In Chapter 1, portable electronic devices require multiple supply voltages with relatively large differences in load currents, which causes serious problems such as regulation problem, EMI issues, and low efficiency when adopting a single-inductor multiple-output (SIMO) DC-DC converter. To resolve these problems, this paper presents a SIMO system with 10-output dual-bus DC-DC converter having two buses for heavy and light load outputs, respectively. The converter maintains the load condition for each bus to be well balanced even when the load currents are diversified with the proposed group allocator that properly assigns the bus for each output depending on its load current. The allocation of the load currents is performed using a load current sensing technique of the group allocator specialized for a multiple-output converter. Due to such load balancing function, regulation issues which could occur under diversified load condition are resolved. In measurement result, the system has 10 independently regulated outputs with output voltage ripples below 25mV, and over 81% efficiency is achieved under wide range of load (0-300mA).
In Chapter 2, this paper proposes a new boost converter topology called dual-path step-up converter (DPUC). Unlike conventional boost converter (CBC), which has single path, it has a hybrid structure using one inductor and one flying capacitor and has two paths that can deliver the current. This allows the current delivered to the output to be continuous, reducing the DC level of the inductor current and significantly reducing the output voltage ripple. Therefore, DPUC has higher efficiency and smaller output voltage ripple than CBC. This means that smaller inductors and capacitors than CBC can be used. In addition, the feedforward nature of the flying capacitor can reduce the RHP-zero effect that slows the transient response of the CBC. The measured results show that the DPUC has a high efficiency of 95.2% and a small ripple of up to 15mV can be observed even though the DCR of the inductor is 200m$\Omega$. Moreover, the RHP-zero effect reduced by the load transient response.
본 논문에서는, 이중 전류 경로를 이용하는 다중 강압 형 출력을 위한 직류-직류 컨버터와 단일 승압 형 출력을 위한 고효율 직류-직류 컨버터에 관한 전력 관리 칩 설계에 대한 새로운 구조를 제안한다.
1장에서는 모바일 기기가 다수의 전원을 필요로 함에 따라 단일 인덕터 다중 출력 컨버터(SIMO)를 PCB 면적과 가격을 줄이기 위해 사용하려는 시도들이 있다. 이러한 단일 인덕터 다중 출력 컨버터 사용 시 각기 다른 전압과 전류 조건에서 레귤레이션 성능, EMI, 낮은 효율의 문제가 생긴다. 이를 해결하기 위해 본 논문은 2개의 버스를 이용하여 부하 전류의 조건에 따라 각기 다른 컨트롤을 할 수 있도록 디자인 된 10개 출력을 가지는 SIMO 시스템을 소개한다. 그룹 분배기(GA)는 각 출력의 부하 전류 조건에 따라 각기 다른 방식으로 제어되는 버스에 출력을 할당하여 항상 부하 전류가 밸런스를 유지하게 한다. 이러한 부하 전류 밸런싱 기능 때문에 기존의 단일 인덕터 다중 출력 컨버터가 가지고 있던 레귤레이션 성능 및 문제를 해결 하였다. 측정 결과를 통해 출력 전압 리플이 25mV 이하이며 부하 전류 0-300mA의 넓은 범위에서도 81%이상의 효율을 얻을 수 있었다.
2장에서는 이중 경로 승압 형 컨버터(DPUC) 라는 새로운 승압 형 컨버터의 새로운 토폴로지를 제안한다. 하나의 패스를 가지는 기존의 승압 형 컨버터와 달리 하나의 인덕터와 하나의 플라잉 커패시터를 사용하는 하이브리드 구조로서 전류가 흐를 수 있는 두 개의 패스를 가진다. 이는 출력으로 전달되는 전류를 연속적으로 만들어 인덕터 전류의 DC 레벨을 줄이고 출력 전압 리플을 상당히 감소 시킬 수 있다. 그러므로 DPUC는 기존의 승압 형 컨버터 대비 더 높은 효율과 작은 리플을 가진다. 추가적으로 플라잉 커패시터의 피드포워드 특성 때문에 기존의 승압 형 컨버터가 가지는 정영점 효과를 경감시킬 수 있다. 200m$\Omega$의 큰 DCR에도 불구하고 DPUC는 95.2%의 높은 효율을 나타내며 최대 15mV의 작은 리플을 확인 할 수 있다. 그리고 측정된 과도 응답 속도로 경감된 정영점 효과를 확인 할 수 있다.
