This paper introduces a novel hybrid voltage regulator, combining a buck stage with a shunt stage, designed to optimize Dynamic Voltage Scaling (DVS) and maximize dynamic efficiency. For achieving optimal DVS, this paper presents a buck converter assisted by an Isosceles-Triangular Shunt Current (ITSC) push-pull stage. The ITSC facilitates precise control of DVS through a simple turning-point (V$_T$), and accelerates DVS rates independently of the inductance (L). The Current-Tailing Handover (CTH) ensures minimal voltage fluctuations post-DVS, even under resistive loads. Real-time calibration of the VT-crossing point effectively mitigates various error factors that can lead to DVS inaccuracies. To minimize the loss from shunt stage, this paper also introduces a pioneering hybrid voltage regulator incorporating a class-G digital-shunt regulator. This approach shows the capabilities of the class-G digital shunt regulator to substantially reduce dropout voltage in the shunt stage. Furthermore, the incorporation of a current correlation between the inductor and shunt current, governed by the ratio β, significantly shortens the current handover time. The implementation of this hybrid technique results in a remarkable improvement in dynamic efficiency, with a boost of up to 12% observed when operating at a 13kHz DVS frequency. Notably, the proposed hybrid voltage regulator exhibits remarkable versatility, efficiently accommodating a broad range of DVS frequencies, extending up to 600kHz.
본 논문은 동적 전압 스케일링(DVS)을 최적화하고 동적 효율을 극대화하기 위해 설계된 이종-병렬 하이브리드 전압 레귤레이터를 제안한다. 본 연구는 이등변-삼각 병렬 전류 (ITSC) push-pull stage에 의해 보조되는 buck 컨버터를 제안한다. ITSC는 간단한 터닝 포인트(V$_T$)를 통해 DVS의 정밀한 제어를 용이하게 하며, 인덕턴스(L)와 무관하게 빠른 DVS 속도 가진다. 전류-추적 핸드오버(CTH)는 저항성 부하에서도 DVS 후 전압 변동을 최소화하며, VT 교차점의 실시간 calibration은 DVS의 다양한 오류 요인을 효과적으로 완화 가능하다. 본 연구는 또한 Class-G 디지털 병렬 레귤레이터를 통합한 전압 레귤레이터를 제안한다. 제안하는 기법을 통해 클래스-G 디지털 병렬 레귤레이터의 drop-out 전압을 상당히 줄였다. 또한 비율 β에 의해 조절되는 인덕터와 병렬 전류 간의 전류 상관 관계를 통해 전류 핸드오버 시간이 크게 단축된다. 제안하는 기법은 13kHz DVS 주파수에서 최대 12%의 동적 효율이 향상된다. 본 논문의 이종-병렬 전압 레귤레이터는 최대 600kHz까지 확장되는 광범위한 DVS 주파수를 효율적으로 수용하는 가능성을 보여준다.
