전기자동차 및 IOT 어플리케이션용 전원관리회로 설계 연구

Abstract

최근 전자기기의 휴대화에 새로운 패러다임이 나타나고 있다. 화석연료를 에너지원으로 사용하는 자동차, 그리고 유선 전원 케이블 사용하는 고화질 TV와 같은 전자기기에 배터리를 탑재하여 상용화되었다. 따라서 일정한 전압을 공급하는 1개의 배터리를 이용하여 다양한 정격 전압을 갖는 전기장치 부품에 효율적인 전력 공급을 위해 PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 중요성이 높아지고 있다. 특히, PMIC의 에너지 효율은 전자기기의 사용시간과 직접적인 영향을 갖는다. 이러한 이유로 어플리케이션의 전압과 부하전류에 따라 최적의 DC-DC 컨버터에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 논문에서는 넓은 입출력 전압 범위를 갖는 차량 헤드램프용 GaN 반도체 기반 벅-부스트 컨버터와 초 저전력 IOT 어플리케이션용 벅 컨버터에 관하여 연구하였다. 벅-부스트 컨버터의 경우, 기존의 부스트 컨버터와 벅 컨버터를 하나의 통합 IC로 설계하여 면적 및 에너지 효율을 향상시켰다. 동시에, Si 반도체 대비 넓은 밴드 갭과 높은 모빌리티 특성을 가진 GaN 트랜지스터를 스위치로 사용함으로써 컨버터의 넓은 입력 전압과 고속 동작을 가능하도록 하였다. 초 저전력 IOT 어플리케이션용 벅 컨버터의 경우, 기존 벅 컨버터에서 낮은 부하전류의 에너지 효율 감소 문제를 PFM(Pulse Frequency Modulation) 기법과 DCM(Discontinuous Current Mode) 기법을 활용하여 개선하였다. 설계된 두 가지 회로는 180 nm BCDMOS (Bipolar CMOS DMOS) 공정을 이용하여 제작되었다. 초 저전력 IOT 어플리케이션용 벅 컨버터 회로는 3-5 V의 입력전압과 1.8 V의 출력 전압을 갖는다. 최대 출력 전류는 50 mA이고, 칩의 면적은 0.102 〖mm〗^2 이다. GaN 기반 벅-부스트 컨버터 회로는 7 – 60 V 의 입력전압과 7 – 60 V의 출력전압을 갖는다. 동작 주파수는 5 MHz이고, 최대 출력 전류는 1.5 A이다. 칩의 면적은 9 〖mm〗^2 이다.