A single-chip multiple-output DC-DC converter that uses vestigial-current-control method is implemented in 0.5um BiCMOS occupying $3.6mm^2$.
Compared with the prior multiple-output DC-DC converters, this proposed converter can generate multiple-output higher or lower than the input voltage. It consists of 3 step-up/down outputs, 2 step-up outputs, and 1 auxiliary output, and operates stably under wide load variation with simple control loop compensation.
The implemented converter operates at 1MHz switching frequency with 4.7uH inductor and 10uF capacitor.
In implementing the proposed control method, fast and accurate peak and zero current sensing circuitries are used and verified by experiment. Also, new fast comparators are adopted.
The measured efficiency is higher than 83\% while delivering load power of 1.5W
휴대용 기기의 발전과 더불어 요구되는 전원의 개수 또한 증가하였다. 부품 실장 면적의 제한과 생산비용 감소 요구로 인해서 최소한의 전원 제어기와 외부 부품을 이용하여 다중출력을 제어하는 방법에 대한 필요성이 증대되었다.
다중 출력을 구성하는 가장 간단한 형태인 트랜스포머를 이용한 Flyback 혹은 Forward 컨버터의 경우, 물리적인 크기 및 낮은 전원 품질로 인해서 휴대용기기에 적용될 수 없다. 집적회로 형태의 승압형 단일 인덕터 다중 출력제어기로써 2002년 ISSCC에 발표된 시분할 제어방법은 컨버터의 동작영역이 불연속 전류모드 (Discontinuous conduction mode, DCM) 혹은 가상 연속 전류모드 (Pseudo continuous conduction mode, PCCM)에 제한되어 있음으로 인해서 출력 전력을 크게 할 수 없을 뿐만 아니라 부하가 작은 영역에서 변환 효율이 낮은 문제점이 있었다. 또한 시분할 제어방법으로 인해서 각 출력마다 별도의 제어기가 반드시 필요하며 이로 인해서 현실적으로 2개를 초과하는 다중 출력을 제어하는 것은 매우 힘들다고 할 수 있다. 비교기를 이용한 단일 인덕터 다중 출력 컨버터가 2007년 ISSCC에서 발표되었으며, 비교기로 독립적으로 제어되는 다수의 출력과 PWM 제어기에 의해서 제어되는 하나의 출력으로 구성되어 있다. 별도의 제어기로 각각의 출력을 제어하였던 앞선 시분할 제어방법에 비해서 출력의 개수 및 출력 전력 확장에 장점을 가지고 있다. 하지만 PWM 제어되는 마지막 출력의 부하가 작아지거나 혹은 없어질 때, 비교기로 제어되는 출력의 전압 맥동이 커지거나 혹은 제어가 제대로 되지 않는 문제점을 내재하고 있으며 이러한 오 동작을 방지하기 위해서 PWM 제어되는 출력에 항상 최소한의 부하가 달려 있어야 하며 이로 인해서 무 부하시에 변환 효율이 나빠지게 된다. 또한 컨버터의 안정도가 출력 부하에 따라서 변하는 특징을 가진다.
시분할 제어방법과 비교기 제어방법 모두 출력전압이 입력전압보다 높은 승압형 구조이며, 입력전압보다 낮은 전압을 출력할 수는 없는 형태이다. 하지만 휴대용기기의 경우 요구되는 전압 범위는 배터리의 충/방전 상태 혹은 기능 블록의 특성에 따라서 입력보다 높거나 낮은 전압을 동시에 필요로 할 수 있다. 이에 비교기 제어방법이 가지는 안정도 및 무부하 변환효율 문제점을 개선함과 동시에 승압/강압이 동시에 가능한 제어방법을 본 논문에서 제안하였다.
제안된 환원 전류제어방법에서 모든 출력은 비교기로 독립적으로 제어가 되며 PWM 제어기는 보조 출력을 제어하는데, 비교기 제어되는 출력에서 필요한 모든 에너지보다 약간 더 크게 에너지를 제어하며 이러한 여분의 에너지는 보조 출력에 저장되었다가 입력으로 손실 없이 환원되는 형태를 가지고 있다. 보조 출력을 제외한 모든 출력이 비교기에 의해서 독립적으로 제어되므로 출력 부하 변화에 빠르게 반응 할 수 있으며, 보조 출력에서 입력으로 환원되는 전류가 항상 일정하므로 출력 부하 변동에 관계없이 항상 안정도가 보장된다는 장점을 가진다. 또한 보조 출력의 목적은 환원 전류를 제어하는 것이므로 보조출력 전압은 정확하게 제어되지 않아도 된다. 따라서 PWM 제어기의 에러앰프의 이득이 작아도 되며 이로 인해서 제어기의 안정도 보상을 위해서 별도의 부가회로가 필요치 않으며 제어회로가 매우 간단하게 구성되었다. 환원 전류제어 방법이 가지는 또 다른 장점은 입력보다 낮거나 혹은 높은 전압을 동시에 출력할 수 있다는 것이다.
환원 전류제어방법을 적용하여 LG AM-OLED 디스플레이에 적합한 설계사양으로 동부 0.5um BiCMOS 공정으로 5개의 출력을 가지는 승압/강압형 직류/직류 변환기를 제작하였다. 변환기 설계에서 필수 기능블록인 인덕터 전류 검출회로, 비교기, 영 전류 검출회로 및 레퍼런스 전압 제어 블록이 새로이 제안/설계되었다. 제작된 변환기의 스위칭 주파수는 1MHz이며 4.7uH 인덕터와 10uF 커패시터가 사용되었다. 변환효율은 1.5W 출력에서 최대 83\%이상이었으며 새롭게 제안된 기능 블록의 동작 또한 실험을 통해서 검증을 하였다.
