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Dead-time을 갖는 톱니파 발생기를 이용한 이중 피드백 루프 기반 단일 인덕터 이중 출력 승압형 변압기 설계
Design of Single-Inductor Dual-Output Boost-Boost DC-DC Converter with Dual Feedback Loop Based on Relative Sawtooth Generator 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.18 no.2, 2014년, pp.220 - 227  

윤담 (College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University) ,  김동영 (College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University) ,  이강윤 (College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University)

초록
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이 논문은 Dead-time을 갖는 톱니파 발생기를 이용하여 공통모드와 차동모드 피드백 루프를 구현한 Single-Inductor Dual-Output DC-DC Converter 설계에 관한 내용을 제시하고 있다. 제어회로에는 공통모드와 차동모드 피드백 루프를 Dead-time을 갖는 톱니파 발생기를 이용하여 동시에 사용하였다. 차동모드 피드백 루프에서 duty를 생성하기 위해서 전류 분배기 회로를 사용하여 공통모드 피드백에 의한 duty에 따라 dead-time이 유동적으로 변하는 톱니파형을 만드는 회로인 Dead-time을 갖는 톱니파 발생기를 추가하여 차동모드 피드백 회로를 구성하였다. 0.35um 공정을 사용하여 설계한 SIDO DC-DC Converter는 2.5V 입력으로부터 2.8V와 4.2V의 전압을 출력하며 최대 전력변환 효율은 95%이다. 출력간의 Cross regulation은 출력전류가 2배씩 증가할 경우 Boost1과 Boost2의 출력전압은 각각 3.57%, 4% 수준을 보이고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a control method of Single-Inductor Dual-Output DC-DC Converter using Common mode feedback and differential feedback loops. To generate duty used for differential mode feedback loop, this paper propose relative sawtooth circuit using current divider circuit which makes ramp signa...

주제어

#DC-DC Converter   #Control   #Single-Inductor Dual-Output   #PWM   #Cross Regulation  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 설계한 SIDO DC-DC Converter의 주파수 응답특성은 그림 3과 같다. 3.5kHz 부근에서 형성된 LC double pole을 상쇄하기 위해 Type3 OP-Amp를 사용하여 안정성을 확보하였다. 그림 5는 차동모드 피드백의 보상회로의 Type3 OP-Amp의 주파수 응답특성이다.
  • 하지만Single-Inductor Single-Output DC-DC Converter의 duty generation 회로에서 사용하는 톱니파 발생기를 통해서는 한 가지 출력에 비례하는 duty 밖에 생성 할 수 없다. 따라서 공통모드 뿐만 아니라 차동모드에 대해 선형적으로 비례하는 duty를 생성하기 위해 Dead-time을 갖는 톱니파 발생기를 제안하였다.
  • 5kHz 에 LC double pole이 존재하는 주파수 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 따라서 피드백의 루프를 통해 double pole을 보상하기 위해 type 3의 OP-Amp를 이용하여 보상회로를 설계하였다.
  • 제안하는 Single-Inductor Multiple-Output DC-DC Converter의 구조는 공통모드 피드백과 차동모드 피드백을 동시에 이용하므로 Cross Regulation이 상대적으로 적다. 또한 기존의 복잡하고 면적을 많이 차지하는 방식에 비해 단순한 제어회로를 사용하였다. CMOS 0.
  • 본 논문에서는 공통모드와 차동모드 피드백을 전류 분배기 회로를 이용하여 간단하게 구현할 수 있는 방식을 제안하고 0.35um CMOS 공정을 이용하여 설계 하였다.
  • 제안하는 Single-Inductor Multiple-Output DC-DC Converter의 구조는 공통모드 피드백과 차동모드 피드백을 동시에 이용하므로 Cross Regulation이 상대적으로 적다. 또한 기존의 복잡하고 면적을 많이 차지하는 방식에 비해 단순한 제어회로를 사용하였다.

대상 데이터

  • 4%의 효율 특성을 보인다. 스위칭 MOS의 size는 W=20,000um, L=0.35um를 사용하였다. 본 논문에서 제안하는 SIDO DC-DC Converter의 제어기법은 다양한 출력을 갖는 Boost Converter의 전력변환에 적용될 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PMIC란 무엇인가? 이에 따라 같은 배터리 용량에서도 효율적으로 배터리 전력을 관리해 줄 PMIC(Power Management IC, )의 필요성이 커지고 있다. PMIC란 칩 내에서 전력관리를 하는 IC로써 전압변환, 전압정류와 같은 역할을 한다. 대부분의 전자기기들이 하나의 배터리에서 다중의 내부 전원전압을 사용하기 때문에 다양한 전압변환회로가 필요하다.
피드백 루프 이용하는 제어방식의 장점은 무엇인가? 기존의 Single- Inductor Dual-Output DC-DC Converter의 제어는 시간분할 방법, charge pump control 방법, 공통모드와 차동모드 피드백 루프를 이용하는 방법 등이 있다[1],[2]. 이중 피드백 루프 이용하는 제어방식은 출력간의 cross regulation에 의한 ripple이 상대적으로 적어서 출력 부하에 따른 regulation 특성이 좋다[2].
SIDO DC-DC Converter의 작동원리는 어떠한가? 동작원리는 첫 번째 d0 스위치가 켜지게 되면 입력으로부터 인덕터에 전류가 흐르면서 인덕터에 에너지를 축적하게 된다. 한편 입력과 연결된 스위치가 꺼진 두 출력은 출력부하 R1과 R2에 의해 방전되어 전압이 감소한다. 두 번째 d1 스위치가 켜지면 Boost1출력 캐패시터가 인덕터에 연결된다. 이 구간에서는 Boost1의 캐패시터가 인덕터에 흐르는 전류로 에너지를 축적하게 된다. 동시에 Boost2 출력은 출력부하 R2에 의해 방전되어 전압이 감소한다. 마지막 d2 스위치가 켜지면 d1이 켜졌을 때와 같이 Boost2 출력 캐패시터가 인덕터에 연결된다. 마찬가지로 이 구간에서는 Boost2의 캐패시터가 인덕터에 흐르는 전류로 에너지를 축적하게 되며 동시에 Boost1 출력은 출력 부하 R1에 의해 방전되어 전압이 감소한다.
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참고문헌 (5)

  1. Chia_Min Chen, Te-Wen Liao, Kai-Hsiu Hsu, Chung-chig Hung, "A Single-Inductor Multiple-Output Boost Converter With Freewheel Charge-Pump Convtrol", Department of Electrical Engineering, National Chiao Tung University, Hsinchu, Taiwan. 

  2. Pradipta Partra, Jyotirmoy Ghosh, Amit Patra, "Control Scheme for Reduced Cross-Regulation in Single-Inductor Multiple-Output DC-DC Converters", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 60, no.11, 2013 

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  3. Pradipta Partra, Amit Partra, "A Single-Induct or Multiple-Output Switcher With Simultaneous Buck, Boost, and Inverted Outputs", IEEE TRAN SACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 27, no. 4, 2012 

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  4. Weiwei Xu, Ye Li, Xiaohan Gong, Zhilang Hong, "A Dual-Mode Single-Inductor Dual-Output Switching Converter With Small Ripple", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol. 25, no. 3, 2010. 

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  5. Munir A.Al-Absi, "Low-Voltage and Low-Po wer CMOS Current-mode Divider and 1/x Circuit", International Conference on Electronic Devices, Systems and Applications, pp.245-247, 2010 

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