본 논문에서는 step up and down 기능의 DC-DC 컨버터로서 넓은 범위의 부하 전류 범위에서 고효율을 추구할 수 있는 buck-boost DC-DC 컨버터를 디지털 컨트롤 방식으로 설계하였다.
스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 아날로그 컨트롤 방식으로 설계되었다. 그러나 최근에는 디지털 컨트롤을 이용한 DC-DC 컨버터 연구가 이루어지고 있다. 디지털 컨트롤 방식은 아날로그 방식에 비해 노이즈에 강하고, 온도와 공정에 대한 변화가 작다. 또한 디지털 컨트롤 방식은 FPGA를 통하여 미리검증이 가능하고 회로변경이 용이하다. 본 논문에서도 아날로그 컨트롤 방식대신 디지털 컨트롤을 사용하여 step up and down 기능의 DC-DC 컨버터를 설계하였다.
Step up and down 기능의 DC?DC 컨버터로서 기존에 제안된 CMOS스위치를 사용한 non-inverting buck-boost 구조는 3가지 문제점이 있다. 첫 째, non-inverting buck-boost DC-DC 컨버터는 buck DC-DC 컨버터 또는 boost DC-DC 컨버터보다 스위치를 2개 더 사용하므로 스위치에 의한 loss로 효율이 떨어진다. 둘 째, CMOS스위치는 역방향 전류를 차단하지 못하므로 DCM일 때 ...
본 논문에서는 step up and down 기능의 DC-DC 컨버터로서 넓은 범위의 부하 전류 범위에서 고효율을 추구할 수 있는 buck-boost DC-DC 컨버터를 디지털 컨트롤 방식으로 설계하였다.
스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 아날로그 컨트롤 방식으로 설계되었다. 그러나 최근에는 디지털 컨트롤을 이용한 DC-DC 컨버터 연구가 이루어지고 있다. 디지털 컨트롤 방식은 아날로그 방식에 비해 노이즈에 강하고, 온도와 공정에 대한 변화가 작다. 또한 디지털 컨트롤 방식은 FPGA를 통하여 미리검증이 가능하고 회로변경이 용이하다. 본 논문에서도 아날로그 컨트롤 방식대신 디지털 컨트롤을 사용하여 step up and down 기능의 DC-DC 컨버터를 설계하였다.
Step up and down 기능의 DC?DC 컨버터로서 기존에 제안된 CMOS스위치를 사용한 non-inverting buck-boost 구조는 3가지 문제점이 있다. 첫 째, non-inverting buck-boost DC-DC 컨버터는 buck DC-DC 컨버터 또는 boost DC-DC 컨버터보다 스위치를 2개 더 사용하므로 스위치에 의한 loss로 효율이 떨어진다. 둘 째, CMOS스위치는 역방향 전류를 차단하지 못하므로 DCM일 때 인덕터에 흐르는 역방향 전류를 차단할 수 없어 conduction loss가 증가하여 효율이 떨어진다. 셋 째, 일반적으로 DC-DC 컨버터는 부하전류가 감소함에 따라 효율이 감소한다.
본 논문에서는 이러한 non-inverting buck-boost DC-DC 컨버터의 문제점을 디지털 컨트롤 방식의 PFM/PWM buck-boost DC-DC 컨버터로 해결하였다. 즉 디지털 컨트롤의 duty ratio 정보를 바탕으로 동작영역에 따라 작동하는 스위치 수를 줄이는 방법을 제안하였다. 또한 기존에 CMOS 스위치에 역방향 전류 차단기능을 부가시켜 DCM에서 인덕터에 흐르는 역방향 전류를 차단 할 수 있도록 하였다. 마지막으로 부하전류에 따라서 PWM방식 및 PFM방식을 자동으로 선택하여 부하의 소비전류가 작을 때 PFM 방식을 사용하여 부하전류가 작을 때에도 효율이 떨어지지 않게 하였다. 이러한 buck-boost DC-DC 컨버터의 효율 개선 방법으로 10mA에서 400mA의 넓은 부하 범위에서 최대 95% 효율을 보이고 최소 80% 이상의 효율이 되도록 하였다. 뿐만 아니라 디지털 컨트롤의 주요구성 요소인 ADC를 single slope 방식을 응용한 window ADC로 설계하여 resolution을 높이면서도 소면적과 저소비전력으로 구현할 수 있는 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 step up and down 기능의 DC-DC 컨버터로서 넓은 범위의 부하 전류 범위에서 고효율을 추구할 수 있는 buck-boost DC-DC 컨버터를 디지털 컨트롤 방식으로 설계하였다.
스위칭 방식의 DC-DC 컨버터는 아날로그 컨트롤 방식으로 설계되었다. 그러나 최근에는 디지털 컨트롤을 이용한 DC-DC 컨버터 연구가 이루어지고 있다. 디지털 컨트롤 방식은 아날로그 방식에 비해 노이즈에 강하고, 온도와 공정에 대한 변화가 작다. 또한 디지털 컨트롤 방식은 FPGA를 통하여 미리검증이 가능하고 회로변경이 용이하다. 본 논문에서도 아날로그 컨트롤 방식대신 디지털 컨트롤을 사용하여 step up and down 기능의 DC-DC 컨버터를 설계하였다.
Step up and down 기능의 DC?DC 컨버터로서 기존에 제안된 CMOS스위치를 사용한 non-inverting buck-boost 구조는 3가지 문제점이 있다. 첫 째, non-inverting buck-boost DC-DC 컨버터는 buck DC-DC 컨버터 또는 boost DC-DC 컨버터보다 스위치를 2개 더 사용하므로 스위치에 의한 loss로 효율이 떨어진다. 둘 째, CMOS스위치는 역방향 전류를 차단하지 못하므로 DCM일 때 인덕터에 흐르는 역방향 전류를 차단할 수 없어 conduction loss가 증가하여 효율이 떨어진다. 셋 째, 일반적으로 DC-DC 컨버터는 부하전류가 감소함에 따라 효율이 감소한다.
본 논문에서는 이러한 non-inverting buck-boost DC-DC 컨버터의 문제점을 디지털 컨트롤 방식의 PFM/PWM buck-boost DC-DC 컨버터로 해결하였다. 즉 디지털 컨트롤의 duty ratio 정보를 바탕으로 동작영역에 따라 작동하는 스위치 수를 줄이는 방법을 제안하였다. 또한 기존에 CMOS 스위치에 역방향 전류 차단기능을 부가시켜 DCM에서 인덕터에 흐르는 역방향 전류를 차단 할 수 있도록 하였다. 마지막으로 부하전류에 따라서 PWM방식 및 PFM방식을 자동으로 선택하여 부하의 소비전류가 작을 때 PFM 방식을 사용하여 부하전류가 작을 때에도 효율이 떨어지지 않게 하였다. 이러한 buck-boost DC-DC 컨버터의 효율 개선 방법으로 10mA에서 400mA의 넓은 부하 범위에서 최대 95% 효율을 보이고 최소 80% 이상의 효율이 되도록 하였다. 뿐만 아니라 디지털 컨트롤의 주요구성 요소인 ADC를 single slope 방식을 응용한 window ADC로 설계하여 resolution을 높이면서도 소면적과 저소비전력으로 구현할 수 있는 방법을 제안하였다.
A step up and down DC-DC converter using digital control with high efficiency regardless of load current is proposed for portable applications.
The switching DC-DC converter using analog control was used for battery powered portable applications. But recently, researches about DC-DC converter using ...
A step up and down DC-DC converter using digital control with high efficiency regardless of load current is proposed for portable applications.
The switching DC-DC converter using analog control was used for battery powered portable applications. But recently, researches about DC-DC converter using digital control are prevalent. Because digital control offers a number of advantage over analog control. It is less sensitive to noise and process variation and is more flexible in modifying the design for other applications.
There are three drawbacks of non-inverting buck-boost configuration which is used as conventional step up and down DC-DC converter. First, the buck-boost DC-DC converter using non-inverting configuration usually needs two more switches than other DC-DC converters, which reduces the efficiency due to the switch loss. Second, conventional CMOS switch used in non-inverting buck-boost DC-DC converter cannot provide DCM operation, which reduces the efficiency due to the conduction loss at light load. Third, the efficiency drops as the load current decreases.
To solve these problems, first, we propose a PFM/PWM buck-boost DC-DC converter with digital control which chooses a buck or boost mode using the duty information of digital control. Second, we propose a DCM CMOS switch which operates in DCM. Third, we propose automatic mode conversions between PFM and PWM according to the load current. So the efficiency of the proposed buck-boost DC-DC converter is maximum 95% and minimum 80% at the load current which has range of 10mA to 400mA.
In addition, a window ADC based on a single slope ADC scheme is also proposed for the small circuit area and low-power consumption.
A step up and down DC-DC converter using digital control with high efficiency regardless of load current is proposed for portable applications.
The switching DC-DC converter using analog control was used for battery powered portable applications. But recently, researches about DC-DC converter using digital control are prevalent. Because digital control offers a number of advantage over analog control. It is less sensitive to noise and process variation and is more flexible in modifying the design for other applications.
There are three drawbacks of non-inverting buck-boost configuration which is used as conventional step up and down DC-DC converter. First, the buck-boost DC-DC converter using non-inverting configuration usually needs two more switches than other DC-DC converters, which reduces the efficiency due to the switch loss. Second, conventional CMOS switch used in non-inverting buck-boost DC-DC converter cannot provide DCM operation, which reduces the efficiency due to the conduction loss at light load. Third, the efficiency drops as the load current decreases.
To solve these problems, first, we propose a PFM/PWM buck-boost DC-DC converter with digital control which chooses a buck or boost mode using the duty information of digital control. Second, we propose a DCM CMOS switch which operates in DCM. Third, we propose automatic mode conversions between PFM and PWM according to the load current. So the efficiency of the proposed buck-boost DC-DC converter is maximum 95% and minimum 80% at the load current which has range of 10mA to 400mA.
In addition, a window ADC based on a single slope ADC scheme is also proposed for the small circuit area and low-power consumption.
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