85인치 UHD TV 제품 적용을 위한 LCD용 Data Driver IC의 저전력 구동 방법

Abstract

Recently, a large-sized high resolution thin film transistor liquid crystal display (TFT-LCD) has been continuously demanded by the market. As the size and resolution of the panel increase, the load and driving frequency of the panel are increased, respectively, and accordingly the data driver IC of the TFT-LCD consumes large power for charging and discharging the capacitive load. Moreover, the data driver IC at a higher frame rate (up to 240 Hz) consumes much more power to enhance the image quality of moving pictures and to realize the 3-D display of TFT-LCD. As a result, the increased power consumption directly causes the heat generation in the data driver IC, which brings the burnt problem. The main power-consuming parts of the data driver IC are composed of interface circuit, digital logic, analog supply, and charging/discharging data lines of the panel. Among the parts, charging/discharging data lines of the panel consume approximately 70~80% of the overall IC power. Therefore, the most effective method to reduce the power consumption of the data driver IC is to minimize the power for charging/discharging data lines, and thereby this can reduce the heat generation in the data driver IC. In this thesis, a driving method to reduce the heat generation in the data driver IC is proposed by reducing the power consumption for charging/ discharging data lines and by reducing the output data range. In the proposed method, the external gamma reference IC pre-charges the data lines of the panel, and then the unity-gain amplifier in the data driver IC discharges the data lines with the residual voltage difference between the intermediate and final voltage of data lines. Moreover, the voltage range of the data driver IC can be reduced because the gamma reference IC makes the intermediate voltage level of data lines. Also, the proposed method can be effectively applied to the TFT-LCD panel that uses the column inversion driving method. The HSPICE simulation is performed to verify the proposed driving method under the load condition of 85-inch UDH (3840x2160) TFT-LCD at the frame rate of 120Hz with the column inversion driving method. In the horizontal stripe image pattern, which is the most power-consuming in column inversion, the proposed driving method can reduce 87% of power consumption compared with the conventional method. Therefore, the proposed driving method is an effective solution to solve the problem of heat generation in the data driver IC for large-sized, high frame rate, and high resolution TFT-LCD such as an 85-inch UHD TV.| 최근 고해상도와 대형 TFT-LCD 에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 패널의 사이즈와 해상도가 증가함에 따라 패널의 부하 및 구동 주파수가 증가하였고 이에 따라 TFT-LCD 데이터 구동 IC는 패널 부하의 충전, 방전을 위해 큰 전력 소모를 하였다. 더욱이 TFT-LCD의 3-D 구현을 위해 동영상의 화질을 위해 240Hz 이상의 높은 주파수 구동으로 인해 데이터 구동 IC는 훨씬 더 큰 전력 소모가 필요하다. 이런 이유로 증가된 전력 소모는 데이터 구동 IC의 열 발생을 야기하였으며 이는 burnt 문제를 발생 시켰다. 데이터 구동 IC의 주요 전력 소모 부분은 인터페이스 버스에서 소모하는 전력, 디지털 로직에서 소모하는 전력, 아날로그 전원부에서 소모하는 전력, 패널의 데이터 신호선을 충전/방전하는데 소모하는 전력으로 나눌 수 있다. 이 부분 중 패널의 데이터 신호선을 충전/방전하는데 소모되는 전력은 데이터 구동 IC 전체 소모전력의 약 70~80%를 차지한다. 따라서 전력 소모를 줄이는 가장 효과적인 방법은 데이터 신호선의 충전/방전하는 전력을 줄이는 것이며 이는 데이터 구동 IC의 발열을 줄일 수 있을 것이다. 본 논문에서는 출력 데이터 전압 폭을 감소시킴으로써 데이터 신호선의 충전/방전 전력 소모를 감소시켜 데이터 구동 IC의 발열을 감소시키는 구동 방법을 제안하였다. 제안된 구동방식은 데이터 구동 IC의 외부에 위치한 gamma reference IC를 사용하여 패널의 데이터 신호선을 우선 충전한 다음 데이터 구동 IC 내부의 단위 이득 증폭기를 사용하여 데이터 신호선에 미리 충전된 중간 전압과 최종 전압의 차이 전압을 방전하는 방식이다. 이는 Gamma reference IC를 사용하여 중간 전압을 형성하기 때문에 데이터 구동 IC가 충전 하여야 할 전압 폭을 감소 시킬 수 있다. 또한, 이 방식은 column inversion 구동을 하는 TFT-LCD 디스플레이에 효과적으로 활용 될 수 있다. 제안된 구동 방식을 검증하기 위하여 85-inch UHD (3840x2160) TFT-LCD 패널의 부하 조건을 사용하고, 120 Hz 프레임 주파수를 가지고 column inversion 구동방식을 사용하는 데이터 구동 IC를 설계하여 HSPICE 시뮬레이션 검증을 수행하였다. Column inversion 구동 방식에서 데이터 구동 IC의 전력소모가 가장 큰 영상 형태인 horizontal stripe 패턴의 영상에서, 제안된 구동 방식은 기존의 구동방식에 비해 전력 소모를 87% 감소할 수 있었다. 따라서 제안된 구동 방식은 85” UHD TV제품과 같은 대면적, 고속, 고해상도 TFT-LCD의 데이터 구동 IC의 발열 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 방식이다.; Recently, a large-sized high resolution thin film transistor liquid crystal display (TFT-LCD) has been continuously demanded by the market. As the size and resolution of the panel increase, the load and driving frequency of the panel are increased, respectively, and accordingly the data driver IC of the TFT-LCD consumes large power for charging and discharging the capacitive load. Moreover, the data driver IC at a higher frame rate (up to 240 Hz) consumes much more power to enhance the image quality of moving pictures and to realize the 3-D display of TFT-LCD. As a result, the increased power consumption directly causes the heat generation in the data driver IC, which brings the burnt problem. The main power-consuming parts of the data driver IC are composed of interface circuit, digital logic, analog supply, and charging/discharging data lines of the panel. Among the parts, charging/discharging data lines of the panel consume approximately 70~80% of the overall IC power. Therefore, the most effective method to reduce the power consumption of the data driver IC is to minimize the power for charging/discharging data lines, and thereby this can reduce the heat generation in the data driver IC. In this thesis, a driving method to reduce the heat generation in the data driver IC is proposed by reducing the power consumption for charging/ discharging data lines and by reducing the output data range. In the proposed method, the external gamma reference IC pre-charges the data lines of the panel, and then the unity-gain amplifier in the data driver IC discharges the data lines with the residual voltage difference between the intermediate and final voltage of data lines. Moreover, the voltage range of the data driver IC can be reduced because the gamma reference IC makes the intermediate voltage level of data lines. Also, the proposed method can be effectively applied to the TFT-LCD panel that uses the column inversion driving method. The HSPICE simulation is performed to verify the proposed driving method under the load condition of 85-inch UDH (3840x2160) TFT-LCD at the frame rate of 120Hz with the column inversion driving method. In the horizontal stripe image pattern, which is the most power-consuming in column inversion, the proposed driving method can reduce 87% of power consumption compared with the conventional method. Therefore, the proposed driving method is an effective solution to solve the problem of heat generation in the data driver IC for large-sized, high frame rate, and high resolution TFT-LCD such as an 85-inch UHD TV.