The emerging portable battery-operated system demands compact, high efficiency, low-voltage and low-power DC-DC converters to maximize battery life time. The purpose of this paper is to study optimizing design for low-voltage DC-DC converter using CMOS switch and micro-fabricated inductor. In CMOS switch environment, a dominant loss component is not switching loss but conduction loss at 1~2MHz switching frequency. To effectively raise efficiency, the conduction loss must be reduced. In this paper, therefore a constant frequency PWM converter with synchronous rectifier is used. To minimize total loss, an optimized design is required for selecting switch size and switching frequency. The silicon area and power consumption of the gate-drive buffers are reduced with a tapering factor that minimizes technology and application. The designed DC-DC converter delivers 1W~2W at 3V from a 3.5~5V battery. The operation of DC-DC converter and controller is verified by HSPICE simulation using 0.8u CMOS process model.
대량 생산되는 배터리 구동용 제품들은 배터리 수명을 길게 하기 위해 작고, 저전압, 저전력, 고효율의 직류-직류 변환기를 필요로 한다. 본 논문의 목적은 CMOS 스위치와 박막인덕터를 사용한 저전압용 직류-직류 변환기에 가장 적합한 설계에 관한 연구이다. CMOS 스위치 환경에서는 1~2MHz의 스위칭 주파수에서 스위칭 손실보다 도통손실이 더 크다. 따라서 효율을 높이기 위해서 도통손실을 줄여야 한다. 본 논문에서는 다이오드 대신 CMOS 스위치를 이용한 일정 주파수 PWM 컨버터가 사용되었다. 전체 손실을 줄이기 위해 가장 적합한 스위치 사이즈와 스위칭 주파수가 결정되어야 한다. 게이트 구동 버퍼 부분의 사이즈와 전력손실을 줄이기 위해 데이퍼링 팩터를 이용한다. 설계된 직류-직류 변환기는 3.5V~5V의 배터리 입력으로 1W~2W전력의 3V전압을 출력한다. 직류-직류 변환기와 제어회로의 동작은 0.8u CMOS 모델을 이용한 HSPICE 모의실험으로 검증하였다.
