The switched-capacitor converter (SCC) is used for generating a high voltage from a low input voltage in the on-chip systems such as on-chip ultrasound imaging systems and implantable cardiac pacemaker systems. The SCC is more beneficial than the conventional boost converter when a high voltage conversion gain needs to be obtained on a chip. However, the SCC has the charge redistribution loss at low switching frequencies, the conduction loss at intermediate switching frequencies, and the switching loss at high switching frequencies. The resonant type SCC, which has an inductor or a buck/boost converter at the input or output node, is proposed to solve this power loss problem using the soft-charging method. Meanwhile, Cockcroft-Walton (C-W) SCC topology is well suited for on-chip implementation because the voltage stresses across the switches and capacitors are limited to double the input voltage at the maximum. However, it has a disadvantage in that the power loss is not reduced significantly when the soft charging is applied using a single inductor. In this work, a split-phase control method to improve the soft-charging performance of the C-W SCC is proposed. The voltage gain of 9.4 and power efficiency of 60.83% is obtained at 1-mA load by applying the proposed split-phase control for the soft-charging operation of the C-W SC.
전하 펌프는 초음파 이미징 회로, 심박 동기 등을 위한 신경 자극 회로 등 칩 내부에서 작은 입력 전압으로부터 큰 출력 전압을 만들어 내기 위해 주로 사용된다. 높은 전압 이득을 얻어야 하는 환경에서 기존의 부스트 컨버터에 비해 전하 펌프가 칩 내 구현 측면에서 유리하다. 그러나, 전하 펌프는 낮은 스위칭 주파수 대역에서는 캐패시터 사이의 전하 이동으로 인한 전력 손실, 중간 스위칭 주파수 대역에서는 스위치의 저항으로 인한 도통 손실, 그리고 높은 스위칭 주파수 대역에서는 스위치의 게이트 커패시턴스로 인한 스위칭 손실이 일어나 효율이 전체적으로 떨어지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해, 입력 단 혹은 출력 단에 인덕터 또는 벅/부스트 컨버터를 달아 소프트 충전 작동을 구현한 하이브리드 전하 펌프가 제안되었다. 한편, 콕크로프트-월튼 전하 펌프의 구조는 스위치와 캐패시터 양 단에 최대 입력 전압의 2배까지만 전압이 걸린다는 점에서 칩 내 구현에 유리하다. 그러나, 인덕터를 달아 소프트 충전을 하는 방식으로 전력 손실 개선을 충분히 할 수 없다는 단점을 가진다. 이 논문에서는 분할 단계 제어 기법을 적용하여 콕크로프트-월튼 구조의 소프트 충전 작동을 개선시키는 기술을 제안하였다. 제안한 분할 단계 제어를 통해 1-mA 전류 부하에서 9.4의 전압 이득을 얻는 동시에, 60.83%의 전력 효율을 달성하였다.
