우기찬
(School of Electrical Engineering and Computer Science Graduate School of Chungbuk National University)
,
목진원
(Silliconworks)
,
김태우
(School of Electrical Engineering and Computer Science Graduate School of Chungbuk National University)
,
황선광
(School of Electrical Engineering and Computer Science Graduate School of Chungbuk National University)
,
양병도
(Department of Electronics Engineering, Chungbuk National University)
본 논문에서는 넓은 출력 부하 전력에서도 동작하는 하이브리드 변환기를 제안했다. 스위치드 커패시터 변환기는 높은 부하 전력에서 효율이 낮고, 낮은 부하 전력에서는 효율이 높다. 반대로, 벅 변환기는 높은 부하 전력에서는 효율이 높고, 낮은 부하 전력에서는 효율이 낮다. 제안된 하이브리드 변환기는 스위치드 커패시터 변환기와 벅 변환기를 혼합했다. 낮은 부하 전력에서는 스위치드 커패시터 변환기를 동작시키고, 높은 부하에서는 벅 변환기를 동작시켜, 넓은 출력 부하 전력에서 전력 효율을 향상시켰다. 제안된 하이브리드 변환기는 $0.18{\mu}m$CMOS 공정으로 구현되었다. 하이브리드 변환기의 출력 부하 전력 범위는 0.05~100mW 이며, 벅 변환기와 스위치드 커패시터 변환기에서 각각 93%와 77%의 최대 전력 효율을 가진다.
본 논문에서는 넓은 출력 부하 전력에서도 동작하는 하이브리드 변환기를 제안했다. 스위치드 커패시터 변환기는 높은 부하 전력에서 효율이 낮고, 낮은 부하 전력에서는 효율이 높다. 반대로, 벅 변환기는 높은 부하 전력에서는 효율이 높고, 낮은 부하 전력에서는 효율이 낮다. 제안된 하이브리드 변환기는 스위치드 커패시터 변환기와 벅 변환기를 혼합했다. 낮은 부하 전력에서는 스위치드 커패시터 변환기를 동작시키고, 높은 부하에서는 벅 변환기를 동작시켜, 넓은 출력 부하 전력에서 전력 효율을 향상시켰다. 제안된 하이브리드 변환기는 $0.18{\mu}m$ CMOS 공정으로 구현되었다. 하이브리드 변환기의 출력 부하 전력 범위는 0.05~100mW 이며, 벅 변환기와 스위치드 커패시터 변환기에서 각각 93%와 77%의 최대 전력 효율을 가진다.
This paper proposed hybrid converter to operate over a wide output load power. The switched-capacitor converter has a high efficiency at low load power and a low efficiency at high load power. On the contrary, the buck converter has a high efficiency at high load power and a low efficiency at low lo...
This paper proposed hybrid converter to operate over a wide output load power. The switched-capacitor converter has a high efficiency at low load power and a low efficiency at high load power. On the contrary, the buck converter has a high efficiency at high load power and a low efficiency at low load power. The proposed hybrid converter has combination of the switched-capacitor converter and the buck converter. The switched-capacitor operates at low load power and buck converter operates at high load power, so that the hybrid converter is improved power efficiency at wide output load power. The hybrid converter was implemented with a $0.18{\mu}m$ CMOS process. The hybrid converter has a range of the load power between $50{\mu}W$and 100mW. The maximum power efficiencies are 93% and 77% at the buck converter and the switched-capacitor converter, respectively.
This paper proposed hybrid converter to operate over a wide output load power. The switched-capacitor converter has a high efficiency at low load power and a low efficiency at high load power. On the contrary, the buck converter has a high efficiency at high load power and a low efficiency at low load power. The proposed hybrid converter has combination of the switched-capacitor converter and the buck converter. The switched-capacitor operates at low load power and buck converter operates at high load power, so that the hybrid converter is improved power efficiency at wide output load power. The hybrid converter was implemented with a $0.18{\mu}m$ CMOS process. The hybrid converter has a range of the load power between $50{\mu}W$and 100mW. The maximum power efficiencies are 93% and 77% at the buck converter and the switched-capacitor converter, respectively.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 벅 변환기와 스위치드 커패시터 변환기를 하이브리드 하여, 넓은 출력 부하에서도 높은 전력 효율을 유지하도록 제안하였다.
제안 방법
두 디지털 코드가 같으면 ‘High’ 신호를 출력한다. 벅 변환기 또는 스위치드 커패시터 변환기의 변경 시점을 알기 위해서 벅 펄스 스킵핑 (Buck_PS), 벅 클럭 카운트 (Buck_CLK_count[M:1]), 비교기 출력(Comp_out), 스위치드 커패시터 클럭(SW-C_CLK) 및 스위치드 커패시터 클럭 카운트(SW-C_CLK_count[M:1])를 이용한다. 그림 8은 부하전력 감소에 따른 모드 제어 회로의 동작 파형이다.
본 논문에서 제안된 하이브리드 변환기는 벅 변환기와 스위치드 커패시터 변환기를 하이브리드하여 넓은 부하전력에서 높은 전력효율을 갖는다. 작은 부하전력에서는 스위치드 커패시터 변환기를 동작시키고, 큰 부하전력에서는 벅 변환기를 동작시켜 전체적인 효율을 증가시켰다.
모드 제어 회로는 벅 변화기와 스위치드 커패시터 변환기의 동작 전환 시점을 알아내기 위해서, 벅 변환기로부터 펄스 스킵핑 신호(Buck_PS), 벅 변환기 클럭(Buck_CLK)을 받고, 스위치드 커패시터 변환기로부터는 비교기 출력(Comp_out)과 스위치드 커패시터 클럭(SW-C_CLK)을 받아들인다. 위의 신호들과 스위치드 커패시터 코드(SW-C_code[M:1]), 펄스 스킵핑 코드(PS_code[M:1])를 비교하여 각 변환기의 동작 시점을 판단한다. 그 후, 모드 제어 회로로부터 벅 변환기 또는 스위치드 커패시터 변환기 중 하나만 동작시킨다.
그림 11은 제안된 하이브리드 컨버터의 레이아웃이다. 제안된 하이브리드 컨버터는 벅 변환기, 스위치드 커패시터 변환기, 모드 제어 회로로 구성되어 있다.
이론/모형
하지만 적은 부하에서는 스위칭 손실로 인한 전력 효율이 감소하는 문제점이 있다. 이러한 이유 때문에, 적은 부하전력에서는 전력 효율을 높이기 위해서 벅 변환기에 펄스 스킵핑(Pulse skipping) 기법을 이용한다[3,4].
성능/효과
부하전력이 작은 상태에서는 스위치드 커패시터 변환기가 동작을 하다가, 부하 전력이 SW-C_code[M:1] 이상으로 증가하게 되면 벅 변환기를 동작시킨다. 그 결과, 전체적으로 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
시뮬레이션 결과 벅 변환기의 부하 전력 범위는 2mW~100mW, 최대 효율은 93%이며, 스위치드 커패시터 변환기의 부하 전력 범위는 0.5μW~2mW이며 최대 효율은 77%이다.
제안된 하이 브리드 변환기는 0.5μW~ 100mW까지 넓은 범위의 부하전력에서 동작이 가능하며, 스위치드 커패시터 변환기에서는 77%, 벅 변환기에서는 93%의 전력 효율을 보여주고 있다.
그림 14는 제안된 하이브리드 변환기의 전력 효율을 보여준다. 제안된 하이브리드 변환기는 작은 부하전력에서는 스위치드 커패시터 변환기가 동작하고 큰 부하전력에서는 벅 변환기가 동작함으로써, 넓은 범위의 부하전력에서 전력효율을 증가시켰다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
벅 변환기의 문제점은 무엇인가?
벅 변환기(Buck converter)는 인덕터를 사용하는 강압형 DC-DC 변환기로서 부하에 큰 전력을 전달 할 수 있고, 높은 전력 효율을 가진다. 하지만 적은 부하에서는 스위칭 손실로 인한 전력 효율이 감소하는 문제점이 있다. 이러한 이유 때문에, 적은 부하전력에서는 전력 효율을 높이기 위해서 벅 변환기에 펄스 스킵핑(Pulse skipping) 기법을 이용한다[3,4].
벅 변환기란 무엇인가?
벅 변환기(Buck converter)는 인덕터를 사용하는 강압형 DC-DC 변환기로서 부하에 큰 전력을 전달 할 수 있고, 높은 전력 효율을 가진다. 하지만 적은 부하에서는 스위칭 손실로 인한 전력 효율이 감소하는 문제점이 있다.
펄스 스킵핑을 사용하는 벅 변환기라도 전력 효율이 크게 떨어지는 이유는 무엇인가?
PWM이 스킵핑 되면서 스위칭 동작을 하지 않아, 낮은 부하 전력에서 효율을 증가시킨다. 그러나, 더 낮은 부하 전류에서 아날로그 회로의 전력 소비가 인덕터의 전력 소비보다 크기 때문에, 펄스 스킵핑을 사용하는 벅 변환기라도 전력 효율이 크게 떨어진다.
참고문헌 (8)
J. M. Kim, H. H. Chu, C. W. Kim, "Current-mode DC-DC buck converter with reliable hysteretic-mode control and dual modulator for fast dynamic voltage scaling," Circuits and Systems, 2009. MWSCAS '09. 52nd IEEE International Midwest Symposium on, pp.941-944, Aug. 2009.
A. emira, H. Elwan, S. Abdelaziz, "DC-DC converter with ON-time control in pulse-skipping modulation," Circuits and Systems (ISCAS), Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on, pp.2746-2749, May 2010.
P. J. Liu, Y. C. Hsu, Y. H. Chang, "A current-mode buck converter with a pulse-skipping soft-start circuit," Power Electronics and Drive Systems (PEDS), 2013 IEEE 10th International Conference on, pp.22-25, June 2013.
W. Sun. et al, "A Ripple Control Dual-Mode Single-Inductor Dual-Output Buck Converter With Fast Transient Response," IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 23, no. 1, pp. 107-117, Jan. 2015.
Y. K. Ramadass, A. P. Chandrakasn, "Voltage Scalable Switched Capacitor DC-DC Converter for Ultra-Low-Power On-Chip Applications," 2007 IEEE Power Electronics Speialists Conference, pp.2353-2359, June 2007.
R. jain. et al,. "A 0.45-1V fully integrated reconfigurable switched capacitor step-down DC-DC converter with high density MIM capacitor in 22nm tri-gate CMOS," 2013 Symposium on VLSI Circuit, pp. 174-175, June 2013.
C. H. Tsai, S. M. Lin, C. S. Huang. "A Fast-Transient Quasi-V2 Switching Buck Regulator Using AOT Control With a Load Current Correction (LCC) Technique," IEEE Transaction on Power Electonics., vol. 28, no. 8, pp. 3949-3957, Aug. 2013.
A. Abdulslam, Farid E. S. Y. lsmail. "Five-level hybrid DC-DC converter with enhanced light-load efficiency," 2016 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp.22-25, May 2016.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.