As mobile device have been generalization, role of power management IC is more important. However, conventional voltage mode and current mode dc-dc converter have stability issue. therefore, large compensation capacitor is needed and it increase area cost.
To solve the issue, one of methods is hysteretic mode control. Because there is no stability issue in hysteretic mode dc-dc converter, compensation capacitor is not needed. But, conventional current mode hysteretic dc-dc converter has trade-off between transient response and RC feedback network connected in parallel with inductor. And also, as battery voltage is varying from 4.5V to 2.7V, switching frequency of the converter is not fixed. therefore, it arouse decrease of efficiency and EMI noise problem.
Proposed quasi-current mode hysteretic dc-dc converter break the trade-off in conventional current mode dc-dc converter. In proposed structure, as inductor current is quasi-copied through OTA, sensing capacitor can be much smaller. Sensing capacitor is periodical reset, thereby improving transient response without additional block.
Switching frequency of converter is fixed by controlling input voltage of OTA. As comparing switching frequency with reference frequency, resistance connected input of OTA is changed. Therefore, sensing voltage of sensing capacitor is controlled and switching frequency is fixed.
Total on-chip capacitor 3pF is used. Each settling time and undershoot voltage or overshoot voltage of light to heavy, heavy to light load transient is 1.97us, 29mV and 1.96us, 28.8mV in proposed structure. And switching frequency is fixed within 0.3%(avg.) based on reference frequency. The circuit is implemented in $0.35 $\mu m$ dongbu BCD process.
본 논문은 히스테리틱 직류-직류 변환기가 가진 장점을 유지하면서도 기존의 전류모드 히스테리틱 직류-직류 변환기에서 인덕터 양단에 연결된 저항 및 캐패시터의 값과 transient response 간의 trade-off 문제를 해결한 의사 전류모드 히스테리틱 직류-직류 변환기를 제안하였다.
기존의 전류모드 히스테리틱 직류-직류 변환기는 인덕터 양단에 연결된 저항 및 캐패시터의 값이 작으면 area cost를 줄일 수 있는 반면 transient response가 나빠졌고, 저항 및 캐패시터의 값이 커지면 transient response는 좋아진 반면 area cost가 상승하는 trade-off 관계를 가졌다. 하지만 제안하는 의사 전류모드 히스테리틱 직류-직류 변환기는 OTA를 통하여 전류를 캐패시터에 적분하거나(on-time), 캐피시터로부터 OTA 쪽으로 전류를 빼 냄으로써(off-time) 작은 캐패시터를 사용하여 area cost를 감소시켰다. 또한 히스테리시스 비교기 window 전압의 상한값 및 하한값과 $V_{comp_in} (= V_o + V_{sen})$ 이 같아 질 경우 $C_{sen}$ 캐패시터 양단을 reset 함으로써 transient시 발생하는 $V_{sen}$ 의 offset을 제거하였다. 이러한 주기적인 reset 통하여 추가적인 block 없이도 transient response를 보다 향상 시켰다.
히스테리틱 직류-직류 변환기의 issue들 중 하나는 스위칭 주파수를 고정 주파수로 만들기 위한 방법이다. 기존의 방법은 digitally 컨트롤하거나[2], DLL을 이용하는 방법[3], DPLL[4]을 이용하는 방법이 있었다. 하지만 기준 주파수가 상대적으로 높고[2], loop filter 보상을 위해 보상 캐패시터가 삽입되어 하며[3], 출력 전압의 레귤레이션 정확도가 감쇠[4, 5]되는 특징이 있었다. 하지만 제안하는 스위칭 주파수 고정 컨트롤 방법은 기준 주파수와 현재 스위칭 주파수를 비교하여 OTA 양단 전압을 가변함으로써 스위칭 주파수를 조절한다. 이와 같이 스위칭 주파수를 컨트롤하게 되면 상대적으로 높은 기준 주파수를 사용할 필요가 없고, 보상이 필요 없으며, 출력 전압을 레귤레이션 하는 loop과 스위칭 주파수를 컨트롤하는 loop이 별도로 존재함으로 스위칭 주파수 컨트롤이 출력 전압 레귤레이션에 영향을 주지 않도록 하였다.
