供了其它特征和/或变化。例如，本发明可以涉及所公开的特征的各种组合和变形和/或下面详细描述公开的若干其它特征的组合和变形。 
并入说明书并且构成这个说明书组成部分的附图示出了本发明的某些方面，并且和前面的说明一起被用来帮助说明与本发明相关的一些原理。在附图中， 
图1A和B说明了根据现有技术的薄电泳膜的横截面； 
图2说明了根据现有技术的典型驱动电压波形和电压电平； 
图3说明了根据现有技术的典型电压产生电路； 
图6说明了根据现有技术的示例性电荷再循环电路； 
图5说明了根据现有技术的把像素(CPIXEL)从V0释放到V1的示例性过程； 
图6说明了根据现有技术的示例性电荷再循环电路； 
图7A-C说明了根据现有技术的在三个不同阶段充电像素(CPIXEL)的示例性过程； 
图8A-B说明了根据现有技术的、示出在三个不同阶段充电像素(CPIXEL)的过程的示例性波形。 
图9说明了符合本发明的双输出电压系统； 
图10说明了具有符合本发明的调节输出功能的典型2×电荷泵；和 
图11和12说明了具有符合本发明的像素的所提出的双电压输出系统的操作。 
现在参照附图中说明的例子详细描述本发明。在下面说明中提出的实现不代表符合所要求保护的发明的所有实现。相反，它们仅仅是符合涉及本发明的某些方面的一些例子。只要可能，相同的附图标记在附图中会被用来表示相同或类似的部分。 
图9示出了符合本发明的电泳平板显示器(EPD)的驱动系统900。系统900构成双输出电压系统，并且包含包括两个2×升压电路902和903的4×升压电路901。第一阶段电荷泵903提供电压电平V1。电压电平V1可以被用来驱动电泳平板显示器(EPD)而无需使用传统模拟缓冲器。另外，第一阶段电荷泵903的输出被提供给生成V0电压电平的第二阶段电荷泵902的输入。图9中的所有电压电平参考公共电压VSS。 
通常，电荷泵903的驱动容量大于模拟缓冲器的驱动容量。免去使用传统模拟缓冲器还可能导致更低功耗和更小硅面积。系统900的设计还可以消除由模拟缓冲器引起的驱动能力限制。 
对比现有技术系统使用的模拟缓冲器，在系统900中，用电荷泵903的输出驱动电泳平板显示器(EPD)的响应时间只取决于存储电容和分段 电阻。应当注意，系统900的建议设计可以根据所需输出电压的准确度提供双调节电压或一个调节输出电压。 
在图9中，2×电荷泵902和903均包括用于传送能量和提升输入电压到输出电压的开关(未示出)；用于传送电荷的快速电容器CF1或CF2；比较器和反馈网络，用于控制和限定调节输出电平(未示出)；和存储电容器CS1或CS2，用于存储能量电荷并且稳定输出电压电平。 
图10说明了具有可以实现成电荷泵902或903的调节输出功能的2×电荷泵1000。现在描述包含两个阶段的2×电荷泵1000的操作原理。 
在阶段1，由阶段控制逻辑操作时钟驱动器PH1，使得快速电容器(Cflying)被预充电到Vin电平，其VN端子连接到VSS，VP端子连接到Vin。 
在阶段2，当PH2开关断开时，PH1开关闭合。端子VN被连接到Vin电平，并且通过电容器耦合效应泵浦端子VP到2×VIN电压电平。存储在Cflying中的电荷会执行电荷重新分配，其中Cstorage提供2×VIN电压电平的电荷到Vout。 
现在描述2×电荷泵的调节模式。在2×电荷泵1000中，电阻器R1和R2充当分压器。该分压器限定调节输出值。由电压比较器将反馈电压VFB与预定参考电压VREF比较。如果VFB大于VREF，则电压比较器输出控制信号到阶段控制逻辑，阶段控制逻辑被指示通过停止时钟驱动例如开关PH1、PH2的开关来停止泵浦操作。 
图11和12说明了系统900的操作，其具有由电容器1101表示的像素和图2所示的波形。操作被分成阶段一和阶段二。在阶段一期间(图12)，像素电容器1101被从V1充电到V0。结果，等于(V0-V1)＊CPIXEL的电荷量被传送到像素电容器1101。在阶段二期间(图11)，像素电容器1101被连接到V1。接着，等于(V0-V1)＊CPIXEL的电荷被释放和传送回到CS1。这些电荷不仅升高了V1的电压电平，而且还充当第二阶段电荷泵902的能源。因此，通过返回电荷，它们可以被重用而不是释放到VSS。 
结果，在系统900中，电压V0、V1和VSS同时存在。并且，通过电容器(CS1，CS2)连续保持输出电压。像素的波形不取决于电荷泵或电力系统的切换频率和定时。此外，新像素的波形不需要等待先完成前一像素的波形。 
尽管系统900示出具有两个类似充电泵级段的体系结构，其中每个充电泵级段输出两倍于输入电压电平的电压电平，但是系统900的体系结构 可以扩展为允许级段的级联，其中各级段的电路结构可不类似并且可具有输入电压的不同放大倍数(例如，3×，4×等等)。例如，系统900的体系结构也可以扩展为包括多个分支的级联级段的电荷泵系统，其中下游级段从多个分支的上游级段的输出得到电荷，以便产生应用中所需的电压电平的输出，其中系统层次的功率效率问题的优化会指示用于各个级段的输入的最优输出。 
可以有各种结构。例如，系统900的所有部件可以封装为集成电路。 
功率效率的系统层次问题应当考虑驱动模式和面板加载。通常，整个电荷泵系统会包括最小数量的级段，其仍然可以满足所需驱动电平的数量。该系统应当平衡面板加载的充电和放电，以便最小化电源的瞬时功率要求。 
上述的描述旨在说明而不是限制由所附权利要求书的范围限定的本发明的范围。其它实施例处于以下权利要求的范围内。 

Claims (8)

1.一种用于具有分段和公共线路的平板显示器的驱动系统，该系统包括：
第一电荷泵，包括：
用于接收输入电压电平的电荷的输入端；和
用于生成第一泵浦电压电平的电路；
连接到第一电荷泵、用于存储第一泵浦电压电平的电荷的第一存储电容器；
第二电荷泵，包括：
连接到第一存储电容器、用于接收第一泵浦电压电平的电荷的输入端；
泵输出端；和
用于在泵输出端处生成第二泵浦电压电平的电路；
连接到泵输出端、用于存储第二泵浦电压电平的电荷的第二存储电容器；和
连接到第一和第二存储电容器的控制器，包括：
连接到平板显示器的分段线路的分段输出端；
连接到平板显示器的公共线路的公共输出端；
连接到第一和第二存储电容器的多个开关设备；和
控制电路，其操作开关设备以有选择地把分段输出端连接到第一和第二存储电容器，以便在第一阶段期间向分段输出端提供电荷并且在第二阶段期间从分段输出端回送电荷到第一存储电容器。
2.如权利要求1所述的系统，其中第一和第二电荷泵的至少一个在反馈调节中使用至少一个电阻器梯和比较器控制电压电平在预定值。
3.如权利要求1所述的系统，其中系统的至少一部分被封装为集成电路，该集成电路被配置成提供用于显示器的驱动模式。
4.如权利要求1所述的系统，其中第一和第二电荷泵包括进行操作以传送能量和提升输入电压到输出电压的开关。
5.如权利要求1所述的系统，其中第一和第二电荷泵包括被配置为传送电荷的快速电容器。
6.如权利要求1所述的系统，还包括多个附加电荷泵，其被配置成从用于泵浦电荷的上游泵中的存储电容器获得电荷，以生成后续电压电平，所述附加电荷泵具有用于保持电荷在后续对应电压电平的对应存储电容器，其中控制器在多阶段多电平驱动模式的阶段使得电荷从所述显示器的耦合分段和公共线路返回到上游存储电容器的至少一个。
7.如权利要求6所述的系统，其中多个下游电荷泵包括用以传送能量和提升输入电压到输出电压的开关。
8.如权利要求6所述的系统，其中多个下游电荷泵包括被配置成传送电荷的快速电容器。
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