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문제 정의
- 본 논문에서는 모바일 시스템의 부하 변동에 따라서 고효율 특성을 갖는 PWM / PFM의 이 중 동작 모드 벅 변환기를 제안하였다. 제안된 변환기는 CMOS 0.
- 본 논문에서는 휴대 장치의 동작 시간 증가를 위해서 부하전류 크기에 따라 고부하 영역을 위한 PWM 모드, 저 부하 및 대기 시간을 위한 PFM 모드를 선택해서 동작하는 이중모드 벅 변환기를 제안한다. 특히 PWM 모드에서는 적응형 사구간 제어 회로를 이용하여서 효율을 증가시키는 기법을 제안하였다.
제안 방법
- 레이아웃시 아날로그 블록, 디지털 블록 및 파워트랜지스터를 분리시켜서 레이아웃 하였다. NMOS 파워트랜지스터와 PMOS 파워 트랜지스터는 약 60m Q의 Ron저항을 가지도록 설계하였다. 또한 PMOS 파워 트랜지스터와 NMOS 파워 트랜지스터의 크기는 각 트랜지스터의 on-저항이 전도 손실에 미치는 영향을 최소화되도록 고려하여서 설계하였다.
- 35/zm 1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여서 설계되었다. PFM 모드에서 동작하는 경우오차보상회로, 기준전압 회로 펄스폭 발생 회로 사^간제어회로 파워 스위치 드라이버, 삼각파 발생회로 부하전류 감지 회로 블록이 동작하도록 설계하였다. 반면에 PFM 모드에서 동작하는 경우에는 기준전압 회로 파워스위치 드라이버, 삼각파 발생회로 PFM 모드 제어회로 블록이 동작하도록 제작하였다.
- 특히, 전원 연결 시 소프트 시동 회로를 동작시켜서 변환기의 출력 전압을 서서히 증가시킴으로서 과전류 발생을 방지하도록 설계하였다. PWM모드에서 동작하는 적응형 사구간 제어회로를 설계하여서 효율을 3% 이상 증가시켰다. 또한 PFM 모드에서 삼각파 발생기를 제어하기 위해서 상태 머신을 설계하였다.
- PWM모드에서 동작하는 적응형 사구간 제어회로를 설계하여서 효율을 3% 이상 증가시켰다. 또한 PFM 모드에서 삼각파 발생기를 제어하기 위해서 상태 머신을 설계하였다. 상태 머신은 세가지 상태를 제어하여서 삼각파 발생기에서 발생되는 삼각파의 주파수를 제어하도록 설계되었다.
- NMOS 파워트랜지스터와 PMOS 파워 트랜지스터는 약 60m Q의 Ron저항을 가지도록 설계하였다. 또한 PMOS 파워 트랜지스터와 NMOS 파워 트랜지스터의 크기는 각 트랜지스터의 on-저항이 전도 손실에 미치는 영향을 최소화되도록 고려하여서 설계하였다. 파워트랜지스터를 통해 최대 500mA의 전류가 흐르므로 부하에 연결되는 출력 단자선을 메탈 2(Metal 2) 마스크부터 메탈 4(Metal 4) 마스크까지 적층시켜서 레이
- 아웃 하였다. 또한 전도 손실(Conduction loss)을 최소화하기 위해 파워트랜지스터에서 패드까지 최소한의 거리로 레이아웃 하였다.
- 2 mm2 이다. 레이아웃시 아날로그 블록, 디지털 블록 및 파워트랜지스터를 분리시켜서 레이아웃 하였다. NMOS 파워트랜지스터와 PMOS 파워 트랜지스터는 약 60m Q의 Ron저항을 가지도록 설계하였다.
- PFM 모드에서 동작하는 경우오차보상회로, 기준전압 회로 펄스폭 발생 회로 사^간제어회로 파워 스위치 드라이버, 삼각파 발생회로 부하전류 감지 회로 블록이 동작하도록 설계하였다. 반면에 PFM 모드에서 동작하는 경우에는 기준전압 회로 파워스위치 드라이버, 삼각파 발생회로 PFM 모드 제어회로 블록이 동작하도록 제작하였다. 특히, 전원 연결 시 소프트 시동 회로를 동작시켜서 변환기의 출력 전압을 서서히 증가시킴으로서 과전류 발생을 방지하도록 설계하였다.
- 부하 전류를 8mA에서부터 600mA까지 변화시켜가면서 제작된 벅 변환기의 효율을 그림 13과 같이 측정하였다. 60mA 이하의 저부하 및 대기모드인 PFM 모드로 동작 하였을 때, 변환효율은 최소 77%에서 최대 92.
- 또한 PFM 모드에서 삼각파 발생기를 제어하기 위해서 상태 머신을 설계하였다. 상태 머신은 세가지 상태를 제어하여서 삼각파 발생기에서 발생되는 삼각파의 주파수를 제어하도록 설계되었다. 60mA 이하의 저 부하에서는 PFM 모드로 동작하면서 최대 92.
- 마지막 단계 종료와 함께 PFM 모드의 스위칭 사이클이 다시 시작된다. 제안된벅 변환기 에서는 PFM 모드의 주기 변화가 마지막 단계 지속시간에 의해 변화한다.
- 특히 PWM 모드에서는 적응형 사구간 제어 회로를 이용하여서 효율을 증가시키는 기법을 제안하였다. PFM 동작을 위해서는 기존 기법田을 사용하였다.
- 반면에 PFM 모드에서 동작하는 경우에는 기준전압 회로 파워스위치 드라이버, 삼각파 발생회로 PFM 모드 제어회로 블록이 동작하도록 제작하였다. 특히, 전원 연결 시 소프트 시동 회로를 동작시켜서 변환기의 출력 전압을 서서히 증가시킴으로서 과전류 발생을 방지하도록 설계하였다. PWM모드에서 동작하는 적응형 사구간 제어회로를 설계하여서 효율을 3% 이상 증가시켰다.
- 이러한 오차 증폭기 회로의 완만한 입력 기준 전압 증가를 위하여 커패시터 용량을 증가시키거나形 바이어스 전류 값을 감소시킬 수 있다m 본 논문에서는 기존회로'기를 개선하여서 시동모드 동작 종료 후 정상모드로 천이 시 에 발생할 수 있는 전위 변동을 방지하도록 두 개 커패시터 (Csoftl, Csoft2)를 포함시킨 그림 3과 같은 个.프트 시동 회로를 설계하였다. 仝耳트 시동회로는 캐스코드 전류미러(Ml, M2, Mn), 두 개 커패시터(Csoftl, Csoft2), 두 개 트랜스미션 게이트 트랜스미션 게이트를 차단/도통 동작을 제어할 두 개 비교기 (Comparator_01, Comparator_02), 그리고 SR 플립플롭으로 구성된다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 PFM/PWM 동작모드를 이용한 모바일 벅 변환기(입력 전압은 3.3[V] 이며 출력은 L8[V])를 설계하였으며, O.35um CMOS 표준 공정을 사용하여서 제작하였다 설계된 DC-DC 변환기의 레이아웃 사진은 그림 11과 같으며, 파워트랜지스터를 포함한 레이。]웃의 코어사이즈는 2.6 X 2.
- 벅 변환기를 제안하였다. 제안된 변환기는 CMOS 0.35/zm 1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여서 설계되었다. PFM 모드에서 동작하는 경우오차보상회로, 기준전압 회로 펄스폭 발생 회로 사^간제어회로 파워 스위치 드라이버, 삼각파 발생회로 부하전류 감지 회로 블록이 동작하도록 설계하였다.
이론/모형
- 특히 PWM 모드에서는 적응형 사구간 제어 회로를 이용하여서 효율을 증가시키는 기법을 제안하였다. PFM 동작을 위해서는 기존 기법田을 사용하였다. 본 논문의구성은 2장에서 제안된 벅 변환기의 구조와 제안된 적응형 사구간 제어회로를 설명하였다.
성능/효과
- 부하전류가 200mA 일 때, 그림 12 (a) 와 (b)는 각각 파워 스위치를 드라이브 하는 PWM 펄스 신호와 출력전압 신호의 측정 파형을 나타낸다. 그림 12 (a)로부터 스위칭 주파수는 약 1MHz인 것으로 측정되었고 듀티 비율은 55.6% 인 것을 알 수 있다. 그림 12 (b)에서는 출력 전압이 약 L8V로 측정된 것을 확인할 수 있으며, 출력 리플전압은 0.
- 3% 로 측정되었다. 60mA 이상의 부하에서는 PWM 甲-W루 동작하고 측정된 변환효율은 최소 86% 에서 최대 93% 로 측정되었다.
- 상태 머신은 세가지 상태를 제어하여서 삼각파 발생기에서 발생되는 삼각파의 주파수를 제어하도록 설계되었다. 60mA 이하의 저 부하에서는 PFM 모드로 동작하면서 최대 92.3% 변환효율을 구현하였고, 60mA 이상의 부하에서는 PWM 모드 동작을 통해서 최대 93% 변환효율이 측정되었다. PWM 모드에서 동작 시 스위칭 주파수는 1MHz로 측정되었으며, 출력 리플 전압은 0.
- 60mA 이하의 저부하 및 대기모드인 PFM 모드로 동작 하였을 때, 변환효율은 최소 77%에서 최대 92.3% 로 측정되었다. 60mA 이상의 부하에서는 PWM 甲-W루 동작하고 측정된 변환효율은 최소 86% 에서 최대 93% 로 측정되었다.
- 6% 이하로 측정되었다. 기존 설계된 변환기들과 성능 비교 시 제안된 변환기의 측정된 변환효율과 출력 리플 전압 등에서 우수성을 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 변환기는 모바일 시스템에서 부하전류 상태에 따라서 PFM 모드 및 PWM 모드에서 동작해서 높은 변환효율을 유지할 수 있기 때문에 동작시간을 연장시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 제안된 변환기의 스위칭 주파수는 1MHz로서 기존 변환기의 스위칭 주파수보다 높게 나타났다.따라서 제안된 변환기의 스위칭 잡음이 기존 변환기들의 스위칭 잡음보다 높게 나타날 것으로 예상된다. 또한 제안된 변환기의 리플 출력 전압은 10mV 이하로서 기존 변환기의 리플 출력전압보다 작게 측정되었다.
- 따라서 제안된 변환기의 스위칭 잡음이 기존 변환기들의 스위칭 잡음보다 높게 나타날 것으로 예상된다. 또한 제안된 변환기의 리플 출력 전압은 10mV 이하로서 기존 변환기의 리플 출력전압보다 작게 측정되었다.
- 그러므로 입력이 변동한다고 해도 항상 일정한 출력 전압이 발생한다. 본 논문에서 제안하는 적응형 사구간 제어 회로는 그림 5와 같으며, 파워트랜지스터 NMOS와 PMOS의드레인이 연결되어 있는 기존의 인버터 체인 회로에 비 중첩 회로를 추가하여서的 DC-DC 벅 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다. 적응형 사구간 제어 기법은 기존의 고정된 사구간 제어 기벱지과 비교해서 3% 이상의 효율을 향상시킨다.
- 분석한 결과는 표 1과 같다. 제안된 변환기의 변환효율은 93%로서 기존 논문들에서 설계된 변환기의 변환효율인 90 - 92% 보다 다소 높게 나타났다. 제안된 변환기의 스위칭 주파수는 1MHz로서 기존 변환기의 스위칭 주파수보다 높게 나타났다.
- 제안된 변환기의 변환효율은 93%로서 기존 논문들에서 설계된 변환기의 변환효율인 90 - 92% 보다 다소 높게 나타났다. 제안된 변환기의 스위칭 주파수는 1MHz로서 기존 변환기의 스위칭 주파수보다 높게 나타났다.따라서 제안된 변환기의 스위칭 잡음이 기존 변환기들의 스위칭 잡음보다 높게 나타날 것으로 예상된다.
후속연구
- 기존 설계된 변환기들과 성능 비교 시 제안된 변환기의 측정된 변환효율과 출력 리플 전압 등에서 우수성을 확인할 수 있었다. 따라서 제안된 변환기는 모바일 시스템에서 부하전류 상태에 따라서 PFM 모드 및 PWM 모드에서 동작해서 높은 변환효율을 유지할 수 있기 때문에 동작시간을 연장시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 논문에서 제안된 PFM / PWM 듀얼모드 벅 변환기는 부하 전류에 따라 적합한 동작 모드의 선택이 필요하고 또한 저 부하 PFM 모드 동작과 과전류 보호 기능을 구현하기 위해서는 정확한 부하 전류 감지 회로가 필요하다. 전압 제어 방식의 PWM 모드 벅 변환기는 부하전류 감지 회로가- 없이도 동작이 된다.
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