Pseudo Relaxation-Oscillating 기법의 PWM 발생기를 이용한 저면적, 고효율 SMPS A Low Area and High Efficiency SMPS with a PWM Generator Based on a Pseudo Relaxation-Oscillating Technique원문보기
본 논문에서는 새로운 기법의 PWM 발생기를 이용한 저면적, 고효율 SMPS를 제안한다. 제안된 회로에서 PWM의 duty ratio는 pseudo relaxation-oscillation technique를 이용한 PWM 발생기의 내부 커패시터 전압 기울기를 제어하는 방식으로 결정된다. 기존의 SMPS들에 비해, 제안된 제어 방식은 loop bandwidth 보상을 위해 기존의 아날로그 제어방식의 SMPS에서 요구되는 필터회로나 디지털 제어방식의 SMPS에서 요구되는 디지털 compensator가 필요 없기 때문에 단순한 구조로 구성된다. 또한, 제안된 회로는 PWM 발생기의 내부 캐패시터 용량 변화를 통해 1MHz~10MHz까지 스위칭 주파수를 사용자가 선택할 수 있다. 시뮬레이션 수행결과 제안된 SMPS는 10MHz 스위칭 주파수를 선택했을 때 내부회로에서 소모되는 전류는 최대 2.7mA, 파워 Trail을 제외한 전체 시스템의 전류 소모는 15mA였다. 또한, 제안된 SMPS는 시뮬레이션으로 3.3V출력에서 9mV의 최대 리플 전압이 발생하였다. 본 논문에서는 동부하이텍 BCD $0.35{\mu}m$ 공정 파라미터를 이용한 시뮬레이션 및 칩 테스트를 통해 제안된 회로를 검증하였다.
본 논문에서는 새로운 기법의 PWM 발생기를 이용한 저면적, 고효율 SMPS를 제안한다. 제안된 회로에서 PWM의 duty ratio는 pseudo relaxation-oscillation technique를 이용한 PWM 발생기의 내부 커패시터 전압 기울기를 제어하는 방식으로 결정된다. 기존의 SMPS들에 비해, 제안된 제어 방식은 loop bandwidth 보상을 위해 기존의 아날로그 제어방식의 SMPS에서 요구되는 필터회로나 디지털 제어방식의 SMPS에서 요구되는 디지털 compensator가 필요 없기 때문에 단순한 구조로 구성된다. 또한, 제안된 회로는 PWM 발생기의 내부 캐패시터 용량 변화를 통해 1MHz~10MHz까지 스위칭 주파수를 사용자가 선택할 수 있다. 시뮬레이션 수행결과 제안된 SMPS는 10MHz 스위칭 주파수를 선택했을 때 내부회로에서 소모되는 전류는 최대 2.7mA, 파워 Trail을 제외한 전체 시스템의 전류 소모는 15mA였다. 또한, 제안된 SMPS는 시뮬레이션으로 3.3V출력에서 9mV의 최대 리플 전압이 발생하였다. 본 논문에서는 동부하이텍 BCD $0.35{\mu}m$ 공정 파라미터를 이용한 시뮬레이션 및 칩 테스트를 통해 제안된 회로를 검증하였다.
We suggest a low area and high efficiency switched-mode power supply (SMPS) with a pulse width modulation (PWM) generator based on a pseudo relaxation-oscillating technique. In the proposed circuit, the PWM duty ratio is determined by the voltage slope control of an internal capacitor according to a...
We suggest a low area and high efficiency switched-mode power supply (SMPS) with a pulse width modulation (PWM) generator based on a pseudo relaxation-oscillating technique. In the proposed circuit, the PWM duty ratio is determined by the voltage slope control of an internal capacitor according to amount of charging current in a PWM generator. Compared to conventional SMPSs, the proposed control method consists of a simple structure without the filter circuits needed for an analog-controlled SMPS or the digital compensator used by a digitally-controlled SMPS. The proposed circuit is able to operate at switching frequency of 1MHz~10MHz, as this frequency can be controlled from the selection of one of the internal capacitors in a PWM generator. The maximum current of the core circuit is 2.7 mA, and the total current of the entire circuit including output buffer driver is 15 mA at 10 MHz switching frequency. The proposed SMPS has a simulated maximum ripple voltage of 7mV. In this paper, to verify the operation of the proposed circuit, we performed simulation using Dongbu Hitek BCD $0.35{\mu}m$ technology and measured the proposed circuit.
We suggest a low area and high efficiency switched-mode power supply (SMPS) with a pulse width modulation (PWM) generator based on a pseudo relaxation-oscillating technique. In the proposed circuit, the PWM duty ratio is determined by the voltage slope control of an internal capacitor according to amount of charging current in a PWM generator. Compared to conventional SMPSs, the proposed control method consists of a simple structure without the filter circuits needed for an analog-controlled SMPS or the digital compensator used by a digitally-controlled SMPS. The proposed circuit is able to operate at switching frequency of 1MHz~10MHz, as this frequency can be controlled from the selection of one of the internal capacitors in a PWM generator. The maximum current of the core circuit is 2.7 mA, and the total current of the entire circuit including output buffer driver is 15 mA at 10 MHz switching frequency. The proposed SMPS has a simulated maximum ripple voltage of 7mV. In this paper, to verify the operation of the proposed circuit, we performed simulation using Dongbu Hitek BCD $0.35{\mu}m$ technology and measured the proposed circuit.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
즉, 기존의 SMPS의 경우 load 변화에 따른 출력전압 레벨 변화시 에러 amp 및 필터를 통해 출력 레벨 증감에 대한 정보가 반영된 다음의 PWM 신호를 기다려야 하기 때문에 대응이 늦어질 수밖에 없는 것이다. 또한, 본 논문에서 제안된 회로는 그 특성상 비교기의 offset 전압에 따라 출력 리플 전압이 증가하는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 Boost Mode 와 Adaptive On mode를 지원하도록 설계되었다[8].
본 논문에서는 pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기를 이용한 저면적, 고효율 SMPS를 제안하였다. 제안된 회로는 아날로그/디지털 제어방식에서 loop bandwidth 확보 및 DPWM의 높은 resolution 확보를 위해 필수적으로 요구되는 필터 또는 digita compensation들의 회로가 필요 없기 때문에 저면적으로 단순한 구조로 구현이 가능하다는 장점을 가진다.
본 논문에서는 앞에서 언급된 문제점을 해결하기 위해 아날로그 제어방식의 pseudo relaxation-oscillating기법의 PWM 발생기를 이용한 저면적, 고효율 SMPS를 제안한다. 본 논문에서 제안된 pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기는 기존의 SMPS들이 loop bandwidth 확보를 위해 필터회로를 사용하는 것과 달리 단순한 구조로 적은 면적을 이용해 구성이 가능하다는 장점을 가진다.
본 논문에서는 출력전압 리플을 최소화하기 위해 Boost Mode 와 Adaptive on mode 가 가능한 pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기를 제안한다. 이는 기존의 SMPS에서 출력전압 ripple과 over-shoot 전압 증가문제를 해결하기 위해 제안하였다.
본 논문에서는 출력전압 리플을 최소화하기 위해 Boost Mode 와 Adaptive on mode 가 가능한 pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기를 제안한다. 이는 기존의 SMPS에서 출력전압 ripple과 over-shoot 전압 증가문제를 해결하기 위해 제안하였다. 이러한 문제들을 야기하는 원인 중 한 가지는 스위칭 주파수에 따라 한번 결정된 PWM의 duty ratio가 load의 변화로 인한 SMPS의 출력전압 변화에 바로 대응하지 못한다는 점이다.
제안 방법
또한, 제안된 회로는 PWM 발생기의 내부 캐패시터 용량 변화를 통해 1MHz∼10MHz까지 스위칭 주파수를 사용자가 선택 가능하도록 설계 되었다.
본 논문에서 제안된 pseudo relaxation-oscillating 기법을 이용한 PWM 발생기는 S&H의 출력전압으로 결정된 전류량과 스위칭 주파수에 따른 충방전 시간에 따라 PWM의 duty ratio 및 주기를 결정한다.
본 논문에서 제안하는 PWM 발생기는 1MHz ∼10MHz의 스위칭 주파수에 대해 6∼90%의 duty ratio를 제어 할 수 있도록 설계 되었다.
또한, 본 논문에서 제안된 회로는 그 특성상 비교기의 offset 전압에 따라 출력 리플 전압이 증가하는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 Boost Mode 와 Adaptive On mode를 지원하도록 설계되었다[8]. 이러한 ripple 저감 기법은 스위칭 loss를 유발하기 때문에 기존의 SMPS들에 비해 효율측면에서 단점을 가진다.
제안된 회로는 단지 비교기의 출력전압(high/low)에 따라 S&H(sample and hold) 블록을 이용해 PWM 발생기의 내부 커패시터에 충전되는 전류량의 증감을 결정하여 실시간 제어를 통해 PWM 신호를 발생시켜 출력전압을 tracking하는 방식이다.
대상 데이터
사용된 탄탈륨 캐패시터의 ESR은 800mΩ이며, 스위칭 주파수 1MHz, load 100mA에서의 시뮬레이션 결과이다.
제안된 회로는 SMPS의 출력전압과 기준전압 비교에 의해 High/Low만 판별하여 capacitor에 충전되는 전류량을 제어하는 방식으로써 단지 출력 전압을 tracking하는 방식이기 때문에 기존의 closed loop 제어 방식에서 문제점이 되고 있는 동적 응답특성을 고려할 필요가 없다는 큰 장점을 가진다. 제안된 회로는 동부하이텍 BCD 0.35㎛ 공정 파라미터를 이용하여 HSPICE 시뮬레이션 및 칩 테스트를 통해 동작을 검증하였다.
성능/효과
따라서, 제안된 회로는 기존의 아날로그/디지털 제어 방식에서 문제점이 되고 있는 동적 응답특성을 고려할 필요가 없다는 큰 장점을 가진다. 따라서 기존 제어방식의 SMPS들에서 사용되고 있는 복잡한 제어 알고리즘 대신 새로운 PWM 발생기를 이용해 높은 스위칭 주파수로 SMPS를 동작시킬 수 있다. 또한, 제안된 회로는 PWM 발생기의 내부 캐패시터 용량 변화를 통해 1MHz∼10MHz까지 스위칭 주파수를 사용자가 선택 가능하도록 설계 되었다.
제안된 회로는 단지 비교기의 출력전압(high/low)에 따라 S&H(sample and hold) 블록을 이용해 PWM 발생기의 내부 커패시터에 충전되는 전류량의 증감을 결정하여 실시간 제어를 통해 PWM 신호를 발생시켜 출력전압을 tracking하는 방식이다. 따라서, 제안된 회로는 기존의 아날로그/디지털 제어 방식에서 문제점이 되고 있는 동적 응답특성을 고려할 필요가 없다는 큰 장점을 가진다. 따라서 기존 제어방식의 SMPS들에서 사용되고 있는 복잡한 제어 알고리즘 대신 새로운 PWM 발생기를 이용해 높은 스위칭 주파수로 SMPS를 동작시킬 수 있다.
본 논문에서는 앞에서 언급된 문제점을 해결하기 위해 아날로그 제어방식의 pseudo relaxation-oscillating기법의 PWM 발생기를 이용한 저면적, 고효율 SMPS를 제안한다. 본 논문에서 제안된 pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기는 기존의 SMPS들이 loop bandwidth 확보를 위해 필터회로를 사용하는 것과 달리 단순한 구조로 적은 면적을 이용해 구성이 가능하다는 장점을 가진다. 제안된 회로는 단지 비교기의 출력전압(high/low)에 따라 S&H(sample and hold) 블록을 이용해 PWM 발생기의 내부 커패시터에 충전되는 전류량의 증감을 결정하여 실시간 제어를 통해 PWM 신호를 발생시켜 출력전압을 tracking하는 방식이다.
제안된 SMPS는 단순히 클록 발생기, Divider, Mux, 비교기, Sample & Hold(S&H), pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기, Buffer 및 Dead-Time 제어부로 구성되어 매우 적은 면적으로 구현이 가능하다는 장점을 가진다.
제안된 회로는 SMPS의 출력전압과 기준전압 비교에 의해 High/Low만 판별하여 capacitor에 충전되는 전류량을 제어하는 방식으로써 단지 출력 전압을 tracking하는 방식이기 때문에 기존의 closed loop 제어 방식에서 문제점이 되고 있는 동적 응답특성을 고려할 필요가 없다는 큰 장점을 가진다. 제안된 회로는 동부하이텍 BCD 0.
본 논문에서는 pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기를 이용한 저면적, 고효율 SMPS를 제안하였다. 제안된 회로는 아날로그/디지털 제어방식에서 loop bandwidth 확보 및 DPWM의 높은 resolution 확보를 위해 필수적으로 요구되는 필터 또는 digita compensation들의 회로가 필요 없기 때문에 저면적으로 단순한 구조로 구현이 가능하다는 장점을 가진다.
표 1은 본 논문에서 제안된 SMPS의 성능과 기존에 연구된 SMPS들의 성능을 비교 분석한 것이다. 표 1에서 보이는 것처럼, 본 논문에서 제안된 SMPS는 기존의 SMPS들이 loop bandwidth 확보를 위해 필터회로를 사용하는 것과 달리 단순한 구조로 적은 면적을 이용해 구성이 가능하기 때문에 기존 회로에 비해 상대적으로 적은 면적을 가진다는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디지털 제어방식의 SMPS의 장점은?
이러한 문제점들을 해결하기 위해 최근 디지털 제어방식의 SMPS에 대한 관심이 높아지고 있다. 디지털 제어방식의 SMPS는 전원잡음에 대한 면역성이 좋고, 정상 상태 및 동적(dynamic) 성능이 우수하여 아날로그에 비해 쉽게 구현이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 디지털 제어 방식은 출력전압의 안정성을 위한 DPWM(Digital Pulse Width Modulator)의 해상도를 높이기 위해 높은 동작 주파수를 요구한다는 단점을 가진다.
기존의 아날로그 제어방식의 SMPS가 가지는 단점은?
기존의 아날로그 제어방식의 SMPS(Switching Mode Power Supply)는 설계가 복잡하고 응용범위가 한정되어 있어서 개발시간과 비용이 추가로 드는 단점을 가지고 있다[1],[2]. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 최근 디지털 제어방식의 SMPS에 대한 관심이 높아지고 있다.
디지털 제어방식의 SMPS의 단점은?
디지털 제어방식의 SMPS는 전원잡음에 대한 면역성이 좋고, 정상 상태 및 동적(dynamic) 성능이 우수하여 아날로그에 비해 쉽게 구현이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 디지털 제어 방식은 출력전압의 안정성을 위한 DPWM(Digital Pulse Width Modulator)의 해상도를 높이기 위해 높은 동작 주파수를 요구한다는 단점을 가진다. 즉, 스위칭 주파수를 증가 시키는 것은 SMPS의 출력 필터를 구성하는 인덕터 크기를 줄일 수 있기 때문에 모바일 시스템 같은 초소형 응용 시스템의 중요 요구사항이 되고 있다.
참고문헌 (14)
Pui-Kei Leong, Chun-Hung Yang, Chi-Wai Leng, and Chien-Hung Tsai, "Design and implementation of sigma-delta DPWM controller for switching converter," Circuits and Systems, ISCAS, IEEE International Symposium on, pp.3074-3077, May. 2009.
H.H. Ahmad, and B. Bakkaloglu, "A 300mA 14mV-ripple digitally controlled buck converter using frequency domain ${\Delta}{\Sigma}$ ADC and hybrid PWM generator," International Solid-State Circuits Conference, ISSCC, IEEE International Conference on, pp.202-203, Feb. 2010.
Brad Bryant,andMarianK.Kazimierczuk,"Modeling the Closed-Current Loop of PWM Boost DC-DC Converters Operating in CCM With Peak Current-Mode Control," IEEE Trans. Circuits and systems, Vol.53, pp.2404-2412, 2005.
Reza Ahmadi, Darren Paschedag, and Mehdi Ferdowsi, "Closed-loop Input and Output Impedances of DC-DC Switching Converters operating in Voltage and Current Mode Control," Industrial Electronics Society, IECON, IEEE conference on, pp.2311-2316, 2010.
Yanxia Gao, Shaofeng Zhang, Yanping Xu, and Shuibao Gao, "Analysis and comparison of three implementation methodologies for high-resolution DPWM", IEEE International Conference on Power Electronics Systems and Applications, pp. 1-7, 2009.
Yanxia Gao, Shuibao Guo, Yanping Xu, Shi Xuefang Lin, and B. Allard, "FPGA-Based DPWM for Digitally Controlled High-Frequency DC-DC SMPS," Power Electronics Systems and Applications, PESA, IEEE Conference on, pp1-7, May. 2009.
Sangduk Yu, Youngchan Choi, Kichang Jang Jungsoo Choi, Jungeui Park, Wooju Jeong, Joongho Choi, "Design of Digitally-Controlled Synchronous Buck Converter", IEEK 2008 SOC conference, pp. 17-20, May, 2008.
Ji-Hoon Lim, Won-Young Jung, Yong-Ju Kim, Inchae Song, and Jae-Kyung Wee, "A Digitally-Controlled SMPS Using a Novel High-Resolution DPWM Generator Based on a Pseudo Relaxation-Oscillation Technique", IEICE TRANSACTIONS on Electronics Vol.E96-C No.2 pp.277-284, 2013.
Maity, A., Patra, A., Yamamura, N., Knight, J., "Design of a 20 MHz DC-DC Buck Converter with 84 Percent Efficiency for Portable Applications", VLSI Design, 24th International Conference on pp.316-321, 2011.
Chin-Long Wey, Chan-I Chiu, Kun-Chun Chang, Chung-Hsien Hsu, Gang-Neng Sung, "Design of ultra-wide-load, high-efficient DC-DC buck converters", Electronics, Circuits and System, ICECS, IEEE Conference on, pp.297-300, 2011
A. Emira, F. Carr, H. Elwan, R.H Mekky, "High voltage tolerant integrated Buck converter in 65nm 2.5V CMOS", Circuits and Systems, ISCAS, IEEE International Symposium on, pp.2405-2408, 2009.
A. Ehrhart, B. Wicht, M. Lin, Yung-Sheng Huang, "Adaptive pulse skipping and adaptive compensation capacitance techniques in current-mode buck-boost DC-DC converters for fast transient response", Power Electronics and Drive Systems, PEDS, IEEE International Conference on, pp.273-378, 2013.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.