Since a system-on-chip (SoC) includes various intellectual properties (IPs), a power management unit (PMU) capable of supplying various voltages is required. In addition, because the SoC is designed to further miniaturize a system, the PMU also aims to be fully integrated within the SoC. This dissertation compares various types of power conversion circuits and proposes a switched-capacitor (SC) power converter supporting fine-grained dual-output that satisfies the PMU requirements in a low-power SoC. The proposed converter generates a much higher number of voltage conversion ratios (VCRs) than the existing dual-output SC converters, so it can maintain high conversion efficiency over a wide output voltage range and can supply various voltages to IPs in the SoC.Recent low-power digital circuits that operate with a very limited amount of energy sources such as batteries, wireless power transfer, or harvesting have necessarily adopted dynamic voltage scaling (DVS) for efficient energy use. In particular, in order to perform efficient DVS, fast and fine-grained voltage control is required. Among power conversion circuits for performing DVS, capacitive converters are most suitable. However, capacitive converters essentially involve additional energy losses while the voltage conversion ratio (VCR) changes, thus they lead to a limitation in performing fast voltage control. In this dissertation, the cause of VCR transition loss in switch-capacitor (SC) DC-DC converters is analyzed and modeled. Through simulation and chip measurement of the previously proposed SC converters, the accuracy of the loss model is verified and a new norm for SC power converters in performing DVS is presented. In addition, this dissertation proposes and analyzes several methods to reduce the energy loss during VCR transitions.Finally, this dissertation proposes an SC converter with a two-dimensional cell array structure that can not only support fine-grained dual-output but also minimize the VCR transition loss. Furthermore, the arbitrary phase selection technique to enhance the versatility of a power converter and the independent pulse control scheme to improve cross-regulation performance are presented.
단일 칩 시스템 (system-on-chip, SoC)은 다양한 IP (intellectual property)들을 포함하므로 여러가지 전압을 공급할 수 있는 전력관리장치 (power management unit, PMU)를 요구한다. 또한, SoC는 시스템을 더욱 소형화하기 위해 고안된 것이므로 PMU 역시 SoC 내에서 완전히 집적화 되는 것을 지향한다. 본 학위 논문에서는 다양한 종류의 전력 변환 회로를 비교하고, 저전력 SoC 내 PMU 요구 조건을 만족시키는 세밀한 이중 출력 스위치-커패시터 (switched-capacitor, SC) 전력 변환기를 제안한다. 제안한 전력 변환기는 기존 이중 출력 SC 전력 변환기들에 비해 훨씬 많은 수의 전압변환비율 (voltage conversion ratio, VCR)을 생성하므로 넓은 출력 전압 범위에 대해 높은 변환 효율을 유지할 수 있고 다양한 전압을 공급할 수 있다는 장점도 가진다.배터리, 무선전력전송, 또는 하베스팅 (harvesting)과 같이 제한된 양의 에너지원으로 동작하는 최근의 저전력 디지털 회로들은 효율적인 에너지 사용을 위해 동적 전압 제어를 필수적으로 적용하고 있다. 특히, 효율적인 동적 전압 제어를 수행하기 위해서는 빠르고 세밀한 공급 전압 조절이 필요한데, 이를 수행하는 전력 변환 회로들 중 용량성 전력 변환기 (capacitive power converter)가 가장 적합하다. 그러나, 용량성 전력 변환기는 VCR이 변하는 동안 추가적인 에너지 손실을 수반하기 때문에 빠른 전압 제어를 수행함에 있어 한계를 갖는다. 본 학위 논문에서는 SC 전력 변환기를 이용한 동적 전압 제어를 수행함에 있어 발생하는 VCR 이행 에너지 손실의 원인을 분석하고 모델링한다. 또한, 기존에 제안된 SC 전력 변환기들에 대한 시뮬레이션 및 측정을 통해 모델의 정확성을 검증하고 전력 변환기에 대한 새로운 손실 평가 기준도 제시한다. 더불어, VCR 이행 에너지 손실을 줄이기 위한 방법들을 제시하고 분석한다.마지막으로, 본 학위 논문에서는 세밀한 조절이 가능한 이중 출력을 지원하고 VCR 이행 에너지 손실을 최소화할 수 있는 이차원 셀 배열 구조를 가진 SC 전력 변환기를 제안한다. 또한, 전력 변환기의 범용성을 강화하기 위한 임의 위상 선택 기술과, 교차 조절 (cross-regulation) 성능을 개선하기 위한 독립 펄스 제어 기술을 제안한다.
