This thesis presents fully integrated PID controllers for fast transient step-down DC-DC converter. To implement fully integrated controller, novel compensator which sums current using OTA(Operational Transconductance Amplifier) is proposed. Due to support fast transient response in voltage mode, bandwidth of overall loop is 100kHz which covers the complex poles of LC filter. OTA and differentiator are used for each zero. Differentiating an output voltage directly, it draws noise of output stage. Therefore different way of designing the D-controller which acts as differentiator is badly needed. We connect an inductor and RC series in parallel and sense the AC current information by letting the OTA catches voltage across the capacitor. Even though our technique is in voltage mode and using 500kHz which is not high frequency as a switching frequency, its load transient response is remarkable. When a load current changed from 200mA to 1.2A, its load transient time is 50us. Moreover its undershoot voltage and overshoot voltage is within 60mV. To get these results, I consider the bandwidth, and phase margin by analyzing overall loop and calculating transfer function. The proposed architecture of SIDO controls two output channels, one by error amplifier and another by comparator. According to load variation, it can operate in powering mode once or twice in one period. Because of bifurcation phenomenon, it is added sawtooth wave to band gap reference voltage at output channel which is controlled by comparator. To confirm the operation and characteristic of the proposed circuits, behavior simulation results are shown.
여러 기능이 복합되어 있어 명명하기 조차 애매한 제품들을 근래에 주변에서 흔하게 접할 수 있다. 하나의 기기가 여러 전자제품의 역할을 담당하는 이른바 멀티 기능형 전자기기의 보급이 활발하다. 일례로 휴대폰은 현대 사회의 필수품이 되어 다양한 제품들이 속속들이 개발되며 급속도로 발전하는 기술의 발전을 반증한다. 어느 전자기기에나 파워 공급을 해야 동작가능하고 따라서 멀티 기능형 전자기기는 다양한 레벨의 전압을 요구한다. 불안정한 파워 공급원으로부터 장비나 회로의 상태에 상관없이 그것에 일정하고 안정된 전원을 공급하는 변환기는 예비 엔지니어 혹은 전자공학도로서 흥미를 불러일으키는 연구 분야이다. 휴대 가능한 기기가 선호되고 있기 때문에 고효율 소형화는 필수적으로 고려되어야 하는 것이다. 직류-직류 변환기를 구성하는 인덕터와 출력 필터의 캐패시터와 부하 저항은 제품의 사양에 따라 정해지는 값이다. 변환기의 제어기는 안정된 정전압을 제공하기 위해 보상기를 포함한다. 보상 캐패시터는 저주파에 폴과 제로를 만들기 때문에 크기가 커서 칩내로 집적하지 못한다. 그래서 OTA(Operational transconductance amplifier)를 이용하여 전류를 합하는 새로운 방법으로 보상기를 설계하였다. 전압 모드임에도 불구하고 빠른 과도 응답을 가지기 위해 변환기 전체 루프(loop)의 대역폭을 넓게 할 필요가 있어 PID 제어기를 구현하였다. 제로가 두 개 생기도록 해야하므로 첫번째 제로는 OTA를 이용하였고 또 하나의 제로는 미분기에서 만들도록 하였다. 그러나 전류 소비를 적게하면서 gm이 크고 고주파에 폴을 두는 미분기를 설계하는 것이 매우 까다롭다. 무엇보다 미분기의 입력은 변환기의 출력과 연결되기 때문에 출력의 심한 노이즈를 더욱 부각시키는 문제점이 있다. 출력 전압을 직접 미분하는 형태이므로 출력단의 노이즈를 필터하지 않고 루프로 끌어온다. 따라서 미분기 역할을 대체하는 D-제어기 구현의 다른 방법이 절실히 필요하여 인덕터의 전류를 센싱해서 보상기를 만들었다. 인덕터는 한 단이 변환기 입력인 Vin 또는 접지와 연결되고 또 다른 한 단은 변환기 출력인 Vout에 연결된다. 인덕터의 전류와 인덕터에 걸리는 두 전압차의 성질을 이용하여 미분기를 대체한 D-제어기를 만들었다. 전압 모드이고 스위칭 주파수가 500kHz로 빠른 주파수가 아님에도 불구하고 위의 두가지 보상기 구조 모두 과도 응답 특성이 우수하다. 부하 전류가 200mA에서 1.2A 변할 때 100u초 이내로 load transient 시간이 빨랐으며 ringing 하지 않고 settling 한다. 이는 변환기의 전체 루프를 분석하고 전달 함수를 구하여 대역폭 및 위상 여유를 염두해 두고 설계하였기 때문이다. 입력이 동일한 파워 공급원으로부터 여러 레벨의 출력 전압이 필요할 때 부피를 줄이고 효율을 높이고자 SIMO(Single-Inductor Multiple-Output) 방식으로 두 출력 채널을 제공하는 변환기를 설계하였다. 기존의 SIMO는 주로 boost로 제작되었는데 buck의 파워링 모드와 다르게 build-up 과정에서 인덕터 양단은 변환기 입력 및 접지와 연결되고 출력단과는 연결되지 않아 이를 구현하는 기술면에서 부족하였다. 최근 들어서야 나온 SIMO buck 관련 논문을 보면 파워링 모드를 하나의 출력채널과만 하는 파형이거나 파형을 아예 제시하지 않는다. 파워링 모드를 한 쪽 출력과만 한다면 부하에 제한이 생길 수 밖에 없다. 이를 극복하여 부하에 따라 파워링 모드를 한 채널과 또는 양 채널과 모두 할 수 있는 유동적인 SIMO buck 변환기를 구현하였다. 한 출력 채널은 오차 증폭기를 이용한 제어이고 또 다른 출력 채널은 비교기를 이용한 제어 방식이다. 오차 증폭기를 이용한 출력의 보상기는 인덕터의 교류 전류를 센싱한 방법으로 구성하였다. 그러나 주기가 2배로 되는 것처럼 동작하는 ‘2 period’[17] 현상이 발생하여 비교기 제어하는 출력의 밴드갭 기준 전압에 톱니파를 더해준 구조로 수정하였다. Vout2의 부하 전류가 200mA이고 Vout1의 부하에 500mA 변화가 있을 때 Vout1의 오버슛과 언더슛 전압은 40mV이내이고 과도 응답 시간은 38us, 51us이다. Vout2는 각각 15us, 20us의 과도 응답 시간이 걸리고 오버슛과 언더슛이 거의 없다. Vout1의 부하가 1A이고 Vout2 의 부하에 500mA 변화가 있을 때 Vout1의 오버슛과 언더슛 전압은 40mV 이내이고 과도 응답 시간은 각각 32us, 53us이다. Vout2의 오버슛 전압은 18mV, 언더슛 전압은 3.7mV이며 과도 응답 시간은 각각 20us, 10us이다. 부하가 변화하는 위의 두 경우 모두 Vout2에서는 15mV의 DC 오차가 생긴다.
