Among multiple output dc-dc converter ICs, this thesis deals with single-inductor multiple-output (SIMO) dc-dc converters which adopted ordered power distributive control (OPDC) for a compact, cost-effective and power-efficient feature in a battery-operated portable device.
Firstly, a single-inductor step-up DC-DC switching converter with bipolar outputs is implemented for active-matrix OLED mobile display panels. The positive output voltage is regulated by a boost operation with a modified comparator control (MCC), and the negative output voltage is regulated by a charge-pump operation with a proportional-integral (PI) control. The proposed adaptive current-sensing technique successfully supports the implementation of the proposed converter topology and enables the converter to work in both discontinuous-conduction mode (DCM) and continuous-conduction mode (CCM). In addition, with the MCC method, the converter can guarantee a positive output voltage that has both a fast transient response of the comparator control and a small output voltage ripple of the PWM control. A $4.1 mm^2$ converter IC fabricated in a $0.5\mum$ power BiCMOS process operates at a switching frequency of 1 MHz with a maximum efficiency of 82.3% at an output power of 330 mW.
A SIMO converter which has three positive-output voltages is next discussed. The converter adopts two MCC-loops to regulate the first two output voltages fast and accurately with small voltage ripples. It is the first multiple MCC-implementation in a SIMO converter. The compensations of MCC loops are designed with off-chip manner to verify the operation experimentally and it is analyzed. The comparison results between a MCC and a conventional comparator control (CCC) prove experimentally that MCC is very powerful control method. The improved zero-current sensing circuit successfully rejects the malfunctions in a freewheeling operation of the reported OPDC SIMO converters, and it is verified experimentally. The minimal on-time control for all comparator-controlled outputs is the noble idea to increase power-conversion-efficiency of an OPDC SIMO converter. The pulse-skipping method with the minimal on-time control is the first trial to increase light-load efficiency of a SIMO converter. The proposed design techniques in this converter have great potential in generalizing an OPDC SIMO converter as a commercial product. The converter designed with $0.35\mum$ 1P4M CMOS process operates at a switching frequency of 1 MHz with a maximum efficiency of 88.5% at an output power of 375 mW. The chip size is $2 mm \times 3 mm$.
본 논문은 크게 두 개의 주제로 구성되어 있다. 첫 번째 주제는 능동 매트릭스(AM) OLED 모바일 디스플레이 패널에 양의 전원과 음의 전원을 공급하기 위한 DC-DC 컨버터를 하나의 인덕터를 써서 구현한 단일 인덕터 양극 출력(SIBO) 승압형 컨버터에 관한 내용을 다루고 있다. 본 컨버터는 승압형 컨버터와 반전 차지 펌프 회로를 결합하여 새로운 토폴로지를 가지고 있다. SIBO 컨버터의 동작을 모사해서 설계한 적응형 전류 감지 회로는 그 설계 기법이 아주 흥미로우며, 또한 제안된 SIBO 컨버터가 전류 연속 모드(CCM)와 전류 불연속 모드(DCM)를 망라하는 아주 넓은 출력 전류 구간에서 잘 동작하도록 하였다. 전압 구동형 AMOLED 픽셀 회로의 전원 전압을 위한 양의 전압의 까다로운 동작 요건을 만족시키기 위해 제안한 변형 비교 제어(MCC) 기법은 기존의 순차 분배 제어(OPDC)를 적용한 단일 인덕터 다중 출력(SIMO) 컨버터의 동작 개선에 큰 기여를 하였다. MCC는 단순 비교기 제어의 빠른 동작 특성과 PI 제어의 정확한 레귤레이션 특성을 동시에 적용하여 설계 되었다. 따라서, 일반적인 비교기를 써서 OPDC를 구현할 때 나타날 수 있었던 스위칭을 놓치는 현상, 그리고 출력 전류에 따른 출력 DC 오차의 문제를 해결하여 출력 부하 조건에 상관 없이 매 주기 스위칭 하도록 하여 양질의 출력을 얻도록 하였다. 본 주제의 SIBO 컨버터는 0.5 um 1P3M BiCMOS 공정을 이용하여 구현하였으며 전체 면적은 $4.1 mm^2$이고 1 MHz의 스위칭 주파수를 가지며 4.7 uH의 인덕터를 써서 330 mW의 출력 파워 조건에서 최대 82.3 %의 파워 전달 효율을 갖는다. 그 동작 특성은 실험에 의해 검증되었다.
두 번째 주제는 OPDC를 적용한 일반적인 SIMO 승압형 컨버터에 대한 내용이다. 본 주제에서는 SIMO 컨버터가 제품으로 제작되는 단계에 진입하기 위해서 해결해야 할 문제들을 개선시키는데 중점을 두었다. 크게 세가지 부분에 중점을 두어 설계되었는데, 첫째는 앞서 SIBO 컨버터에서 제안되었던 MCC를 다중 출력에 적용하여 양질의 안정적인 전원 전압들을 얻는 것이며, 둘째는 기존의 OPDC SIMO 컨버터의 영 전류 감지 회로에서 나타날 수 있는 오작동을 완전히 제거해 CCM과 DCM을 확실하게 구분하여 쓸데 없는 파워 손실을 최대한 줄이는 것이다. 마지막으로 각 출력을 각각 하나의 DC-DC 컨버터라 생각하고 가벼운 부하(light load) 조건에서 효율을 향상시키는 방법에 관한 내용이다. 먼저 MCC를 다중 출력에 적용하기 위해서 정확한 피드백 루프를 모델링 하였으며, 그것을 바탕으로 루프 전달 함수를 구해 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다. 검증 결과, 우선 순위의 출력에 적용한 MCC들의 안정성이 하위 순위의 출력에 적용한 MCC들보다 더욱 중요하다는 것을 확인했다. 둘째로 영 전류 감지 회의 경우 기존의 OPDC SIMO 컨버터에 적용했던 영 전류 회로를 CCM과 DCM에 상관없이 항상 영 전류 신호를 내도록 설계하여 두 번의 마스킹(masking) 회로를 이용해 특정 기준 전류 이하에서는 영 전류 신호가 나오도록 했고, 그 이상에서는 영 전류 신호가 없는 것처럼 동작시켜 오작동 없는 CCM과 DCM의 동작을 얻을 수 있었다. 마지막으로 가벼운 부하 조건에서의 효율 향상의 경우 각각의 출력을 하나의 컨버터라 생각하고 출력 전류가 30 mA 이하가 되는 조건에서 세 개의 단계를 두어 최소 듀티 제어를 적용하여 각각의 출력이 에너지를 충분히 얻었다 판단할 때는 스위칭을 쉬게 하여 쓸데 없는 스위칭 손실을 제거하였다. 또한 240 ns의 최소 듀티 제어를 인덕터 충전 시간에 부여하고, MCC를 각 출력에 적용하면서 얻은 각 출력의 에너지 조건을 추출하여 모든 출력이 에너지가 충분하다는 조건이 나오면 전체 컨버터의 동작을 쉬는 기법을 사용하여 효율을 극대화 시키는 방법을 제안하여 적용하였다. 본 주제에서 제안되고 검증된 아이디어들은 충분히 SIMO의 상용화에 기여하여 저가로 아주 면적이 작은 전원 회로를 구현하는데 큰 역할을 할 것이라 생각한다. 본 컨버터는 그 아이디어의 검증을 위해 AMS 0.35um CMOS 공정을 써서 구현하였으며, 전체 칩 면적은 패드와 피드를 포함해 $6 mm^2$ 이다. 4.7 uH의 인덕터를 썼으며 1 MHz의 스위칭 주파수를 사용하여 375 mW의 출력 파워 조건에서 88.5 %의 최대 효율을 얻을 수 있었다.
