EE-Newsletter 2010. Volume 4 02 03 04 06 2010 / WINTER 08 09 10 11 12 14 16 18 19 20
02 / EE Newsletter
AM OLED 패널을 위한 고효율 Single Inductor Boost/Buck Inverting Flyback Converter 개발 KAIST 전기 및 전자공학과 조규형 교수 연구실의 왕세원, 우영진 학우가 DC/DC 컨버터의 일종인 하이브리드 에너지 전달 매개 체와 Multi-Level Gate Driver를 이용한 AM-OLED 패널 전원용 고효율 Single Inductor Boost/Buck inverting Flyback(SIBBIF) 컨버터 를 출품하여 제11회 대한민국 반도체 설계대전에서 국무총리상을 수상하였다. 기존에 상용화되어 있던 Single-Inductor Bipolar-Output(SIBO) 컨버터에 비해 효율을 개선하였고, 몇 가지 새로운 방식도 추가하였다. 이번 기사를 통해 효율이 개선된 SIBBIF 컨버터에 대해서 알아보자. AM-OLED 패널의 전 원은 일반적으로 양전압과 음전압을 사용하는데 기존 의 상용화된 DC/DC 컨버 터의 경우는 인덕터를 두 개를 사용해서 Boost 컨버 터와 Inverting Flyback 컨버터로 양전압과 음전압 [그림 1] 이번에 개발 된 SIBBIF 컨버터의 블록 다이어그램 을 각각 만들게 된다. 이러 한 경우는 수동소자 중에서 가격이 가장 비싼 인덕터를 두 개 사용함으 로써 비용이 증가하고, 또한 PCB의 실장면적을 증가시키는 단점이 있 다. 그래서, Texas Instrument사에서는 인덕터 하나를 사용해서 양전 압과 음전압을 모두 생성하는 SIBO 컨버터를 개발 하였는데 구조상 효 율이 낮을 수 밖에 없는 한계가 있었다. 이번 연구성과에서는 인덕터 하 나를 사용해서 양전압과 음전압을 모두 생성 함으로써 IC의 cost를 절감 시키는 효과가 있을 뿐만 아니라 에너지 전달 매개체로써 인덕터와 캐패 시터를 동시에 사용하여 인덕터의 첨두 전류를 줄이고, Multi-Level Gate Driver를 사용하여 TI사 컨버터의 낮은 효율(최대 효율 75%)보다 10%이상 개선 된 87.1%의 최대 효율을 얻는 성과를 이루었다. 1. 하이브리드 에너지 전달 매개체 구현 먼저 컨버터 내부 회로의 개선 점을 살펴보자. 기존의 SIBO 컨 버터는 인덕터만을 사용하여 출 력을 내보내는 것을 볼 수 있다. SIBO 컨버터는 인덕터에 저장 된 에너지를 출력으로 전달 할 때 음전압(VON)에서 양전압(VOP) 로 에너지를 전달하는데, 이는 에너지 전달 경로에서 입력 전압 [그림 2] SIBBIF 컨버터와 기존 SIBO 컨버터 간 인덕터 첨두 전류 비교 이 분리 되어 있기 때문에 에너 지 전달 측면에서 비효율적이다. 게다가 인덕터 양단에 양전압(4.6V)과 음전압(-5.4V)의 10V 전압 차가 걸리기 때문에 인덕터의 방전 전류 기 울기가 커진다. 따라서, 인덕터 첨두 전류가 커지고 이러한 전류가 인덕 터 기생 저항에 흐름으로써 발생하는 손실로 인해 효율이 급감하게 된 다. 이에 비해서 이번에 개발된 SIBBIF 컨버터는 양전압과 음전압을 순 차적으로 만들게 되는데 양전압을 만드는 모드에서는 에너지 전달경로 에서 입력 전압이 연결 되어 있어 TI사의 컨버터보다 에너지를 효율적으 로 전달 할 수 있다. 또한, 캐패시터를 에너지 전달 매개체로 인덕터와 같이 사용 하여 에너지 전달을 분산 시킴으로써 인덕터의 에너지 전달 부담을 줄여 컨버터의 손실에서 가장 큰 factor인 인덕터의 기생 저항에 의한 손실을 줄일 수 있다. 이를 회로적인 관점에서 보면 캐패시터에 입 력 전압을 충전시켜 인덕터 양단의 전압차를 작게 함으로써 인덕터 방전 전류의 기울기를 완만하게 만들어서 인덕터의 첨두 전류를 줄일 수 있 다. 인덕터의 첨두 전류가 작아지면 컨버터의 스위치와 인덕터 기생 저 항의 손실과 관련 되는 실효 전류 값이 작아지게 되고 궁극적으로는 효 율이 증가하게 된다. 2. Multi-Level Gate Driver(MLGD) 구현 [그림 3] MLGD 구현을 통한 스위칭 손실 감소 [그림 1]에 보면 MOSFET으로 구현된 스위치 SPM과 SNM이 있다. 효율 을 고려해서 이 스위치의 Ron 저항을 작게 하려면 가능한 큰 전압이 게 이트에 인가 되야 한다. 하지만, 게이트 전압이 커지면, 게이트 캐패시터 에 의한 스위칭 손실이 일어나게 된다. 제안 된 MLGD는 가능한 큰 게 이트 전압을 인가하여 스위치의 Ron 저항을 작게 해서 전달 손실을 줄 이면서 동시에 스위칭 손실도 줄일 수 있는 회로이다. 스위치 SPM과 SNM 을에 인가되는 전압을 [그림 3]에 보이는 것처럼 세 단계로 나누었기 때 문에 기존의 게이트 드라이빙 회로에 비해서 스위칭 손실이 1/2이 된다. 이로 인해서, 이를 구현하기 전의 SIBBIF 컨버터보다 효율이 최대 2% 정도 증가되었다. 정리하면, 이번에 개발된 SIBBIF 컨버터는 컨버터에서 가장 중요한 스펙인 효율을 증가시키는 것에 중점을 두고 있다. 기존에 없는 구조인 인덕터와 캐패시터를 에너지 전달 매개체로써 동시에 사용하는 Hybrid type 컨버터를 처음으로 개발해서 TI사의 컨버터보다 높은 효율을 구현 하였다는 점이 중요하게 평가 받았던 점이고, 자세하게 소개는 안 되었 지만 switch control logic에 대한 최적화와 컨버터의 반응 속도를 빠르 게 하는 회로적인 기법들이 국무총리상을 수상한 배경이 된다고 할 수 있다. -바쁘신 와중에 인터뷰에 응해주신 왕세원, 우영진 학우께 감사 드립 니다. Korea Advanced Institute of Science and Technology / 03
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Interviewing the First Foreign Professor of KAIST EE Q) Would you introduce yourself to KAIST students? A) I was born in Jerusalem, Israel, and spent a large portion of my childhood in Rome, Italy. I served in the military for 4 years, after which I enrolled for studies at the Tel Aviv University. My passion for science started as soon as my parents gave me my first chemistry lab kit at age 8. At Tel Aviv University I studied chemistry with additional sections in physics and mathematics, and did my PhD in physical chemistry, focusing on nuclear magnetic resonance (NMR). Now I m at the Leiden University Medical Center, doing research at the high field MRI research center. My research focuses mostly on development of MRI methods for the elucidation of microstructural properties of brain tissue. On the side I m also an eager classical pianist I m not as good as I would like to be (being busy with MRI research ), but I enjoy playing, sometime with friends, and sometime in public, as I did in my last visit in KAIST. Q) What made you decide to come to KAIST as a professor? A) My relationship with KAIST is a direct result of my friendship and professional ties with Prof. Dae-Shik Kim from the EE department. Prof Kim and I arrived for a post-doctoral position at the MRI research center (CMRR) at the University of Minnesota in 1998, and we became very good friends as well as collaborators. Prof Kim is an excellent neuroscientist, and we both felt that there are many interesting questions in brain research for which the existing MRI tools are inadequate. In our long lasting collaboration, Prof. Kim provided the neuroscientific context and I complemented it with methodological ideas. Last year Prof Kim suggested that I come to KAIST to give a course in MR physics, and I thought it was a brilliant idea. Since Prof Kim and I plan on several long-term collaborations, the idea of becoming an adjunct KAIST professor seemed natural. Q) We've heard that you gave a course during this summer semester. Do you plan to visit and give a course again sometime later? If you do, what kind of lecture would that be? A) I believe that the course I gave in KAIST last summer was the beginning of a series of courses that I hope we ll be able to arrange as often as possible. The course that I gave this time was a 5-day introductory course in MR physics. I think that the natural extension of this course, especially in a place like KAIST, is towards practical applications of MR physics. This can mean a future course in MRI pulse-sequencing on different platforms, a course in RF coil design or a course that will focus on the latest development in a specific field in MRI research, such as neuro-mri or others. I think that there are several existing people in KAIST that can significantly contribute to such a course and I hope that in future courses we ll have more teachers in the course, as well as more students. faculty members from the department, but from what I saw I was highly impressed. First and foremost, it is a top department in a top university, in a country where technology is at the highest attainable levels. The department showed that it s seriously thinking about the future of electrical engineering the integration of brain research and aspects of developmental neuroscience into technological development. It was also wonderful to see that there are many students and post-docs in the department that are from other countries. This is very important for a department to be able to attract talent from all over the world, not just from Korea. Students seem to be highly motivated (work very late!) and to have good relationships with their advisers. One point that has to be improved at the department there is no decent espresso machine! I hope that this will be corrected soon. Q) What do you expect from KAIST students? Are there any other words that you want to give to students? A) My main expectation from KAIST students is for them to be able to fulfill their own expectations from themselves. A Master s degree or a PhD is just the beginning of the road. It s important to have an idea of why you re doing this, and how to take this period of hard work and study and use it to provide useful and enjoyable future for you and others, be it in the industry or in the academia or elsewhere. It is important to be inquisitive, curious and never take things for granted. One thing that I noticed during the course at KAIST is that students are very polite, and believe that asking questions is impolite. I would encourage students to take the opportunity of studying in such a highlevel university such as KAIST to ask as many questions as they possibly can. This is a unique opportunity to be in an environment where questions are not only allowed but are actually expected from you, and the more students ask the more they realize how much is there to know, both for them as well as for their teachers and advisors! I also think it would be a good idea for KAIST students to consider a period of going abroad, even if they want to stay and work in Korea. There are many opportunities for doing periods of research abroad. The periods abroad, apart from helping with acquiring and improving language skills, give a completely new perspective about work and life, and are incredibly important for personal and professional growth. I wish all KAIST students, and in particular those that I got to know during my stay in Daejeon, much success with their studies and research projects, and I m looking forward to seeing all of them, and perhaps some new ones, during my next visit to KAIST. Q) How do you see the EE department of KAIST? A) I am not an electrical engineer myself and I met only with few Korea Advanced Institute of Science and Technology / 19
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