(A) design of multi-phase DC-DC buck converter for automotive battery management system and network server application

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents a 1MHz six-phase synchronous buck converter for high-current power management units. A novel half-duty sensing (HDS) technique is proposed to evenly balance the inductor currents. By sampling a replica current sensor at the noise-free midpoint of the low-side switch's ON-time, the scheme dynamically adjusts the peak of each phase's sawtooth peak value to correct current mismatches. In addition, an auto phase-shedding (APS) scheme is implemented to achieve high efficiency over a wide load range. The number of active phases is dynamically adjusted based on the total average load current, which is determined by a robust analog comparison with hysteresis control. The proposed six-phase buck converter, using six external 470nH inductors, was fabricated in a 0.13-µm BCDMOS process. The chip, running at a frequency of 1 MHz/phase, can supply up to 60A of load current and dynamically adjusts the number of active phases from 1 to 6. A maximum power density of 6.88 W/mm² and a peak efficiency of 93.13% were measured. This work achieved robust current balancing, correcting an initial 2A mismatch to less than 0.05A, and demonstrated fast dynamic voltage scaling (DVS) transitions rate of 75.7mV/us.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 고전류 전력 관리 장치를 위한 다상 벅 변환기를 제시한다. 인덕터 전류를 균일하게 분배하기 위해 새로운 HDS(Half-Duty Sensing) 기법을 제안한다. 본 기법은 하단 스위치 ON 시간의 잡음이 없는 중간 지점에서 복제 전류 센서를 샘플링하여, 각 위상 톱니파의 피크 값을 동적으로 조정함으로써 전류 불균형을 보정한다. 또한, 넓은 부하 범위에서 높은 효율을 달성하기 위해 자동 위상 탈락 기법을 구현하였다. 활성 위상의 수는 히스테리시스 제어를 이용한 아날로그 비교 방식을 통해 결정되는 총 평균 부하 전류를 기반으로 동적으로 조정된다. 6개의 외부 470nH 인덕터를 사용하는 제안된 6상 벅 변환기는 0.13µm BCDMOS 공정으로 제작되었다. 본 칩은 위상 당 1MHz의 주파수로 동작하며, 최대 60A의 부하 전류를 공급할 수 있고 활성 위상의 수를 1개에서 6개까지 동적으로 조절한다. 측정 결과, 최대 6.88 W/mm²의 전력 밀도와 93.13%의 최고 효율을 달성하였다. 본 연구는 우수한 전류 균형을 달성하여 초기 2A의 전류 불균형을 0.05A 미만으로 보정하였으며, 75.7mV/µs의 빠른 DVS(동적 전압 스케일링) 전환 속도를 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 0
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.2 Prior Works & Motivation 6
• Chapter 2. Basic Theories 12
• 2.1 DC-DC Converters 12
• 2.2 Key Performance Metrics 14
• 2.3 Power Loss and Conversion Efficiency 15
• Chapter 3. Proposed Circuit Design 18
• 3.1 Overall Architecture of Proposed Chip 18
• 3.2 Current Balancing Scheme 22
• 3.3 Auto Phase-shedding technique 31
• 3.4 Stability Analysis 35
• Chapter 4. Experimental Results 39
• 4.1 Realization of Multi-Phase Buck Converter 39
• 4.2 Measurement Results 41
• Chapter 5. Conclusion 49
• References 50
• Korean Abstract 55