This thesis addresses Single-Inductor Multiple Output DC-DC Converter with Hybrid Energy Transfer Me-dia topology for Active Matrix OLEDs Display. To enhance the efficiency, Hybrid Energy Transfer Media topologies are adopted. And to achieve high stability, Ripple Current Control and Current Hysteretic Control are used.
In Chapter 1, A hybrid-type Single Inductor Boost/Buck Inverting Flyback(SIBBIF) DC-DC Converter is presented. To increase the converter efficiency, a flying capacitor as well as an inductor is adopted as another energy transfer medium together with multi-level gate driver (MLGD). Besides, to enhance load transient re-sponse, hybrid fast transient control (HFTC) is adopted. The proposed chip is implemented in a $0.5-\mu m$ power BCD process and operates at 1.25 MHz with a max efficiency of 87.1% at an output power of 600 mW.
In Chapter 2, A Dual Hybrid Energy transfer media (DHE) Single-Inductor Boost-Inverting Flyback (SIBIF) DC-DC Converter is presented. To increase the converter efficiency, two flying capacitors as well as an inductor are adopted as additional energy transfer media. Furthermore, in order to remove the bifurcation problem occurring in the SIMO type converter, a Bifurcation Free Comparator (BFC) is adopted. The pro-posed chip is implemented in a $0.5-\mu m$ power BCD process and operates at 1.25 MHz with a max efficiency of 89% at an output power of 600 mW.
In Chapter 3, A new Ripple Current Controlled boost converter is presented to achieve high stability for load variation and high efficiency. A flying capacitor as well as an inductor is adopted as another energy transfer medium to increase the converter efficiency. The proposed chip is implemented in a $0.35-\mu m$ power BCD process. The transient dip voltage is 30mV with a 70mA load change, and the peak efficiency is 90% for an output power of 480mW. The maximum output power is 1.5W.
In Chapter 4, A Single-Inductor Multiple-Output switching DC-DC Converter for use in AMOLED displays is presented. To obtain high stability, emulated absolute current hysteretic control is adopted. Furthermore, two additional flying capacitors are adopted as additional energy transfer media in order to alleviate voltage stress for a large step-up voltage ratio and to balance the energy of the converter. The proposed chip is imple-mented in a $0.5-\mu m$ power BCD process and operates at 600 MHz with a maximum efficiency of 84.5 % at an output power of 670 mW.
본 학위 논문에서는 AMOLED (능동 매트릭스 OLED) 디스플레이의 전원으로 사용 되는 DC-DC 컨버터에 대해서 다루고 있다. 비용 절감과 PCB 실장 면적을 줄이기 위하여 인덕터 하나를 사용하여 다수의 출력 전압을 만들어 내는 단일 인덕터 다중 출력 DC-DC 컨버터 (Single-Inductor Multiple Output DC-DC Converter)에 대하여 소개 하였다. 그리고, 파워 손실 측면에서 가장 큰 요소인 인덕터의 기생저항에 의하여 발생되는 전도 손실을 줄여서 효율을 높이기 위하여 에너지 전달 매개체로써 인덕터와 캐패시터를 동시에 사용한 Hybrid Energy Transfer Media(HETM) 구조에 대하여 제안하였다.
제 1장에서는 전압 구동 방식의 AMOLED 패널의 전원으로 쓰이는 양전압과 음전압을 생성하는 Single Inductor Boost/Buck Inverting Flyback(SIBBIF) DC-DC 컨버터에 대하여 기술 하였다. 효율을 증가 시키기 위하여 인덕터와 캐패시터를 동시에 사용한 Hybrid Energy Transfer Media(HETM) 구조를 사용하였으며 스위치 게이트 드라이버의 파워 손실을 줄이기 위하여 Multi-Level Gate Driver(MLGD)를 사용하였다. 제안 된 IC는 $0.5-\mu m$ power BiCMOS DMOS(BCD) 공정을 사용하여 제작 되었고, Texas Instrument사 컨버터의 낮은 효율(최대 효율 75%)보다 10%이상 개선 된 87.1%의 최대 효율을 얻는 성과를 이루었다.
제 2장에서는 1장과 같은 목적인 전압 구동 방식의 AMOLED 패널의 전원으로 쓰이는 양전압과 음전압을 생성하는 Single-Inductor Boost-Inverting Flyback (SIBIF) DC-DC 컨버터에 대하여 기술 하였다. 이 장에서는 HETM구조의 양전압이 형성되는 에너지 전달 경로에 캐패시터를 에너지 전달 매개로써 추가한 Dual Hybrid Energy transfer media (DHE) 구조를 제안하였다. DHE 구조를 사용함으로써 HETM구조 보다 인덕터 첨두 전류의 크기를 더 줄일 수가 있었고 결과적으로 89%의 최대 효율을 얻는 성과를 이루었다. 또한 단일 인덕터를 사용한 DC-DC 컨버터의 비교기 제어에서 생기는 bifurcation 문제를 해결하기 위하여 Bifurcation Free Comparator (BFC)를 새롭게 제안하였다.
제 3장에서는 Ripple Current Control Boost 컨버터에 대하여 기술 하였다. 종래의 Boost 컨버터 제어는 출력전압을 Error-Amp를 통하여 제어하는 Proportional-Integral(PI) 제어를 사용하여 부하 전류나 출력 필터링 캐패시터와 같은 출력 조건에 의하여 Stability가 영향을 받았고 전체 loop의 보상기 설계도 어려웠다. 그래서, 이 장에서는 출력 조건 변동의 영향에 둔감한 새로운 Ripple Current Control이라는 일종의 hysteretic 제어를 제안하였다. 또한 앞장과 마찬가지로 인덕터 첨두전류를 줄이기 위하여 HETM 구조를 사용하였다. 70mA의 부하전류 변동에 대하여 30mV의 우수한 transient dip voltage 특성을 확인 하였고, 90%의 최대 효율을 얻는 성과를 이루었다.
제 4장에서는 디지털 구동 방식의 AMOLED 패널의 전원으로 쓰이는 Single-Inductor 5 Output DC-DC 컨버터에 대하여 소개하였다. 높은 stability 특성을 위하여 새로운 Emulated Absolute Current Hysteretic 제어가 사용되었다. 그리고, 출력 전압 중 가장 높은 전압으로 승압하는 경우의 인덕터 양단 전압 스트레스를 감소시키기 위하여 에너지 전달 매개체로써 한 개의 캐패시터가 사용 되었고, 음전압 생성과 인덕터 양단의 에너지 균형을 위하여 하나의 캐패시터가 더 추가 된 구조를 사용하였다. 스위칭 주파수는 600MHz이며 출력 파위 670mW에서 84.5%의 최대 효율을 얻는 성과를 이루었다.
