XR 글래스의 LCoS 마이크로디스플레이 백플레인을 위한 130nm-CMOS 듀얼모드 DC-DC 부스트 컨버터 설계 = Design of a 130nm CMOS Dual-Mode DC-DC Boost Converter for LCoS Microdisplay Backplane of XR Glasses

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 차세대 XR(Extended Reality) 기기용 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 마이크로디스플레이 백플레인 구동을 위한 130 nm CMOS 공정 기반의 고효율 듀얼모드 DC-DC 부스트 컨버터 설계를 제안한다. XR 디바이스는 제한된 배터리 용량 환경에서 고해상도 및 고휘도를 동시에 요구하며, 영상 콘텐츠에 따라 부하 전류가 수 μA에서 수십 mA까지 급격히 변동함으로써 출력 전압 안정성이 중요한 설계 요소로 작용한다. 이를 위해 본 논문에서는 경부하 영역에서 전력 효율을 향상시키는 PFM(Pulse Frequency Modulation) 모드와 고부하 영역에서 전압 조절 성능이 우수한 PWM(Pulse Width Modulation) 모드를 지능적으로 전환하는 듀얼모드 제어 구조를 적용하였다. 또한, 저항 기반 전류 센싱 방식의 전력 손실과 면적 증가 문제를 해결하기 위해 인덕터 전류의 불연속 전도 모드(DCM) 시간 정보를 활용한 디지털 모드 선택기를 제안하여, 별도의 센싱 저항 없이 매끄러운 모드 전환을 구현하였다. 더불어, 공정 변동 및 내부 지연에 따른 인덕터 역전류를 억제하기 위해 LTTC(Logical Threshold Triggered Comparator) 기반의 적응형 영전류 검출기(ZCD)를 설계하였다. 130 nm CMOS 공정으로 설계 및 검증된 본 컨버터는 1.2 V 입력에서 6 V 출력을 생성하며, 부하 전류가 0.46 μA에서 25 mA로 급격히 변화하는 조건에서도 출력 전압 변동을 107.7 mV 이내로 억제하였다. 이는 단일 PFM 모드 동작 대비 약 5.2배 개선된 결과이며, 과도 응답 성능 지표인 FoM 0.54를 달성하여 기존 연구 대비 우수한 전압 안정성과 응답 특성을 입증하였다. 본 연구는 XR 기기용 고해상도 마이크로디스플레이 구동을 위한 효율적이고 안정적인 전력 관리 솔루션을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents a high-efficiency dual-mode DC–DC boost converter implemented in a 130 nm CMOS process for the LCoS microdisplay backplane of next-generation XR glasses, addressing wide load current variations under limited battery capacity. The proposed converter switches between Pulse Frequency Modulation (PFM) for light-load efficiency and Pulse Width Modulation (PWM) for heavy-load regulation, using a DCM timing–based digital mode selector and an adaptive Zero Current Detector (ZCD) to enable seamless transitions and suppress reverse inductor current. Designed and verified in a 130 nm CMOS process, the converter generates 6 V from a 1.2 V input and limits the output voltage undershoot to 107.7 mV during a 0.46 μA–25 mA load transition, achieving a 5.2× improvement over PFM-only operation with a Figure of Merit of 0.54.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 차세대 XR 디바이스 및 마이크로디스플레이 구동 환경 1
• 2. 마이크로디스플레이 기술 및 구동 특성 2
• 3 마이크로디스플레이 구동을 위한 PMIC 요구사항 3
• Ⅱ. 기존의 DC-DC 컨버터 5
• 1. PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 5
• 2. PWM(Pulse Width Modulation) 제어 6
• Ⅲ. 제안하는 DC-DC 컨버터 7
• 1. 설계 목표 7
• 2. 설계 사양 8
• 3. 제안하는 듀얼모드 DC-DC 부스트 컨버터 구조 9
• 3.1. 제안하는 컨버터 전체 구조 9
• 3.2. 모드 선택기 11
• 3.3. LTTC 기반 영전류 검출기 16
• 3.4. 전력단 23
• Ⅳ. 시뮬레이션 결과 27
• 1. PFM 단일모드 27
• 2. 듀얼모드 33
• Ⅴ. 결론 39
• □ 참고문헌 41
• □ Abstract 43