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문제 정의
- 본 논문에서는 컨버터의 전도손실과 출력전류의 리플을 감소시키기 위해 낮은 온-저항을 갖는 DTMOS 스위치를 이용한 인터리브 벅-부스트 컨버터를 설계하였다. 제안한 컨버터는 고전류에서 고효율을 위해 PWM 제어 법을 이용하여 제어하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 벅-부스트 컨버터의 스위칭소자로 사용되는 CMOS 소자를 대신하여 전도 손실이 적은 DTMOS(Dynamic Threshold voltage MOSFET) 소자를 사용하여 손실을 줄였으며 출력단의 전류리플을 줄임으로써 전압 잡음을 줄일 수 있는 인터리브 방식을 사용하였다. 또한, 휴대단말기의 대기모드에서 높은 효율을 보장하기 위하여 대기모드에서는 LDO를 이용하여 전원을 공급, 낮은 부하 조건에서 효율이 급격히 떨어지는 SMPS의 단점을 보완하였다. 제안한 벅-부스트 컨버터는 0.
- 본 논문에서 제안한 DTMOS를 사용한 인터리브 벅-부스트 컨버터의 시뮬레이션은 외부에서 컨트롤 신호를 스위치에 인가하여 수행하였다.
- 본 논문에서는 벅-부스트 컨버터의 스위칭소자로 사용되는 CMOS 소자를 대신하여 전도 손실이 적은 DTMOS(Dynamic Threshold voltage MOSFET) 소자를 사용하여 손실을 줄였으며 출력단의 전류리플을 줄임으로써 전압 잡음을 줄일 수 있는 인터리브 방식을 사용하였다. 또한, 휴대단말기의 대기모드에서 높은 효율을 보장하기 위하여 대기모드에서는 LDO를 이용하여 전원을 공급, 낮은 부하 조건에서 효율이 급격히 떨어지는 SMPS의 단점을 보완하였다.
- ]는 LDO의 블록도이다. 분배 저항과 부하커패시터, 기준 전압 발생기는 기존의 벅-부스트 컨버터에 있는 것을 그대로 사용하였고, 오차 증폭기만 추가하여 벅-부스트 컨버터에서 추가되는 외부 소자없이 LDO 동작을 구현하였다.
- 그러나 작은 Vth값은 대기상태에서의 누설전류를 발생시킬 수 있기 때문에 Vth값을 줄이기만 해서는 좋은 특성을 얻을 수 없다. 이 문제의 해결책으로 DTMOS(Dynamic Threshold voltage MOSFET)가 있는데 이 방법은 소자의 게이트와 몸체(Body)를 직접 연결하여 몸체의 전압이 게이트 전압에 의해 제어되도록 하였다.
- 또한, 휴대단말기의 대기모드에서 높은 효율을 보장하기 위하여 대기모드에서는 LDO를 이용하여 전원을 공급, 낮은 부하 조건에서 효율이 급격히 떨어지는 SMPS의 단점을 보완하였다. 제안한 벅-부스트 컨버터는 0.13um CMOS 공정 파라미터를 이용하여 설계하였다.
이론/모형
- DC-DC 컨버터의 제어모드는 인덕터의 연속/불연속 모드를 사용하는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식과 불연속 모드만을 사용하는 PFM(Pulse Frequency Modulation) 방식이 있는데 PFM 방식은 높은 출력 전류에서는 PWM에 비해 낮은 전력효율을 가지고 있다. 본 논문에서는 PWM 방식을 사용하여 벅-부스트 컨버터를 설계하였다. PWM의 구성은 기준 전압 발생 회로(Voltage Reference Circuit), 오차 증폭기 (Error-Amp.
- 본 논문에서는 컨버터의 전도손실과 출력전류의 리플을 감소시키기 위해 낮은 온-저항을 갖는 DTMOS 스위치를 이용한 인터리브 벅-부스트 컨버터를 설계하였다. 제안한 컨버터는 고전류에서 고효율을 위해 PWM 제어 법을 이용하여 제어하였다. 동일 면적에서 CMOS소자를 이용한 컨버터에 비해 효율이 높고 매우 적은 리플을 나타냈으며 LDO 레귤레이터를 사용하여 출력전류 1mA 이하의 대기모드에서도 60% 이상의 효율을 보장하였다.
성능/효과
- 출력 전압의 리플은 약 1mV로 일반 벅 컨버터의 리플 값 24mV에 비해 현저하게 줄어들었고, 효율은 부하 전류300mA에서 약 85% 이다. CMOS 스위치를 사용할 때보다 약 1%의 효율이 개선되었고 부하 전류가 커질수록 더욱 높은 효율을 도출하였다.
- 제안한 컨버터는 고전류에서 고효율을 위해 PWM 제어 법을 이용하여 제어하였다. 동일 면적에서 CMOS소자를 이용한 컨버터에 비해 효율이 높고 매우 적은 리플을 나타냈으며 LDO 레귤레이터를 사용하여 출력전류 1mA 이하의 대기모드에서도 60% 이상의 효율을 보장하였다. 제안된 컨버터는 적은 리플과 기존 CMOS 스위치보다 면적대비 효율이 우수하므로 노이즈에 민감한 RF 시스템에 적용과 더불어 효율 증대를 기대할 수 있다.
- ]의 시뮬레이션 결과는 DTMOS와 CMOS의 문턱전압을 나타낸다. 동일한 면적과 동일한 게이트 전압에 대해 DTMOS의 문턱전압이 CMOS에 비해 약 80mV 낮음을 확인 할 수 있으며 같은 전압에서 더 많은 전류의 도통이 가능함을 확인할 수 있다.
- 2MHz로 설정하였다. 리플전압은 약 2mV로 일반 부스트 컨버터에 비교할 때 약 17% 줄어들었고, 효율은 부하 전류가 300mA일 때 92.4% 이었다. 벅 컨버터의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 CMOS 스위치를 사용할 때보다 약 1%의 효율이 개선되었고 부하 전류가 커질수록 더욱 높은 효율을 도출하였다.
- 4% 이었다. 벅 컨버터의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 CMOS 스위치를 사용할 때보다 약 1%의 효율이 개선되었고 부하 전류가 커질수록 더욱 높은 효율을 도출하였다.
- ]는 L1과 L2에 흐르는 인덕터 전류 IL1, IL2와 IL1, IL2를 통한 부하 저항과 커패시터의 출력 전류 Io, Ic를 나타낸다. 인터리브 인덕터를 이용함으로써 전류 리플이 줄어들게 되어 기존 방식의 출력 리플 전류보다 제안된 인터리브 방식의 출력 리플 전류가 우수한 것을 알 수 있다. 또한 출력 캐패시터 전류(Ic)의 리플감소는 전하량의 변화감소를 의미하므로 기생 커패시터의 크기를 저감시킬 수 있다.
- 2MHz로 설정하였다. 출력 전압의 리플은 약 1mV로 일반 벅 컨버터의 리플 값 24mV에 비해 현저하게 줄어들었고, 효율은 부하 전류300mA에서 약 85% 이다. CMOS 스위치를 사용할 때보다 약 1%의 효율이 개선되었고 부하 전류가 커질수록 더욱 높은 효율을 도출하였다.
후속연구
- 동일 면적에서 CMOS소자를 이용한 컨버터에 비해 효율이 높고 매우 적은 리플을 나타냈으며 LDO 레귤레이터를 사용하여 출력전류 1mA 이하의 대기모드에서도 60% 이상의 효율을 보장하였다. 제안된 컨버터는 적은 리플과 기존 CMOS 스위치보다 면적대비 효율이 우수하므로 노이즈에 민감한 RF 시스템에 적용과 더불어 효율 증대를 기대할 수 있다.
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