플라잉 커패시터 전하 균형 제어 회로를 포함한 고신뢰성 멀티 레벨 벅 변환기

Abstract

기존의 DC-DC 변환기는 최대 입력 전압이 하나의 power switch에 그대로 인가되어 고전압 소자를 사용해야 하기에 높은 효율을 달성하는 것에 한계가 있다. 더 높은 효율을 위해 하나의 고전압 소자 대신 2개의 저전압 소자를 쌓고 플라잉 커패시터(CF)를 추가한 멀티레벨 구조를 사용할 수 있고 이를 위해서는 저전압 소자의 voltage stress가 항복전압을 초과하지 않도록 주의해야 한다. 멀티레벨 변환기에서 신뢰성을 확보하기 위해서는 CF 충∙방전 전하가 균형을 이뤄 CF 양단 전압이 0.5VIN이 되어야 한다. 하지만 구동 신호 오차, 기생 커패시턴스에 의해 CF 충∙방전 전하의 불균형이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문은 voltage stress를 감소시키기 위해 플라잉 커패시터 전하 균형 제어 회로 회로를 포함한 멀티레벨 변환기를 제안했다. 제안하는 회로는 선행 연구[8-10] 대비 다음과 같은 장점이 있다. 1) VLX를 CF 충전, 방전 상태에서 각각 센싱하여 IR drop에 의해 두 상태에 나타나는 VLX 차이를 줄일 수 있다. 2) LX 하나의 노드에서 전압을 센싱하여 센싱 에러가 작다. 3) 0~100%의 모든 duty에서 동작할 수 있다. 제안하는 멀티레벨 변환기는 180nm BCD 공정으로 제작하였다. 본 변환기는 2.8V~4.2V의 입력 전압에 대해 VREF에 따라 1V 또는 1.8V의 출력전압을 생성하고 최대 부하 전류 범위는 1A, 최대 효율 96% (@0.2A)를 갖는다. 선행 연구[10] 대비 입력전압 3.6V, 항복전압 1.8V, 부하 전류 1A를 기준으로 17.1% 더 작은 voltage stress를 갖는다. 본 논문은 기존 연구 대비 더 넓은 부하 전류 영역에서 더 작은 voltage stress를 가져 높은 신뢰성을 갖는 변환기를 구현할 수 있다. |Conventional DC-DC converters have a low power efficiency because high voltage (HV) devices must be used to withstand the voltage stress from a high input voltage. For higher efficiency, a multi-level structure can be used in which two low voltage (LV) devices are stacked instead of one HV device, and a flying capacitor (CF) is added. For this purpose, it should be ensured that the voltage stress of the LV device does not exceed its breakdown voltage. In the multi-level converter, VCF should be balanced at 0.5VIN to keep the voltage stress across LV devices small. However, an imbalance in CF charge may occur due to controller mismatch and parasitic capacitance. For VCF balancing, this paper proposes a multi-level converter including a VCF regulation circuit to reduce the voltage stress across the device. The proposed circuit has the following advantages compared to previous research[8-10]. 1) VLX is sensed at CF charging and discharging time, respectively, so the VLX difference in the two states caused by IR drop can be reduced. 2) Sensing error is small as the voltage is sensed at one LX node. 3) It can operate in all duty range of 0~100%. The proposed high-reliability multi-level buck DC-DC converter with VCF regulation circuit circuits is manufactured in a 180nm BCDMOS process. The input voltage range is 2.8V to 4.2V and the output voltage range is 1V to 1.8V. The maximum load current is 1A and the peak efficiency of the converter is 96% at 0.2A. Compared to previous research[10], Voltage stress was reduced by 17.1% under the input voltage of 3.6V, the breakdown voltage of 1.8V, and the load current of 1A. The proposed converter has high reliability with smaller voltage stresses in a wider load current range.