고효율 인덕터 방식의 DC-DC 변환기 = High efficiency inductive-type DC-DC converter

국문 초록 (Abstract)

최근 smart phone, notebook등과 같은 mobile device의 증가로 인해 제한된 battery 전력을 효율적으로 system에 공급할 수 있는 전력 변환 회로의 중요성이 증가하고 있다. 이와 함께 mobile device 내부는 dynamic voltage scaling (DVS) 같은 기술을 이용해 system 전체 전력 소모를 줄이고 있다. 이것은 최근 다양한 기능의 회로 및 수 많은 transistor 의 집적화로 전력 소모 양이 크게 증가 했기 때문이다.
전력 변환 회로는 battery 전압을 직접적으로 이용하는 회로로 battery 전압의 변화에도 내부 system에 안정적인 전력을 공급해야 하며 높은 전력 변환 효율을 가져야 한다. 이를 위해 전력 변환 회로는 내부 system의 상태에 따라 전력 변환 회로의 control 동작을 변화시켜 효율을 높일 수 있다.
Mobile system은 최신 미세 공정을 이용해 설계됨으로 내부 system에서 필요로 하는 전압의 크기가 감소한다. 따라서, 내부 system에 필요로 하는 전압과 battery 전압 간의 차이가 증가하게 된다. 전력 변환 회로는 이러한 조건에서도 높은 효율을 가지며 안정적으로 내부 system에 전력을 공급 할 수 있어야 한다. 또한, Mobile system은 다양한 기능의 다수의 칩을 사용하기 때문에 많은 전력 변환 회로를 필요로 하게 된다. 일반적으로 전력 변환 회로는 외부에 큰 소자를 사용한다. 특히, inductor와 diode 같은 소자는 부피가 크기 때문에 이를 이용해 전력 변환 회로를 구성 할 경우, 많은 수의 전력 변환 회로는 mobile system의 크기를 증가 시킨다. Display 구동 system은 battery 전압보다 높은 전압을 필요로 한다. 이때 사용되는 전력 변환 회로는 큰 inductor및 diode를 필요로 하게 된다. 따라서, 이러한 외부 소자의 사용을 최소화해 전체 system의 크기를 줄일 수 있는 전력 변환 회로 기술이 필요하다.
본 논문에서는 mobile system에 최적화된 고효율 전력 변환 회로들을 제안하였다. 특히, 내부 system의 공급전압과 battery 전압 간의 큰 전압 차에서도 높은 전력 변환 효율을 가지며 안정적으로 부하 system에 전력을 공급 할 수 있는 buck converter 를 제안하였다. 또한, LCD display에 필요한 전압을 생성하고 외부 소자 개수를 최소화한 boost converter 및 inverting charge pump 를 제안하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 DC-DC converter 종류 및 특성 1
• 1.1.1 Linear regulator 3
• 1.1.2 Charge pump 7
• 1.1.3 Switching regulator 8
• 1.2 논문 구성 10
• 제 2 장 Switching regulator 의 기본 원리 11
• 2.1 Buck converter 11
• 2.2 Boost converter 17
• 2.3 연구방향 28
• 제 3 장 Switching regulator 의 회로 구성 및 동작 특성 분석 30
• 3.1 Pulse width modulation (PWM) 회로 구성 및 small signal 분석 30
• 3.1.1 Dead time buffer 32
• 3.1.2 Artificial ramp generator 33
• 3.1.3 Current sensing 회로 34
• 3.1.4 PWM 동작의 small signal 분석 40
• 제 4 장 Adaptive power transistor driver 를 이용한 high-voltage tolerant buck converter 48
• 4.1 개요 48
• 4.2 기존 high-voltage tolerant buck converter 구조 50
• 4.3 제안된 high-voltage tolerant buck converter 구조 55
• 4.3.1 System design 55
• 4.3.2 제안된 adaptive power transistor driver 구조 57
• 4.3.3 전력 변환 효율 및 최대 공급 전류 66
• 4.4 측정 결과 69
• 4.5 결론 77
• 제 5 장 AMLCD bias 생성을 위한 고효율 boost converter 설계 78
• 5.1 개요 78
• 5.2 Boost converter 와 inverting charge pump 구조 79
• 5.2.1 System design 79
• 5.2.2 공정 구조 및 power transistor 의 Ron 변환 85
• 5.2.3 제안된 level shifter 회로 88
• 5.3 Inverting charge pump 구조 91
• 5.3.1 Inverting charge pump 91
• 5.4 측정 결과 96
• 5.5 결론 102
• 제 6 장 결론 103
• 제 7 장 향후 연구방향 및 개선사항 105
• 참고 문헌 106
• Abstract 114
• 연구업적 117
• 연구윤리서약서 122
• 감사의 글 124