This work propose a switched-capacitor(SC) converter for high voltage generation required for medical ultrasound imaging system. Among high voltage generation circuits, an inductor-based DC-DC converter generates a high output voltage from low input voltage by storing magnetic energy in the inductor. However, when the conversion gain is large, a high current inductor is required, and accordingly an off-chip inductor having a large area is used. Therefore, due to large area of this inductor, it is difficult to apply it to the biomedical applications. Capacitor has a greater energy density in the same area than inductor. Besides, capacitor can be integrated more easily than inductors. Unlike the inductor-based DC-DC boost converter that employs magnetic energy storage, SC converter employs only switches and capacitors. Inductor-based DC-DC boost converter requires a bulky power inductor and high voltage (HV) devices that requires a large area. Therefore, SC converter is quite advantageous for the implementation of an integrated circuit(IC) in terms of area. Besides, SC converter has relatively less conduction loss than inductive DC-DC boost converter. For these reasons, the SC converter is suitable for generating high voltages in ICs. However, the power loss of the SC converter can be analyzed by dividing it into three major losses. This work analyzes these losses and applies techniques to reduce them in order to improve the conversion gain and power efficiency. As a result, an on-chip Cockcroft-Walton SC converter using split-phase control for improved soft-charging with conversion gain 9.72 and power efficiency 70.1% suitable for the portable ultrasound imaging device is implemented.
본 연구에서는 의료용 초음파 시스템에 요구되는 고전압 생성을 위한 스위치드 커패시터 컨버터를 제안한다. 고전압 생성회로 중 인덕터 기반의 DC-DC 컨버터는 인덕터에 자기 에너지를 저장하여 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성한다. 하지만, 전압 이득이 클 경우 면적이 큰 인덕터가 요구되며, 이로 인해 바이오 메디컬 분야에 적용하기에 어려움이 있다. 하지만 스위치 캐패시터 컨버터는 작은 면적으로 인해 바이오 메디컬 분야에 적용하기에 적합하다. 스위치드 커패시터 컨버터는 인덕터보다 에너지 밀도가 높은 캐패시터를 에너지 저장 요소로 사용하므로, DC-DC 컨버터보다 면적 문제에서 상대적으로 유리하다. 전압 이득이 클수록, 스위치 캐패시터 컨버터는 DC-DC 컨버터보다 비교적 적은 도통 손실를 가진다. 위 두 가지 이유로 인해 스위치 캐패시터 컨버터가 온칩에서 높은 전압을 만들어 내는데 적합하다고 할 수 있다. 하지만, 기존 스위치 캐패시터 컨버터에서도 각종 손실이 발생한다. 본 연구에서는 이러한 손실에 대해서 분석하고 이를 해결하기 위한 기술을 적용하여 전압 이득과 전력 효율을 개선하였다. 결론적으로, 9.72의 전압 이득과 70.1%의 전력 효율을 지니는 소형 초음파 의료기기에 적합한 온칩 콕크로프트-월튼 스위치드 캐패시터 컨버터를 설계하였다.
