This thesis presents a new DC-DC converter control methods of Buck converter and Boost converter based on hysteresis (Bang - Bang) control. Hysteresis control is popular and widely used because of its simplicity and absolute stability and the fast transient response through the cycle-by-cycle react. Therefore we proposed new control methods, which overcome the demerits of the conventional hysteresis control and PWM control methods.
In this thesis, new control methods of two types of the hysteresis control Buck converter and one type of the hysteresis control Boost converter are presented.
In the Buck converter, a new fine hysteresis control (FHC) method is presentedl. This is implemented on the PCB using the discrete components. FHC DC-DC converter operates like a PWM converter, which can control the switching frequency freely but works on hysteresis control mode. This control method is suitable for single chip implementation because it guarantees stability for any load condition having no outside compensation elements.
And a class D audio amplifier using a FHC control method is presented. This is also implemented on the PCB using the discrete components. The amplifier gain at 20 kHz is dropped about -1dB because the LC resonant frequency of the output filter is set to 24 kHz in our design. In the general PWM controller, the loop response is not wide. So the PWM controller can not response to the full audio frequency range ( - 20 kHz) when the LC resonant frequency is 24kHz as same with our design. On the other hand, the proposed controller (FHC) can response to the full audio frequency range because the hysteresis controller has the characteristic of cycle by cycle response to the output voltage.
And another type of the buck converter is a PLL based hysteresis control DC-DC converter implemented by CMOS IC. The new converter looks like a PWM converter in appearance, but it actually operates on hysteresis control mode whose frequency i;s locked by an overall PLL loop. This method guarantees stability for any load condition having no outside compensation circuit around the error amplifier. Buck type DC-DC converter with synchronous rectifier is fabricated using 0.8um CMOS process including both control circuits and power switches. This converter IC needs only inductor and filter capacitor at the outside. Therefore these two control methods are suitable for on-chip DC-DC converter.
In the Boost converter, a new control method named with quasi pulse width modulation (QPWM) is proposed and fabricated using CDMOS process, including control circuits and DMOS high voltage power switches aimed at color LCD voltage supply (9V) from the single Li-Ion battery (3-4V). This control method can control the switching frequency and guarantees stability for any load condition having no outside compensation circuit.
현재 휴대용 제품 사용량의 폭발적인 증가와 더불어 배터리를 이용한 제품이 늘고 있다. 제품의 소형화에 있어서 가장 큰 걸림돌은 전원 장치 이다. 배터리 입력 전압으로부터 각 소자들이 원하는 전압을 만들어 주는 직류-직류 변환기에는 필수적으로 인덕터가 들어가게 된다. 이것으로 인하여 제품의 소형화가 제한받게 되기도 하는데 인덕터의 사이즈를 줄이기 위해 스위칭 주파수를 높이는 방법이 있다. 그리고 요즘은 스위치 내장형이 대부분이므로 제어 IC 외부에 붙는 소자도 최소로 줄어 들었다. 그러나 기존의 PI 제어형태의 PWM제어기를 사용하게 되면 제어루프의 보상을 위해서 값이 큰 (수 nF ~ 수십 nF) 보상 캐패시터와 저항이 칩 주변에 붙게 되므로 하나의 칩으로 구현하기가 힘들게 된다. 따라서 제어 IC 주변에 여러 소자들이 붙게 되어 사이즈가 커질 뿐 아니라 복잡한 계산을 통해서 값을 정해야 하므로 번거로운 부분이 많게 된다. 따라서 본 논문에서는 이 문제들을 해결하기 위해 보상 문제가 없이 항상 안정된 루프 특성을 가지는 히스테리시스 제어 방법에서 출발하여 그 제어 방법을 단점들을 보완하는 새로운 구조를 제안하였다.
기존의 PWM제어 방법은 루프 특성상 보상회로가 필히 들어가게 된다. 특히 출력단 필터의 특성에 따라서 루프를 계산하여 보상회로를 설계하여야 하므로 번거로운 부분이 많게 되고, 최악의 경우 루프가 정상적으로 동작하지 않을 가능성도 있게 된다. 그러나 이 구조가 가지는 장점은 스위칭 주파수를 자유롭게 변화 시킬 수 있다는 점이다. 위에서 살펴 본 바와 같이 인덕터 사이즈를 줄이기 위해 인덕턴스를 줄이면 스위칭 주파수를 올려야 한다. 이 같은 경우 PWM 제어기의 삼각파 발생기의 주파수를 올리면 아주 간단하게 해결된다.
히스테리시스 제어의 경우 제어 구조는 아주 간단하다. 자가발진형 컨버터로 불리기도 하고, 뱅뱅 제어 컨버터 또는 리플 레귤레이터로 불리기도 한다. 출력단의 상태를 그때 그때 감지하여 스위치의 상태를 결정하기 때문에 과도 응답에서도 아주 빠른 특성을 보이고 있다. 그리고 히스테리시스 루프 자체는 아주 안정된 루프이므로 보상회로가 필요 없게 된다. 따라서 이 구조를 IC로 구현할 경우 제어 IC외부에 붙는 소자를 필터 인덕터와 캐패시터로 최소로 줄일 수 있다. 그러나 제어가 쉬운 만큼 아주 큰 단점이 존재한다. 스위칭 주파수가 대부분 아주 낮게 되고 스위칭 주파수의 제어도 아주 힘들다. 따라서 본 논문에서는 히스테리시스 제어 구조를 기본으로 하여 스위칭 주파수를 제어 할 수 있는 여러 구조를 제안하였다.
벅 컨버터에서 제안된 방법들의 공통적인 방법은 전류 성분을 이용한 것이다. 기존의 히스테리시스 방법은 출력단 전압 만을 이용하여 제어하므로 스위칭 파형에서 출력단까지 2차 적분의 형태이므로 시간 감쇄가 크게 된다. 따라서 1차 적분의 형태인 인덕터 전류성분을 이용하게 되면 스위칭 주파수를 빠르게 할 수 있다. 다시 이야기 해서 출력전압에 더해지는 전류성분의 양을 조절하게 되면 스위칭 주파수를 변화시키게 되므로 스위칭 주파수 조절이 가능한 것이다. 그리고 이 구조를 이용한 오디오 앰프 역시 아주 좋은 특성을 나타내게 된다. 기존의 PWM 루프를 이용할 경우 20 kHz 까지 음성 대역 전체를 균일한 이득을 가지도록 하기 힘들게 된다. 그러나 히스테리시스 루프의 경우는 루프 응답이 아주 빠르기 때문에 오디오의 경우에도 아주 좋은 특성을 나타내게 된다.
마지막으로 부스트 컨버터의 경우도 인위적으로 출력단 감지단에 리플을 더하여 제어하도록 하였다. 이 제어 루프 또한 히스테리시스를 기반으로 하였으므로 아주 안정된 루프 특성을 가지고 스위칭 주파수 제어 또한 가능한 구조이다.
벅 컨버터와 부스트 컨버터의 경우 스위치 내장형 CMOS 직류-직류 변환기를 제작하여 동작확인까지 모두 하였다.
지금까지 제안된 세 가지의 구조는 모두 출력단 필터와 로드의 상태에 관계없이 항상 안정된 루프특성을 보이고 스위칭 주파수 제어가 가능하다. 따라서 직류-직류 변환기의 온 칩화에 아주 적합한 구조라고 생각된다.
