[논문]온칩 시동회로를 갖는 CMOS DC-DC 벅 변환기 설계

박승찬; 임동균; 이상민; 윤광섭

온칩 시동회로를 갖는 CMOS DC-DC 벅 변환기 설계
Design of monolithic DC-DC Buck converter with on chip soft-start circuit 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.34 no.7A, 2009년, pp.568 - 573

박승찬 (삼성전자LSI) , 임동균 (인하대학교 전자공학과 아날로그 적접회로 설계 연구실) , 이상민 (인하대학교 전자공학과) , 윤광섭 (인하대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서 0.13um CMOS 공정으로 설계된 배터리 기반 휴대용 통신 시스템 구동용의 온칩 시동회로를 갖는 스텝다운 CMOS DC-DC 변환기를 제안하였다. 1MHz의 스위칭 주파수를 기반으로 설계된 벅 변환기에는 온칩 시동회로와 커패시터 멀티플라이어 기법을 이용한 보상회로를 포함시켰다. 칩 측정 결과 2.5V ${\sim}$3.3V의 입력 전압을 1.2V로 강압시키는데 최대 87.2%의 효율을 갖는다. 최대 부하 전류, 출력 전류 리플 및 전압 리플은 각각 500mA, 25mA, 24mV 이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a step-down DC-DC converter with On-chip Compensation for battery-operated portable electronic devices which are designed in O.13um CMOS standard process. In an effort to decrease system volume, this paper proposes the on chip compensation circuit using capacitor multiplier method. Capacitor multiplier method can minimize error amplifier's compensation capacitor size by 10%. It allows the compensation block of DC-DC converter be easily integrated on a chip and occupy less layout area. But capacitor multiplier operation reduces DC-DC converter efficiency. As a result, this converter shows maximum efficiency over 87.2% for the output voltage of 1.2V (input voltage : 3.3V), maximum load current 500mA, and 25mA output ripple current. This voltage mode controled buck converter has 1MHz switching frequency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존 논문에서는 nF 급의 큰 커패시터를 사용하여, 시동지연시간을 구현하였다.的 본 논문에서는 lpF의 커패시터로 긴 충전 시간을 갖기 위해서, 10nA의 전류원을 구현하였다. 선형동작 영역으로 바이어스된 PMOS를 직렬 구성하여间, 높은 저항값을 합성하고 낮은 출력 전류를 구현하였다.
본 논문은 무선 모바일 시스템의 전력구동과 효율 향상을 위한 1MHz 스위칭 주파수에서 동작하는 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계를 제안하였다. 본 변환기는 커패시터 채 배기법을 사용한 보상회로를 통해서, 변환기가 요구하는 시스템 및 칩 면적을 절약하였다.

제안 방법

1MHz 미만의 스위칭 주파수를 갖는 변환기에서는 비교적 정확한 부하전류 값 측정이 가능하다即 제안하는 변환기에서는 감지 FET 기법의 부하 전류 감지회로를 통해서 과전류 발생 방지 기능을 구현하였다.
NMOS 파워 스위치와 PM0S 파워 스위치는 각각 50m Q정도의 Rg저항을 가지도록 파워스위치의 크기를 결정 하였다. PMOS 파워 스위치는 NMOS 파워 스위치의 2.
하였다. PMOS 파워 스위치는 NMOS 파워 스위치의 2.4배 크기로 레이아웃을 하였다. 이러한 두 개의 트랜지스터들은 스텝다운 DC-DC 변환기 ON/OFF 구간에서 개별적으로 동작하므5, 트랜지스터의 크기를 결정할 때 트랜지스터 사이의 정확한 정합 특성보다는 각 트랜지스터의 on-저항이 전도 손실에 미치는 영향을 고려하였다.
부하전류 감지를 위해서 [3] 에 제시된 전류 감지 MOSFET과 증폭기를 사용하였다. 감지되는 부하전류 값을 기준 전압과 비교함으로써 현재 부하전류의 과전류 여부를 확인 한다. 필터 커패시터의 특성이 이상적으로 구현될수록 ESR(Equivalent Series Resistance) 값은 작아지고, 그림 1의 변환기의 부궤환 회로는 증가된위상보상을 필요로 한다.
이러한 두 개의 트랜지스터들은 스텝다운 DC-DC 변환기 ON/OFF 구간에서 개별적으로 동작하므5, 트랜지스터의 크기를 결정할 때 트랜지스터 사이의 정확한 정합 특성보다는 각 트랜지스터의 on-저항이 전도 손실에 미치는 영향을 고려하였다. 또한 디지털 잡음을 발생시키는 디지털 및 파워 스위치 영역에 가드링을 추가하여 간섭을 억제 하였다.
따라서 소비자는 다른 성능 변수와 함께 구동 시간을 고려해야 한다. 본 논문에서 모바일 장비기술에서 더욱 긴 구동 시간 확보를 위한 전원부, 그중에서도 배터리의 공급전압을 강압하는 스텝다운 DC-DC 변환기 설계를 설계하였다. 휴대 장비용으로 적은 면적을 가지며, 긴 구동 시간 구현을 위해 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 설계 기술 확보에 중점을 두었다 스텝다운 DC-DC 변환기는 정상 동작 시에 PWM 모드로 고정된 스위칭 주파수에서 동작한다.
변환기는 크게 온 칩 되는 부분과 오프칩 되는 부분으로 나누어진다. 본 논문에서는 오프칩 되는 필터 역할을 하는 인덕터와 커패시터를 제외하고 모든 블록 및 소자는 온칩 하였다. 보상회로에서 출력 전압은[R2/ (Rl+R2)]*Vout 으로 나누어지고 기준전압과 비교된다.
본 변환기는 커패시터 채 배기법을 사용한 보상회로를 통해서, 변환기가 요구하는 시스템 및 칩 면적을 절약하였다. 전압제어 방식을 가진 변환기의 출력 귀환 값 보상을 위해 Type ID 구조의 보상회로를 설계하였다 본 변환기는 CMOS 0.
的 본 논문에서는 lpF의 커패시터로 긴 충전 시간을 갖기 위해서, 10nA의 전류원을 구현하였다. 선형동작 영역으로 바이어스된 PMOS를 직렬 구성하여间, 높은 저항값을 합성하고 낮은 출력 전류를 구현하였다. 본 기법을 사용하여 soft starm회로의 온 칩이 가능하다.
4배 크기로 레이아웃을 하였다. 이러한 두 개의 트랜지스터들은 스텝다운 DC-DC 변환기 ON/OFF 구간에서 개별적으로 동작하므5, 트랜지스터의 크기를 결정할 때 트랜지스터 사이의 정확한 정합 특성보다는 각 트랜지스터의 on-저항이 전도 손실에 미치는 영향을 고려하였다. 또한 디지털 잡음을 발생시키는 디지털 및 파워 스위치 영역에 가드링을 추가하여 간섭을 억제 하였다.
본 변환기는 커패시터 채 배기법을 사용한 보상회로를 통해서, 변환기가 요구하는 시스템 및 칩 면적을 절약하였다. 전압제어 방식을 가진 변환기의 출력 귀환 값 보상을 위해 Type ID 구조의 보상회로를 설계하였다 본 변환기는 CMOS 0.13硕 1-Poly 6-Metal 공정을 사용하여 설계하였으며 2% 이하의 출력전압 리플과 최대 87.2%의 전력 효율을 나타낸다. 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰, 노트북, PDA, MP3와 같은 배터리 전원 기반의 무선 모바일 기기의 디지털 IP에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
제안하는 스텝다운 DC-DC 변환기는 PWM 방식으로 동작하고 매주기 부하전류를 감지한다. 그림 1은 제안된 전압제어 스텝다운 DC-DC 변환기 희로의 구성블록을 간단하게 보여준다.
감지 회로기. 필요하지 않다即 그러나 과전류 방지를 위하여 부하 전류 감지 회로를 추가하였다. 부하 전류 감지를 위해서, 온 칩 가능하고 소비전력도 적은 감지 FET 기법을 사용하였다.

대상 데이터

PMOS 파워스위치가 오프되고, NMOS 파워 스위치의 온은 보상단의 출력값이 톱니 파보다 작은 시점부터 시작된다. 부하전류 감지를 위해서 [3] 에 제시된 전류 감지 MOSFET과 증폭기를 사용하였다. 감지되는 부하전류 값을 기준 전압과 비교함으로써 현재 부하전류의 과전류 여부를 확인 한다.

이론/모형

큰 용량의 커패시터를 온 칩하기 위해서, 커패시터 채 배기법을 사용할 수 있다. 본논문에서는 전류방식의 커패시터 채 배기법을 사용하였다 口.
필요하지 않다即 그러나 과전류 방지를 위하여 부하 전류 감지 회로를 추가하였다. 부하 전류 감지를 위해서, 온 칩 가능하고 소비전력도 적은 감지 FET 기법을 사용하였다.因

성능/효과

8과 같다. 200mA 부하에서 최대 효율을 갖도록 파워 스위치를 설계하였고 87.2%의 전력효율을 확인하였다. 참고 문헌과 벅 변환기와의 비교 분석 결과는 표 1과 같다.

후속연구

있다. 이동통신 기술 발달에 따른 홈 네트워크 분야에서 원격제어 단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리매김 할 수 있을 것으로 예측된다. 해당 기기들의 성능 변수인 고속 동작 및 높은 해상도는 소비자의 사용 시 감지할 수 있는 품질로서 중요한 성능 변수이지만, 휴대용 장비들은 모두 배터리 전원을 기반으로 하고 있다.
2%의 전력 효율을 나타낸다. 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰, 노트북, PDA, MP3와 같은 배터리 전원 기반의 무선 모바일 기기의 디지털 IP에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (6)

Abraham I. Pressman 'Switching Power Supply Design', second edition, McGraw-Hill Companies, Inc., 1998
Ke-Horng Chen, Chia-Jung Chang 'Bidirectional Current-Mode Capacitor Multiplier for On-Chip Compensation', IEEE Transactions on power electronics, Vol.23, pp.180-188, Jan., 2008

상세보기
Chi Yat Leung, Philip K. T. Mok, 'An Integrated CMOS Current-Sensing Circuit for Low-Voltage Current-Mode Buck Regulator', IEEE Transactions on circuit and systems, 2005, Vol.52, pp.394-397, Jul., 2005

상세보기
Feng-Fei Ma, Wei-Zen Chen, and Jiin-Chuan Wu, 'A monolithic current Mode buck converter with advanced control and protection circuit' IEEE Transactions on power electronics, Vol.22, pp.1836-1846, Sep., 2007

상세보기
Cheung Fai Lee and Philip K. T. Mok, 'A Monolithic current-Mode CMOS DC-DC Conve rter With On-Chip Current-Sensing Technique', IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.39, No.1, pp.3-14, Jan., 2004

상세보기
Forqhani-zadeh.H.P, 'Gabriel A.Rincon-Mora Current sensing techniques for DC-DC converters' Circuits and Systems, 2002. MWSCAS-2002. The 2002 45th Midwest Symposium. pp.577-580, May, 2002

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증