专利名称：降低电容性负载的电流消耗的结构及其方法
技术领域：
本发明涉及一种负载电容在先具有一初步的电压准位的情况下进行充放电，而降低电容性负载的电流消耗。
背景技术：
随着3C逐渐整合，在单一系统芯片中包括越来越多功能。例如，以往手机的功能单纯，但现在手机必须包括多样化的功能，如数字相机、MP3播放及游戏等，才能在信息市场中得到消费者的青睐。然而，功能不断的增加使得耗电量成为一大问题。设计工程师面临的挑战是，必须在单一芯片中整合更多的功能，且达到低耗电，以延长电池寿命。因此，设计工程师无不绞尽脑汁、运用先进设计方法以求更省电的芯片。
目前的集成电路产品设计日趋庞大复杂，电源设计不善很容易就导致芯片设计失败，因此电源管理已成为集成电路产品设计成功的关键因素之一。若要使芯片同时具高效能、低耗电更是一大挑战。功率消耗主要可分为两个部分动态功率(dynamic power)消耗和静态功率(static power)消耗。动态功率耗损主因为切换电流及负载电容充放电。静态功率消耗则是由于漏电流(leakage current)，晶体管在不导通时，由于制程关系会导致电路本身有微小的电流，进而导致功率消耗。
其中，动态功耗主要发生在电路运行时，如公式1所示，动态功率消耗为负载电容(CL)、供给电压(VDD)平方、及频率(f)的乘积，由于不是所有的栅极都同时切换运转，因此必须再乘以一α因子，α为晶体管切换操作的平均值，以百分比表示。
Pdynamic＝αCLVDD2f(1)所以由公式1可知，欲降低动态功耗可从频率、供给电压、及负载电容等三方面加以考虑。使用先进的制程的设计，往往会要求增加频率以达到较好的效能，因此可行的方法是考虑如何降低供给电压及负载电容。
1.降低供给电压动态功耗与供给电压平方成正比，因此将降低动态功耗，调降电压可得较好的效果。自从1980年代，半导体进入CMOS制程后，工程师们可通过制程技术的进步而达到降低动态功耗的效果。然而进入深次微米制程后，供给电压接近阈电压(Threshold voltage)。因此制程的微缩对于降低动态功耗已无法得到像过去那么好的效果。可行的方法之一是根据个别操作运算需求提供不同的供给电压，运算速度较低的电路可供给较低的电压。
2.降低负载电容降低整体负载电容值是管理动态功耗的另一方法。由于时脉不间断持续切换，导致负载电容值相对偏高，整体而言，时脉网络可高达全部功耗的约50％。所以，想要减少电路运行所引起的动态功率消耗，可通过关掉暂时不需使用的时脉电路以降低电容进而降低动态功率消耗。举例来说，运用时脉选择的方法可以避免时脉信号不断地启动缓存器，进而有效地将整体电容最小化，以达到管理动态功率消耗的目的。
请参阅图1所示，是电容性负载的实施示意图，以液晶显示面板的驱动为例，目前面板负载的结构包括一驱动元件10(如液晶驱动IC)，利用两个晶体管PM与NM作为电压信号(高电压准位VDD与低电压准位VSS)的控制；控制一输出端VOUT将信号传至一电容性负载20(如液晶显示面板)的负载电容CL(如面板上同一列像素的所有储存电容及寄生电容)。如图2所示，为该输出端VOUT的电压信号。当电容性负载20被驱动时，必须将该负载电容CL全部充电(升压至高电压准位VDD)，或是全部放电(降压至低电压准位VSS)，由此达到驱动负载的要求。
目前，驱动元件10的电流消耗已渐渐地降低，相对的电容性负载20往往是主要的电流消耗。如果，能在不降低供给电压，不影响该电容性负载20运行的情况下，降低负载的电流消耗，则总电流消耗可以进一步降低。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述缺陷，为避免该缺陷的存在，本发明提供了一种负载电容在先具有一初步的电压准位的情况下进行充放电，而降低电容性负载的电流消耗。
为此，根据本发明的一种降低电容性负载的电流消耗的结构，针对一驱动元件的输出端将电压信号传至一电容性负载，该结构包括一储存电容，其设置于输出端与电容性负载之间；以及一切换开关，用以切换储存电容和输出端与电容性负载的连接。
此外，根据一种降低电容性负载的电流消耗的方法，适用于降低电容性负载的电流消耗的结构，该方法包括当输出端的电压信号要转态时，切换开关先使储存电容与电容性负载连接进行等化，使储存电容与电容性负载的负载电容等化；以及在等化完成之后，切换开关切换，使输出端与电容性负载连接，对电容性负载进行充电或放电。
因此，本发明具有如下优点，即，在不须降低供给电压，不须降低负载电容，也就是在不改变现有产品的设计情况下，降低负载的电流消耗，进一步降低产品的总电流消耗，从而达到省电的目的。
图1是现有电容性负载的示意图。
图2是图1所示输出端的信号示的意图。
图3是本发明的电容性负载的示意图。
图4是本发明的储存电容等于负载电容时各节点的信号的示意图。
图5是本发明的储存电容相比于负载电容的比率为二分之一时各节点的信号的示意图。
具体实施例方式
关于本发明的详细内容及技术说明，现结合
如下请参阅图3所示，是本发明的电容性负载的实施示意图。以液晶显示面板的驱动为例，该面板负载的结构包括一驱动元件100(如液晶驱动IC)，利用两个晶体管PM与NM作为电压信号(高电压准位VDD与低电压准位VSS)的控制；控制一输出端VOUT将信号传至一电容性负载200(如液晶显示面板)的负载电容CL(如面板上同一列像素的所有储存电容及寄生电容)；一储存电容CS，其设置于该输出端VOUT与该电容性负载200之间；以及一切换开关110，用以切换该储存电容CS和输出端VOUT与该电容性负载200的连接。
在该负载电容CL第一次充电动作后，当该输出端VOUT的信号要转态以使该负载电容CL进行放电时，该切换开关110先使该储存电容CS与该负载电容CL连接进行等化，此时高电压准位VDD的负载电容CL对该储存电容CS充电。在等化完成之后，该切换开关110切换，使该输出端VOUT与该电容性负载200连接，使该负载电容CL进行放电，使该负载电容CL降至低电压准位VSS。
当该负载电容CL需要再次充电至高电压准位VDD时，该切换开关110先使该储存电容CS与该负载电容CL连接进行等化，此时较高准位的负载电容CL对该储存电容CS充电。在等化完成之后，该切换开关110切换，使该输出端VOUT与该电容性负载200连接，对该电容性负载200进行充电。
由此，该输出端VOUT对该负载电容的充电或是放电将不是全准位，而且并不需要耗费太多电流就可将该负载电容的电压准位推升至负载所须的电压准位(多耗掉的电流是用在切换开关110的切换动作上)，由此可以节省驱动电流，降低负载的电流消耗，达到省电的目的。
由上述充放电关系，可以推导计算本发明各节点的电压算式如下假设CS＝X·CL其中，X是储存电容CS相比于负载电容CL的比率大小。起始状态为负载电容CL接输出端VOUT，且充电到高电压准位VDD，储存电容CS浮接且无电荷储存。
步骤0.1VOUT＝VDD＝NL；(通过晶体管PM对负载电容CL充电)
NS＝O；(储存电容CS是浮接状态)步骤0.2储存电容CS与负载电容CL经切换开关110相接进行电荷分享。所以该储存电容CS与切换开关110间的节点NS电压，及该负载电容CL与切换开关110间的节点NL电压为NS＝NL＝(CL·VDD)/(CL+XCL)＝VDD/(1+X)；步骤0.3VOUT＝NL＝VSS；(通过晶体管NM对负载电容CL放电)NS＝VDD/(1+X)；步骤0.4储存电容CS与负载电容CL经切换开关110相接进行电荷分享。所以NS＝NL＝((VDD/(1+X))·XCL)/(CL+XCL)＝XVDD/(1+X)2；步骤1.1VOUT＝VDD＝NL；NS＝XVDD/(1+X)2；步骤1.2
NS＝NL＝(CL·VDD+(XVDD/(1+X)2)·XCL)/(CL+XCL)＝(X2+(1+X)2)VDD/(1+X)3；步骤1.3VOUT＝NL＝VSS；NS＝(X2+(1+X)2)VDD/(1+X)3；步骤1.4NS＝NL＝((((1+X)2+X2)VDD/(1+X)3)·XCL)/(CL+XCL)＝(X3+X(1+X)2)VDD/(1+X)4。
由上述步骤0.1～步骤0.4及步骤1.1～步骤1.4并扩及到步骤n.1～步骤n.4，可得出在n次循环后，该负载电容CL由高电压准位VDD对该储存电容CS进行电荷分享后的节点NS电压为NS，H＝((1+X)2n/(1+X)2n+1)∑((X2i/(1+X)2i)·VDD)＝(1/(1+X))∑((X2i/(1+X)2i)·VDD)；(其中i＝0～n)则当n→∞时，lim NS，H＝(1/(1+X))lim∑((X2i/(1+X)2i)·VDD)＝(1/(1+X))·((1/(1-(X2/(1+X)2))·VDD)＝(1/(1+X))·((1/((2X+1)/(1+X)2))·VDD)＝((X+1)/(2X+1))·VDD。
同理，该负载电容CL由低电压准位VSS对该储存电容CS进行电荷分享后的节点NS电压为
NS，L＝(X(1+X)2n/(1+X)2n+2)∑((X2i/(1+X)2i)·VDD)＝(X/(1+X))∑((X2i/(1+X)2i)·VDD)；(其中i＝0～n)则当n→∞时，lim NS，L＝(X/(1+X))lim∑((X2i/(1+X)2i)·VDD)＝(X/(1+X))·((1/(1-(X2/(1+X)2))·VDD)＝(X/(1+X))·((1/((2X+1)/(1+X)2))·VDD)＝(X/(2X+1))·VDD。
所以，当该储存电容CS等于负载电容CL时，及即X＝1时，当电容性负载200动作稳定后，NS，H＝((1+1)/(2×1+1))·VDD＝2/3VDD，NS，L＝((1)/(2×1+1))·VDD＝1/3VDD。其节点NS与NL的电压，如图4所示，在步骤n.1时，该输出端VOUT与该电容性负载200连接，对该电容性负载200进行充电，此时该输出端VOUT对负载电容CL进行充电，一开始因为该负载电容CL已被预充至1/3VDD(假设该低电压准位VSS＝0)，所以节点NL的电压是由1/3VDD直接升至高电压准位VDD，而在此阶段，该节点NS的电压维持在1/3VDD。
在充电程序结束进入步骤n.2之后，该负载电容CL进行放电程序，此阶段该负载电容CL将对储存电容CS进行等化，此时节点NS的电压由1/3VDD升至2/3VDD，而该节点NL的电压由高电压准位VDD降至2/3VDD。
在等化完成后，进入步骤n.3，输出端VOUT与负载电容CL连接，此时该负载电容CL进行完全放电，在此阶段，该节点NL的电压由2/3VDD直接降至低电压准位VSS，而节点NS的电压维持在2/3VDD。
然后，在该负载电容CL被充电前，进入步骤n.4，在此阶段，该储存电容CS对该负载电容CL进行等化，节点NS电压由2/3VDD降至1/3VDD，而该节点NL的电压由低电压准位VSS升至1/3VDD。步骤n.4结束再进入步骤n.1，依此循环。
同理，当储存电容相比于负载电容的比率为二分之一时，及即X＝1/2时，当电容性负载200动作稳定后，NS，H＝((1+1/2)/(2×(1/2)+1))·VDD＝3/4VDD，NS，L＝((1/2)/(2×(1/2)+1))·VDD＝1/4VDD，此各节点的电压如图5所示。
综上所述，本发明的省电率算式为R＝X/(2X+1)。其中，R是可以省多少电的百分比，X是储存电容CS相比于负载电容CL的比率大小。所以在该储存电容CS等于负载电容CL时，例如负载电容CL电容是20pf，且该内建电容也是20pf，则X＝20pf/20pf＝1，R＝1/3，也就是本发明在该储存电容CS等于负载电容CL的情况下可省电约33％。而在该储存电容CS相比于负载电容CL的比率为二分之一时负载电容是20pf，内建电容是10pf，则X＝10pf/20pf＝1/2，R＝1/4，也就是本发明在该储存电容CS等于负载电容CL的情况下可省电约25％。
因此，理论上当该储存电容CS极大于该负载电容CL时，即当X无限大时，可算出R＝1/2，也就是在本发明的架构下最大省电效果可省电50％。
本发明的精神在于加入储存电容CS后，由于加入的储存电容CS与负载的负载电容CL先进行等化，所以输出端VOUT在负载电容CL已经有一初步的准位的情况下进行充电或是放电。由此，该输出端VOUT的充电或是放电不是全准位，可以节省驱动电流，也降低负载的电流消耗，从而达到省电的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种降低电容性负载的电流消耗的结构，针对一驱动元件(100)的输出端(VOUT)将电压信号传至一电容性负载(200)，其特征在于，所述结构包括一储存电容(CS)，其设置于所述输出端(VOUT)与所述电容性负载(200)之间；以及一切换开关(110)，用以切换所述储存电容(CS)和所述输出端(VOUT)与所述电容性负载(200)的连接。
2.一种降低电容性负载的电流消耗的方法，适用于降低电容性负载的电流消耗的结构，所述结构包括一储存电容(CS)，设置于一驱动元件(100)的输出端(VOUT)与一电容性负载(200)之间；以及一切换开关(110)，其用以切换所述储存电容(CS)和输出端(VOUT)与所述电容性负载(200)的连接，其特征在于，所述方法包括当所述输出端(VOUT)的电压信号要转态时，所述切换开关(110)先使所述储存电容(CS)与所述电容性负载(200)连接进行等化，使所述储存电容(CS)与所述电容性负载(200)的负载电容(CL)等化；以及在等化完成之后，所述切换开关(110)切换，使所述输出端(VOUT)与所述电容性负载(200)连接，对所述电容性负载(200)进行充电或放电。
全文摘要
本发明公开了一种降低电容性负载的电流消耗的结构及其方法，该结构包括一储存电容，设置于一驱动元件的输出端与电容性负载之间；以及一切换开关，用以切换该储存电容和输出端与该电容性负载的连接。该方法包括当该输出端的信号要转态时，该切换开关先使该储存电容与该电容性负载之间连接，进行两电容间的等化；在等化完成之后，该切换开关使该输出端与该电容性负载连接，对该电容性负载进行充电，由此电容性负载的负载电容将在已经有一初步的电压准位的情况下进行充电或是放电。
文档编号H02M3/04GK101017988SQ20061000324
公开日2007年8月15日 申请日期2006年2月6日 优先权日2006年2月6日
发明者林春生 申请人:矽创电子股份有限公司