[논문]모바일 기기를 위한 ESD 보호 소자 내장형 고효율 DC-DC 컨버터 설계

하가산; 손정만; 신사무엘; 원종일; 곽재창; 구용서

모바일 기기를 위한 ESD 보호 소자 내장형 고효율 DC-DC 컨버터 설계
The design of high efficiency DC-DC Converter with ESD protection device for Mobile application 원문보기

하가산 (서경대학교 전자공학과) , 손정만 (서경대학교 전자공학과) , 신사무엘 (서경대학교 전자공학과) , 원종일 (서경대학교 전자공학과) , 곽재창 (서경대학교 전자공학과) , 구용서 (서경대학교 전자공학과)

The high efficiency power management IC(PMIC) for Moblie application is proposed in this paper. PMIC is controlled with PWM control method in order to have high power efficiency at high current level. The saw-tooth generator is made to have 1.2 MHz oscillation frequency and full range of output swing from ground to supply voltage(VDD:3.3V). The comparator is designed with two stage OP amplifier. And the error amplifier has 70dB DC gain and $64^{\circ}$ phase margin. DC-DC converter, based on Voltage-mode PWM control circuits, achieved the high efficiency near 95% at 100mA output current. DC-DC converter is designed with LDO in stand-by mode which fewer than 1mA for high efficiency.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 휴대폰, PDA, MP3 Player 등의 모바일 기기에서 전원장치로 사용되는 step-down DC-DC Converter를 설계하였으며, LDO를 사용하여 저 전류에서도 높은 효율을 구현하였다.
본 논문에서는 새로운 구조의 ESD 보호회로를 이용하여 ESD 현상에 의한 소자 파괴를 방지하고 회로의 신뢰성을 높였다. 제안한 LILVTSCR(Latch-up immune Low Voltage Triggered SCR)구조는 LVTSCR(Low Voltage Triggered SCR)구조를 개선시킨 것으로서 ESD 전류는 기존과 같은 동작으로 방전시키고, 정상 상태 일 때 PMOS는 RC network에 의해 동작하지 않고 고주파 노이즈나 overshooting에 의한 펄스 유입 시 PMOS가 동작하여 노이즈 전류 등을 접지(Cathode) 단자로 효과적으로 방전 시켜 래치업(Latch-up) 에 대하여 강한 면역성을 갖도록 하였다.

제안 방법

마지막으로 TSMC 130nm 공정을 사용하여 DC-DC converter를 설계하고 Layout 하였다.
그림 3을 보는 것과 같이 PWM 방식의 SMPS는 높은 출력전류에서 높은 전력변환 효율을 갖지만 출력전류가 낮아지면 효율이 급격히 떨어진다. 오늘날 휴대용 기기들은 대기모드에서 매우 적은 전류를 소모하므로, 본 논문에서는 로드 변화에 따라 효율이 크게 변하지 않고, 일정한 효율이 보장되는 LDO(Low Drop Out) regulator를 이용하여 전원을 공급하였다.
본 논문에서는 새로운 구조의 ESD 보호회로를 이용하여 ESD 현상에 의한 소자 파괴를 방지하고 회로의 신뢰성을 높였다. 제안한 LILVTSCR(Latch-up immune Low Voltage Triggered SCR)구조는 LVTSCR(Low Voltage Triggered SCR)구조를 개선시킨 것으로서 ESD 전류는 기존과 같은 동작으로 방전시키고, 정상 상태 일 때 PMOS는 RC network에 의해 동작하지 않고 고주파 노이즈나 overshooting에 의한 펄스 유입 시 PMOS가 동작하여 노이즈 전류 등을 접지(Cathode) 단자로 효과적으로 방전 시켜 래치업(Latch-up) 에 대하여 강한 면역성을 갖도록 하였다.

성능/효과

1mA의 로드전류 조건에서 Buck converter는 약 28%의 효율을 갖지만, 본 논문에서 설계한 LDO는 약60%의 효율을 가짐으로써, 단말기가 대기모드에서도 일정 이상의 효율을 유지하도록 하였다.
5V, 출력 전류 100mA, 인덕터와 캐패시터의 ESR(Equivalent Series Resistance)를 100mΩ으로 시뮬레이션했을 시 최대 95%의 효율 이 나왔다. 또한 1.2MHz의 높은 스위칭 주파수를 사용하여 DC-DC converter에서 가장 큰 면적을 차지하는 인덕터의 크기를 줄일 수 있게 하였으며, LDO regulator를 사용하여 출력전류 1mA 이하의 대기모드에서도 60%이상의 효율을 보장하였다.
본 논문에서 제안한 DC-DC Converter는 입력 전압 3.3V, 출력 전압 2.5V, 출력 전류 100mA, 인덕터와 캐패시터의 ESR(Equivalent Series Resistance)를 100mΩ으로 시뮬레이션했을 시 최대 95%의 효율 이 나왔다.
하지만 ESD 보호회로가 큰 ESD 방전 전류를 감내하기 위하여 상대적으로 큰 Layout 면적이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하고자 ESD 보호회로를 본딩 패드 하부에 배치시킨 Under PAD 설계를 적용하여 20%의 Layout 면적 증가를 가져왔다.

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