[논문 리뷰] Designing a High Efficiency Pulse Width Modulation Step-Down DC/DC Converter for Mobile Phone Applications

Abdessamad Benlafkih, Krit Salah-ddine외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 22.

Advanced DC-DC Converters참고 문헌 17인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 0.18µm CMOS 기술을 사용하여 모바일 폰 응용을 위한 고효율 PWM 부크 컨버터를 설계한다. 전류 모드 제어와 전압-펄스 변환기를 사용하여 저규제를 달성한다. 300 mA에서 피크 부하 규제는 20 mV/V, 라인 규제는 0.5 mV/V를 달성하며, 소프트 스위칭을 통해 스위칭 손실을 감소시키고, 기존 전압 모드 제어와 유사한 실용적인 아날로그/디지털 컨트롤러 설계를 구현한다.

ABSTRACT

This paper presents the design and analysis of a high efficiency, PWM (Pulse-Width-Modulation) Buck converters for mobile phone applications. The steady-state and average-value models for the proposed converter are developed and simulated. A practical design approach which aims at systematizing the procedure for the selection of the control parameters is introduced. The switching losses are reduced by using soft switching, additionally, a simple analog and digital form of the controller for practical realization is provided. It is found that this controller adopts a structure similar to the conventional PWM voltage mode controller. The proposed circuit uses a current-mode control and a voltage-to-pulse converter for the PWM. The circuit, fabricated using a 0.18-μm CMOS technology, reaches a peak load regulation of 20 mV/V and line regulation of 0.5 mV/V at Current load equal 300 mA. The used 10μH inductance and 22μF capacitor and requires clock and Vref/Vramp input of 1,23V.

연구 동기 및 목표

• 모바일 폰 전원 관리에 적합한 고효율 DC/DC 부크 컨버터를 설계하기 위해.
• PWM 제어 부크 토폴로지에서 소프트 스위칭 기법을 통해 스위칭 손실을 감소시키기 위해.
• 최적 성능를 위한 제어 파rameter 선택을 체계적으로 보장하는 설계 방법론을 개발하기 위해.
• 기존 전압 모드 제어와 유사한 구조를 가진 실용적인 아날로그 및 디지털 컨트롤러를 구현하기 위해.
• 일반적인 모바일 폰 부하 조건 하에서 높은 라인 및 부하 규제 성능을 달성하기 위해.

제안 방법

• 컨버터는 PWM 신호를 생성하기 위해 전압-펄스 변환기를 갖춘 전류 모드 제어를 사용한다.
• 컨버터의 정 steady-state 및 평균값 모델을 수립하고 분석을 위해 시뮬레이션을 수행한다.
• 파워 스테이지의 스위칭 손실을 최소화하기 위해 소프트 스위칭을 구현한다.
• 실제 구현을 위한 실용적인 컨트롤러를 아날로그 및 디지털 형태로 설계한다.
• 외부 부품으로 10µH 인덕터와 22µF 커패시터를 사용하여 0.18µm CMOS 기술로 설계를 구현한다.
• 컨트롤러는 1.23V 클럭과 기준/전압 램프 입력을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모바일 응용을 위한 PWM 부크 컨버터에서 스위칭 손실을 효과적으로 줄일 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 최적 성능를 위한 제어 파rameter 선택을 체계적으로 보장하는 설계 방법론은 무엇인가?
• RQ3 기존 전압 모드 제어 구조를 가진 컨트롤러를 고효율 부크 컨버터의 전류 모드 제어에 적응시킬 수 있는가?
• RQ4 300 mA 부하 조건 하에서 CMOS 기반 부크 컨버터에서 달성할 수 있는 라인 및 부하 규제 수준은 무엇인가?
• RQ5 소프트 스위칭의 통합이 모바일 폰 전원 공급 장치의 효율성 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제작된 컨버터는 300 mA 부하 전류에서 피크 부하 규제 20 mV/V를 달성한다.
• 동일한 부하 조건 하에서 라인 규제 0.5 mV/V를 달성하여 높은 안정성을 나타낸다.
• 소프트 스위칭 기법의 구현을 통해 스위칭 손실이 크게 감소한다.
• 컨트롤러 설계는 기존 전압 모드 제어와 유사한 구조를 유지하여 실용적인 아날로그 및 디지털 실현을 가능하게 한다.
• 컨버터는 1.23V 클럭과 Vref/Vramp 입력을 사용하여 표준 모바일 전원 시스템과의 호환성을 확보한다.
• 10µH 인덕턴스와 22µF 커패시터의 사용은 일반적인 모바일 폰 부하 프로파일 하에서 안정된 작동을 지원한다.