(A) design of multi-mode reconfigurable switched capacitor converter with 3 V - 18.4 V input range and 97.4 % power conversion efficiency

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 넓은 입력 전압 범위(3 — 18.4 V) 에서 높은 전력 변환 효율과 전력 밀도를 동시에 달성하기 위한 다중 모드 재구성형 스위치드 캐패시터(SC) 컨버터 구조를 제안한다.
제안된 컨버터는 입력 전압과 부하 조건에 따라 최적의 성능을 유지하기 위해 4:1, 2:1, 1:1의 세 가지 동작 모드를 지원하며, 각 모드에 따라 회로 토폴로지를 동적으로 재구성한다.
4:1 모드에서는 높은 변환비를 얻기 위해 Dickson 기반 구조를, 2:1 모드에서는 중간 전압 영역에서의 효율을 극대화하기 위해 캐스케이드 구조를, 그리고 1:1 모드에서는 불필요한 전도 손실을 최소화하기 위해 바이패스 경로를 활성화하였다.
본 연구의 핵심 기여는 기존 부트스트랩 게이트 구동 방식의 한계를 개선한 볼티지 보로잉(Voltage-Borrowing) 게이트 구동 기법이다.
이 기법은 하이사이드 NMOS 스위치의 게이트-소스 전압을 충분히 확보하고 게이트 구동 손실을 크게 줄여, 고입력 전압 환경에서도 높은 효율을 유지하도록 한다.
또한, 다중 기준 적응형 레귤레이션(Multi-Reference Adaptive Regulation) 회로망을 통합하여 실시간 보호 및 피드백 제어 기능을 구현하였다.
이 회로망은 입력 전류, 출력 전류, 출력 전압을 동시에 감시하며, 부하 및 입력 조건의 변화에 따라 게이트 구동 강도를 적응적으로 조정함으로써 안정적인 레귤레이션 동작을 보장한다.
제작된 시제품은 4 mm × 4.4 mm 크기의 11×12 볼 어레이 WLCSP 패키지로 구현되었으며, 3–4.6 V의 출력 전압, 최대 13 A의 부하 전류, 97.4 %의 최고 효율을 달성하여 수십 와트급의 출력을 안정적으로 제공한다.
이와 같은 소형화 및 확장성이 우수한 설계는 모바일 SoC, AI 가속기, IoT 노드, 소형 의료 전자기기 등과 같이 고효율·고집적 전력 관리 특성이 요구되는 응용에 적합하다.
결론적으로, 본 논문은 고도화된 재구성형 SC 컨버터 구조가 이론적으로 예측된 성능을 실제 회로 수준에서 실현할 수 있음을 입증하였으며, 차세대 전자 시스템을 위한 고효율·고전력밀도·안정형 전력 관리 솔루션을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents a multi-mode reconfigurable switched-capacitor (SC) converter architecture designed to achieve high power efficiency and density over a wide input range of 3 — 18.4 V.
The proposed converter supports three operating modes—4:1, 2:1, and 1:1—and dynamically reconfigures its topology according to the input volt-age and load condition to optimize overall performance.
A Dickson-based configuration is employed for the 4:1 mode to realize a high conversion ratio, a cascaded structure is adopted for the 2:1 mode to maximize intermediate-range efficiency, and a bypass path is activated in the 1:1 mode to minimize unnecessary conduction loss.
A key contribution of this work is the voltage-borrowing gate-drive technique, which effectively mitigates the voltage-swing limitation of conventional bootstrap circuits.
This approach provides sufficient gate to source voltage(Vgs) for high-side NMOS switches and substantially reduces gate-drive loss, thereby maintaining high efficiency even at elevated input voltages.
Furthermore, a multi-reference adaptive regulation network is integrated to provide real-time protection and feedback control.
This network simultaneously monitors the input current, output current, and output voltage, adaptively adjusting the gate-drive strength to ensure stable regulation under wide variations of load and input conditions.
The prototype, implemented in a 4 mm × 4.4 mm 11×12-ball WLCSP, achieves an output voltage range of 3–4.6 V, a load current up to 13 A, and a peak efficiency of 97.4 %, delivering tens of watts of output power.
The compact and scalable implementation makes the proposed converter well-suited for mobile SoCs, AI accelerators, IoT nodes, and compact medical electronics, where efficiency and integration are critical.
Overall, this dissertation demonstrates that advanced reconfigurable SC converter architectures can achieve their theoretical potential in practice, providing a high-efficiency, high-density, and regulation-robust power-management solution for next-generation electronic systems.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 Limitations of Conventional SC Converter 9
• 1.3 Contribution of This Work 12
• Ⅱ. Proposed SC Converter Architecture 15
• 2.1 Overall Topology and Block Diagram 15
• 2.2 Voltage Borrowing Scheme for High-Side Gate Driving 21
• 2.3 Circuit Techniques for Efficiency 27
• 2.4 Multi-reference adaptive Regulation 29
• 2.5 Reconfigurable Modes : 4:1, 2:1, 1:1 42
• Ⅲ. Experimental Results 50
• 3.1 Reconfigurable Operation 55
• 3.2 Regulation Operation 57
• 3.3 Efficiency 59
• 3.4 Static Efficiency Analysis and Model Validation 62
• Ⅳ. Conclusion 68
• Ⅴ. Future work 71
• References 75
• Korean Abstract 78