6 MHz 60 V Gallium Nitride 기반 Non-inverting Buck-Boost Converter 설계

Abstract

본 논문은 Gallium Nitride(GaN)을 기반으로 하는 비반전 벅-부스트 변환기를 제시한다. 실리콘 기반 파워 소자 대비 빠른 스위칭 변환 속도를 가진 GaN 소자는 그에 대한 부작용(side effect)인 전자기 간섭(EMI), 전류 스파이크(current spike) 및 링잉(ringing)은, 전력 변환기 칩 내부 제어 회로 오동작의 원인이 될 수 있다. 본 논문에서 제안하는 전류 감지 센서(current sensor)는 전류 감지 잡음이 발생하는 순간을 적응형 전류 감지 블랭크 회로(adaptive current sense blanker)를 이용하여 잡음으로 인한 회로 오동작을 방지한다. 본 연구 결과로, 입출력 전압 범위는 7-60V의 넓은 범위를 가지고, 6MHz의 빠른 스위칭 주파수를 가지고 있다. 빠른 스위칭 변환 속도 덕분에 시뮬레이션 기준 최대 96 %의 효율을 달성하였다. 또한 높은 스위칭 주파수로 인덕터의 크기를 1uH로 소형화를 달성하였다. 180nm BCD 공정을 이용하였고, 칩 면적은 9mm2이다. 본 논문에서는 또한 Capacitor-less LDO에서 경부하 안정도 및 구동 능력 상승을 도모할 수 있는 부하 전류 추적 좌반면 제로 생성 기법(load tracking zero)을 제안한다. 추가적으로 초-경부하(ultra-light load)에서는 LDO의 버퍼 블록 및 앰프 트랜스컨덕턴스(G¬m) 증폭단 동작을 멈추는 추가적인 대기전류 감소 기법에 대해 소개한다. 제안하는 LDO는 400fF의 작은 보상 커패시터를 사용함과 동시에 54nA의 대기 전류를 가질 수 있다. 또한 0.00744mm2의 매우 작은 면적을 차지한다. 칩은 180nm 공정을 이용하여 제작되었다. 넓은 대역폭으로 중부하일 때 입력 잡음 주파수 1MHz와 10MHz에서 각각 -39dB, -24.5dB의 전원전압 변동 제거비(PSRR), 0.000084ps의 figure of merit(FoM)을 달성하였다.