Power Management Circuits with Time-Based Control

Abstract

이 논문은 시간 영역에서 제어되는 고주파수, 고속 응답 DC-DC 전력 변환 회로에 대하여 제시한다. 첫 번째로, 시간 영역에서 제어되는 벅 컨버터는 전압 조절 오실레이터 (VCO), 전압 조절 지연 회로 (VCDL), 그리고 위상 차이 감지 회로 (PD) 로 전류 모드 제어기를 구성한다. VCO와 VCDL은 각각 적분 회로, 비례 회로의 역할을 하므로, 함께 구성하였을 시에 연산 증폭기 기반의 type-II 보상 회로를 대체할 수 있다. 또한, VCO를 통해 인덕터 양단의 전압을 적분하면 인덕터 전류를 감지할 수 있으므로, 전류 모드 제어를 가능하도록 한다. PD는 두 클럭 신호의 위상 차이를 비교하여 이에 비례하는 펄스 폭을 갖는 신호를 생성하기 때문에 비교기 회로를 대체할 수 있다. 따라서 제안하는 시간 영역 제어 회로는 연산 증폭기 및 비교기가 없으므로 높은 주파수로 동작할 수 있게 된다. 또한 제안하는 전류 모드 제어기는 서브 하모닉 오실레이션 현상이 발생하지 않아 기울기 보상 회로가 필요 없게 된다. 제안된 벅 컨버터는 10MHz의 주파수로 동작하며, 94.9%의 최대 효율 및 3.5μs 미만의 응답 속도를 보인다. 두 번째로, 시간 영역에서 제어되는 digital LDO 또한 전압 조절 오실레이터 (VCO), 위상 차이 감지 회로 (PD) 로 제어기를 구성한다. 입출력 및 부하 전류 조건에 따라 켜지는 파워 스위치의 개수가 양자화 되어 조절되는 것과 다르게, 제시된 구조는 켜지는 파워 스위치의 개수가 오실레이터 출력 클럭 신호의 위상 차이에 비례하도록 조절된다. 이로 인해 켜지는 파워 스위치의 개수가 연속적으로 조절되어 출력 전압 정확도가 향상된다. 그리고 VCO의 적분기 특성을 이용하여 출력 전압을 안정화하기 때문에 limit cycle oscillation (LCO) 현상에 의해 출력 전압 리플이 커지는 현상이 발생하지 않는다. 또한 transient 모드 동작을 통해 켜지는 파워 스위치의 개수가 빠르게 조절되도록 하여 응답 속도를 빠르게 개선한다. 제안된 digital LDO는 7mV 미만의 출력 전압 리플, 2.63mV/V의 line regulation, 0.15mV/mA의 load regulation, 90ns 미만의 응답속도를 보인다.; This thesis presents a time-domain controlled DC-DC power conversion circuit with high switching frequency and fast transient response. First, time domain controlled current mode buck converter is proposed whose controller is constructed with a voltage-controlled oscillator (VCO), voltage-controlled delay line (VCDL), and phase detector (PD). Since the VCO and VCDL serve as integral and proportional path respectively, they can replace error amplifier-based type-II compensator when configured together. In addition, the inductor current can be obtained by integrating the voltage across the inductor via VCO, enabling current mode control. The PD can replace the voltage comparator because it compares the phase differences of the two clock signals and produces pulse width modulated signal whose pulse width is proportional to the phase difference. Thus, elimination of error amplifier and voltage comparator enables high frequency operation. Also, the proposed current mode controller does not suffer sub-harmonic oscillation, eliminating the need for slope compensation circuits. The proposed buck converter shows 94.9% of maximum efficiency, transient speed less than 3.5μs with 10MHz switching frequency. Second, time domain controlled digital LDO is proposed whose controller is also constructed with VCO and PD. Unlike conventional digital LDO, which the number of enabled power switches is discontinuously controlled for various input voltage and load current condition, the proposed structure adjusts the number of enabled power switches to be proportional to the phase difference of the VCOs output clock. This results in a continuous adjustment of the number of enabled power switches, improving output voltage accuracy. And since the output voltage is regulated with VCO, the output voltage ripple is not enlarged owing to limit cycle oscillation (LCO). The transient speed is improved with transient mode operation which adjusts the number of enabled power switches rapidly. The proposed digital LDO shows output voltage ripple less than 7mV, line regulation of 2.63mV/V, load regulation of 0.15mV/mA, and transient settling time less than 90ns.