This thesis focuses on Indirect control method of switching boost DC-DC converter. Conventional control method of DC-DC converter, such as voltage mode control and current mode control affect by inductor, output capacitor and load current. So far, the DC-DC converter has solved this problem using compensator which is not easy to design.
In the conventional voltage mode control direct duty cycle control with an output voltage feedback, the inductor and the output capacitor interact with each other, making a complex pole pair, resulting in difficulties in the compensator design. In the conventional current mode control with an output voltage feedback, helps remove the dynamics of the inductor, and the loop remains affected only by the output capacitor and output load. But the output pole frequency changes dependent on the load equivalent resistance, or the load current, relatively.
This dependence has caused a lot of troubles including a serious trade-off between stability and area consumption or between stability and speed. And DC-DC converter designers have a difficult time to make a compensator to obtain enough stability for a wide range of load variation.
The proposed converter regulates output voltage by a comparator operation. The main control loop is monitoring phase difference between the output signals of output comparator, ‘PHI’ and the ‘SET’ signal which operates main NMOS gate to generate the reference signal for build-up current. These two signals are feedback-controlled to be in-phase to regulate the inductor current. The regulated inductor current means that the output voltage is also regulated to a target voltage and freewheeling current is converging to zero.
The converter control loop is no longer dependent on the values of the inductor, output capacitor, or the load equivalent resistance. The design of a loop compensator is therefore greatly simplified and converter can provide the better performance. Freewheeling current is converging to zero so the converter can operate power efficiently.
The input voltage of the proposed converter is 3.7V and the proposed converter has one positive output of 8V with a switching frequency of 1MHz. The proposed converter is designed in a 0.35μm Dongbu BCD process.
이 학위논문은 승압형 스위칭 직류-직류 변환기의 간접적 제어 방식에 관한 논문이다. 전압 모드, 전류 모드와 같은 기존의 직류-직류 변환기의 제어 방식은 출력 커패시터나 부하 전류에 따라 영향을 받게 된다. 이제까지의 직류-직류 변환기에서는 이러한 문제점을 보상기를 이용해 해결하였지만, 이 보상기 설계가 까다롭다는 단점이 있다. 기존의 전압 모드에서는 출력 전압을 피드백 받아 스위치의 듀티 싸이클을 직접적으로 제어했다. 이러한 방법은 출력 커패시터와 인덕터가 상호 작용을 통해 컴플렉스 폴을 형성하게 되고 이는 보상기의 설계를 더욱 더 어렵게 만든다. 기존의 전류 모드 역시 출력 전압을 피드백 받아서 루프를 형성하지만, 인덕터 전류 정보를 이용하기 때문에 인덕터에 의한 영향은 없어지고 오직 출력 커패시터와 부하 전류에 의해서만 영향을 받게 된다. 하지만 출력 측에 형성되는 폴이 부하 전류에 따라 주파수가 바뀌게 된다는 단점이 있다.
이러한 변수 의존적인 성향은 많은 문제를 일으키게 되는데, 안정성과 동작 속도간의 트레이드-오프가 일어날 수 있고 또한 넓은 부하 전류에 대해 안정적인 동작을 시키기 위한 보상기 설계를 어렵게 만든다.
제안하고자 하는 변환기는 출력 전압을 비교기 동작만을 가지고 레귤레이션시키게 된다. 메인 제어 루프는 출력 비교기의 출력 정보인 `PHI`와 메인 스위치를 동작 시키는 신호인 `SET` 간의 위상 차이를 모니터링하고 이 두신호를 피드백 받아서 인덕터에 흐르는 전류를 조절하게 된다. 인덕터에 흐르는 전류를 제어함으로써 출력 전압이 목표 전압에 도달하게 되고 프리 휠링하는 전류는 0으로 수렴하게 된다.
변환기의 루프는 더이상 인덕터나 출력 커패시터, 부하전류에 영향을 받지 않게 된다. 그러므로 보상기의 설계가 아주 간단해지고 변환기 자체의 성능 또한 향상되게 된다. 프리휠링 전류가 0으로 수렴하기 때문에 전력면에서도 효율적이다.
입력 전압은 3.7V이고 출력전압은 8V이며 한개의 출력을 가지고 동작 주파수는 1MHz이다. 제안하고자하는 변환기는 동부 0.35um BCD공정으로 설계를 하였다.
