The most outstanding features for portable electronic systems are compact size, light weight, long battery life, high quality, and so on. The most important building block that influences to these features is DC-DC converter, and high-speed, high-efficiency power circuit and sub-block design techniques are inevitable.
In this thesis, a high-speed high-efficiency 1-W DC-DC converter with on-chip power MOSFET is designed. A 3.7V Automatic Loop Bandwidth (ALB) controlled Quasi-PWM (QPWM) boost converter from two 1.5V Ni-MH batteries is proposed. And a 1.8V variable dead time controlled gate driver IC in buck converter from 3.7V lithium-ion battery is proposed as well. These two converters are fabricated using Hynix/MagnaChip $0.35\mu m$ 2-poly 4-metal standard CMOS process. The proposed QPWM control provides advantages of both accurate PWM control and fast hysteresis control. In addition, an Automatic Loop Bandwidth (ALB) control makes it possible for the output voltage to return to its original value quickly during transient. The test results show that output voltage took only 0.5ms to return to its expected value when 0.3A current step in load current. It takes about 11ms in conventional PWM control. The maximum efficiency is 94%, the minimum efficiency is 80%, and 1.5W power can be provided to the maximum. 1MHz switching frequency is used, but it can operate over than 2MHz
In the proposed variable dead time controlled gate driver, the load current variation is sensed and reflected to the dead time variation. In ideal operation, zero dead time at switch output terminal is required, so the duty input at switch gate terminal is controlled to be shifted. The voltage and current peak can be minimized, which results a decrease in switching loss and good EMI performance. The maximum efficiency is 95%, the minimum efficiency is 78%, and 2W power can be provided to the maximum. 1MHz switching frequency is used, but it can operate over than 4MHz.
최근 휴대용 전화기, 전자수첩, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 전자 통신기기들의 발전이 급속도로 진행되고 있는데, 이런 휴대용 전자 제품에 요구되는 성능에는 작고, 가볍고, 오래 사용하며, 많은 부가기능들이 제공될 수 있어야 한다. 이러한 중요 성능들의 개선을 위해서는 전원 회로인 직류-직류 변환회로를 고속, 고효율 동작 가능하게 설계해야 한다.
본 논문에서는 전력용 MOSFET 스위치를 내장한 고속, 고효율의 1W급 직류-직류 변환기를 설계하였다. 먼저 두 개의 1.5V Ni-MH 전원으로 3.7V Lithium-ion 전압을 생성하는 자동 루프 대역폭 조절 Quasi-PWM Boost 변환기 설계를 3장에서 보였으며, 3.7V Lithium-ion 전원에서 1.8V의 Chip 내부전압을 생성하는 Buck 변환기용 가변 Dead time 제어된 게이트 구동 IC 설계를 4장에서 보였다. 설계된 두 가지 변환기들은 2-poly, 4-metal Hynix/MagnaChip $0.35\mu m$ standard CMOS 공정을 사용하였다.
제안된 Quasi-PWM 제어는 정교한 PWM 제어방식과 빠른 Hysteresis제어방식의 장점을 동시에 제공한다. 그리고 제안된 자동 루프 대역폭 제어를 통해 순시 상태의 출력 전압이 원하는 값으로 빠르게 되돌아올 수 있게 하였다. 측정한 결과, 0.3A의 급격한 출력 전류변화의 경우에도 0.5ms 이내에 출력 전압이 원래 전압 값으로 되돌아왔다. 일반적인 PWM 제어의 경우, 약 11ms가 걸린다. 최고효율이 94%, 최저효율이 80%, 그리고 최대 1.5W의 전력을 공급할 수 있다. 측정에는 1MHz 스위칭 주파수를 사용하였으며, 최대 2MHz 동작이 가능하다.
제안된 가변 Dead time 제어된 게이트 구동 IC의 경우, 출력 전류의 변동성분을 검출하여 변환기의 Dead time 을 조절하였다. 이상적인 동작의 경우 스위치 출력에서 Dead time이 없어야 하는데, 이를 위해서 스위치의 게이트 단자의 Duty 입력파형을 시간 축 기준으로 앞, 뒤 평행이동 가능하게 하였다. 제안된 방식을 통해 전원 전압과 전원 전류의 피크 값을 줄여서 스위칭 손실이 감소하였으며 동시에 좋은 EMI 특성을 얻을 수 있었다. 최고효율이 95%, 최저효율이 78%, 그리고 최대 2W의 전력을 공급할 수 있다. 측정에는 1MHz 스위칭 주파수를 사용하였으며, 최대 4MHz 동작이 가능하다.
