Highly Efficient and Accurate DC-DC Converters and Fast Battery Charger for Mobile Applications

Abstract

스마트 모바일 기기의 급속한 성장으로 충전식 배터리는 모바일 장치를 오래 사용하기 위해 중요한 부분이 되고 있다. 이를 위해서는 모바일 장치의 모듈 면적을 최소화하고, 긴 사용 시간을 위해 배터리 크기를 늘리거나, 배터리 전력을 보다 효율적으로 사용해야 한다. 또한 내부 블럭에 다양한 전원을 생성하는 전력 모듈은 안정적이고 정확한 전압을 제공해야 하며 정확하고 빠른 배터리 충전이 필요하다. 이러한 요구 사항을 충족시키려면 고효율, 고정밀, 소면적, 저가격, 다기능, 안전성 및 사용자 편의성을 비롯한 다양한 요소를 지원하는 전원 모듈이 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 스마트 모바일 어플리케이션에 적합한 고효율 및 고속 라인 과도 벅-부스트 컨버터, 빠른 로드 및 크로스 레귤레이션 특성을 갖는 단일 인덕터를 사용한 다중 출력 컨버터, 정확한 충전 전류 및 빠른 충전 시간을 갖는 배터리 충전기를 포함하는 전원모듈을 제공한다. 먼저, 고효율 및 고속 과도 성능을 갖는 벅-부스트 직류-직류 컨버터를 제안하였다. 제안한 컨버터는 파워 트랜지스터로 인한 스위칭 손실을 최소화하기 위해 적응 다이렉트 경로 스킵(adaptive direct path skipping)을 사용함으로써 전력 효율을 향상시키고 모바일 장치의 사용 시간을 연장시킨다. 또한 신속한 라인 과도 응답을 달성하기 위해 온 듀티 변조(on-duty modulation) 기술을 채택함으로써 출력 전압을 신속하게 조절한다. 제안한 벅-부스트 컨버터는 0.18-μm CMOS 공정 기술을 사용하여 제조하였다. 측정된 최대 전력 효율은 100 mA의 부하 전류에서 97.6 %를 보여주며, 측정된 라인 과도 응답은 155 μs/V을 달성하였다. 두 번째로, 낮은 부하 및 교차 레귤레이션으로 안정적인 출력 전압을 생성하고 면적상 효율적인 단일 인덕터 다중 출력 컨버터를 제안하였다. 벅-부스트 또는 부스트 모드로 동작하는 제안한 단일 인덕터 다중 출력 컨버터는 적응형 전류 센서와 선택 가능한 차지 펌프를 갖춘 저전압 강하 레귤레이터를 사용하여 낮은 부하 및 교차 레귤레이션을 달성하였다. 또한 오차 증폭기 및 비교기를 구현하여 1.0 V ~ 3.2 V의 입력 전압 범위에서 1.8 V와 3.3 V의 안정적인 이중 출력 전압을 제공한다. 제안한 단일 인덕터 다중 출력 컨버터는 0.18-μm CMOS 공정 기술을 사용하여 제작하였으며, 1,568 μm  728 μm의 작은 칩 면적을 차지한다. 측정된 최대 전력 효율과 부하 전류가 10 mA에서 50 mA로 변할 때 부하 및 교차 레귤레이션 특성은 각각 89.2%, 0.120 mV/mA 및 0.088 mV/mA임을 보여준다. 마지막으로, 제안한 배터리 충전기는 충전 전류 보상기 및 내부 저항 감지기를 포함하여 매우 정확하고 빠른 배터리 충전을 제공한다. 제안한 충전 전류 보상기는 스위칭 충전기와 함께 정전류(constant current: CC) 모드에서 높은 전력 효율을 달성하고 소형 인덕터를 사용했음에도 충전 전류 정확도를 향상시킨다. 또한 리니어 충전기를 작동시켜 간헐 전류(tickle current: TC) 모드에서의 충전 전류 변화를 최소화하고 정전압(constant voltage: CV) 모드에서 배터리 충전 전압 오류를 줄인다. 제안한 배터리 충전기는 0.18-μm CMOS 프로세스를 사용하여 제작하였으며 1.63 mm2의 칩 면적을 차지한다. 측정 결과에 따르면 제안한 배터리 충전기는 정전류 모드에서 96.2%의 충전 전류 정확도를 달성하여, 500 mA의 목표 전류에서 15.8% 개선되었으며, 0.26 W의 낮은 전력 손실을 제공한다. 충전 전류 변화 및 충전 전압 오차는 간헐 전류 모드에서 2 mAP-P 미만, 정전압 모드에서 0.48% 미만으로 측정되었다. 또한 제안한 배터리 충전기는 내부 저항(built-in resistance: BIR)을 정확하게 감지하여 정전류 모드에서 정전압 모드로 전환점을 결정한다. 그런 다음 정전류 모드를 최대화하고 정전압 모드를 최소화하여 배터리 충전 시간을 상당히 줄인다. 제안한 배터리 충전기는 0.18-μm 표준 CMOS 공정을 사용하여 제작하였다. 측정 결과는 정확한 BIR 감지 및 적응형 오프 타임 제어 방법을 사용하여 제안한 충전기의 총 충전 시간을 최대 41.2 %까지 줄이고 87.4%의 높은 전력 효율을 보여준다.; With the rapid growth of the smart mobile devices, rechargeable batteries have become an important part for long-time usage of the mobile devices. This requires minimizing the module area for mobile devices, increasing the battery size for longer usage, or using battery power more efficiently. In addition, the power modules, which generate several power supply voltages for internal blocks, should supply a stable and accurate voltage, along with an accurate and fast battery charging. To meet these requirements, the power modules are needed to have various capabilities including high efficiency, high accuracy, small area, low cost, and so on. Therefore, this dissertation presents a highly efficient and fast line-transient buck-boost converter, a low load- and cross-regulation single-inductor multi-output (SIMO) converter, and a battery charger with accurate charging current and fast charging time, which are suitable for power module in smart mobile applications. First, a highly efficient and fast-transient buck-boost DC-DC converter is presented. The proposed buck-boost DC-DC converter adopts an adaptive direct path skipping to reduce the switching losses due to power transistors, thus enhancing the power efficiency and extending the usage time of the mobile devices. It also employs an on-duty modulation technique to improve a line transient response, thus rapidly regulating its output voltage. The proposed buck-boost DC-DC converter was fabricated in 0.18-μm CMOS process technology. The measured maximum power efficiency is up to 97.6% at a load current of 100 mA. In addition, the line transient response is measured to be 155 µs/V. Second, an area-efficient SIMO converter is proposed in an attempt to generate stable output voltages with low load- and cross-regulations. The proposed SIMO converter, which operates in the buck-boost or boost mode, employs an adaptive current sensor and a low-dropout regulator with a selectable charge pump to accomplish low load- and cross-regulations. In addition, the comparators and an error amplifier are implemented to generate stable dual output voltages of 1.8 V and 3.3 V when the input voltage ranges between 1.0 V and 3.2 V. The proposed SIMO converter, which was fabricated in 0.18-μm CMOS process technology, occupies a small chip area of 1,568 μm  728 μm. The measurement results show that the maximum power efficiency, load-regulation, and cross-regulation are 89.2%, 0.120 mV/mA, and 0.088 mV/mA, respectively, when the load current changes from 10 mA to 50 mA. Finally, a battery charger, which is composed of the charging current compensator and built-in resistance (BIR) detector, is proposed in an attempt to charge the battery accurately and rapidly. The proposed charging current compensator with a switching charger operates in the constant current (CC) mode to achieve high efficiency as well as to enhance the charging current accuracy using a small-sized inductor. It employs the linear charger to minimize the variation in charging current in the tickle current (TC) mode. It also reduces the error of the battery charging voltage in the constant voltage (CV) mode. The proposed battery charger, which was fabricated in 0.18-μm CMOS process, occupies a chip area of 1.63 mm2. The measurement results show that the proposed battery charger achieves a charging current accuracy of 96.2% in the CC mode, which is improved by 15.8% at a target current of 500 mA, as well as a power dissipation of 0.26 W. In addition, the variation in the charging current and the error of the charging voltage are measured to be less than 2 mAP-P in the TC mode and 0.48% in the CV mode, respectively. Furthermore, the proposed battery charger accurately detects the BIR and determines the transition point from the CC to CV mode. It then minimizes the CV mode and maximizes the CC mode, thus greatly reducing the battery charging time. The proposed battery charger was fabricated in 0.18-μm standard CMOS process. The measurement results show that the proposed battery charger using the accurate BIR detection and adaptive off-time-control methods reduces a total charging time by up to 41.2%, and achieves a high efficiency of 87.4%.