Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 12, No. 6 pp. 2747-2753, 2011 DOI : 10.5762/KAIS.2011.12.6.2747 정진우 1, 허윤석 2, 박용수 3, 김남태 4, 송한정 2* 1 한국전기연구원, 2 인제대학교나노시스템공학과, 3 충청대학전기전자학부, 4 인제대학교전자지능로봇공학과 Design of a PWM DC-DC Boost Converter IC for Mobile Phone Flash Jin-Woo Jung 1, Yun-Seok Heo 2, Yong-Su Park 3, Nam-Tae Kim 4 and Han-Jung Song 2* 1 Korea Electrotechnology Research Institute 2 Department of Nano Systems Engineering, Center for Nano Manufacturing 3 School of Electronics, Chung Cheong University 4 Department of Electronic Engineering, Inje University 요약본논문에서는, 휴대폰플래시용전원을위한 PWM 전류모드 DC-DC 부스트컨버터를제안하였다. 제안하는 DC-DC 부스터컨버터는 5 Mhz의스위칭주파수로구동되며, 인덕터와커패시터의실장면적을줄여휴대전화소형화에적합하도록하였다. 전류모드 DC-DC 부스트컨버터는인덕터, 출력커패시터, MOS 트랜지스터, 귀환저항등으로이루어지는파워단부분과펄스폭변조기, 오실레이터, 에러증폭기등으로이루어지는제어부블록으로구성된다. 제안하는회로는 0.5 μm 1-poly 2-metal CMOS 공정으로설계및검증하였다. 설계된회로는모의실험결과듀티비가 0.15일때 3.7 V 입력전압조건에서출력전압이 4.26 V가나타났고, 출력전류는 100 ma로기존의 25 ~ 50 ma 보다큰출력을얻었다. 본논문의 DC-DC 컨버터는휴대폰의카메라플래시를고효율로구동시키며휴대전화의소형화에도기여할수있을것으로사료된다. Abstract In this paper, a PWM current-mode DC-DC boost converter for mobile phone flash application has been proposed. The converter which is operated with 5 Mhz high switching frequency is capable of reducing mounting area of passive devices such as inductor and capacitor, consequently is suitable for compact mobile phones. This boost converter consists of a power stage and a control block. Circuit elements of the power stage are inductor, output capacitor, MOS transistors and feedback resistors. Meanwhile, the control block consists of pulse width modulator, error amplifier, oscillator etc. Proposed boost converter has been designed and verified in a 0.5 μm 1-poly 2-metal CMOS process technology. Simulation results show that the output voltage is 4.26 V in 3.7 V input voltage, output current 100 ma which is larger than 25 ~ 50 ma in conventional 500 Khz driven converter when the duty ratio is 0.15. Key Words : Portable device, Current mode, PWM, DC-DC boost converter, CMOS, Switching regulator 1. 서론 최근휴대폰및 PDA 와같은개인휴대전자기기의수 요가크게증가되었고보편화되고있다. 또한, 무선인터넷기반의시설들이확충됨에따라이런개인휴대전자기기의수요는점차더증가할것으로예상되며, 하나의 본논문은 IDEC(IC Design Education Center) 의지원및 2011 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의기초연구사업지원을받아수행된것임.(2011-0011698) * 교신저자 : 송한정 (hjsong@inje.ac.kr) 접수일 11 년 04 월 11 일수정일 (1 차 11 년 05 월 12 일, 2 차 11 년 05 월 31 일 ) 게재확정일 11 년 06 월 09 일 2747
한국산학기술학회논문지제 12 권제 6 호, 2011 휴대전자기기내에더많은기능들이탑재될것으로예상된다 [1-3]. 이러한현대의휴대전자기기들은카메라나 LCD와같은다양한기능들이하나의기기에탑재되고, 각각의다양한기능들이동작하기위해서는배터리에의한전원전압하에서다양한동작전압을공급받아야한다. 이를위해적은전력을소모하며, 일정한전압을출력하는전원관리회로 (DC-DC변환기) 가필요하게되었으며, 이에대한연구개발이이루어지고있다 [4-6]. 그림 1 에이러한전원관리회로의적용에대해나타내었다. 2.1 Block diagram 그림 2에제안하는 boost converter의블록도를나타내었다. 제안하는회로는인덕터, powermos로구성되는입력단과, 커패시터, 저항으로구성되는출력단, PWM신호를생성하는컨트롤러부분으로이루어진다. [ 그림 1] PMIC 를포함하는휴대전자기기시스템 [Fig. 1] A mobile electronic system including a PMIC chip 이러한 DC-DC 변환기는구성방식에따라 Switch와커패시터를이용한 Charge-pump 방식과인덕터와커패시터로구성된 switch-mode converter방식이있다. Charge-pump 방식은큰부하전류를필요로하는경우효율이저하되는단점을가지며, switch-mode와비교하여낮은효율을가진다 [7-9]. 이에따라현재는큰부하전류상태에서도더나은효율을가지는 switch-mode converter를하나의 IC에집적하기위한많은연구가진행되고있다 [10]. 그러나큰사이즈를가진인덕터와다이오드, 캐퍼시터를하나의칩에집적하기는쉽지않다. 이러한문제에대한대안으로인덕터와다이오드, 캐퍼시터를제외한 switch-mode converter의 controller part를하나의칩에집적하는연구가활발하게진행되고있다 [11]. 본논문에서는 switch-mode converter를 voltage-mode 와비교하여빠른응답특성을가진 current-mode로구현하는회로를설계한다. 또한, pulse width modulation part 와 power transistor를하나의 chip으로집적하기위한설계방법에대하여기술하였다. 2. PWM 방식의 boost converter 설계 [ 그림 2] 제안하는 DC-DC 부스트컨버터의블록다이어그램 [Fig. 2] Block diagram of proposed DC-DC boost converter 표 1에제안하는 converter의목표스펙을나타내었다. 입력은배터리의 3.7 V이며출력전압은 LED를구동하기위해 4.26 V를목표로하였다. 또한소형화를위해스위칭주파수는 5 Mhz로동작한다. 출력전류는플래시에사용되는 LED를위해 100 ma로하였다. [ 표 1] 제안하는회로의설계사양 [Table 1] Design specification of the proposed circuit Parameter Typ Units Supply Voltage 3.7 V Output Voltage 4.26 V Switching Frequency Duty Ratio 0.15 Output Voltage Ripple 5 Mhz 10 mv Load Current 100 ma 2.2 Spice 회로설계 2.2.1 Current sensing circuit 2748
어한다. 그림 4에나타낸 ramp 파형생성기가출력전압과비교하여펄스파를형성하도록하는신호를만들어내는회로이다. 2.2.3 Comparator [ 그림 3] 전류감지회로도 [Fig. 3] current sensing circuit 그림 3의회로의동작을살펴보면, VPWM 신호 (Q) 가 high 일경우 M1에인덕터전류와 I1 전류의합인 IL 전류가흐르게된다. M1과 M2의 K(K는 MOS의 size ratio) 비가 1000:1인경우, VA와VB의전압만같다면 M2에흐르는전류는 IL/1000이된다. Mrs를통하여저항 Rsense 를지나게되며 sensing 된전류에비례하는전압 Vsense 를만들게된다. 여기서 VA와 VB의전압을같게해주기위해서 OP-Amp를사용하였다. VPWM신호가 LOW 일경우 M1, MS1은모두 turn off되며, MS2가 turn on 되어 I1의전류만흐르게된다. [ 그림 5] 비교기회로 [Fig. 5] Comparator circuit 그림 5의비교기는 RS래치와함께 Pulse Width Modulator로사용된다. 에러엠프에서출력된신호와인덕터 current sensing 회로에서출력되는전압을비교하여 RS래치에서최종펄스출력이결정되게된다. 2.2.4 Op-amp 2.2.2 Ramp Generator [ 그림 6] Op-amp 회로도 [Fig. 6] Op-amp circuit [ 그림 4] Ramp 파형생성기 [Fig. 4] Ramp signal generator Current mode Buck DC-DC converter에서는 power stage의두스위치소자가 turn on 되는시간의비 (duty ratio) 에따라출력전압이결정되는데이 duty ratio는출력전압과우리가원하는전압의차이를 error amp를통해증폭시킨값과인덕터전류를검출한값을비교해서제 Error amp는출력전압의크기와기준전압의크기를비교하여 PWM의출력을결정할수있도록하는회로이다. 기준전압과출력전압을입력으로하여출력이나타나는회로이다. 2749
한국산학기술학회논문지제 12 권제 6 호, 2011 2.2.5 OTA 2.2.7 Gate drive block [ 그림 7] 트랜스컨덕턴스증폭기회로도 [Fig. 7] Operational tansconductance amplifier circuit 그림 7의 operational transconductance amplifier(ota) 는 error amp를위한합리적인선택이다. OTA는현재의출력전압과우리가원하는출력전압의차이를증폭해주는회로로써이차이값을가지고 feedback system을통해 powermos에들어가는 PWM 신호를조절 (duty ratio) 함으로써우리가원하는출력전압을얻을수있게된다. error amp의입력은출력전압의저항분배된전압값과 BGR(bandgap reference) 로부터생성된기준전압이다. 2.2.6 RS-latch [ 그림 9] 출력버퍼회로 [Fig. 9] Output buffer circuit 그림 9은 control block에서출력되는펄스신호를 power MOS로전달하기위해사용되는회로이다. 오실레이터와래치에의해생성되는펄스는 powermos게이트의 gate capacitance 때문에원하는시간에전류를공급하기에충분하지못하다. 이것을보완하기위해 powermos 의게이트에충분한전류가흐르도록한것이 gate drive block이다. 3. Spice 모의실험해석 3.1 Boost 출력 [ 그림 8] RS-latch 회로도 [Fig. 8] RS-latch circuit 그림 8의 RS 래치회로에출력전압, 인덕터에흐르는전류를측정한값이입력되고 VCO에서입력되는신호와비교되어 Pulse Width가변조되어출력된다. 이출력된신호가 power stage의 MOS스위치의입력신호로들어가게된다. [ 그림 10] DC-DC 부스트컨버터의출력파형 [Fig. 10] Simulated output result of DC-DC boost converter 2750
그림 10은제안하는전류모드 boost DC-DC converter 의출력전압을나타내고있다. Duty 는 0.15 출력전압은 4.26 V가출력되는것을확인할수있었다. [ 그림 11] DC-DC 부스트컨버터의인덕터전류와출력리플 [Fig. 11] Inductor current and output ripple of proposed DC-DC boost converter 그림 11에는제안하는회로의인덕터전류와출력리플을나타내고있다. 제안하는회로의인덕터전류는 120 ma, 출력전압의리플은 30 mv로나타나고있고이때, 부하의전류는 100 ma이다. 3.2 Ramp generator 3.3 실장면적분석 스위칭주파수의고주파화는 converter 주변부품인콘덴서와인덕터의소형화를가능하게한다. 그결과, 전체전원회로실장면적과두께를줄일수있기때문에아주작은패키지안에도이러한회로들을담을수있게되는것이다. 이는결국기기의소형화에크게기여하게되는것이다. 국제논문과상용화된 DC-DC converter와의본논문에서제안하는 converter의비교분석결과는표2와같다. 스위칭주파수를비교하였을때, 본논문에서제안한오실레이터는다른논문과제품들에비해높은주파수를가짐으로써사용된인덕터와커패시터의값이작아, 칩모듈제작시실장면적의현저한차이가생길것으로보인다. [ 표 2] 제안하는회로와참고문헌의결과비교 [Table 2] Comparison of results in the proposed circuit and referenced papers Ref. No. 입력전압 (V) 출력전압 (V) 출력전류 Off-Chip L / C 동작주파수 12 3.7 4.5 30 ma 4.7u/1u 400 khz 13 3.7 6.2 25 ma 10u/1u 1.2 MHz 14 3.7 4 30 ma 4.7u/1u 550 khz 15 3.3 3.8 200 ma 4.7u/47u 700 khz 16 3.3 4 100 ma 10u/47u 350 khz 본논문 3.7 4.2 100 ma 0.58u/1.8u 5 MHz 4. 결론및추후연구방향 [ 그림 12] 삼각파생성회로모의실험결과 [Fig. 12] Simulation results of the ramp generator 그림 12는 ramp generator 회로에서나오는 ramp 신호와 clock 신호의출력파형이다. 파형에서볼수있듯회로에서사용된커패시터의용량과커패시터에흐르는전류에따라 ramp신호가천천히증가하면서 ramp신호가일정전압이상되면 clock신호가순간적으로 turn on되며 ramp신호가다시 0 으로돌아가는것을볼수있다. 본논문에서제안하는휴대기기를위한전류모드 DC-DC boost converter를 KEC의 0.5 um CMOS공정을이용하여설계및검증하였다. 설계된 IC는 duty ratio가 0.15일때 3.7 V 입력전압에출력전압이 4.26 V가나타났고, 출력전압의리플은 30 mv가나타나는것을확인할수있었다. 이에따른입출력전력의변환효율을 95% 로나타난다. 본논문의 DC-DC 컨버터를이용하여휴대폰의카메라플래시를고효율로구동시키는데사용할수있을것으로보인다. 휴대기기의소형화로배터리의용량이줄어들면서배터리를보다효율적으로사용할수있도록하는반도체기술이요구되고있다. 설계된 IC는휴대기기에적용하기위하여낮은입력전압에서구동가능하며 switch-mode power supply방식을이용하여고효율을가 2751
한국산학기술학회논문지제 12 권제 6 호, 2011 진다. 또한 current mode control 방식을이용하여입력전압과출력의변화에빠른응답특성을제공한다. 향후 IC를보호하기위해서과전압보호회로, soft-starter, 전류제한기능을적용하여개선된구조의동작을하도록연구해야할것으로사료된다. 참고문헌 [1] Chi Yat leung, philip K. T. Mok, Ka Nang leung. A 1-V Integrated Current-Mode Boost Converter in Standard 3.3/5-V CMOS Technoloties IEEE journal of solid-state circuits. Vol. 40, No. 11, November 2005. [2] Jeonjin Roh High-performance Error Amplifier For Fast Transient DC-DC Converters. IEEE Tran. Circuits and Systems, Vol. 52, No. 9, Sep 2005. [3] Xiaoming Duan, Haifei Deng, Nick X. Sun, Alex Q. Huang, Dan Y. Chen A High Performance Intergrated Boost DC-DC converter For Portable Power Supply IEEE 2004. [4] Stephane Bidian, Hua Jin, High Performance Predictive Dead-Beat Digital Controller for DC Power Supplies, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 17, No. 3, May 2002. [5] K. Jung, J. Lim, J. Park, H. Yang A High Efficiency CMOS DC-DC Boost Converter with Current Sensing Feedback, IEEE Tran. Circuits and systems 2005. [6] B. Bryant, M. K. Kazimierczuk, Voltage Loop of Boost PWM DC-DC converter with Peak Current-Mode Control, IEEE Trans. On Circuits and Systems, Vol. 53, No. 1, Jan 2006. [7] Gabriel A, Rincon-Mora, Philip E. Allen, A Low-Voltage, Low Quiescent Current, Low Drop-Out Regulator, IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol. 33, No. 1, Jan 1998. [8] C. F. Lee, Philip K. T. Mok, A Monolithic Current-Mode CMOS DC-DC Converter With On-Chip Current-Sensing Technique, IEEE Journal of Solid-State Cirucits, Vol. 39, No. 1, Jan 2004. [9] Y. Katayama, S. Sugahara, H. Nakazawa, M. Edo, High-Power-Density MHz-Switching monolithic DC-DC Converter with Thin-Film Inductor, IEEE 2000. [10] D. M Bellur, M. K. Kazimierzuk, DC-DC Converters for Electric Vehicle Applications, IEEE 2007. [11] Chris Richardson, Design issue of a switching LED Driver, EP&C, 2008 6월 : pp. 34-37. [12] Analog Devices, ADP5520 datasheet [13] Fairchild Semiconductor, FAN5343 datasheet, 2009 [14] High efficiency, low supply current, step-up dc/dc converter, Richtek Technology Corp. Data Sheet: RT9262/A, Mar. 2007. [15] Ping-Ching Huang, Wei-Quan Wu,, Hsin-Hsin Ho, et al., High Efficiency and Smooth Transition Buck-Boost Converter for Extending Battery Life in Portable Devices, Energy Conversion Congress and Exposition, 2009. [16] Xiaoming Duan, Haifei Deng, Sun, N.X, el al., A High Performance Integrated Boost DC-DC Converter for Portable Power Supply, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC, 2004. 정진우 (Jin-Woo Jung) [ 정회원 ] 반도체회로설계 2009 년 2 월 : 인제대학교나노공학부 ( 공학사 ) 2011 년 2 월 : 인제대학교나노시스템공학과 ( 공학석사 ) 2011 년 3 월 ~ 현재 : 한국전기연구원위촉연구원 허윤석 (Yun-Seok Heo) [ 정회원 ] 반도체회로설계 2011 년 2 월 : 인제대학교나노공학부 ( 공학사 ) 2011 년 3 월 ~ 현재 : 인제대학교나노시스템공학과재학중 2752
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