Pseudo Relaxation-Oscillating 기법에 기반한 저면적 고효율 SMPS 설계 :Design of a Small-Area High- Efficiency SMPS Based on Pseudo Relaxation-Oscillating Technique

임지훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임지훈 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 위재경

발행연도: 2013

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

Pseudo Relaxation-Oscillating 기법의 PWM 발생기를 이용한 저면적, 고효율 SMPS

임지훈 , 위재경 , 송인채 전자공학회논문지 2013.11 학술저널

Pseudo Relaxation-Oscillating 기법에 기반한 저면적 고효율 SMPS 설계

임지훈 전자공학과 2013.01 학위논문

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본 논문에서는 pseudo relaxation-oscillating 기법을 기반으로 하는 새로운 DPWM/PWM 발생기를 적용한 고신뢰성 SMPS에 대하여 연구하였다. 제안된 회로는 duty ratio를 제어하기 위해 pseudo relaxation- oscillating 기법을 이용하여 DPWM/PWM 발생기의 내부 캐패시터 전압 기울기를 제어하는 방식을 사용한다. 이 새로운 제어 방식은 기존의 SMPS에 비해 매우 단순한 구조를 가지면서도 파워 소모가 적다. 기존의 SMPS와 비교하여 제안된 새로운 DPWM/PWM 발생기를 적용한 SMPS는 기존의 아날로그 제어방식의 필터 회로나 디지털 제어방식에서 사용된 디지털 compensator가 없기 때문에 매우 단순한 구조를 가질 수 있는 것이다. 제안된 디지털/아날로그 제어방식의 SMPS는 DPWM/ PWM 발생기의 내부 캐패시터를 선택하는 방식을 통해 1MHz∼10MHz의 스위칭 주파수로 동작할 수 있다. 제안된 디지털 제어방식의 경우 기존의 방식보다 칩 면적이 작을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 동작 주파수(10MHz∼100MHz)를 이용해 높은 스위칭 주파수(1MHz∼10MHz)로 구동이 가능하다. 이 회로는 10MHz의 스위칭 주파수에서 내부 코어 회로의 최대 전류 소모량은 2.7mA이며, 출력 버퍼를 포함하는 전체 전류 소모량은 15mA이다. 제안된 디지털 제어방식의 SMPS는 최대 90%의 DPWM duty ratio로 400mA까지 전류 공급이 가능하다. 출력전압 리플은 3.3V 출력에서 7mV이다. 제안된 아날로그 제어방식의 경우 10MHz의 스위칭 주파수에서 내부 코어 회로의 최대 전류 소모량은 0.7mA이며, 출력 버퍼를 포함하는 전체 전류 소모량은 13mA이다. 제안된 아날로그 제어방식의 SMPS는 10MHz의 스위칭 주파수, 400mA의 전류를 공급할 경우 최대 효율은 96.8%이며, 출력전압 리플은 3.3V 출력에서 9mV이다. 제안된 디지털/아날로그 제어방식 SMPS의 성능을 검증하기 위해 동부 하이텍 BCD 0.35μm technology를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 EMC 환경 측면에서 문제가 되고 있는 SMPS의 EMI 저감기법으로 SSC(Spread Spectrum Clock)회로를 제안하였다. 제안된 SSC를 적용한 경우 스위칭 주파수인 10MHz 에서 기존의 SMPS의 경우 약 12dB정도의 잡음 피크를 감소시킬 수 있다.

In this paper, we study on a switched-mode power supply (SMPS) with the DPWM/PWM generator based on a pseudo relaxation- oscillating technique. In the proposed circuit, the duty ratio of the DPWM and the PWM are determined by the voltage slope control of an internal capacitor using a pseudo relaxation-oscillation technique. This new control method has a simpler structure, and consumes less power compared to a conventional digitally/analog-controlled SMPS. Compared to conventional SMPSs, the proposed two control methods consist of a simple structure without the filter circuits needed for an analog-controlled SMPS or the digital compensator used by a digitally-controlled SMPS. The proposed circuits are able to operate at switching frequency of 1MHz∼10MHz, as this frequency can be controlled from the selection of one of the internal capacitors in the DPWM or the PWM generator. Compared to conventional digitally-controlled SMPSs, the proposed digitally- controlled SMPS is able to operate at a high switching frequency (1MHz~10MHz) obtained from a relatively low internal operating frequency (10MHz~100MHz) with a small area. In the proposed digitally-controlled method, the maximum current of the core circuit is 2.7mA, and the total current of the entire circuit, including the output buffer driver, is 15mA at 10MHz switching frequency. The proposed digitally-controlled SMPS is designed to supply a maximum 400mA with maximum DPWM duty ratio of 90%. The output voltage ripple is 7mV at 3.3V output voltage. The case of the proposed analog-controlled SMPS, It has a maximum ripple voltage of 7mV and a maximum 96.8% efficiency at 400mA loading and 10 MHz switching frequency. To verify the operation of the proposed digitally/analog-controlled SMPS, we performed a simulation with Dongbu Hitek BCD 0.35μm technology.
In this paper, To solve the EMC problem by supply noise, we suggest a SSC(Spread Spectrum Clock) circuit for EMI reduction. The proposed SMPS using SSC technique can reduce noise peak of the 12dB at 10MHz switching frequency.

목 차
국문초록 ix
영문초록 xi
제 1 장 서론 1
1.1 동기 1
1.2.1 고신뢰성 시스템을 위한 SMPS의 초소형화 2
1.2.2 제안된 회로의 EMI 저감기법 4
1.2 구성 5
제 2 장 연구배경 7
2.1 기존 PWM/DPWM 발생기의 문제점 7
2.2 기존 아날로그 제어 방식의 SMPS 10
2.2.1 DC-DC buck converter의 기본 동작 원리 10
2.2.2 전류 연속 모드와 전류 불연속 모드 13
2.2.2.1 연속 모드와 불연속 모드의 정의 13
2.2.2.2 연속-불연속 모드의 Transition Point를 이용한 LC값 구하기 17
2.2.2.3 DCR, ESR에 의한 영향 19
2.2.3 Loop bandwidth 보상을 위한 주파수 보상 기법 21
2.2.3.1 DC-DC buck converter 모델링 및 제어특성 22
2.2.3.2 제어회로의 주파수 보상 기법 25
2.3 기존 디지털 제어 방식의 SMPS 29
2.3.1 Counter 기반의 DPWM 제어 방식 30
2.3.2 Delay-line 기반의 DPWM 제어 방식 33
2.3.3 ADC 기반의 DPWM 제어 방식 34
2.4 SMPS에서의 EMI 저감 기법 36
제 3 장 제안된 Pseudo Relaxation-Oscillating 기법을 이용한
새로운 DPWM/PWM 발생기 37
3.1 제안된 DPWM 발생기 37
3.1.1 Pseudo relaxation-oscillating 기법의 DPWM 발생기 동작 원리 37
3.1.2 제안된 DPWM 발생기의 simulation results 42
3.1.3 제안된 Pseudo relaxation-oscillating 기법의 DPWM 발생기를 이용한
DC-DC Buck Converter 및 simulation results 45
3.2 제안된 PWM 발생기 61
3.2.1 Pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기 동작 원리 63
3.2.2 제안된 Pseudo relaxation-oscillating 기법의 PWM 발생기를 이용한
DC-DC Buck Converter 및 simulation results 65
3.2.3 제안된 회로의 온도보상 기법 69
3.3 제안된 SMPS의 주요 코어 회로 - LDO 와 BGR 74
3.3.1 Low Drop Out(LDO) 74
3.3.2 BandGap Reference(BGR) 76
제 4 장 제안된 SMPS의 EMI 저감기법 79
4.1 제안된 SMPS의 EMC 대책 - Emission 79
4.2 EMI 저감기법을 적용한 제안된 SMPS의 simulation results 84
제 5 장 칩 레이아웃 및 포스트-시뮬레이션 결과 87
5.1 칩 레이아웃 87
5.1.1 제안된 디지털 제어방식의 칩 레이아웃 87
5.1.2 제안된 아날로그 제어방식의 칩 레이아웃 88
5.1.3 제안된 디지털/아날로그 제어방식의 칩 레이아웃 사이즈 비교 91
5.2 포스트-시뮬레이션 결과 91
5.2.1 제안된 디지털 제어방식의 포스트-시뮬레이션 결과 91
5.2.2 제안된 아날로그 제어방식의 포스트-시뮬레이션 결과 92
5.3 제안된 DPWM/PWM 발생기를 기반으로 하는 SMPS의 비교 및 요약 94
제 6 장 결론 및 향후 연구 97
참고문헌 100

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