새로운 전류 검출 방식을 가지는 고성능 DC-DC Buck Converter의 설계

Abstract

최근의 전자, 전기 기기들은 휴대 전화로 대변되는 이동통신기기를 필두로 하여 하나같이 소형화, 경량화를 추구한다. 더욱이 이와 같은 휴대용 전자기기들은 과거와 달리 고해상도 디스플레이 장치, 디지털 카메라, 고용량 저장 장치 등을 기본으로 탑재하여 동작하는 것이 일반적이다. 이와 같은 상황에서 위와 같은 전자기기들의 동작에 필수적인 전원 공급 장치에 대한 관심이 증가하는 것은 당연한 일이며, 과거 전형적인 전기장치의 하나로만 인식해오던 전압 변환기의 집적 회로화에 대한 연구는 이제 시스템 반도체 회로 기술의 새로운 화두가 되었다. 특히 지금까지 메모리 반도체 등의 내부 전압원 발생 장치로 주로 사용되었던 전하 펌프형(charge pump type) 전압 변환기의 경우, 전류 구동력의 한계와 낮은 전력 효율, 정밀한 출력 전압 제어의 어려움 등으로 시스템 반도체 장치의 전압원으로 사용되기에는 부족한 점이 많아 이를 대체할 전압 변환기로 인덕터 방식의 SMPS(Switch Mode Power Supply, inductor type)에 대한 필요성이 대두되고 있는 상황이다. 본 논문에서는 위에서 언급한 바와 같이 SMPS형 전압 변환기의 설계를 제안한다. 설계된 전압 변환기는 공급 전압을 공급 전압 이하 전압으로 변환해 주는 Buck converter이며, 이는 외부 공급 전압의 변화나 부하 저항의 크기에 관계없이 일정한 출력 전압을 발생시켜주는 장치로 거의 모든 반도체/전자기기의 내부 동작에 필수적이다. 또한, 본 논문에서 제안된 전압 변환기는 목적하는 출력 전압 생성을 위해 전류 모드(current mode) 방식의 주기-폭 제어(PWM, Pulse Width Modulation)를 구현하였다. 전류 모드 구동의 경우, 전압 모드 구동과 달리 넓은 대역폭을 가지고 안정적으로 동작하며, 비교적 간단하고 효과적으로 보상 회로를 구현할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 휴대용 전자 기기에 일반적인 2.5V~3.3V의 전압을 공급 받아서 1.5V의 안정적인 출력 전압을 갖는 Buck converter를 0.35um CMOS 공정을 이용하여 구현하고 시뮬레이션 하였으며 MPW를 이용하여 완성하였다. 제안된 방식에 의해 설계된 회로는 0.13%/A의 향상된 load regulation을 보였으며, 기존의 Band Gap 회로를 개선하여 전력 효율도 향상되었음을 simulation 결과로 확인하였다.