東海大学紀要情報通信学部
vol.4,No1,2011,pp.9-13
東海大学紀要情報通信学部
Vol. , No. , 2011, pp. -論文
論文
LTPS-TFT を用いた低消費電力で動作可能な小型携帯機器用高電圧発生回路
塙篤史*1，吉田正廣*2

Low Power-Consumption High-Voltage Generator for
Mobile Applications using LTPS-TFT
byAtsushi HANAWA*1 and Masahiro YOSHIDA*2(received on March 30, 2011 & accepted on July 26, 2011)
Abstract
In this paper, a low power-consumption high-voltage generator

composed of a new type level-shift circuit for mobile applications using

LTPS-TFT (Low Temperature Poly Silicon-Thin Film Transistor) is proposed. To verify electrical characteristics of the proposed level-shift circuit andthe high-voltage generator, the circuit analysis carried out by using the simulation program HSPICE.

As a result, the power consumption of the

proposed level-shift circuit can be reduced about 75[%] in comparison with that of the conventional one under the conditions that the supply voltage is5[V], the load capacitor is 2.5[pF], and the operating frequency is 250[kHz]. Furthermore, the power consumption of the high-voltage generator using
the proposed level-shift circuit can be reduced about 20[%] in comparison with that of the conventional one.

Keywords : high-voltage generator, LTPS-TFT, low-power consumption, LCD (liquid crystal display)
キーワード：高電圧発生回路，低温多結晶ポリシリコン薄膜トランジスタ，低消費電力，液晶ディスプレイ

1．まえがきTable 1 Crystal Structures and Carrier Mobility

近年，各種の小型携帯電子機器が急速に普及し，私達の生活を豊かで便利にしている．それらの携帯機器のディスプレイには液Mobility晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display: LCD）や有機ELディスプレ(cm2/Vs)

イ（Organic Electro- Luminescence：OEL，または，Organic Light
Emitting Display：OLED）が用いられている．その中でも特にLCDは多くの小型携帯電子機器に搭載されているが，携帯機器の高機能化と高性能化とともに，LCDには更なる小型化，低消費電力化

a-Si TFT

LTPS-TFT

MOSFET

0.5~1.030~300600~700

Atom (Si)

Atom (Si)

Atom (Si)CrystalStructuresが要求されている[1]．
LCD駆動回路を実現する際に用いるトランジスタとしては，非晶質 シ リ コ ン 薄 膜 ト ラ ン ジ ス タ （ Amorphous Silicon Thin FilmTransistor：a-Si TFT），低温多結晶シリコン薄膜トランジスタ（Low

動回路を外付けとして安価な大型LCD画面を実現するのに用いられている．
一方，LTPS-TFTは，a-Si TFTより製造プロセスが多くなるが，Temperature Poly Silicon Thin Film Transistor：LTPS-TFT），金属結晶性にある程度秩序があるため電子移動度が高い．したがっ

酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Metal Oxide Semiconductorて，LTPS-TFTを用いることによって，LCDを駆動するためのField Effect Transistor：MOSFET）が考えられる．これら3種類のトラ電子回路を画素トランジスタと同一のガラス基盤上に集積化ンジスタの電子移動度と結晶構造をTable 1に示す．MOSFETは結することが可能なため，小型のLCDを実現できる．このため，晶性に秩序があり，a-Si TFTとLTPS-TFTに比べて低しきい電圧，各種の小型携帯電子機器の液晶ディスプレイにはLTPS-TFTが高移動度などの優れた特徴を有している．しかし，MOSFETを用い用いられている．て駆動回路を実現するには基板にシリコンを用いる必要がある．そLCDを駆動するには異なる振幅を持った複数の制御信号をれに対し，a-Si TFTとLTPS-TFTは基板にガラスを用いることが可能必要とし，その信号電圧は高電圧発生回路によって生成していである．a-Si TFTは結晶性に秩序がないため電子移動度は低いる．しかし，従来の高電圧発生回路は，消費電力が大きい問題が製造プロセスが簡単なために量産に適していることから，駆がある[2]．本文では，従来の高電圧発生回路の電気的特性を改*1 工学研究科 情報通信制御システム工学専攻

善し，低消費電力で動作可能な新しい高電圧発生回を提案する．

*2 情報通信学部 組込みソフトウェア工学科教授−9−

LTPS-TFT を用いた低消費電力で動作可能な小型携帯機器用高電圧発生回路

また，回路シミュレータHSPICEを用いて提案回路の電気的特性のは3VDDの電圧で駆動される．このレベル変換回路の破線部の一パ解析を行い，その有用性を明らかにする．

ス回路あたりの消費電力PCは次式で与えられる．

2．従来の高電圧発生回路

PC = f・CG・(3VDD ) 2 + I S・3VDD + I DD・3VDD …(1)

従来の高電圧発生回路を Fig.1 に示す．この回路は，ダブルチ

ここで，f は動作周波数，CG は M3 のゲートキャパシタ，IS は貫ャージポンプ回路，レベル変換回路，メインチャージポンプ回路

通電流，IDD はリーク電流である．式（１）が示しているように，Fig.1

φINは入力から構成される。同図において、VDD は電源電圧，φIN，￣のレベル変換回路は 3VDD で駆動されるために大きな電力を消費

φOUT は電荷転送用トランジスタ M1，M2，整流制御信号，φOUT，￣￣

し，このことが Fig.1 の高電圧発生回路の問題になっている．この用トランジスタ M3 の制御信号，CDK はダブルチャージポンプ回路問題を解決する一方法は低電圧で動作するレベル変換回路をのキックキャパシタ，CK はメインチャージポンプ回路のキックキャ開発することである．このような背景から，本文では低電圧で動作パシタ，CL は負荷キャパシタである．

可能なレベル変換回路を考案し，それを用いた新しい高電圧発Fig.1 の高電圧発生回路は，ダブルチャージポンプ回路によっ生回路の構成を提案する．て VDD を昇圧し，3 倍の VDD を出力する．昇圧された 3VDD の電圧はレベル変換回路に供給される(Fig.1 では VLS と表記している)．

3．提案する高電圧発生回路

レベル変換回路は，入力制御信号 φIN に対応して二つの n-ch
TFT を交互にオン，オフさせ，3VDD の振幅を持つ制御信号φOUT，φINは提案する高電圧発生回路を Fig.2 に示す．同図中，φIN，￣￣￣
φOUT を生成する．このφOUT，￣￣
φOUT によって，メインチャージポンプ入力制御信号，φOUT，￣￣
φOUT は電荷転送用トランジスタ M1，M2，回路のトランジスタ M1，M2，M3 を制御し，それらのトランジスタを整流用トランジスタ M3 の制御信号，CLK はレベル変換回路のキッ非飽和動作させることによって VOUT に 3VDD の高電圧を発生させクキャパシタ，CK はメインチャージポンプ回路のキックキャパシタ，る．Fig.1 の高電圧発生回路は，メインチャージポンプ回路のCL は負荷キャパシタである．Fig.1 の回路はメインチャージポンプ

φOUT を発生するのにダブルチトランジスタを制御する信号φOUT，￣￣回路を制御する信号φOUT，￣￣
φOUT を生成するのにダブルチャージャージポンプ回路とレベル変換回路を必要とし，レベル変換回路ポンプ回路とレベル変換回路を縦続接続した構成になっている．
これに対して，提案回路はφOUT，￣￣
φOUT を生成するのに昇圧機能

T21

VDD

CLK2X

Level-ShiftCircuit

T11

CLK1

T22

T12

T23

T13X

1T41

VDD

T31

CLK4OUT

CLK3

T42

T32

T43

T33

OUT

2VDD
IIN

M1CK1

M2

CK2

M3

VOUT
IOUT

CL

Main Charge-pumping Circuit

Fig.2 Proposed High-Voltage Generator

Fig.1 Conventional High-Voltage Generator-2-− 10 −塙篤史・吉田正廣を有するレベル変換回路を 2 段縦続接続した構成になっている．

タとチャネル幅は Table 2，Table3 に示す通りである．解析結果をこのレベル変換回路は VDD で動作可能なため，回路の低電力化

Fig.4 に示す．Fig.4 より、従来回路と提案回路を比較すると，動作が期待できる．

周波数 f = 250[kHz]のとき，提案回路の消費電力は従来回路より次に回路動作について説明する．Fig.2 の回路は左右対称なも約 75[%]低減していることが分かる．この第一の要因は，式(1)回路構成になっているため，右側の回路動作について述べる．にも示したように従来のレベル変換回路は 3VDD の電源で駆動し1 段目のレベル変換回路は，VDD の振幅をもつ入力制御信号ているのに対して，提案回路は VDD で駆動しているためである．

φINが Low(0)のとき，T11 はオン状態になりキックキャパシタ CLK1

第二の要因は，回路構成上、提案回路は従来回路よりも貫通電は VDD まで充電される．次にφINが High(VDD)のとき，キックキャパ流が少ないためである．すなわち，従来回路では n-ch TFT がオ

シタ CLK1 によって電圧が昇圧され，点φA の電圧は 2VDD となる．

φOUT が 0 になるとそれに対応してン状態になり，制御信号φOUT，￣￣φINは Low(0)であるので T12 はオン状態になり，1 段目
このとき，￣p-ch TFT がオン状態になり大きな貫通電流が流れる．一方、提案φINが High(VDD)になると T13 はオの出力φX は 2VDD を出力する．￣

回路では、例えば T22 と T23 が入力制御信号φINによって相補的ン状態になり，φX は 0 となる．したがって，1 段目の回路では，振に動作するため（他の部分も同様），それらが同時にオン状態に幅が 0～2VDD 間で変化する制御信号φX を出力する．2 段目の回なる期間が短く，貫通電流が抑制できるためである．

路の動作は 1 段目と同じである．1 段目の回路で 2 倍に昇圧されTable 2 Device Prameters

φX を 2 段目の回路に供給することにより，それがた制御信号φX，￣
キックキャパシタ CLK3 ，CLK4 によって 3 倍に昇圧され，振幅が 0Symbols

P-TFT

N-TFTUnits

φOUT が得られる．以上述べ～3VDD 間で変化する制御信号φOUT，￣￣

Channel LengthL

7.58.5μmたことから提案する高電圧発生回路の理想動作波形をまとめるとThreshold Voltage

VTH-1.36+1.25

VFig.3 のようになる．

Gate Thickness

tox720720Å

Carrier Mobility

μ0109

167

cm2/VsTable 3 Channel Width

Channel Width(μm)

M1

M2

M3250

350

220

MD11,MD13

MD12,MD14

MD21,MD23

MD22,MD24

Channel Width(μm)

250

350

T11,T21

T12,T22

T13,T23

125

1210

880

ML3,ML490

300

T31,T41

T32,T42

T33,T431490

60

Power Consumption Pc[μW]

ChannelWidth(μm)

ML1,ML2

Fig.3 Ideal Waveform of Level-Shift Circuit

4．提案する高電圧発生回路の電気的特性
始めに，回路シミュレータ HSPICE を用いて，VDD = 5[V]，CLK1 = CLK2 =210[pF]，CLK3 = CLK4 =23[pF]，メインチャージポンプ
回路のトランジスタのゲート容量 2.5[pF]の条件下で，動作周波数f を 200[kHz]～300[kHz]，まで変化したときの従来のレベル変換回路と提案レベル変換回路の消費電力特性の解析を行なっ

Fig.4 Operating Frequency vs. Power Consumption

た．シミュレーションに用いた LTPS-TFT の主なデバイスパラメー-3-− 11 −LTPS-TFT を用いた低消費電力で動作可能な小型携帯機器用高電圧発生回路

次に従来の高電圧発生回路と提案する高電圧発生回路の新しいレベル変換回路を用いた高電圧発生回路の電力効率は従来のものよりも約 11 [％]改善することが確認できた．

電気的特性の解析を行った．シミュレーション条件は
CDK1=CDK2=CDK3=CDK4=20[nF]，CK1＝CK2＝CL＝20[nF]であり，それ以外は Fig.4 の場合と同一である．

残された課題は提案した高電圧発生回路のレイアウト設計と試作を行い，実チップで特性の評価を行うことである．

Fig.5 は動作周波数を 100[kHz]～500[kHz]まで変化したときの消費電力特性である．同図より，f＝250[kHz]の時、提案回路は従来回路に比べ，消費電力が約 20％低減している．これは，提案レベル変換回路の消費電力特性が従来のレベル変換回路よりも優れていることに起因している．
Fig.6 は動作周波数 f ＝250[kHz]の時の出力負荷電流 IOUT に対する出力電圧特性である．Fig.6 からわかるように，提案回路は従来回路よりも高い電圧を出力している．この理由は，提案レベφOUT の立ち上がり時間が従来のレベル変換
ル変換回路のφOUT，￣￣回路よりも速くなっていることに起因している．つまり，提案レベル

φOUT の立ち上がり時間が速いため，メインチャ変換回路のφOUT，￣￣ージポンプ回路の電荷転送用トランジスタおよび整流用トランジスタのオン、オフ制御が高速になり，それによって貫通電流が従Fig.5 Operating Frequency vs. Power Consumption

来回路より低減し，電圧の損失が少なくなるためである．
次に，出力負荷電流に対する電力効率特性を Fig.7 に示す．
Fig.7 も Fig.6 と同様の条件でシミュレーションを行った．電力効率は次式で与えられる．

η=POUT
V I
× 100 = OUT OUT × 100
PIN
VDD I IN…(2)

ここで PIN は入力電力，POUT は出力電力，IIN は電源 VDD から高電圧発生回路に流入する入力電流である．Fig.7 では出力負荷電流が 200[μA]のとき，電力効率が最大値を示しているが、これはそのように LTPS-TFT の寸法を設計したためである．Fig.7 より、提案回路と従来回路を比較すると，提案回路の電力効率が約11%の改善している．この理由は前述したように，提案レベル変Fig.6 Output Current vs. Output Voltage

換回路の消費電力が，従来のレベル変換回路より低減するためである．ここで，提案したレベル変換回路の消費電力の低減率に対して，それを用いて構成した高電圧発生回路の電力効率の改善割合がそれほど大きくないのは，レベル変換回路よりもメインチ

90Power Efficiencyャージポンプ回路の電力損失が大きいためである．

5．まとめ
本文では，LTPS-TFT を用いた低消費電力で動作可能な昇圧機能付きレベル変換回路を提案した．また，そのレベル変換回路を用いた新しい高効率の高電圧発生回路を提案した．

80
Conventional Circuit
Proposed Circuit

700HSPICE を用いて提案レベル変換回路と従来のレベル変換回

200400600800

Output Current IOUT [ A]1000

路の消費電力特性について検討した結果，提案回路は従来のものよりも消費電力が約 75[%]低減することが明らかになった．また，-4-− 12 −Fig.7 Output Current vs. Power Efficiency塙

篤史・吉田正廣

参考文献[1] 鈴木八十二，“LTPS-TFT 技術を用いた SOG/SOF 用新しい高速論理回路と電力供給システム”，薄膜材料デバイス研究会，第 3 回 研究集会，「薄膜デバイスの新展開」，2006 年 11 月 10-11 日，奈良市あすなら会館，pp. 18-21[2] Yuuki Akiyama, “New High-Voltage Generator with Several mA
Output Currents using Low Temperature Poly Silicon (LTPS)
Technology for TFT-LCD Panel,” IDW/AD’ 06, Exhibition,
December 2006
[3] Shigeki IMAI et al., “Low-Power Consumption Level -Shifter used
Clamping Circuit Technique and LTPS Technology for TFT-LCD”,
IEEE ISPACS 2004, pp. 792- 795, Nov. 18-19, 2004[4] Noriyuki Ishii et al., “New High-Voltage Generator using Low
Temperature Poly Silicon Technology for TFT-LCD Panel”, IDW
2005, AMDp-4, Dec. 6-9, pp.1061-1064-5-− 13 −