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工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of Step-Down DC-DC converter using low power buffer for efficiency improvement 2008年 2月 仁荷大學校 大學院 電子工學科(情報工學專攻) 趙大雄

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Page 1: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

工學碩士學位請求論文

력 버퍼를 이용한 고효율

스텝다운 DC-DC 변환기

Design of Step-Down DC-DC converter

using low power buffer for efficiency

improvement

2008年 2月

仁荷大學校 大學院

電子工學科(情報工學 攻)

趙 大 雄

工學碩士學位請求論文

력 버퍼를 이용한 고효율

스텝다운 DC-DC 변환기

Design of Step-Down DC-DC converter

using low power buffer for efficiency

improvement

2008年 2月

指 敎授 尹 廣 燮

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

電子工學科(情報工學 攻)

趙 大 雄

이 論文을 趙 大 雄의 工學碩士學位論文으로 認定함

2008年 2月

主 審

副 審

委 員

- ii -

요 약

본 논문은 무선 모바일(wireless mobile) 시스템의 력구동을

해 용 가능한 력 버퍼를 이용한 고성능 스텝다운 DC-DC

변환기를 제안한다 제안한 스텝다운 변환기는 33 V에서 25 V까지

의 압을 입력받아 18 V의 압을 출력하도록 설계하 고 035um

CMOS 공정을 이용하여 full custom 방식으로 회로를 구 하 다

본 논문에서는 부궤환 회로의 수동 소자 커패시터를 집 화시

키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하 다 커패시터

멀티 라이어 기법을 사용하면 등가 커패시터의 류를 증가시킴으

로써 커패시터의 용량을 증가시킬 수 있다 한 보상회로의 커패시

터를 집 화시킴으로써 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다 그러나 이

기법을 사용하면 연산 증폭기를 사용하게 된다 그러면 체 효율

은 2sim3가 떨어지게 된다 이러한 상을 보상하기 해서

력 버퍼 기법을 도입하 다 력 버퍼를 이용하면 VDD에서

GND로 흐르는 류를 임으로써 DC-DC 변환기 체 효율을 증

가시킬 수 있다

본회로의 측정 결과 40mA에서 300mA까지의 부하를 구동하며

117미만의 리 을 가진 안정된 18V 압을 출력하는 것을 확인

하 다 한 최 839의 력효율을 얻어 여타 CMOS 공정을

이용한 DC-DC 변환기 보다는 조 낮은 효율을 나타내지만 스 칭

주 수가 5MHz인 것을 감안하면 우수한 성능을 나타낸다고 할 수

있다[23] 본 논문에서 제안하는 스텝다운 DC-DC 변환기는 한정된

배터리를 사용하는 휴 폰 PDA 노트북등 다양한 휴 자제품으

로의 응용이 상된다

- iii -

Abstract

This thesis proposes step-down DC-DC converter using low

power buffer for high efficiency power supply of the wireless

mobile communication system Proposed step-down converter has

33V to 25V input range and 18V output 035um CMOS

technology and Full Custom methodology are used

This paper used the capacitor multiplier method to integrate

capacitor of negative feedback circuit The capacitor multiplier

method increases capacitor capacity as increasing equivalent

capacitor current Also this method improves competitive price as

integrating capacitor to chip But this method used operational

amplifier Thus total efficiency decreased to about 84 in circuit

simulation To overcome this condition we introduced low power

method The low power buffer increased DC-DC converter total

efficiency as reducing current form VDD to GND

Measurement result shows that the circuit drives 40[mA] to

300mA load and has less than 117 ripple on 18V output Also

proposed circuit has maximum 839 power efficiency which is

competitive outcome among other proposed CMOS DC-DC

converter on papers and journals Proposed DC-DC step-down

converter on this thesis can used in cellular phone PDA

notebook and many other applications that use limited battery

power source

- iv -

목 차

요 약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

그 림 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

표 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ

제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

21 스텝다운 DC-DC 변환기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

24 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

25 보상회로의 MATLAB 모의실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

제 3 장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

32 오차 증폭기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

33 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

34 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

35 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

36 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

37 듀티 제어 블록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

38 워 스 치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

39 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

- v -

제 4 장 측정 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

41 모의 실험 결과 성능 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

42 측정결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

43 성능 비교 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

제 5 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

참고 문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot65

- vi -

그 림 목 차

그림 11 휴 용기기 원의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

그림 21 일반 인 DC-DC 벅 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 214 보상된 시스템의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 31 5[MHz] 스 칭 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기 로어 랜 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 34 캐스코드 OTA 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

그림 35 오차 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 36 Type I 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 37 Type II 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

- vii -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

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그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 2: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

工學碩士學位請求論文

력 버퍼를 이용한 고효율

스텝다운 DC-DC 변환기

Design of Step-Down DC-DC converter

using low power buffer for efficiency

improvement

2008年 2月

指 敎授 尹 廣 燮

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

電子工學科(情報工學 攻)

趙 大 雄

이 論文을 趙 大 雄의 工學碩士學位論文으로 認定함

2008年 2月

主 審

副 審

委 員

- ii -

요 약

본 논문은 무선 모바일(wireless mobile) 시스템의 력구동을

해 용 가능한 력 버퍼를 이용한 고성능 스텝다운 DC-DC

변환기를 제안한다 제안한 스텝다운 변환기는 33 V에서 25 V까지

의 압을 입력받아 18 V의 압을 출력하도록 설계하 고 035um

CMOS 공정을 이용하여 full custom 방식으로 회로를 구 하 다

본 논문에서는 부궤환 회로의 수동 소자 커패시터를 집 화시

키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하 다 커패시터

멀티 라이어 기법을 사용하면 등가 커패시터의 류를 증가시킴으

로써 커패시터의 용량을 증가시킬 수 있다 한 보상회로의 커패시

터를 집 화시킴으로써 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다 그러나 이

기법을 사용하면 연산 증폭기를 사용하게 된다 그러면 체 효율

은 2sim3가 떨어지게 된다 이러한 상을 보상하기 해서

력 버퍼 기법을 도입하 다 력 버퍼를 이용하면 VDD에서

GND로 흐르는 류를 임으로써 DC-DC 변환기 체 효율을 증

가시킬 수 있다

본회로의 측정 결과 40mA에서 300mA까지의 부하를 구동하며

117미만의 리 을 가진 안정된 18V 압을 출력하는 것을 확인

하 다 한 최 839의 력효율을 얻어 여타 CMOS 공정을

이용한 DC-DC 변환기 보다는 조 낮은 효율을 나타내지만 스 칭

주 수가 5MHz인 것을 감안하면 우수한 성능을 나타낸다고 할 수

있다[23] 본 논문에서 제안하는 스텝다운 DC-DC 변환기는 한정된

배터리를 사용하는 휴 폰 PDA 노트북등 다양한 휴 자제품으

로의 응용이 상된다

- iii -

Abstract

This thesis proposes step-down DC-DC converter using low

power buffer for high efficiency power supply of the wireless

mobile communication system Proposed step-down converter has

33V to 25V input range and 18V output 035um CMOS

technology and Full Custom methodology are used

This paper used the capacitor multiplier method to integrate

capacitor of negative feedback circuit The capacitor multiplier

method increases capacitor capacity as increasing equivalent

capacitor current Also this method improves competitive price as

integrating capacitor to chip But this method used operational

amplifier Thus total efficiency decreased to about 84 in circuit

simulation To overcome this condition we introduced low power

method The low power buffer increased DC-DC converter total

efficiency as reducing current form VDD to GND

Measurement result shows that the circuit drives 40[mA] to

300mA load and has less than 117 ripple on 18V output Also

proposed circuit has maximum 839 power efficiency which is

competitive outcome among other proposed CMOS DC-DC

converter on papers and journals Proposed DC-DC step-down

converter on this thesis can used in cellular phone PDA

notebook and many other applications that use limited battery

power source

- iv -

목 차

요 약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

그 림 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

표 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ

제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

21 스텝다운 DC-DC 변환기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

24 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

25 보상회로의 MATLAB 모의실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

제 3 장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

32 오차 증폭기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

33 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

34 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

35 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

36 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

37 듀티 제어 블록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

38 워 스 치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

39 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

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제 4 장 측정 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

41 모의 실험 결과 성능 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

42 측정결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

43 성능 비교 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

제 5 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

참고 문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot65

- vi -

그 림 목 차

그림 11 휴 용기기 원의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

그림 21 일반 인 DC-DC 벅 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 214 보상된 시스템의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 31 5[MHz] 스 칭 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기 로어 랜 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 34 캐스코드 OTA 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

그림 35 오차 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 36 Type I 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 37 Type II 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

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그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

- viii -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

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표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

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제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 3: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

이 論文을 趙 大 雄의 工學碩士學位論文으로 認定함

2008年 2月

主 審

副 審

委 員

- ii -

요 약

본 논문은 무선 모바일(wireless mobile) 시스템의 력구동을

해 용 가능한 력 버퍼를 이용한 고성능 스텝다운 DC-DC

변환기를 제안한다 제안한 스텝다운 변환기는 33 V에서 25 V까지

의 압을 입력받아 18 V의 압을 출력하도록 설계하 고 035um

CMOS 공정을 이용하여 full custom 방식으로 회로를 구 하 다

본 논문에서는 부궤환 회로의 수동 소자 커패시터를 집 화시

키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하 다 커패시터

멀티 라이어 기법을 사용하면 등가 커패시터의 류를 증가시킴으

로써 커패시터의 용량을 증가시킬 수 있다 한 보상회로의 커패시

터를 집 화시킴으로써 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다 그러나 이

기법을 사용하면 연산 증폭기를 사용하게 된다 그러면 체 효율

은 2sim3가 떨어지게 된다 이러한 상을 보상하기 해서

력 버퍼 기법을 도입하 다 력 버퍼를 이용하면 VDD에서

GND로 흐르는 류를 임으로써 DC-DC 변환기 체 효율을 증

가시킬 수 있다

본회로의 측정 결과 40mA에서 300mA까지의 부하를 구동하며

117미만의 리 을 가진 안정된 18V 압을 출력하는 것을 확인

하 다 한 최 839의 력효율을 얻어 여타 CMOS 공정을

이용한 DC-DC 변환기 보다는 조 낮은 효율을 나타내지만 스 칭

주 수가 5MHz인 것을 감안하면 우수한 성능을 나타낸다고 할 수

있다[23] 본 논문에서 제안하는 스텝다운 DC-DC 변환기는 한정된

배터리를 사용하는 휴 폰 PDA 노트북등 다양한 휴 자제품으

로의 응용이 상된다

- iii -

Abstract

This thesis proposes step-down DC-DC converter using low

power buffer for high efficiency power supply of the wireless

mobile communication system Proposed step-down converter has

33V to 25V input range and 18V output 035um CMOS

technology and Full Custom methodology are used

This paper used the capacitor multiplier method to integrate

capacitor of negative feedback circuit The capacitor multiplier

method increases capacitor capacity as increasing equivalent

capacitor current Also this method improves competitive price as

integrating capacitor to chip But this method used operational

amplifier Thus total efficiency decreased to about 84 in circuit

simulation To overcome this condition we introduced low power

method The low power buffer increased DC-DC converter total

efficiency as reducing current form VDD to GND

Measurement result shows that the circuit drives 40[mA] to

300mA load and has less than 117 ripple on 18V output Also

proposed circuit has maximum 839 power efficiency which is

competitive outcome among other proposed CMOS DC-DC

converter on papers and journals Proposed DC-DC step-down

converter on this thesis can used in cellular phone PDA

notebook and many other applications that use limited battery

power source

- iv -

목 차

요 약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

그 림 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

표 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ

제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

21 스텝다운 DC-DC 변환기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

24 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

25 보상회로의 MATLAB 모의실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

제 3 장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

32 오차 증폭기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

33 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

34 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

35 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

36 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

37 듀티 제어 블록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

38 워 스 치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

39 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

- v -

제 4 장 측정 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

41 모의 실험 결과 성능 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

42 측정결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

43 성능 비교 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

제 5 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

참고 문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot65

- vi -

그 림 목 차

그림 11 휴 용기기 원의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

그림 21 일반 인 DC-DC 벅 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 214 보상된 시스템의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 31 5[MHz] 스 칭 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기 로어 랜 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 34 캐스코드 OTA 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

그림 35 오차 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 36 Type I 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 37 Type II 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

- vii -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

- viii -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 4: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- ii -

요 약

본 논문은 무선 모바일(wireless mobile) 시스템의 력구동을

해 용 가능한 력 버퍼를 이용한 고성능 스텝다운 DC-DC

변환기를 제안한다 제안한 스텝다운 변환기는 33 V에서 25 V까지

의 압을 입력받아 18 V의 압을 출력하도록 설계하 고 035um

CMOS 공정을 이용하여 full custom 방식으로 회로를 구 하 다

본 논문에서는 부궤환 회로의 수동 소자 커패시터를 집 화시

키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하 다 커패시터

멀티 라이어 기법을 사용하면 등가 커패시터의 류를 증가시킴으

로써 커패시터의 용량을 증가시킬 수 있다 한 보상회로의 커패시

터를 집 화시킴으로써 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다 그러나 이

기법을 사용하면 연산 증폭기를 사용하게 된다 그러면 체 효율

은 2sim3가 떨어지게 된다 이러한 상을 보상하기 해서

력 버퍼 기법을 도입하 다 력 버퍼를 이용하면 VDD에서

GND로 흐르는 류를 임으로써 DC-DC 변환기 체 효율을 증

가시킬 수 있다

본회로의 측정 결과 40mA에서 300mA까지의 부하를 구동하며

117미만의 리 을 가진 안정된 18V 압을 출력하는 것을 확인

하 다 한 최 839의 력효율을 얻어 여타 CMOS 공정을

이용한 DC-DC 변환기 보다는 조 낮은 효율을 나타내지만 스 칭

주 수가 5MHz인 것을 감안하면 우수한 성능을 나타낸다고 할 수

있다[23] 본 논문에서 제안하는 스텝다운 DC-DC 변환기는 한정된

배터리를 사용하는 휴 폰 PDA 노트북등 다양한 휴 자제품으

로의 응용이 상된다

- iii -

Abstract

This thesis proposes step-down DC-DC converter using low

power buffer for high efficiency power supply of the wireless

mobile communication system Proposed step-down converter has

33V to 25V input range and 18V output 035um CMOS

technology and Full Custom methodology are used

This paper used the capacitor multiplier method to integrate

capacitor of negative feedback circuit The capacitor multiplier

method increases capacitor capacity as increasing equivalent

capacitor current Also this method improves competitive price as

integrating capacitor to chip But this method used operational

amplifier Thus total efficiency decreased to about 84 in circuit

simulation To overcome this condition we introduced low power

method The low power buffer increased DC-DC converter total

efficiency as reducing current form VDD to GND

Measurement result shows that the circuit drives 40[mA] to

300mA load and has less than 117 ripple on 18V output Also

proposed circuit has maximum 839 power efficiency which is

competitive outcome among other proposed CMOS DC-DC

converter on papers and journals Proposed DC-DC step-down

converter on this thesis can used in cellular phone PDA

notebook and many other applications that use limited battery

power source

- iv -

목 차

요 약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

그 림 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

표 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ

제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

21 스텝다운 DC-DC 변환기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

24 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

25 보상회로의 MATLAB 모의실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

제 3 장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

32 오차 증폭기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

33 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

34 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

35 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

36 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

37 듀티 제어 블록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

38 워 스 치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

39 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

- v -

제 4 장 측정 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

41 모의 실험 결과 성능 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

42 측정결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

43 성능 비교 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

제 5 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

참고 문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot65

- vi -

그 림 목 차

그림 11 휴 용기기 원의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

그림 21 일반 인 DC-DC 벅 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 214 보상된 시스템의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 31 5[MHz] 스 칭 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기 로어 랜 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 34 캐스코드 OTA 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

그림 35 오차 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 36 Type I 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 37 Type II 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

- vii -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

- viii -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

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July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 5: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

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Abstract

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33V to 25V input range and 18V output 035um CMOS

technology and Full Custom methodology are used

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Measurement result shows that the circuit drives 40[mA] to

300mA load and has less than 117 ripple on 18V output Also

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목 차

요 약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

그 림 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

표 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ

제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

21 스텝다운 DC-DC 변환기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

24 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

25 보상회로의 MATLAB 모의실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

제 3 장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

32 오차 증폭기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

33 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

34 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

35 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

36 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

37 듀티 제어 블록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

38 워 스 치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

39 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

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제 4 장 측정 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

41 모의 실험 결과 성능 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

42 측정결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

43 성능 비교 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

제 5 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

참고 문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot65

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그 림 목 차

그림 11 휴 용기기 원의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

그림 21 일반 인 DC-DC 벅 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 214 보상된 시스템의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 31 5[MHz] 스 칭 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기 로어 랜 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 34 캐스코드 OTA 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

그림 35 오차 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 36 Type I 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 37 Type II 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

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그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

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그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

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그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

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그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 6: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- iv -

목 차

요 약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

그 림 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

표 목 차middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅷ

제 1 장 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

21 스텝다운 DC-DC 변환기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

24 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

25 보상회로의 MATLAB 모의실험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

제 3 장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

32 오차 증폭기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

33 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

34 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

35 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

36 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

37 듀티 제어 블록 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

38 워 스 치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

39 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

- v -

제 4 장 측정 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

41 모의 실험 결과 성능 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

42 측정결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

43 성능 비교 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

제 5 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

참고 문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot65

- vi -

그 림 목 차

그림 11 휴 용기기 원의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

그림 21 일반 인 DC-DC 벅 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 214 보상된 시스템의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 31 5[MHz] 스 칭 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기 로어 랜 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 34 캐스코드 OTA 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

그림 35 오차 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 36 Type I 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 37 Type II 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

- vii -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

- viii -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 7: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

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제 4 장 측정 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

41 모의 실험 결과 성능 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

42 측정결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

43 성능 비교 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

제 5 장 결 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

참고 문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot65

- vi -

그 림 목 차

그림 11 휴 용기기 원의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

그림 21 일반 인 DC-DC 벅 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 214 보상된 시스템의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 31 5[MHz] 스 칭 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기 로어 랜 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 34 캐스코드 OTA 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

그림 35 오차 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 36 Type I 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 37 Type II 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

- vii -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

- viii -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 8: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- vi -

그 림 목 차

그림 11 휴 용기기 원의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

그림 21 일반 인 DC-DC 벅 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 214 보상된 시스템의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 31 5[MHz] 스 칭 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기 로어 랜 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 34 캐스코드 OTA 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

그림 35 오차 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 36 Type I 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 37 Type II 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

- vii -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

- viii -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 9: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

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그림 38 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 39 Type III 보상회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 310 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 312 발진 램 신호 발생기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 314 비교기middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

그림 315 비교기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 316 소 트 기동회로middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 317 소 트 기동회로 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

그림 318 펄스폭 발생기 회로도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

그림 320 력 버퍼middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

그림 321 력 버퍼 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 322 워 스 치의 기생소자 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

그림 323 워 스 치 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본 개념 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 44 보상된 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

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그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

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표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

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제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

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어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

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이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

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제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

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과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

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입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

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그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

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July

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step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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200524 6

step

down300kHz 89

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200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

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200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 10: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- viii -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 48 오차 증폭기의 출력 압 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 49 인덕터 류 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 410 력효율 그래 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot57

그림 412 부하 류 100[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 413 부하 류 100[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 414 부하 류 200[mA]일 때 워스 치 압 출력 형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 415 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 416 부하 류 200[mA]일 때 출력 압 리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 11: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- ix -

표 목 차

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

표 2 스텝다운 DC-DC 변환기 설계사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

표 4 설계 성능 요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 12: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 1 -

제 1 장 서 론

핸드폰 PDA 노트북 등 응용 제품들이 보편화 되어있으며 시장

한 계속 확 되어가고 있다 이러한 장비들은 생활필수품과 같이

여겨져 오고 있으며 홈 네트워크와 같은 여타 분야에서 원격제어

단말기로써 사용이 가능해 지면서 더욱 생활 깊숙이 자리 매김 할

수 있을 것으로 측된다 다양한 콘텐츠들의 추가는 이러한 상을

진시키는 매 역할을 할 것으로 IT산업 반에 걸쳐 새로운 수

요와 부가가치를 창출할 것이다 휴 용 기기 원의 종류를 블록다

이어그램으로 그림 11에서 나타냈다[13]

그림 11 휴 용기기 원의 종류

Fig 11 Portable device power solution

무선 모바일 커뮤니 이션의 시장의 성장과 문화의 형성은 하드웨

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 13: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 2 -

어 발 을 필요로 하 다 해당 기기 시스템의 고속 동작 높은

해상도는 언 이 필요 없는 요한 성능 변수로써 인식되지만

lsquoHandheld 말 그 로 손에 들고 쓸 수 있는 장비들은 배터리 원

을 기반으로 하고 있다 배터리를 구동이 재되어야 기본 동작이

성립 가능한 것이다 본 논문은 최근 모바일 장비 기술의 성장과

함께 세계 으로 연구가 진행되고 있으며 시장에서 빠르게 출시되

고 있는 상용 제품에서 필요로 하는 력 리 IC에 연구의 심을

두어 은 면 을 가지며 고효율인 스텝다운 DC-DC 변환기 설계기

술 확보에 을 두고 있다

시장조사 회사인 가트 (Gartner)는 2002년 이미 2004년에는 사무

실 근로자들의 60가 어도 3 가지 모바일 장치를 지니거나 소유

하며 소비자를 한 모든 새로운 어 리 이션의 80가 무선 장치

와 목되어질 것이라고 측하 고 IDC (International data

corporation)는 2001년 PDA 무선 화 무선호출 수신기(Pager)

역 치시스템(GPS Global positioning system)을 포함하는 범

한 컴퓨 장치 시장이 60 억 달러를 넘을 것으로 측했다 이는

미국뿐만 아니라 소비자들이 유선연결을 완 히 회피하면서 직

무선 화를 선택하고 있는 우리나라를 포함한 제 3 세계 국가들에

게도 해당 된다 이러한 측은 2007년 재 국내 상황을 들여다보

았을 때 수치 으로 확인 하지 않아도 결과를 알 수 있을 것이다

이러한 장치 매출은 장치 기술 발 을 동반 하 고 두 가지 목표

를 향해 달려왔다 사용자들 심의 이 된 얼마나 많은 기능을

가지고 있는가rdquo와 ldquo얼마나 오래 사용할 수 있는가rdquo가 그것이다

첫 번째 목표는 모바일 인터넷 DMB 내비게이션 모바일 게임 등

의 콘텐츠들을 발 시켰고 이러한 콘텐츠들은 장비의 고속화

용량화를 가져왔다 이는 모바일 장비들의 홈 네트워크 용 단말기로

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

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Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

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그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

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제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

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고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

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극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

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그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

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July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 14: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 3 -

의 사용을 한 역 기술 개발과 같은 맥락을 달리고 있다 두

번째 목표인 사용시간의 연장은 NiCd NiMH Li Ion 등의 새로운

배터리 소재 개발과 원을 효율 으로 사용하도록 장하는 력

리 장치(power management unit)의 개발로 향했다 자는 재료

인 측면에서 연구가 이루어지고 있고 회로 인 측면으로 보았을

때 력 리 장치를 한 력 리 IC(integrated circuit)의 개발로

기술력이 집 되고 있다 실제 핸드폰 력 리 장치의 력 리

IC 사양은 표 1과 같다 블록도와 목록에서 볼 수 있듯이 무선 모바

일 장치의 력을 구동하는 력 리 장치는 스텝다운 DC-DC 변환

기(step-down converter)와 부스트 변환기(boost converter)들로 구

성되어있다

표 1 핸드폰 력 리 장치의 력 리 IC 사양

Table 1 The power management IC specifications of a cellular

phone power management unit

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 15: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 4 -

이러한 스텝다운 DC-DC 변환기와 부스트 변환기는 스 치모드

력 공 기(switch mode power supply) 방식의 회로로써 기존에 사

용되던 리니어 변환기(linear converter)의 효율특성을 개선한 회로

이다 스텝다운 DC-DC 변환기는 DC-DC 변환기 부스트 스텝다

운-부스트 변환기와 함께 비 열 변환기를 구성하는 회로로써 무선

모바일 력구동을 해 활발히 연구가 이루어지고 있는 회로이다

DC-DC 변환기는 구동 방식에 따라 압 구동 방식(Voltage-mode)

과 류 구동 방식(Current-mode)으로 구분되는데 압 구동 방식

은 류 구동 방식에 비해 별도의 류 센싱 회로(current sensing

circuit)가 필요 없으며 신호 잡음비(signal-to-noise ratio)가 작

은 장 을 보유하고 있다[22] 를 들어 그림 12에서 볼 수 있듯이

Li-Ion 배터리 36V 입력 기 15V 출력을 생각했을 때 리니어 변

환기는 40선의 효율을 나타내는 반면 SMPS(switch mode power

supply) 방식의 스텝다운 DC-DC 변환기는 90 이상의 효율을 나

타내는 것을 확인할 수 있다[9]

그림 12 스 치모드 력공 변환기와 리니어 변환기의 효율

비교

Fig 12 Efficiency Comparison of SMPS Converter vs Linear

Converter

- 5 -

시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

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July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
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시스템을 설계함에 있어 더 작고 가볍고 높은 집 도가 요구되

고 있는 시 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 스 칭 주 수

(switching frequency)는 증가되고 있다 스 칭 주 수가 높아

짐에 따라서 효율은 낮아지고 있는 상황이다[5] 스텝다운

DC-DC 변환기의 회로 안정성을 확보하기 해서 보상회로를 포함

한 오차증폭기를 사용한다 하지만 오차증폭기에 사용되는 보상회로

에 들어가는 항과 커패시터의 크기는 상당히 크다 그래서 이 수

동소자 커패시터의 크기를 이기 해서 커패시터 멀티 라이

어 기법을 사용한다[1] 이 기법을 사용하면 커패시터의 이아웃

크기는 상당히 일 수 있지만 등가커패시터를 구성하기 해서는

증폭기를 사용해야한다 그 결과 수동소자(커패시터)의 크기는 일

수 있지만 력 소모는 커지게 되어서 스텝다운 DC-DC 변환기의

효율을 떨어뜨리게 된다 그러나 력 버퍼를 이용하면 떨어진

효율을 보상할 수 있다[21]

본 논문은 스텝다운 DC-DC 변환기 설계에 용될 수 있는

력 버퍼 회로에 한 것이다 스텝다운 DC-DC 변환기에서 워 스

치를 구동하는 드라이 버퍼는 인버터 구조를 기본으로 하고 있

다 그러므로 VDD에서 GND로 단락 회로 류가 흐르게 된다 이

때 흐르는 류 때문에 DC-DC 변환기의 효율은 상당히 하된다

제안된 력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되

어 있는 기존의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어

있으므로 원천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과

스텝다운 DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의

버퍼와 비교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃

크기 한 일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다 그러므로 력 버퍼

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회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

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식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

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PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

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(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

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그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

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그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

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제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

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의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

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그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

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그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 17: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 6 -

회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운 DC-DC

변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고 효율

DC-DC 변환기를 구 할 수 있다

본 논문의 구성은 2장에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본이론과

궤환회로 소신호 모델 L-C 필터 보상회로에 해 설명하

고 제 3장에서는 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 내부

블록인 오차 증폭기 보상회로 발진 톱니 발생기 비교기 듀티

제어 블록 워 스 치에 해 설명하 고 제안된 커패시터 멀티

라이어 기법 Type III 보상회로 력 버퍼에 해 설명하 다

제 4장에서는 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과 측정결과

이아웃에 해 기술하 으며 5장에서 결론을 맺었다

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 18: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 7 -

제 2 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요

본 장에서는 압구동 방식을 기반으로 하여 21 에서 스텝다운

DC-DC 변환기의 기본 개념과 구조 동작원리에 하여 설명하 고

22 에서 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템의 특성에 해

기술하 다 23 은 소신호 모델 특성에 해 다뤘으며 24 에서는

보상회로의 기본개념을 마지막으로 25 에서는 보상회로의

MATLAB 모의실험 결과를 정리하 다

21 스텝다운 DC-DC 변환기

일반 으로 스텝다운 DC-DC 변환기는 비 열 변환기로써 입력

압보다 낮은 출력 압을 얻기 해 사용하는 력 리

IC(Integrated circuit) 이다 스텝다운 DC-DC 변환기의 기본 인 모

델은 그림 21과 같이 나타낼 수 있다[18]

그림 21 일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기 모델

Fig 21 Conventional step-down DC-DC Converter

Model

그림 21에서 볼 수 있듯이 스텝다운 DC-DC 변환기는 일반 으로

MOSFET(Metal oxide field effect transistor)을 이용한 스 치 Q1

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 19: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 8 -

과 다이오드 D로 체되는 단극 투(single-pole double-throw) 스

치와 출력필터를 구성하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성되며

부하 R에 력을 공 한다 스 치는 체 주기 TS 동안 일정한 듀

티 비를 가지는 펄스를 생성한다 스 치가 켜졌을 때 Q1이 HIGH

가 되고 그림 22와 같은 등가회로를 구성하며 스 치가 꺼졌을 때

Q1이 LOW가 되어 그림 23과 같은 등가회로를 구성하게 된다 우

선 스 치 Q1이 켜지면 류가 입력으로부터 인덕터 L을 통하여 출

력단으로 흐르며 동시에 인덕터에는 에 지가 충 된다 다음 스

치가 꺼지면 인덕터 L에 의해 류방향이 격히 바뀔 수 없으므로

다이오드 D1을 통해 류를 입력받아 출력단으로 방출하게 된다 스

칭 주기 TS를 한주기로 하여 이러한 스 치 연결동작이 반복되면

입력 압을 우리가 원하는 출력 압으로 변환할 수 있게 된다 그림

22의 회로에서 스 치가 켜졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL에

한 식은 아래 식 21과 같이 나타낼 수 있다

(21)

그림 22 스 치가 켜졌을 때의 등가회로

Fig 22 Equivalent circuit during switch on

반 로 스 치가 꺼졌을 때 인덕터에 인가되는 압 VL은 아래 식

22와 같이 나타낼 수 있다

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 20: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 9 -

(22)

그림 23 스 치가 꺼졌을 때의 등가회로

Fig 23 Equivalent circuit during switch off

이때 한주기 동안 스 치가 켜진 시간의 비를 D라고 하고 꺼진 시

간의 비를 D라고 가정할 때 한 주기 동작이 시작했을 때와 마쳤을

때의 인덕터 류 iL의 값은 항상 같아야 한다는 인덕터 압-시간

평형 원리(The principle of inductor volt-second balance)에 의해

출력 압 V에 한 식은 아래 식 23과 같이 나타낼 수 있다

prime

prime

rArr times (23)

출력 압은 스 치가 켜진 시간의 비인 듀티 비 D에 의해 원하는

값으로 조정 될 수 있다

22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템

일반 인 스텝다운 DC-DC 변환기뿐만 아니라 모든 스 칭 변환기

에서 출력 압은 세 가지 요소의 함수로 표 된다 그 첫 번째가

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 21: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 10 -

입력 압 Vg이고 두 번째가 스 칭 듀티 비 D 마지막 세 번째가

부하 류 iload의 변화이다 이러한 요소들이 외란(disturbance)에 의

해 변동함에도 불구하고 일정한 출력 압 V를 얻을 필요가 있다

부궤환 회로(negative feedback circuit)는 그림 24와 같다[18]

그림 24 부궤환 회로를 포함한 스텝다운 DC-DC 변환기모델

Fig 24 Step-down DC-DC converter model with negative feedback

circuit

외란의 원인들을 살펴보면 입력 압 Vg는 무선 모바일 시스템

(wireless mobile system)에서 사용될 경우 배터리(battery)를 통해

공 되는데 배터리는 항상 일정한 압을 유지하지 못하고 일정 시

간 사용하게 되면 압이 조 씩 어들게 된다 이로 인해 입력

압의 변동이 발생하여 외란의 요인이 된다 부하 류의 경우 부하가

되는 시스템의 동작이 바뀔 때마다 부하 류가 변하게 되어 출력

압에 외란이 발생한다 이러한 외란에 의한 출력 압의 변동을

이기 하여 궤환 시스템(feedback system)을 사용하여 출력 압을

일정하게 할 수 있도록 회로를 구성하게 된다 부궤환 회로의 동작

은 출력 압 V를 입력받아 원하는 압 벨로 센서이득(sensor

gain)을 통해 낮춰주고 이 신호를 기 압 Vref과 비교하여 오차신

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

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200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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- 68 -

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[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 22: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 11 -

호(error signal)를 얻어낸다 보상기(compensator)에서는 이 오차신

호를 안정된 부궤환 회로 동작을 해 보상하고 PWM(pulse-width

modulator)를 통해 원하는 듀티로 조 하여 스 치의 동작을 제어한

23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석

스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델 그림 25와 같이 나타낼

수 있다 그림 24를 수식으로 분석하면 입력 압의 변화를 라 하

고 듀티제어 입력의 변화를 부하 류의 변화를 라고 하면

출력 압의 변화 는 식 24와 같이 나타낼 수 있다

(24)

그림 25 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 모델

Fig 25 Small signal model of step-down DC-DC converter

세 가지 변화를 변수 의 달함수(transfer function)

Gvd(s) Gvg(s) Zout에 한 달함수 식은 다음과 같다

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 23: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 12 -

(25)

(26)

(27)

식 25는 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 달함수

(Converter control to output tranfer function)를 나타낸 것이고 식

26은 입력 압의 변화에 한 출력 압 변화의 달함수(converter

line to output transfer function)를 나타낸 것이다 마지막으로 식

27은 부하 류 변화에 한 출력 압의 변화로서 변환기 출력 임피

던스(converter output impedance)를 나타낸 식이 되겠다 이는 각

요소의 변화에 한 변화 상수를 나타낸다 그림 25에서 보는 바와

같이 공 해주는 세 가지 요소가 외란(disturbance)이 체 시스템

에 유입되었을 때 안정화 될 수 있도록 부궤환 회로를 넣어서 설계

하여야 한다[19]

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 24: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 13 -

그림 26 부궤환 시스템의 소신호 모델 블록 다이어그램

Fig 26 Small signal model block diagram of DC-DC converter

negative feedback system

그림 26은 부궤환 시스템의 소신호 모델을 나타낸 블록 다이어그램

이다 이러한 부궤환 시스템의 출력 압의 변화 에 한 수식을 정

리해 보면 식 28과 같이 나타낼 수 있다

(28)

부궤환 시스템의 루 이득(loop gain)은 외부의 다른 입력이 없을

때 출력 압 V에서 시작하여 V까지 돌아오는 동안의 이득을 말하

는 것으로써 의 회로에서는 외부의 다른 입력이 없는 상태를

이라고 하면 루 이득 T(s)는 식 29와 같이 얻어

질 것이다

(29)

식 29를 이용하여 식 28을 다시 정리해 보면 아래 식 210과 같이

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 25: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 14 -

간략화 시킬 수 있다

(210)

식 24와 식 210을 비교해 보면 에 한 변화 성분을 제외하고

다른 각 변화 성분에 한 달함수의 이득이 부궤환 회로의 추가

로 인해

만큼 변하는 것을 볼 수 있다 부궤환 회로를 사용

함으로서 입력 압과 부하 류가 변화하더라도 출력 압에 미치는

향은 작아지게 되고 부궤환 회로의 루 이득 T(s)가 충분히 크

다면 출력 압의 변화 는 기 압 에 한 한 가지 변수에 의

한 식으로 감소될 수 있다

24 보상회로

부궤환 시스템에서 한 가지 보안해주어야 할 부분은 체 폐회로

(closed loop)의 안정성(stability)이다 체 시스템이 안정한지 확인

하기 해서는 시스템의 루 이득을 보고 단할 수 있는데 시스

템의 루 이득은 앞에서 말한 식 29와 같이 나타낼 수 있다 그

식을 이용하여 보상회로(compensation circuit)의 이득(Gain)과 상

(Phase) 지연이 없는 보상되지 않은 루 이득(uncompensated loop

gain)을 계산하여야 한다 식 29를 보상되지 않은 루 이득 Tu(s)

의 식으로 변환하면 아래 식 211과 같이 나타낼 수 있다

(211)

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 26: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 15 -

식 211의 주 수 응답(frequency response)을 분석한 뒤 스 칭 주

수(switching frequency)의 1 20이 되는 주 수에 크로스오버

주 수(crossover frequency)를 가지도록 보상해 주는 회로를 설계

한다

보상회로의 종류에는 크게 세 가지가 있다 첫 번째가 상여유를

개선하기 해 사용되는 PD(proportional plus derivative) 보상기

두 번째로는 주 주 수 루 이득을 증가시키기 해서 사용되

는 PI(Proportional plus integral) 보상회로이다 마지막 세 번째는

앞의 두 보상회로의 장 을 합친 PID 보상기이다 PD 보상기는 그

림 27에서 볼 수 있듯이 원하는 주 수를 칭으로 좌측에

우측에 극 을 치시킴으로써 상여유를 보상할 수 있다[19]

그림 27 PD 보상기 달함수의 보데선도

Fig 27 Bode diagram of PD compensator

PD의 달함수는 식 212와 같다

(212)

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 27: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 16 -

PI 보상기는 그림 28에서 볼 수 있듯이 원 에 존재하는 극 과

으로 주 에서의 이득을 증가시켜 다 이 치하는 주

수는 크로스오버 주 수 보다 충분히 작으므로 상여유의 변화

는 없으며 식 213의 달함수 이득 Gcinfin에 의해 크로스오버 주 수

의 치가 결정된다

(213)

그림 28 PI 보상기 달함수의 보데선도

Fig 28 Bode diagram of PI compensator

PID 보상기는 PD 보상기와 PI 보상기의 장 이 결합된 형태로써

넓은 밴드폭(bandwidth)을 가지며 정상상태 오류가 없는 특징을 가

지고 있다 주 수 이득이 크며 원하는 주 수의 상여유를 보

상할 수 있다 달함수는 식 214에서 볼 수 있듯이 원 에 치하

는 극 을 포함해 두 개의 과 추가 인 두 개의 극 으로 구성

된다 그림 29는 PID 보상기 달함수의 보데선도를 나타낸 것이다

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 28: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 17 -

(214)

그림 29 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 29 Bode diagram of PID compensator

이러한 PID 보상기를 구성하는 극 에 치하는 극 은

없어도 이득과 상여유에 변화를 주지 않는다 그래서 회로의 간략

화를 해 사용되는 회로가 개선된 PID 보상기(improved PID

compensator)이다 PD 보상기에 이 추가된 형태로도 볼 수 있

는 본회로의 달함수는 식 215와 같이 나타낼 수 있으며 보데선도

는 그림 210과 같다

(215)

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 29: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 18 -

그림 210 개선된 PID 보상기 달함수의 보데선도

Fig 210 Bode diagram of Improved PID compensator

25 보상회로의 MATLAB 모의실험

시스템을 트랜지스터 단 에서 설계하기 에 먼 수식 인 계산

과 이상 모델의 모의실험을 수행하면 원하는 특성을 가지는 시스

템을 빠른 시간에 설계 할 수 있다 특히 MATLAB 시뮬 이터

(simulator)는 이러한 시스템의 수학 인 계산을 보다 빠른 시간 내

에 할 수 있으므로 이 장에서는 MATLAB 모의실험 방법과 거기서

계산된 특성을 이용하여 이상 인 증폭기를 사용하여 H-Spice 시뮬

이터까지 2단계의 모의시험을 거침으로 보다 정확한 설계 방법을

소개하고자 한다 표 2의 사양에 부합하는 안정한 스텝다운 DC-DC

변환기를 구 하기 해 MATLAB을 이용하여 앞에서 설명한 계산

식을 토 로 로그램을 짠 뒤 체 시스템을 안정하게 하기 해

요한 부분인 보상회로의 설계 사양을 구해낸다

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 30: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 19 -

Input voltage Vg 33 V

Output voltage Vo 18 V

Output voltage ripple Vripple 05 미만

Output maximum current Iomax 500mA

Reference voltage Vref 09 V

PWM magnitude Vm 33 V

Sampling frequency fs 5[MHz]

Filter Inductor Lf 47μH

Filter Capacitor Cf 47μF

표 2 DC-DC 스텝다운 변환기 설계사양

Table 2 DC-DC step-down converter specification

먼 개회로(open loop)의 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압

의 달함수(converter control to output transfer function)인 Gvd

의 주 수 응답을 살펴보면 그림 211과 같이 이득과 상에 해

계산되어 그려진다 그림 211을 살펴보면 시스템의 낮은 주 수

역의 이득은 체 으로 낮은 상태이고 크로스오버 주 수에 해당

되는 250kHz 부근에서 이득은 -25[dB]이며 상여유는 거의 없는

상태이다 시뮬 이션 결과와 거의 같음을 확인 할 수 있다

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 31: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 20 -

그림 211 듀티제어 신호의 변화에 한 출력 압의 주 수 응답

(a) 이득응답 그래 (b) 상응답 그래

Fig 211 Frequency response of converter control to output transfer

function (a) Gain response graph (b) Phase response graph

그림 212의 결과는 보상회로(compensation circuit)의 이득이 1이

고 상의 변화가 없다고 가정한 상태에서 모의실험 한 결과이다

여기에 보상회로를 설계하여 추가하며 최종 궤환회로의 주 수 응

답을 확인 할 수 있다 보상을 한 기 이 되는 크로스오버 주

수는 스 칭 주 수의 1 20이 되는 값으로 정하며 본 회로에서는

5MHz일 때 250kHz가 크로스오버 주 수가 되겠다

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 32: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 21 -

그림 212 보상되지 않은 폐회로의 주 수 응답 (a) 이득응답 그래

(b) 상응답 그래

Fig 212 Frequency response of uncompensated closed loop (a) Gain

response graph (b) Phase response graph

MATLAB 시뮬 이터를 이용해 설계한 보상회로는 개선된 PID 보

상기(improved PID compensator)로써 크로스오버 주 수에서 상

여유가 60deg가 되도록 설계하 다 그림 213은 각 주 수에 따른 보

상회로의 주 수 응답을 나타낸 그래 이다

그림 213과 같이 보상회로를 설계한 후 그림 212의 보상되지 않

은 폐회로에 용하여 계산 한 뒤 체 시스템의 주 수 응답을 살

펴보면 그림 214와 같은 결과를 확인할 수 있다 각 주 수마다 원

하는 크로스오버 주 수에서 교차 을 가지며 60deg의 충분한 상여

유 한 가져 안정 인 시스템으로 변하는 것을 볼 수 있다

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 33: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 22 -

그림 213 개선된 PID 보상기의 주 수 응답

Fig 213 Frequency response of Improved PID compensator

그림 214 보상된 시스템 주 수 응답

Fig 214 Frequency response of compensated system

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 34: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 23 -

제 3 장 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계

이번 장에서는 2장의 기본이론을 배경으로 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기에 해 설명하 다 31 에서는 제안하는 스텝다운

DC-DC 변환기의 구조와 동작원리에 해 설명하 고 32 부터

37 까지는 스텝다운 DC-DC 변환기를 구성하는 부분 블록인 오차

증폭기 보상회로 발진 램 신호 발생기 비교기 듀티 제어 블

록 워 스 치에 해 동작 원리 특성 설계 방법에 설명하

다 38 부터 311 까지는 제안하는 스텝다운 변환기의 주요 블록

으로 커패시터 멀티 라이어를 이용한 Type III 보상회로 력

버퍼에 해 설명하 다 그리고 각 회로도에 이아웃도 11로 매

칭 시켜서 설명하 다

31 5[MHz] 스위칭 주파수 스텝다운 DC-DC 변환기

제안한 스텝다운 DC-DC 변환기는 별도의 류 센싱 회로가 필요

없고 신호 잡음비가 좋은 압모드 구동방식을 기반으로 한다

33V에서 25V까지의 압을 입력받아 18V의 압을 출력하며 최

500mA의 류 부하를 구동할 수 있다 동작원리를 살펴보면 스

텝다운 DC-DC 변환기는 출력 압을 되먹임 하여 오차증폭기에서

기 압(reference voltage)과의 차이를 반 증폭하고 이를 비교기

에서 램 신호와 비교하여 압 벨의 변화에 따라 듀티 비가 변하

는 펄스를 생성해 낸다 이 펄스는 디지털 회로를 거쳐 워 스 치

를 구동하고 워 스 치를 통해 출력된 펄스는 L-C 필터를 통해

직류 압으로 출력된다 이 때 오차보정기의 부궤환 루 에 있는

커패시터를 집 화시키기 해서 커패시터 멀티 라이어 기법을 사

용하 고 커패시터 멀티 라이어 기법을 사용하면 체효율이 2sim

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

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July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 35: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 24 -

3 떨어지는 것을 보완하기 해서 력 버퍼를 이용하 다

력 스텝다운 변환기의 블록도는 그림 31에 나타나 있다[9]

그림 31 력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도

Fig 31 Low power step-down DC-DC converter block diagram

본 논문에서 설계한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS

035 N-well 1-Poly 4Metal 공정을 이용하 고 Cadence사의

Virtuso Layout Editor를 이용하여 완 주문(full-custom) 방식으로

이아웃을 수행하 다 칩 동작 가능성을 증가시키기 해 이아

웃 검증 로그램인 Mentor Graphics 사의 Calibre를 이용하여

DRC(Design Rule Check)와 LVS(Layout Versus Schematic)를 수

행하 다

설계한 스텝다운 변환기의 이아웃은 그림 32의 로어 랜

(Floor plan)을 바탕으로 수행하 다 스텝다운 변환기는 아날로그

블록과 디지털 블록 워 스 치로 구성되므로 아날로그 신호와 디

지털 신호간의 간섭과 많은 류를 구동하는 워 스 치의 간섭에

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

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그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

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출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

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부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 36: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 25 -

의해 잡음 신호가 발생하게 된다 이러한 신호의 간섭을 방지하기

해 각 블록 간 가드링(Guard ring)을 배치하 으며 앰 와 같은

아날로그 블록은 공정상 부정합에 의한 오차를 최소화하기 해

칭으로 설계하 다[9]

그림 32 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 로어 랜

Fig 32 Floor plan of high performance step-down DC-DC converter

그림33 고성능 DC-DC 스텝다운 변환기의 이아웃

Fig 33 Layout of the high performance step-down DC-DC

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 37: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 26 -

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 체 이아웃은 그림 33과 같

다 핀 배치와 부분블록간의 신호 달을 고려하여 이아웃 하 으

며 신호간섭이 일어나지 않도록 실딩(Shielding)에 각별히 주의하

다 코어(Core) 블록의 면 은 3242 times 920 2 이다[22]

32 오차 증폭기

오차 증폭기(Error Amplifier)는 되먹임 되어 돌아온 출력 압 VFB

를 기 압 Vref와 비교하여 오차를 조정해 주는 보상회로의 핵심

블록으로써 DC-DC 변환기에서 가장 요한 부분이다 그림 34와

같이 캐스코드(Cascode) 타입의 OTA(Operational transconductance

amplifier)로 구 하 으며 빠른 동작과 선형(Linear) 인 특성이

요한 회로이다[17]

그림 34 캐스코드 OTA의 회로도

Fig 34 Schematic of the cascode OTA

오차 증폭기의 상여유(Phase margin)는 차후에 보상회로를 통해

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

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July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 38: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 27 -

극 (Pole)과 (Zero)을 다시 형성해 지기 때문에 상여유가 0deg

에 가깝게 작더라도 안정도(Stability)에 지장이 없어진다[7]

오차 증폭기의 이아웃은 그림 35와 같이 공정상 발생할 수 있는

부정합을 최소화하기 해 좌우 칭 으로 이아웃 하 다

그림 35 오차 증폭기의 이아웃

Fig 35 Layout of the error amplifier

33 보상회로

24 에서 먼 이론 인 보상회로에 해 살펴보았고 본 에서

는 실제 인 보상회로의 회로 구성에 해 알아보겠다 이론 인 보

상회로에는 PD PI PID 등의 보상기가 있지만 실제 보상회로는

Type I부터 Ⅲ까지의 회로가 있다 Type I는 그림 36과 같은 구조

를 가지며 원 에 극 을 하나 가지는 회로를 말한다 상을 보상

하지는 못하며 반 으로 인한 -180deg와 원 의 극 으로 인한 -90deg

상의 이동으로 총 -270deg 상 이동(Phase shift)이 있다 상 이

동이 최소인 시스템에서 쓰이는 회로로 본 회로에서는 사용되지 않

는다[18]

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

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그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

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부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 39: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 28 -

그림 36 Type I 보상회로

그림 36 Type I compensation circuit

Type Ⅱ 보상회로는 그림 37과 같은 구조를 가지며 원 에 치

하는 극 과 과 극 하나씩을 더 가지고 있다 크로스오버 주

수 양쪽에 이 과 극 을 배치시킴으로써 90deg이하의 상을 보

상할 수 있다 Type Ⅱ 보상회로도 Type I와 마찬가지로 상반

과 원 의 극 으로 인해 -270deg 상 이동이 있으며 압모드 구동

DC-DC 변환기에 많이 사용되었으나 L-C 필터를 구성하는 커패시

턴스의 ESR(Equivalent series resistor)이 작아짐에 따라 상보상

이 부족하여 사용되지 않고 있다 그림 38은 Type IⅡ회로의 주

수 응답을 나타낸다[18]

그림 37 Type II 보상회로

Fig 37 Type II compensation circuit

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 40: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 29 -

그림 38 보상회로의 주 수 응답 (a) Type I (b) Type Ⅱ

Fig 38 Frequency response of compensation circuit (a) Type I

(b) Type Ⅱ

Type Ⅲ 보상회로는 그림 39와 같은 구조를 가지며 원 의 극

과 과 극 각각 한 을 더 가지고 있다 크로스오버 주 수

양쪽에 이 과 극 을 한 씩을 배치시킴으로써 180deg이하의

상을 보상할 수 있다 -270deg 상 이동이 있으며 충분한 상을 보

상할 수 있으므로 ESR의 향을 무시할 수 있다 그림 310은 Type

Ⅲ 보상회로의 주 수 응답을 나타낸다

그림 39 Type III 보상회로

Fig 39 Type III compensation circuit

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 41: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 30 -

그림310 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig310 Frequency response of Type Ⅲ

compensation circuit

일반 인 Type Ⅲ 보상회로의 과 극 주 수와 회로 소자간

의 계는 다음 식 31에서 34까지와 같이 나타낼 수 있다

(31)

(32)

(33)

(34)

보상회로의 과 극 주 수 Fz와 Fp의 치는 보상되기 원하는

상여유에 의해 구해지며 식 35와 같이 나타낼 수 있다

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 42: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 31 -

(35)

그림 311과 같이 보통 두 주 수와 두 개의 극 을 같게 놓

고 설계하며 보상회로의 R1의 크기는 설계하는 설계자가 결정한다

R2R1은 주 수에서의 이득을 나타내므로 R2에 한 식을 식

35와 같이 나타낼 수 있다

(35)

2 Zero

20dB

40dB

60dB

80dB

100dB

Gain

10 100 1K 10K 100K Frequency

2 Pole

-1 slope

-1 slope

Fz

Fp

Fco

그림 311 일반 인 Type III 보상회로의 주 수 응답

Fig 311 Frequency response of Common type III compensation circuit

이라고 한다면 나머지 C1 C2 R3에 한

식은 식 36부터 39까지와 같이 나타낼 수 있다

(36)

(37)

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 43: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 32 -

(38)

(39)

34 발진 및 램프신호 발생기

발진 램 신호 발생기는 압모드에서 구동하는 DC-DC 변환

기의 펄스 폭 변조에서 비교기의 기 신호가 되는 램 신호와 클록

을 만들어주는 회로이다 그림 312에서 볼 수 있는 것처럼 류미

러와 히스테리시스 비교기로 구성된다 류미러에 일정한 류가

흘러 C1을 충 하고 선형 으로 증가하는 램 압신호가 VH

압에 달하면 비교기는 상태를 바꿔 스 치 M2를 켠다 보통 방

류는 충 류에 비하여 크므로 C1은 방 된다[9] 이러한 동작이

반복되면서 톱니 와 클록을 만들게 된다 이와 같이 클록 주 수와

램 압신호의 경사는 Cr1 VH의 조건하에서 서로 평형을 이룬다

그림 312 발진 램 신호 발생기

Fig 312 Oscillator amp ramp generator

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 44: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 33 -

발진 램 신호 발생기의 이아웃은 그림 313과 같다 램 신

호를 발생시키기 해 사용되는 비교기는 아날로그 회로이므로

쪽에 치한 아날로그 부분에 치시켰다 주 수를 결정하는 커패

시터는 정확한 용량을 나타내기 해서 100[fF]의 단 커패시터를

병렬로 연결해서 사용하 다 항 한 2[]의 단 항을 직렬

로 연결해서 사용하 다 발진 램 신호 발생기에 사용되는

Folded cascode amplifier와 비교기는 각각의 바이어스 회로를 이용

하 다 버퍼는 디지털 회로이므로 디지털 원을 공 받도록 아래

쪽에 이아웃 하 다

그림 313 발진 램 신호 발생기의 이아웃

Fig 313 Layout of the oscillator and ramp generator

35 비교기

비교기는 펄스폭 변조 제어(Pulse width modulation)를 한 궤환

루 제어 변조기 역할과 발진 램 신호 발생기 회로의 히스테

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 45: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 34 -

리시스 비교기의 역할을 한다 이 비교기는 그림 314와 같은 구조

를 가지며 높은 이득을 제공하는 정궤환의 소스 결합 차동

(Source-coupled differential pair)으로 구성되어 있다 정궤환 이득

단의 이득은 식 310과 같이 나타낼 수 있다

(310)

그림 314 비교기

Fig 314 Comparator

M18에서 M21까지의 인버터(Inverter) 체인은 비교기 출력 신호의

응답속도를 증가사키기 해 사용되었다 이 인버터 체인은 빠른 응

답속도를 해 M8과 M17의 게이트(Gate)에 발생하는 기생 커패시

턴스(Parasitic capacitance)를 이기 해 M8과 M17을 더 작게 만

들 수 있게끔 구동단(Driver stage)으로 동작한다[11]

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 46: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 35 -

비교기의 이아웃은 그림 315와 같으며 펄스폭 변조와 발진

램 신호 발생기에 사용되었다

그림 315 비교기의 이아웃

Fig 315 Layout of Comparator

36 소프트 기동회로

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 구동 시 류와 압

이 격히 상승하는 상을 없애주는 역할을 한다 기 상태에서

격하게 류와 압이 증가하게 되면 순간 으로 큰 류가 발생

되어서 칩내부에 집 화 되어있는 블록이 손상을 입을 수 있다 그

러므로 본 회로를 삽입하여 류와 압이 천천히 증가하게 하여서

기 상태에서의 험을 없애야 한다 그림 316은 소 트 기동회로

의 회로도를 나타내고 있다 그림 317은 소 트 기동회로의 이아

웃을 보여주고 있다

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 47: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 36 -

그림 316 소 트 기동회로

Fig 316 Soft start up circuit

그림 317 소 트 기동회로 이아웃

Fig 317 Soft start up layout

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 48: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 37 -

SS_in은 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력에서 신호를 받는다 Vref

는 오차보정 증폭기의 Vref와 같은 09[V]이다 출력 신호가 18V로

올라가게 되면 비교기1의 출력에 1의 값이 출력되게 되고 R-S 래치

를 리셋 시키게 된다 그 결과 래치의 출력 Q에서는 0의 신호가 출

력되게 되고 M1은 OFF 상태가 된다 M1에 소스에는 커패시터를

연결해서 DC-DC의 출력을 천천히 올려주는 역할을 하게 된다

쪽에는 아날로그 블록인 비교기를 치시켰으며 간에는 수동

수자인 바이어스 정항을 치 시켰다 그리고 아래쪽에는 디지털 블

록인 래치 회로를 치 시켰다

37 듀티 제어 블록

본 논문에서는 그림 318에서 볼 수 있는 펄스폭 발생기(pulse

width generator)와 력 버퍼(low power buffer)를 듀티 제어

블록으로 총칭하 다 먼 펄스폭 발생기에 해 알아보자 일반

인 압모드 DC-DC 변환기는 펄스폭 변조를 해 셋-리셋(SR) 래

치(latch)를 사용하는데 정상상태(Steady state)일 때는 상 없으나

처음 기동상태(start up)시에 오차 증폭기의 출력신호가 비교기에서

비교되는 램 신호보다 한 주기 이상 클 수 있다 이때 SR 래치의

S(set)와 R(reset)에 모두 High가 입력되어 와 모두 Low가 되

는 이상동작이 발생한다 이러한 상이 일어나지 않도록 S와 R을

항상 상보 계로 제어하는 회로가 펄스폭 발생기이다 그림 312

는 펄스 폭 발생기의 회로도를 나타낸다[9] 그림 319는 펄스폭 발

생기(PWG)의 이아웃을 나타낸다

- 38 -

그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 49: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

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그림 318 펄스폭 발생기 회로도

Fig 318 Schematic of a pulse width generator

그림 319 펄스폭 발생기 이아웃

Fig 319 Layout of a pulse width generator

그라운드와 원부를 가능하면 넓은 공간을 차지하기 해서 남은

공간에 모두 채워넣었다 확실한 실딩 효과를 해서 각 블록마다

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 50: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 39 -

가드링을 쳐주었다

력 버퍼를 이용하면 비 첩 클록 발생기와 스 치 드라이

버 버퍼를 하나의 블록으로 만들 수 있다 본 논문에서 제안된

력 버퍼 회로는 NMOS와 PMOS의 드 인이 연결되어 있는 기존

의 인버터 형태가 아니고 드 인과 게이트가 연결되어 있으므로 원

천 으로 단락 회로 류를 제거 할 수 있다 그 결과 스텝다운

DC-DC 변환기의 효율을 증가시킬 수 있다 한 기존의 버퍼와 비

교해서 트랜지스터의 숫자를 일 수 있으므로 이아웃 크기 한

일 수 있다

력 버퍼 회로는 기존의 인버터 기반의 드라이 버퍼회로에

비해서 평균 3정도의 효율을 향상시킨다[20] 그러므로 력 버

퍼회로 기반의 력 높은 스 칭 주 수를 가진 스텝다운

DC-DC 변환기 설계에 용되어 항상 최고의 성능을 발휘하는 고

효율 DC-DC 변환기를 구 할 수 있다[21] 력 버퍼의 회로도

와 이아웃은 그림 320과 그림 321 같다

그림 320 력 버퍼

Fig 320 Schematic of a low power buffer

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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July

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step

down300kHz 89

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200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 51: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 40 -

그림 321 력 버퍼

Fig 321 Layout of the low power buffer

제안된 력 버퍼 회로는 그림 320과 같다 M1부터 M5까지는

ldquo1rdquo발생회로이고 M8부터 M12까지는ldquo0rdquo발생회로이다 M1과 M8의

게이트가 ldquo0rdquo일 때 ldquo0rdquo발생 회로의 출력은 무한 의 임피던스를 가

지게 되고 ldquo1rdquo의 발생회로는 1을 가지게 된다 그리고 나서 NMOS

워 스 치는 턴온 되고 0의 출력 압을 발생하게 된다 NMOS

워 트랜지스터의 정확한 동작을 해서 M14는 오 되어 진다

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 52: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 41 -

M6과 M13의 기능은 드 인 에서 그라운드로 류가 흐르는 것을

방지하는 일종의 류제한 기능을 한다 이 기능으로 인해서 단락

회로 류를 막을 수 있다 M7은 풀업 트랜지스터이고 M14는 풀다

운 트랜지스터이다 이러한 트랜지스터들은 워 트랜지스터 한

개가 동작하지 않을 때 확실히 오 를 시켜주어서 워 소모를

인다 NMOS Power switch를 ON 시키는 동안 M7은 온이 되어서

PMOS 워스 치 게이트에 논리값 1을 가하게 된다 그러므로

PMOS 워 스 치는 OFF 상태에 있게 된다 그 결과 동시에

NMOS와 PMOS의 워스 치가 동시에 ON 되는 상태는 방지된다

력 버퍼는 기존의 인버터 체인 형태의 버퍼와는 달리

MOSFET의 게이트와 드 인이 연결되어서 단락회로 류를 제거

하 다 그리고 남은 공간에는 VDD와 GND를 그려 넣어서 넣은 그

라운드를 사용할 수 있게 하 다 정합특성을 좋게 하기 해서 어

느 쪽에서 보아도 같은 상태를 유지하게 이아웃을 진행 하 다

[21]

38 파워 스위치

워 스 치는 DC-DC 변환기를 설계함에 있어서 력효율에 큰

향을 미친다 그림 322에 나타나있는 기생 항 커패시터 성분

들을 잘 고려하여 설계할 필요가 있다 입력 원과 PMOS 스 치

사이에 치하는 기생 항 Rvddp 와 지와 NMOS 스 치 사이에

치하는 기생 항 Rgndp 두 스 치와 인덕터까지의 송선에 생

기는 기생 항 Rsw는 도손실(conduction loss)에 큰 향을 미친

다 각 스 치가 켜졌을 때 스 치 내부에 발생하는 기생 항 Ronp

와 Ronn은 스 치에 의해 발생된 펄스의 상승 동작과 하강 동작의

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

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July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

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200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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- 68 -

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[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 53: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 42 -

칭을 해 같도록 설계한다 Csw는 스 치 출력 단에 생성되는 기

생 커패시터를 나타내며 Cin_p와 Cin_n은 MOSFET 스 치의 게이트

(gate)에 생성되는 기생 커패시터이며 게이트 구동기 설계 시 고려

해야한다

그림 322 워 스 치의 기생소자

Fig 322 Parasitic component of a power switch

워 스 치에 한 이아웃은 그림 323과 같다 스 치를 통해

500mA 미만의 류가 흐르므로 송선을 Metal 2부터 Metal 4까지

삼층으로 충분히 두껍게 이아웃 하 으며 간 간 슬릿을 뚫어

격자처럼 보이는 것을 확인 할 수 있다 한 도 손실(Conduction

loss)을 최소화하기 해 스 치에서 패드(Pad)까지를 최단거리로

이아웃 하 다 워 스 치를 구성하는 워 스 치 셀(Cell)은

그림 323(b)과 같다 워 스 치로 사용되는 MOS의 폭은 157이

므로 MOS가 바디단자에서 30 이내에 들어와야 한다는 디자인 룰

(Design rule)을 어기게 된다 그래서 MOS의 8개의 핑거(Finger)를

한 셀로 나눠 바디로 묶었고 가로로 여러 단 붙여 이아웃 하여

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 54: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 43 -

이러한 문제를 해결하 다[26]

(a) (b)

그림 323 워 스 치의 이아웃 (a) 체 이아웃 (b) 워 스 치

셀의 이아웃

Fig 323 Layout of the power switch (a) Full layout (b) Layout of

the power switch cell

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

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up200kHz 90

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Step

down300kHz 895

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9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 55: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 44 -

39 커패시터 멀티플라이어

제안한 커패시터 멀티 라이어 회로는 변환기 칩 외부에 수동소자

로 구 되는 보상회로를 온칩(on-chip)하기 하여 사용되었다 이

는 Type Ⅲ 보상회로에 필요한 커패시터의 용량이 무 커서 원하

는 용량 값으로 이아웃을 진행하면 무 큰 칩 면 을 차지하게

된다 그러므로 본 기법을 사용면 집 화 되는 커패시터의 이아웃

크기를 히 일 수 있다 제안한 회로에 해 설명하기 에 회

로의 기반이 되는 커패시터 멀티 라이어 기법에 하여 알아보겠

다 기본원리는 그림 324에서 볼 수 있듯이 작은 크기의 커패시터

CC를 통해 흐르는 류 IC를 감지하여 K배만큼 증폭된 류를 이

커패시터 양단을 가로질러 우회하게 함으로써 등가 커패시터를 K+1

배 만큼 증폭시키는 것이다 식 311은 등가 커패시터에 한 기본

원리를 나타낸 식이다[1]

CeqCcKCc Ic Ieq

그림 324 커패시터 멀티 라이어 기본개념

Fig 324 The concept of capacitor multiplier

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

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Voltage

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VoltageType

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Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 56: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 45 -

(311)

그림 325는 의 기본이론을 바탕으로 설계한 실제회로이다 동작

원리는 MOFET Mz1과 Mz2의 게이트 단자에 Vdd를 인가함으로써

선형 역 동작을 보장하고 Mz1과 Mz2의 크기 비율을 1K로 함으로

써 Mz2에 흐르는 우회 류량을 K배로 조 한다 단 이득 버퍼

(unit gain buffer)를 통해 Cz1이 충방 할 때 생기는 Mz1의 드

인-소스 압 변화를 Mz2에 달할 수 있게 하 다 그림 317은

Type Ⅲ 보상회로를 꾸미기 한 양방향 커패시터 멀티 라이어의

회로 구성을 나타내고 있다

VddMz2Mz1

Cz

M = 1 M = K

그림 325 단방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 325 Single ended capacitor multiplier

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

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Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

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9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 57: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 46 -

M = 1

M = K

M = 1

M = K

그림 326 양방향 커패시터 멀티 라이어

Fig 326 Two ended capacitor multiplier

그림 325의 MOSFET Mz1과 Mz2는 모두 선형 역에서 동작하므

로 Mz2를 스 치로 생각할 수 있다 그림 326에서 OP amplifier의

주변 MOSFET(NMOS)의 게이트에는 VDD의 압을 인가한다 그

러면 K배 만큼의 류가 흐르게 되고 외부에서 보면 등가 으로 큰

커패시터 용량을 얻을 수 있다

커패시터 멀티 라이어의 이아웃은 그림 327과 같다 정확한 커

패시터 값을 이아웃 하기 해서 100[fF]의 단 커패시터를 그려

서 병렬로 연결하 다

그림 327 커패시터 멀티 라이어의 이아웃

Fig 327 Layout of the capacitor multiplier

커패시터 멀티 라이어에 탑재되어 스 치의 소스-드 인 압을

복제하는 역할을 하는 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃은

그림 328과 같다 입력 단은 좌우 칭으로 이아웃 하 으며

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

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200436 2

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down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 58: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 47 -

출력 단에 주 수 보상을 해 사용되는 두 09pF의 커패시터를

치시켰다 GND와 VDD의 충분한 공간을 확보하기 해서 이아웃

후 남은 부분을 모두 VDD와 GND로 채웠다

그림 328 이단 폴디드 캐스코드 증폭기의 이아웃

Fig 328 Layout of the two-stage folded cascode amplifier

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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July

200524 6

step

down300kHz 89

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200518 33

step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 59: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 48 -

제 4 장 실험 결과 및 고찰

이번 장에서는 제 3장에서 제안하 던 고효율 스텝다운 DC-DC 변

환기의 각 부분 블록들을 모의실험(simulation)한 결과 측정결과 그

리고 마지막으로 타 논문과의 성능비교를 하 다 모의실험은 이

던스(Cadence)사의 Virtuoso Analog Design Environment와 시놉시

스(Synopsys)사의 Hspice를 사용하여 수행하 다 41 과 42 에서

는 각각 모의실험 결과와 측정결과를 기술하 으며 43 에서는 성

능 비교 고찰을 하 다

41 모의실험 결과 및 성능 분석

411 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주파수 응답 모의실

험 결과

스텝다운 DC-DC 변환기를 설계하기 해서 가장 먼 알아두어야

할 것은 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답 특성이다 본 회로에

서는 47μH의 인덕터와 47μF의 커패시터를 사용하여 모의실험 하

는데 47μH의 인덕터는 25mA 최소 부하 류와 차후 설계하게 될

보상회로의 항과 커패시터 크기를 고려하여 선택된 것이다 인덕

터 모델은 Coilcraft 사의 력용 인덕터 1812PS472 칩의 Spice

모델을 사용하 다 보상되지 않은 변환기의 주 수 응답은 그림 41

과 같이 나타낼 수 있으며 모의실험 결과 보상회로를 통해 스 칭 주

수가 5[MHz]일때 243dB를 보상해 주어야 함을 알 수 있었다 그

리고 상 여유 한 극히 작은 값을 가지고 있으므로 이득과 상

을 모두 보상해 주어야 한다

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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down300kHz 89

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step

up200kHz 90

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20044 15

step

up500kHz 92

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200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

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[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 60: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 49 -

그림 41 보상되지 않은 스텝다운 DC-DC 변환기의 주 수 응답

Fig 41 Frequency response of uncompensated DC-DC step-down

converter

412 오차 증폭기의 모의실험 결과

오차 증폭기는 캐스코드 OTA(Operational transconductance

amplifier)를 통해 구 하 으며 그림 42와 같은 주 수 응답 특성

을 나타낸다 모의실험 결과 719dB의 이득과 158MHz의 이득 역

폭(Gain band width)을 가지는 것을 확인 할 수 있다 스 칭 주

수를 5MHz로 설계 하 을 경우 스텝다운 변환기의 상 여유는 스

칭 주 수의 120인 지 (250KHz)에서 42deg도 이상 되어야 한다

오차 증폭기의 상여유는 보상회로에 의해 보상되므로 작아도 무

하나 모의실험 결과 63deg로 안정 인 것을 확인 할 수 있었다

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

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200612 25

step

up667kHz 85

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July

200524 6

step

down300kHz 89

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200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

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200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

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- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 61: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 50 -

그림 42 오차보정증폭기의 주 수 응답 특성

Fig 42 Frequency response of Error Amplifier

413 보상회로의 모의실험 결과

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 오차보정증폭기를 사용하여서

안정된 상과 이득 여유를 가지게 해주어야 한다 그 이유는 오차

증폭기를 사용하지 않으면 DC-DC 변환기는 일정한 압으로 출력

이 안정화 되지 않으며 기 응답 상태에서 출력이 굉장히 흔들리

는 상이 발생한다 커패시터 멀티 라이어 기법을 이용한 Type

III 오차보정 증폭기회로의 주 수 응답은 그림 43 (a)과 같이

5MHz의 스 칭 주 수에서 동작하는 회로를 보상할 수 있도록 크

로스 오버 주 수를 스 칭 주 수의 120인 250kHz에 치할 수

있게 248dB의 이득과 49deg의 상을 보상한다 이와 같이 그림 43의

특성을 가진 보상회로를 통해서 보상된 주 수 응답은 그림 44와

같다 5MHz의 주 수 응답인 그림 44 (a)의 경우 크로스오버 주

수가 250kHz에 치하며 508deg의 상여유를 가지는 것을 볼 수 있

다 42deg이상의 상여유를 가지는 것을 확인 할 수 있다 그리고

250KHz에서 이득이 05dB가 확보 되는 것을 확인 할 수 있었다

- 51 -

그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

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Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
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그림 43 오차보정증폭기 Type Ⅲ 보상회로의 주 수 응답

Fig 43 Frequency response of error amplifier Type Ⅲ compensation

circuit

그림 44 보상된 DC-DC 스텝다운 변환기의 주 수 응답

Fig 44 Frequency response of compensated step-down DC-DC

converter

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414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

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그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

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부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 63: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 52 -

414 발진 및 램프신호 발생기 모의실험 결과

발진 램 신호 발생기는 스텝다운 DC-DC 변환기에서 스 칭

주 수를 결정짓는 가장 요한 블록 에 하나이다 여기서는 시스

템의 동기를 일치시켜 주기 해서 클록신호를 만든다 그리고

DC-DC 변환기의 스 칭 주 수를 만들기 해서 램 신호를 생성

한다 그림 45에서는 발진 램 신호 발생기의 모의실험 결과를

보여 다 램 형의 주기는 02ns(5MHz)임을 모의실험 결과 확인

할 수 있었고 DC-DC 변환기의 동기를 일치시키기 한 클록 형

도 정확하게 출력됨을 확인할 수 있었다

그림 45 발진 램 신호 발생기의 출력 형

Fig 45 Output signals of oscillator and ramp generator

415 소프트 기동 회로 모의실험 결과

소 트 기동회로는 스텝다운 DC-DC 변환기 기 구동 시 과도

류가 흐르는 것을 방지해 주어서 스텝다운 변환기의 안정도를 높여

주는 역할을 한다 그림 46은 소 트 기동회로가 정상동작하고 있

음을 보여주고 있다

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

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그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

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43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

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[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

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[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

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Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

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[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

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[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

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lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

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[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

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[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

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[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

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ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 64: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 53 -

그림 46 소 트 시동회로 동작 형

Fig 46 Soft start up simulation graph

스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18이 되는 시 에 R-S 래치의

출력이 0이 됨을 알 수 있다 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력이 18

이 되기 까지만 커패시터에 충 이 되고 그 이후부터는 충 이

되지 않음을 알 수 있다

416 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 모의실험 결과

고성능 주 수 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형은 그림

47과 같다 출력 압이 설계 압인 18V까지 도달 하는데 약 900

μsec 의 시간이 걸린다 이후부터 안정을 찾아 18V 정상상태에서

동작한다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는 500mA의 부하 류까

지 동작 하도록 설계 되어진 것이므로 부하변동 모의실험을 해서

- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

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[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

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Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

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[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

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Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

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July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

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lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

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[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

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[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
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- 54 -

부하가 변동 되어질 때 출력이 일정하게 나오는지 확인 하여야 한

다 그림 48은 부하가 변동 될 때 출력을 보여 다 출력 류를 임

의로 150mA에서 300mA까지 변화시키면서 출력 압의 변화를 모

의 실험한 결과이다

그림 47 스텝다운 DC-DC 변환기의 출력 압 형

Fig 47 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

그림 48 스텝다운 DC-DC 변환기의 부하변동 시 압 형

Fig 48 Output output voltage of the step-down DC-DC converter

when load current was changed

- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

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[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

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Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
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- 55 -

부하 변동 모의실험 결과 출력 형은 부하 류가 변화함에 따라

서 약간씩 흔들리지만 일정시간이 지나면 다시 18V로 일정해 짐을

알 수 있다

인덕터에 흐르는 류의 형은 그림 49와 같다 250μsec 까지는

오버슈트 상이 발생하지만 그 이후에는 정상동작을 함을 알 수

있다 류의 리 은 25mA로 설계한 값과 정확하게 일치한다 그러

나 앞으로 류 오버 슈트에 한 사항은 수정되어야 한다

그림 49 인덕터 류 형

Fig 49 Inductor current waveform

고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 력효율은 그림 410과 같다

그림 410은 력 버퍼를 사용한 설계와 일반버퍼를 사용해서 설

계의 효율을 비교하고 있다 비교 결과 력 버퍼를 사용한 것이

평균 3정도 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다 200mA 부

하에서 최 8747의 력효율을 가진다

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

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[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

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Conference Proceedings 1994 Ninth Annual Vol 2 pp 601 -

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[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

Optimization of Dead Times in DC-DC Converters With

Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

Vol 21 No 4 pp 994 - 1002 July 2006

[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

Conference Session 15 ADCs DC References and Converters

pp 288 - 289 Feb 2005

[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

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[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

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[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

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2001

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Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

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ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 67: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 56 -

그림 410 효율 VS 부하 류

Fig 410 Efficiency VS Load current

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

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607 Feb 1994

[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

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Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

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[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

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[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

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Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

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Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

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[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

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conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

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[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 68: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 57 -

42 측정결과

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 부하변동 시 일정한

압이 출력되는 것을 확인하는 출력 압 측정과 부하 류 변동 시

에 효율이 어떻게 변화하는 지를 측정하는 효율 측정으로 나 수

있다 421 에서는 출력 압을 측정하는 과정을 설명하고 422

에서는 효율을 측정하는 과정을 진행하 다

421 부하 변동 시 출력 전압 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 출력 압 측정이 있다 그림 411은 부하 변동 시 출력 압 측

정을 하는 환경을 나타내고 있다

그림 411 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 측정 환경

Fig 411 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 58 -

제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

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Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

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Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

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Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

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Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

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[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

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[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

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[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 69: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

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제안된 스텝다운 DC-DC 변환기의 입력은 33V이고 출력은 18V

이다 그러므로 워 스 치 출력 압 펄스의 듀티비는 0545가 된

다 측정결과 듀티비는 056정도로 측정이 되었다 설계한 내용과는

다소 오차가 존재한다

그림 412 부하 류 100mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 412 Power switch voltage output wave when load current is

100mA

그림 413 부하 류 100mA 일 때 출력 압

Fig 413 Output voltage wave when load current is 100mA

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

July 2005

[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

supplies by Bi-Frequency modulation IEEE Applied Power

Electronics Conference and Exposition 1994 APEC 94

Conference Proceedings 1994 Ninth Annual Vol 2 pp 601 -

607 Feb 1994

[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

Optimization of Dead Times in DC-DC Converters With

Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

Vol 21 No 4 pp 994 - 1002 July 2006

[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

Conference Session 15 ADCs DC References and Converters

pp 288 - 289 Feb 2005

[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 70: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 59 -

그림 412과 413는 각각 부하 류가 100[mA]일 때 워 스 치

의출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다

그림 414 부하 류 200mA 일 때 워 스 치 압 출력 형

Fig 414 Power switch voltage output wave when load current is

200mA

그림 415 부하 류 200mA 일 때 출력 압 형

Fig 415 Output voltage wave when load current is 200mA

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

July 2005

[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

supplies by Bi-Frequency modulation IEEE Applied Power

Electronics Conference and Exposition 1994 APEC 94

Conference Proceedings 1994 Ninth Annual Vol 2 pp 601 -

607 Feb 1994

[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

Optimization of Dead Times in DC-DC Converters With

Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

Vol 21 No 4 pp 994 - 1002 July 2006

[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

Conference Session 15 ADCs DC References and Converters

pp 288 - 289 Feb 2005

[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 71: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 60 -

그림 414과 415는 각각 부하 류가 200mA일 때 워 스 치

의 출력 압 펄스와 출력 압을 나타내고 있다 DC-DC 변환기에

서 출력 압의 성능을 나타내는 지표는 바로 출력 압의 리 이

다 그림 416은 200[mA]의 부하 류가 흐를 때 출력 압의 리 을

나타낸 것이다

그림 416 부하 류 200[mA] 일 때 출력 압 리

Fig 416 Output voltage ripple wave when load current is 200mA

의 출력 리 은 오실로스코 의 압 을 20mV로 설정해

놓고 측정한 결과이다 의 측정결과를 토 로 출력 압 리 을 계

산해 보면 117가 나오는 것을 확인 할 수 있었다 보통 리 은

1 이내로 들어와야 하는데 약간 과한 것을 확인 할 수 있었다

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

July 2005

[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

supplies by Bi-Frequency modulation IEEE Applied Power

Electronics Conference and Exposition 1994 APEC 94

Conference Proceedings 1994 Ninth Annual Vol 2 pp 601 -

607 Feb 1994

[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

Optimization of Dead Times in DC-DC Converters With

Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

Vol 21 No 4 pp 994 - 1002 July 2006

[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

Conference Session 15 ADCs DC References and Converters

pp 288 - 289 Feb 2005

[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 72: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 61 -

422 부하 변동 시 효율 측정

스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 나타내는 특성으로 부하 변동

시 효율 측정이 있다 그림 417은 부하 변동 시 효율 측정을 하는

환경을 나타내고 있다 출력 부분의 류와 압을 측정하고 그 값

을 입력 부분의 류와 압 값으로 나 어 주면 스텝다운 DC-DC

변환기의 효율을 구할 수 있다 제안된 스텝다운 DC-DC 변환기는

500mA까지 부하 류를 드라이 할 수 있도록 설계 하 으나 측정

은 100mA까지만 가능하 다 그 이상 류를 흐르게 하면 잠시는

동작 하 으나 오래 동작 하지 못했다 그 이유는 워 스 치 크기

를 도 손실과 스 칭 손실을 고려해서 설계해야 했지만 설계 당

시에는 흐르는 류량만으로 설계를 진행해서 스 치 크기가

하지 않게 설계 되었다 측정 결과 효율은 부하 류가 50[mA]일 때

7018[]이고 부하 류가 300mA일 때는 819 다 최 효율은

부하 류 200mA일 때 839 다

그림 417 제작한 스텝다운 DC-DC 변환기 효율 측정 환경

Fig 417 Measurement environment of step-down DC-DC converter

- 62 -

43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

July 2005

[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

supplies by Bi-Frequency modulation IEEE Applied Power

Electronics Conference and Exposition 1994 APEC 94

Conference Proceedings 1994 Ninth Annual Vol 2 pp 601 -

607 Feb 1994

[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

Optimization of Dead Times in DC-DC Converters With

Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

Vol 21 No 4 pp 994 - 1002 July 2006

[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

Conference Session 15 ADCs DC References and Converters

pp 288 - 289 Feb 2005

[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 73: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

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43 성능 비교 및 고찰

본 에서는 제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기와 국제 학술

논문에 발표된 DC-DC 변환기의 성능을 비교하 다 DC-DC 변환

기의 주요 성능 변수는 스 칭 주 수(Switching frequency)와 력

효율(Power efficiency)이다 스 칭 주 수는 회로를 구성하는 인덕

터 크기와 계되어 회로의 크기를 나타내는 지표이며 력효율은

원 공 장치(Power management unit)로써 시스템 동작시간을

나타내는 지표이다 이 두 지표는 서로 트 이드오 (Trade off)

계를 가져서 스 칭 주 수가 높아지면 효율이 감소하고 스 칭 주

수가 낮아지면 효율이 증가한다

Ref

NoJournals amp Magazines Date

Input

Voltage

Output

VoltageType

Switching

FreqEfficiency

[3]IEEE Transaction

on power electronics

July

20065 1

step

down200kHz 91

[4] IEEE ISSCC 2006Feb

200612 25

step

up667kHz 85

[5]IEEE Transaction

on power electronics

July

200524 6

step

down300kHz 89

[7] IEEE ISSCC 2005Feb

200518 33

step

up200kHz 90

[8] IEEE JSSCDec

20044 15

step

up500kHz 92

[9] IEEE JSSCJAN

200436 2

Step

down300kHz 895

[22] 자공학회 논문지2006년

9월08sim24 18sim33

Step

up500kHz 90

[23] 자공학회 논문지2006년

9월33 1

step

down1MHz 80

This Work 33 18Step

down5MHz 83 9

표 3 제안한 DC-DC 변환기와 국제 학술논문과의 비교

Table 3 Comparison of performance between the proposed DC-DC

Converter and international science paper DC-DC converter

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

July 2005

[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

supplies by Bi-Frequency modulation IEEE Applied Power

Electronics Conference and Exposition 1994 APEC 94

Conference Proceedings 1994 Ninth Annual Vol 2 pp 601 -

607 Feb 1994

[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

Optimization of Dead Times in DC-DC Converters With

Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

Vol 21 No 4 pp 994 - 1002 July 2006

[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

Conference Session 15 ADCs DC References and Converters

pp 288 - 289 Feb 2005

[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 74: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 63 -

국제 학술논문의 DC-DC 변환기와의 비교 분석결과는 표 3과 같

다 수치 으로 발표된 논문들에 비해 력효율이 비슷하거나 낮은

것을 볼 수 있으나 스 칭 주 수가 타 논문들에 비해 높은 것을

감안하면 우수한 성능을 보인다고 할 수 있다 한 차후 보상회로

스 치 동작 개선 통해 2 ~ 3 정도의 효율상승을 얻을 수 있어

부가 인 성능향상이 상된다

제안한 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 성능을 요약하면 표 4와

같다 부하 류를 500[mA]로 설계 하 으나 측정결과 300[mA]까지

는 정상동작 하지만 그 이후부터는 정상 동작을 하지 않았다 효율

은 모의실험 결과와 측정 결과 모두 부하 류가 200[mA]일 때를 명

시했다

항 목 모의실험 결과 측정 결과

입력 압 33 V 33 V

출력 압 18 V 183 V

스 칭

주 수5MHz 508[MHz]

력효율 Maximum 878 Maximum 839

압리 00056 117[]

부하 류 500mA 300[mA]

필터 인덕터 47μH 47μH

필터

커패시터47μF 47μF

유효 칩

면3242 times 920

2-

공 정 CMOS 035 -

표 4 설계 성능 요약

Table 4 Design performance summary

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

July 2005

[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

supplies by Bi-Frequency modulation IEEE Applied Power

Electronics Conference and Exposition 1994 APEC 94

Conference Proceedings 1994 Ninth Annual Vol 2 pp 601 -

607 Feb 1994

[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

Optimization of Dead Times in DC-DC Converters With

Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

Vol 21 No 4 pp 994 - 1002 July 2006

[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

Conference Session 15 ADCs DC References and Converters

pp 288 - 289 Feb 2005

[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

conversion for low-voltage systems IEEE Transactions on Very

Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

Logic with VHDL Design McGrow-Hill Companies Inc 2001

[16] Behazad Razavi Design of Analog CMOS Integrated Circuits

McGraw-Hill Companies Inc 2001

[17] Phillip E Allen Douglas R Holberg CMOS Analog Circuit

Design second edition Oxford University Press 2002

[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

Power Electronics second edition Kluwer Academic Publishers

2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 75: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

- 64 -

제 5 장 결 론

본 논문은 무선 모바일 시스템의 력구동과 효율 향상을 한

5MHz 스 칭 주 수에서 동작하는 고성능 스텝다운 DC-DC 변환

기의 설계를 제안하 다 본회로는 일반 인 인버터 형태의 버퍼가

아닌 력 버퍼를 이용함으로써 DC-DC 변환기 체 이득을 향

상시켰다

설계를 하여 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 CMOS 035

1-Poly 4-Metal 공정을 사용하여 설계하 다 설계된 변환기는

력 버퍼를 VDD에서 GND로 흐르는 단락 회로 류를 제거함으

로써 체 효율을 향상 시켰다[20] 압구동 방식을 가진 변환기의

안정 동작을 해 Type Ⅲ 구조의 보상회로를 설계하 으며 커

패시터 멀티 라이어 기법을 사용하여 보상회로에 필요한 큰 크기

의 커패시터를 작은 크기의 커패시터로 체하 고 보상회로를 칩

안에 집 화 시킬 수 있었다[1]

회로의 안정성을 결정하는 역할로 가장 요한 보상회로의 모의실

험 결과는 5MHz일 때 250kHz에 크로스 오버 주 수를 가지도록

243dB의 이득과 49deg의 상을 보상했다[18] 변환기 체의 측정 결

과는 18V의 안정 출력 압을 보이며 출력 압의 리 은 117

를 가진다 이때 력 효율은 200mA 부하에서 최 839를 나타

내었다

측정결과로부터 력 버퍼의 사용으로 평균 3정도의 효율 향

상을 보인다 차후 력 버퍼의 트랜지스터 사이즈를 최 화 시

키면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다[23]

이와 같이 제안된 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기는 핸드폰 노트

북 PDA MP3과 같은 배터리(Battery) 원 기반의 무선 모바일 기

기에 모두 사용될 수 있다

- 65 -

[1] Chia-Jung and Ke-Horng Chen Bidirectional Current-Mode

Capacitor Multiplier in DC-DC Converter Compensation IEEE

Proceedings of the Fifth International Workshop on

System-on-Chip for Real-Time Applications Vol 00 pp 111-116

July 2005

[2] Zhang Y F and Yang L Lee C Q EMI reduction of power

supplies by Bi-Frequency modulation IEEE Applied Power

Electronics Conference and Exposition 1994 APEC 94

Conference Proceedings 1994 Ninth Annual Vol 2 pp 601 -

607 Feb 1994

[3] Vahid Yousefzadeh and Dragan Maksimovic Sensorless

Optimization of Dead Times in DC-DC Converters With

Synchronus Rectifiers IEEE Transaction on power electronics

Vol 21 No 4 pp 994 - 1002 July 2006

[4] Tsz Yin Man Philip K T Mok and Mansun Chan A

CMOS-Control Rectifier for Discontinuous-Conduction Mode

Switching DC-DC Converters 2006 IEEE International

Solid-State Circuits Conference Session 19 pp 358 - 359

Analog techniques Feb 2006

[5] Kaiwei Yao Mao Ye Ming Xu Fred C Lee Tapped-Inductor

Buck Converter for High-Step-Down DC-DC Conversion IEEE

Transaction on power electronics Vol 20 No 4 pp 775 - 780

July 2005

[6] Michael D Mulligan Bill Broach and Thomas H Lee A

Constant-Frequency Method for Improving Light-Load Efficiency

in Synchronous Buck Converters IEEE Power Electronics

Letters Vol 3 No 1 pp 24 - 29 March 2005

lt참 고 문 헌gt

- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

Pseudo Continuous Output Regulation using a Three-Stage

Switchable Opamp 2005 IEEE International Solid-State Circuits

Conference Session 15 ADCs DC References and Converters

pp 288 - 289 Feb 2005

[8] Jinwen Xiao Angel V Peterchev Iianhui Zhang Seth R Sanders

A 4-μA Quiescent-Current Dual-Mode Digitally Controlled Buck

Converter IC for Cellular Phone Applications IEEE Journal of

Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

Vol 53 No 4 pp 294 - 298 April 2006

[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

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Large Scale Integration (VLSI) Systems Vol 8 Issue 3 252 -

263 June 2000

[13] Abram P Dancy Anantha P Chandrakasan Ultra Low Power

Control Circuits for PWM Converters IEEE Power Electronics

Specialists Conference pp 21 - 27 June 1997

- 67 -

[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

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IEEE Transaction on Power Electronics Vol 6 No 4 pp 749 -

758 Oct 1991

[15] Stephen Brown and Zvonko Vranesic Fundamentals of Digital

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[18] Robert W Erickson Dragan Maksimovic Fundamentals of

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2001

[19] Abraham I Pressman Switching Power Supply Design second

edition McGraw-Hill Companies Inc 1998

[20] Khalid HAbed Kim YWong Marian KKazimierczuk CMOS

Zero Cross-Conduction Low-Power Driver and Power MOSFETs

for Integrated Synchronous Buck IEEECircuitandSystems

ISCASMay2006

[21] AbedKH Wong KY Kazimierczuk MK ldquo Implementation of

novel low-power drive for integrated buck converterrdquo

IEEECircuitsandSystemsVol2pp1757-1760Aug2005

[22] 정경수양희 차상 임진업최 호 류감지 Feedback 기법을 사

용한 고효율 CMOS DC-DC Boost 변환기의 설계 2006년 9월

자공학회 논문지 제 43권 SD 편 제 9호

[23] 박규진김훈 김희 정원섭 CMOS OTA를 이용한 1MHz

33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

Compensation Circuit for EMI ReductionrdquoITC-CSCC 2007

Proceedings Volume1

[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
Page 76: 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기 Design of … · 工學碩士學位請求論文 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스텝다운 DC-DC 변환기

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- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
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- 66 -

[7] Hoi Lee and Philip K T Mok A SC DC-DC Converter with

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Solid-State Circuits Vol 39 No 12 pp 288 - 289 Dec 2004

[9] Cheung Fai Lee and Philip K T Mok A Monolithic

current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip

Current-Sensing Technique IEEE Journal of Solid-State

Circuits Vol 39 No 1 pp 3 - 14 Jan 2004

[10] Anthony J Stratakos Seth R Sanders and Robert W Brodersen

A Low-Voltage CMOS DC-DC Converter for a Portable

Battery-Operated System IEEE Power Electronics Specialists

Conference pp 619 - 626 June 1994

[11] Man Siu Philip K T Mok Ka Nang Leung Yat-Hei Lam and

Wing-Hung Ki A Voltage-Mode PWM Buck Regulator With

End-Point Prediction IEEE Transaction on circuits and systems

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[12] Abram P Dancy Rajeevan Amirtharajah and Anantha P

Chandrakasan High-efficiency multiple-output DC-DC

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[14] Leo F Casey John Ofori-Tenkorang Martin F Schlect CMOS

Drive and Control Circuitry for 1-10MHz Power Conversion

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758 Oct 1991

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33-1V 동기식 Buck DCDC converter 논문 2006-43SC-5-4

[24] Seokjin Kim Daewoong Cho Seungchan Park Kwangsub Yoon

Design of a Tri-Frequency DC-DC Buck Converter using On-Chip

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[25] Daewoong Cho Seokjin Kim Seungchan Park Kwangsub Yoon

- 68 -

Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

Low-Power Integrated Circuits and Systems

  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
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Proceedings Volume1

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Design of a Step-Down DC-DC Converter with On-chip

Compensation circuit ISICE2007

[26] Edgar Sanchez-Sinencio Andreas GAndreouLow-Voltage

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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌
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  • 제1장 서론
  • 제2장 스텝다운 DC-DC 변환기의 개요
    • 21 스텝다운 DC-DC 변환기
    • 22 스텝다운 DC-DC 변환기의 궤환 시스템
    • 23 스텝다운 DC-DC 변환기의 소신호 해석
    • 24 보상회로
    • 25 보상회로의 MATLAB 모의실험
      • 제3장 고성능 스텝다운 DC-DC 변환기의 설계
        • 31 저 전력 스텝다운 DC-DC 변환기 블록도
        • 32 오차 증폭기
        • 33 보상회로
        • 34 발진 및 램프신호 발생기
        • 35 비교기
        • 36 소프트 기동회로
        • 37 듀티 제어 블록
        • 38 파워 스위치
        • 39 커패시터 멀티플라이어
          • 제4장 측정 결과 및 고찰
            • 41 모의 실험 결과 및 성능 분석
            • 42 측정결과
            • 43 성능 비교 및 고찰
              • 제5장 결론
              • 참고문헌