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문제 정의
- 제안된 소자는 기존의 CMOS공정을 이용하면서 CMOS 소자 보다 더 적은 면적으로 보다 작은 온-저항을 갖는다. 또한, 휴대용 기기의 대기모드에서 높은 효율을 보장하기 위해 대기모드에서는 LDO를 이용하여 전원을 공급, 낮은 로드 조건에서 효율이 급격하게 떨어지는 SMPS의 단점을 보안 하고자 한다.
- 본 논문에서는 기존 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 단점 개선을 위해 3개의 스위칭 소자를 사용한 벅-부스트 컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터는 기존의 벅 컨버터나 부스트 컨버터와 비교하여 동일 면적에서 동일 효율 또는 적은 효율 감소만으로도 중간 전압 범위를 포함한 넓은 출력 범위를 갖는다.
- 본 논문에서는 기존의 벅-부스트 컨버터의 효율 보다 높은 효율을 갖는 3개의 스위칭 소자를 사용한 벅-부스트 컨버터를 설계하였다. 기존의 CMOS 스위칭 소자 대신 DTMOS 스위칭 소자를 사용하여 동일 면적 대비 고효율을 구현하였다.
- 휴대용 단말기의 대기모드에서도 일정한 효율을 보장하기 위해 본 논문에서는 대기모드에서 LDO를 이용하여 전원을 공급하였다[11].
제안 방법
- 제안한 컨버터는 기존의 벅 컨버터나 부스트 컨버터와 비교하여 동일 면적에서 동일 효율 또는 적은 효율 감소만으로도 중간 전압 범위를 포함한 넓은 출력 범위를 갖는다. 3개의 스위칭 소자로는 앞서 언급한 스위칭 소자의 문제를 개선하고자 문턱 전압을 낮추어 온-저항을 줄일 수 있는 DTMOS 스위칭 소자를 제안한다. 제안된 소자는 기존의 CMOS공정을 이용하면서 CMOS 소자 보다 더 적은 면적으로 보다 작은 온-저항을 갖는다.
- CMOS 스위치를 이용한 부스트 컨버터와 벅 컨버터의 효율과 DTMOS를 이용한 부스트 컨버터와 벅 컨버터의 효율을 비교하기 위해 부하 전류의 값을 비교시켜 가며 효율을 비교해 보았다.
- I-V 특성 분석을 위하여 그림 7처럼 회로를 구성하여 동일한 W/L (width/length)을 갖는 DTMOS 스위치와 CMOS 스위치를 각각 적용한 후 입력 전압을 증가시켜가면서 문턱전압과 I-V 특성을 측정하였다.
- 본 논문에서는 기존의 벅-부스트 컨버터의 효율 보다 높은 효율을 갖는 3개의 스위칭 소자를 사용한 벅-부스트 컨버터를 설계하였다. 기존의 CMOS 스위칭 소자 대신 DTMOS 스위칭 소자를 사용하여 동일 면적 대비 고효율을 구현하였다. 제안한 컨버터는 동일 면적 및 동일 효율 또는 적은 효율 감소만으로도 넓은 출력 전압 범위를 갖도록 설계 하였다.
- 스위치 사이즈가 큰 관계로 3개의 스위치를 각각 3개의 멀티핑거로 구현하였다. 또한 PWM 제어부와 3개의 스위치 제어부를 one-chip화 할 수 있도록 구현하였다.
- 문턱전압은 드레인 전압의 입력을 3.3V로 하고 게이트 전압을 증가시켜가면서 측정하였다.
- 입력전압과 출력전압 레벨 차이가 크지 않을 경우 벅 컨버터와 부스트 컨버터를 필요에 따라 온-오프 시키는 신호를 보내어 벅 컨버터와 부스트 컨버터를 온 시킨다. 반대로 입력 전압보다 높은 출력 전압을 원할 때는 부스트 컨버터를 온 시키는 제어 신호를 보내어 제안하는 컨버터가 부스트 컨버터로 동작하도록 제어한다.
- 본 논문에서 제안한 DTMOS 스위치와 CMOS 스위치의 문턱 전압과 I-V 특성을 비교해 보았다.
- 부스트 컨버터와 벅 컨버터를 시뮬레이션 하여 DTMOS와 일반적인 CMOS 스위치의 효율을 비교해 보았다. 시뮬레이션 회로는 그림 5와 그림 10처럼 구성하였다.
- 그림 21은 LDO의 블록도이다. 분배 저항과 부하 커패시터, 기준전압 발생기는 기존의 벅 컨버터에 있는 것을 그대로 사용하였고, 오차 증폭기만 하나 추가 하여 벅 컨버터에서 추가되는 외부 소자 없이 LDO 동작을 구현하였다. LDO 모드 추가에 따른 면적 증가는 4mm2으로서 전체 동작 면적 232mm2에서 적은 면적 증가로 저전류에서 높은 효율을 구현하였다.
- 그림 23은 제안한 3개의 스위치를 이용한 벅-부스트 컨버터의 레이아웃이다. 스위치 사이즈가 큰 관계로 3개의 스위치를 각각 3개의 멀티핑거로 구현하였다. 또한 PWM 제어부와 3개의 스위치 제어부를 one-chip화 할 수 있도록 구현하였다.
- 그림 22처럼 DC-DC 컨버터는 일반모드에서는 SMPS(벅 컨버터)로 동작하다가 단말기가 대기모드로 되면 두 개의 스위치가 차단되고 LDO가 동작하게 된다. 일반모드와 대기 모드는 외부의 제어에 의해서 동작하도록 설계하였다. 1mA의 로드전류 조건에서 벅 컨버터는 약 28%의 효율을 갖지만, 본 논문에서 설계한 LDO는 약60%의 효율을 가짐으로써, 단말기가 대기모드에서도 일정 이상의 효율을 유지하도록 하였다.
- 제안된 DTMOS는 스위치가 온 됐을 때, 다이오드 연결된 NMOS에 의해 스위치 MOS의 몸체 전압을 제어하여 문턱전압을 낮추고, 스위치가 오프 됐을 때, 각각 PMOS와 NMOS의 몸체 전압을 전원전압과 접지로 만들어 문턱전압을 높인다.
- 그림 13은 본 논문에서 제안하는 3개의 스위치를 이용한 벅-부스트 컨버터의 전체 블록도이다. 제안하는 컨버터는 벅 컨버터와 부스트 컨버터로 구성된다. 높은 출력 전류에서 고효율을 얻기 위하여 PWM 방식을 사용하여 구현하였다.
- 본 논문에서는 기존 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 단점 개선을 위해 3개의 스위칭 소자를 사용한 벅-부스트 컨버터를 제안한다. 제안한 컨버터는 기존의 벅 컨버터나 부스트 컨버터와 비교하여 동일 면적에서 동일 효율 또는 적은 효율 감소만으로도 중간 전압 범위를 포함한 넓은 출력 범위를 갖는다. 3개의 스위칭 소자로는 앞서 언급한 스위칭 소자의 문제를 개선하고자 문턱 전압을 낮추어 온-저항을 줄일 수 있는 DTMOS 스위칭 소자를 제안한다.
- 기존의 CMOS 스위칭 소자 대신 DTMOS 스위칭 소자를 사용하여 동일 면적 대비 고효율을 구현하였다. 제안한 컨버터는 동일 면적 및 동일 효율 또는 적은 효율 감소만으로도 넓은 출력 전압 범위를 갖도록 설계 하였다. 벅-부스트 컨버터는 고전류에서 고효율을 위해 PWM 제어법을 이용하여 제어하였다.
- 2MHz의 스위칭 주파수를 갖는다. 최대 효율은 90%를 갖도록 설계하였다. LDO 레귤레이터를 사용하여 출력전류 1mA 이하의 대기모드에서도 60% 이상의 효율을 보장하였다.
- 특성 비교에 앞서 시뮬레이션에 적절한 스위치의 크기를 정하기 위하여 CMOS 스위치 크기에 따른 SMPS의 효율 변화를 시뮬레이션 하였다[6]-[10].
- 한편 본 논문에서는 SOI 기판을 사용하는 DTMOS를 PWM 제어회로와 one-chip화 시키기 위해 CMOS 공정을 통하여 DTMOS를 구현하였다. 그림 3의 MOS/SOI와 같이 SOI 기판에 구현을 하던 것과 달리 그림 4에서는 일반적인 실리콘 기판에 deep-nwell을 사용하여 기판과 몸체를 격리시켜 소자를 구현하였다.
- 회로는 그림 5처럼 구성한 후 CMOS 스위치의 크기를 키워 가면서 식 (2)와 같이 입력 전력(Pin)과 출력 전력(Pout)을 계산하여 효율을 측정 하였다. 출력 전류를 100mA로 하고, 인덕터와 커패시터의 ESR은 고려하지 않았다.
대상 데이터
- 벅-부스트 컨버터는 고전류에서 고효율을 위해 PWM 제어법을 이용하여 제어하였다. 제안한 컨버터는 최대 출력전류 300mA, 입력 전압 3.3V에 출력전압 700mV~12V, 1.2MHz의 스위칭 주파수를 갖는다. 최대 효율은 90%를 갖도록 설계하였다.
이론/모형
- 제안하는 컨버터는 벅 컨버터와 부스트 컨버터로 구성된다. 높은 출력 전류에서 고효율을 얻기 위하여 PWM 방식을 사용하여 구현하였다. 기존 벅, 부스트 컨버터에서 각각 PWM 제어부를 사용하는 것과 달리 제안한 컨버터는 결과적으로 PWM 제어부를 공유하여 사용함으로써 하나의 스위치를 추가한 면적 증가의 단점을 보안할 수 있다.
- 제안한 컨버터는 동일 면적 및 동일 효율 또는 적은 효율 감소만으로도 넓은 출력 전압 범위를 갖도록 설계 하였다. 벅-부스트 컨버터는 고전류에서 고효율을 위해 PWM 제어법을 이용하여 제어하였다. 제안한 컨버터는 최대 출력전류 300mA, 입력 전압 3.
성능/효과
- 일반모드와 대기 모드는 외부의 제어에 의해서 동작하도록 설계하였다. 1mA의 로드전류 조건에서 벅 컨버터는 약 28%의 효율을 갖지만, 본 논문에서 설계한 LDO는 약60%의 효율을 가짐으로써, 단말기가 대기모드에서도 일정 이상의 효율을 유지하도록 하였다.
- 분배 저항과 부하 커패시터, 기준전압 발생기는 기존의 벅 컨버터에 있는 것을 그대로 사용하였고, 오차 증폭기만 하나 추가 하여 벅 컨버터에서 추가되는 외부 소자 없이 LDO 동작을 구현하였다. LDO 모드 추가에 따른 면적 증가는 4mm2으로서 전체 동작 면적 232mm2에서 적은 면적 증가로 저전류에서 높은 효율을 구현하였다.
- 높은 출력 전류에서 고효율을 얻기 위하여 PWM 방식을 사용하여 구현하였다. 기존 벅, 부스트 컨버터에서 각각 PWM 제어부를 사용하는 것과 달리 제안한 컨버터는 결과적으로 PWM 제어부를 공유하여 사용함으로써 하나의 스위치를 추가한 면적 증가의 단점을 보안할 수 있다. 또한 낮은 온-저항을 가진 DTMOS를 스위칭 소자로 사용함으로써 효율을 상승시킬 수 있다.
- 제안된 DTMOS는 스위치가 온 상태에서 낮은 문턱전압으로 인해 기존의 CMOS 스위치 보다 낮은 온-저항을 가진다. 또한, 다이오드 연결된 MOS의 사이즈를 조정하여 높은 전원전압에서도 몸체 쪽 누설전류를 최소화 하여, 기존 DTMOS의 단점인 누설 전류에 의한 전원전압의 제한을 극복하였으며, medici와 hspice를 통한 시뮬레이션 결과 소스와 몸체간의 순방향 전압으로 인한 래치-업(latch-up) 또한 발생하지 않았다.
- 벅 컨버터에서는 100mA의 출력 전류를 기준으로 하여 결과를 살펴 보면 CMOS의 효율이 96.25%인데 비하여 DTMOS의 효율은 97%이다. 만약 CMOS로 97% 정도의 효율을 내려면 CMOS의 사이즈는 약 2배가 되기 때문에 사이즈가 매우 커지게 된다.
- 부스트 컨버터에서 100mA의 출력 전류를 기준으로 하여 결과를 살펴 보면 CMOS의 효율이 93.3%인데 비하여 DTMOS의 효율은 94.1%이다. 스위칭 소자의 사이즈가 같을 때 DTMOS 효율이 0.
- 1%이다. 스위칭 소자의 사이즈가 같을 때 DTMOS 효율이 0.8% 높게 결과가 나왔으며, 부하전류가 커질수록 효율의 차이는 더욱 커진다.
- 제안된 DTMOS는 스위치가 온 상태에서 낮은 문턱전압으로 인해 기존의 CMOS 스위치 보다 낮은 온-저항을 가진다. 또한, 다이오드 연결된 MOS의 사이즈를 조정하여 높은 전원전압에서도 몸체 쪽 누설전류를 최소화 하여, 기존 DTMOS의 단점인 누설 전류에 의한 전원전압의 제한을 극복하였으며, medici와 hspice를 통한 시뮬레이션 결과 소스와 몸체간의 순방향 전압으로 인한 래치-업(latch-up) 또한 발생하지 않았다.
- 3개의 스위칭 소자로는 앞서 언급한 스위칭 소자의 문제를 개선하고자 문턱 전압을 낮추어 온-저항을 줄일 수 있는 DTMOS 스위칭 소자를 제안한다. 제안된 소자는 기존의 CMOS공정을 이용하면서 CMOS 소자 보다 더 적은 면적으로 보다 작은 온-저항을 갖는다. 또한, 휴대용 기기의 대기모드에서 높은 효율을 보장하기 위해 대기모드에서는 LDO를 이용하여 전원을 공급, 낮은 로드 조건에서 효율이 급격하게 떨어지는 SMPS의 단점을 보안 하고자 한다.
후속연구
- 마지막으로 TSMC 130nm 공정을 사용하여 3개의 스위치를 이용한 벅-부스트 컨버터를 설계하고 레이아웃 하였으며, 향후 제작될 IC는 넓은 출력범위를 요구하는 휴대용 단말기에 적용 가능할 것으로 기대된다.
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