Stacked Interleaved 방식의 50MHz 스위칭 주파수의 Buck DC-DC 변환기

Abstract

최근 휴대전화, TV, 캠코더 등과 같이 전자제품의 휴대용 제품화와 함께 PDA 등과 같은 휴대용 멀티미디어 기기 시장의 발달로 인해 전력 관리 시스템(Power management system)의 중요성이 증가하고 있다. 전력 관리 회로 중 상용 제품에 널리 쓰이는 DC-DC buck 변환기는 구조 특성상 패키지 외부에 큰 사이즈의 LC 필터를 구성한다. 하지만 이러한 LC필터는 패키지의 기생성분과 맞물려서 최종 DC-DD 변환기의 출력전압에 노이즈가 많이 생기고 오실레이션 현상이 일어나기 마련이다. 이러한 문제점은 모든 회로의 집적화 (full integration)으로 해결할 수 있다. LC 필터의 사이즈를 줄이기 위해 기존의 수 ㎒로 동작하던 변환기를 50㎒의 동작주파수로 동작하게끔 설계 하였고 작아진 인덕터는 bonding wire의 기생성분으로 대체하였고 그 외의 커패시터는 직접 패키지안에 집적하였다. 그 외에 stacked interleaved 방식을 사용하여 변환기의 최종 출력전압의 리플크기를 줄이도록 하였다. 설계된 변환기는 KEC standard 0.50um CMOS 공정으로 제작 되었으며 전체 면적은 9mm²이다. 제작된Chip은 3V~5V의 전압에서 50㎒의 주파수로 동작 하였다. 최대 250mA의 부하 전류 구동이 가능 하였으며 최대 71%의 전력 변환 효율을 가졌다.; Power converters become essential blocks in modern mobile multimedia applications. But historically buck converters relied on big inductors and capacitors on the order of 1 to 10μH and 1to 10㎌. Therefore, it has not been practical to fully integrate inductive converters on chip until now. In this paper, the buck dc-dc converter with on-chip filter inductor and capacitor is presented. By operating at high switching frequency of 50MHz and stacked interleaved topology, we reduced inductor and capacitor sizes compared to published dc-dc converters previously. The proposed circuit is designed in a standard 0.5㎛ CMOS process.