In Chapter 1, a high-SNR inductor-free 3D hover sensor is presented. This work solved the low signal component issue, which is the biggest problem in 3D hover sensing. For this purpose, we propose a power- and cost-effective high-voltage driving technique in self-capacitance sensing scheme (SCSS) and lateral resolution optimization of a touch panel. In addition, the huge panel offsets in the SCSS from both vertical panel capacitance ($C_{SV}$) and horizontal panel capacitance ($C_{SH}$) can be effectively eliminated by exploiting the panel’s natural characteristics, without using other costly resources. Therefore, in the proposed design, the total calibration block is minimized only for parasitic capacitance mismatches. Lastly, by adopting new driving scheme, two-phase simultaneous sensing is enabled to increase the SNR further. The proposed hover sensing system achieved a 39 dB SNR at a 1 cm hover point under a 240 Hz scan rate condition in noise experiments, while consuming $183 \mu W$/electrode and 0.73 $mm^2$/sensor, which are the lowest power per electrode performance and the smallest die-area per sensor performance, respectively, in comparison to the state-of-the-art 3D hover systems.
In Chapter 2, a dual-path step-down converter (DPNC) is presented for achieving high power efficiency in the mobile PMICs. Adopting a hybrid structure using one inductor and one flying capacitor, the proposed DPNC supplies a load current via two parallel paths, solved an intrinsic problem of CBT, which is a significant power loss from a large DCR of the inductor ($R_{DCR}$). Therefore, DPNC not only achieves a high power efficiency, but also reduces a heating problem, which is another critical issue in the mobile set. Moreover, DPNC can shrink the volume of the PMIC set with a low manufacturing cost, by alleviating a RDCR specification of the inductor. In this paper, although a 250 $m \omega$ of large $R_{DCR}$ inductor is used for our measurements, a 96.2 % of peak efficiency was achieved and the power loss of total parasitic resistances can be reduced to up to 30% of that of conventional buck converter. Moreover, according to our measurement plots, it was verified that DPNC achieves much higher efficiency not only in a wide load current ($I_{LOAD}$) range, but also in a wide conversion ratio ($V_{OUT}$/$V_{IN}$) range, compared to the conventional buck converter.
본 논문은 모바일 기기용 고 SNR 3D 호버 센서와 높은 효율을 갖는 듀얼패스 스텝다운 컨버터에 관한 연구이다.
챕터 1은 고 SNR 호버 센서에 관한 연구를 다루며, 본 연구는 3D 호버 센싱의 가장 큰 문제점인 낮은 신호 성분에 대한 문제를 해결했다. 이를 위해 전력과 가격에 있어 효율적인 고전압 드라이빙 기술과, 터치패널의 수평 레졸루션을 최적화 하는 기술을 제안하였다. 뿐만 아니라, 패널의 자체적 특성을 이용해 셀프 커패시던스 센싱 방법에서 발생하는 매우 큰 패널 오프셋을 효과적으로 제거하였다. 따라서 본 기술에서는 캘리브레이션 블락을 최소화 할 수 있다. 본 논문의 호버센싱 시스템은 1 cm 호버 포인트에서 39 dB 의 높은 SNR 성능을 내었으며, 전극당 파워 성능 및 센서당 면적 성능을 각각 $83 \mu W$/electrode와, 0.73 $mm^2$/sensor를 달성하며 가장 좋은 성능을 보였다.
챕터 2에서는 모바일 기기에서 높은 효율을 얻기 위한 듀얼 패스 스텝다운 컨버터(DPNC)에 대한 내용을 다룬다. 한 개의 인덕터와 한 개의 플라잉 커패시터를 사용한 하이브리드 구조를 채택함으로서, 제안한 DPNC는 2개의 병렬 경로로 부하전류를 공급함에 따라, 인덕터의 DCR에서 발생하는 높은 전력 소모 문제인 기존의 벅 컨버터 (CBT)의 고질적인 문제를 해결하였다. DPNC는 높은 효율을 얻음으로서 발열문제만 줄였을 뿐 아니라, PMIC 세트의 부피를 줄일 수 있으며, 제조단가 또한 낮출 수 있다. 본 논문에서는 250 $m \omega $ 의 큰 기생저항을 포함한 인덕터를 사용했음에도 불구하고, 기존의 벅 컨버터 대비 기생 저항에서 발생하는 전력소모를 최대 30% 까지 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 DPNC는 기존의 벅 컨버터 대비 매우 넓은 부하전류 범위와, 넓은 전압 변환 비율에서 모두 높은 효율 성능을 보였다.
