단일 인덕터 다중 출력 DC-DC 컨버터의 공유 부트스트랩 게이트 드라이버를 이용한 97% 피크 효율

Core Concepts

단일 인덕터 다중 출력 DC-DC 컨버터에서 n형 트랜지스터 스위치를 사용하고 하나의 공유 부트스트랩 커패시터를 활용하여 저비용 및 저면적 솔루션을 제시한다.

Abstract

이 논문은 n형 트랜지스터를 사용하여 모든 필요한 전압(벅 및 부스트)을 생성할 수 있는 SIMO DC-DC 컨버터를 설명한다. 이 설계는 하나의 공유 부트스트랩 커패시터와 하나의 패드만을 사용하여 구현된다. 기존 설계에서는 각 n형 출력 트랜지스터가 자체 대형 오프칩 부트스트랩 커패시터를 사용하여 칩에 2개의 추가 패드가 필요했지만, 제안된 구조에서는 다중 출력 간에 단일 공유 부트스트랩 커패시터를 사용하여 칩에 단 1개의 추가 패드만 필요하다. N개의 출력을 가진 SIMO DC-DC 컨버터의 경우, 제안된 구조는 기존 설계 대비 N배 낮은 오프칩 면적과 2N-1개 적은 패드를 요구한다.
제안된 SIMO DC-DC 컨버터의 회로 동작은 다음과 같다:

Sp와 Sy 스위치를 켜면 인덕터 전류가 충전된다. 이 때 부트스트랩 커패시터의 하단 단자는 접지에 연결되어 커패시터가 VC 전압으로 충전된다.
다음 단계에서 출력 스위치 중 하나(Sout_j)를 켜면 인덕터 전류가 출력 커패시터로 방전되어 출력 전압을 조절한다. 이 때 VL+, VSj, Vout_j 단자가 연결되어 부트스트랩 커패시터의 상단 단자 전압이 Vout_j+VC가 되어 출력 스위치의 게이트 전압으로 인가된다.

제안된 SIMO 컨버터의 프로토타입이 180nm SILTERRA BCD 공정으로 제작되었으며, 2개의 온칩 출력과 2개의 오프칩 출력을 가지고 있다. 모든 출력은 단일 오프칩 부트스트랩 커패시터를 공유한다. 측정 결과, 최대 97%의 피크 효율과 20mV 미만의 출력 리플을 달성하였다.

Stats

인덕터 전류 피크값은 약 135mA이다.
온칩 12V 및 1.8V 출력의 리플은 20mV 미만이다.

Quotes

"단일 인덕터 다중 출력(SIMO) DC-DC 컨버터는 공간 및 비용 효율적이다."
"n형 트랜지스터 스위치는 동일 면적에서 더 낮은 온저항으로 인해 더 높은 효율을 제공할 수 있다."

Key Insights Distilled From

A 97% Peak Efficiency Single-Inductor-Multiple-Output DC-DC Converter with a Shared Bootstrap Gate Driver

by Mohammadreza... at arxiv.org 04-09-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.04751.pdf

Deeper Inquiries

동적 부하 변동 특성은 어떠한가?

이 SIMO DC-DC 컨버터는 동적 부하 변동 특성에서 우수한 성능을 보입니다. 제안된 설계는 부트스트랩 커패시터를 공유하고 있으며, 이를 통해 부하가 변동할 때에도 안정적인 전압을 유지할 수 있습니다. 부트스트랩 커패시터의 공유로 인해 각 출력이 변동해도 전체 시스템이 효율적으로 작동할 수 있습니다. 또한, 이 컨버터는 다양한 출력 전압을 생성하며, 각 출력의 전압을 정밀하게 제어할 수 있어 동적 부하 변동에 효과적으로 대응할 수 있습니다.

제안된 설계에서 부트스트랩 커패시터의 크기와 효율 간의 상관관계는 어떠한가?

제안된 설계에서 부트스트랩 커패시터의 크기는 전체 시스템의 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 공유 부트스트랩 커패시터를 사용함으로써 부트스트랩 커패시터의 크기를 줄일 수 있으며, 이는 시스템의 비용과 공간을 절약하는 데 도움이 됩니다. 작은 크기의 부트스트랩 커패시터는 빠른 전압 변화에도 빠르게 반응할 수 있어 효율적인 전력 변환을 가능하게 합니다. 따라서, 부트스트랩 커패시터의 크기가 작을수록 전체 시스템의 효율성이 향상될 수 있습니다.

이 SIMO DC-DC 컨버터 기술을 다른 응용 분야에 적용할 수 있는 방법은 무엇인가?

이 SIMO DC-DC 컨버터 기술은 다양한 응용 분야에 적용할 수 있습니다. 예를 들어, 전기차나 재생 에너지 시스템에서 이 기술을 활용할 수 있습니다. 전기차의 경우, 다양한 전압이 필요한 부품들을 효율적으로 공급할 수 있으며, 고전압과 저전압을 동시에 생성할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 또한, 재생 에너지 시스템에서는 변환 효율을 높이고 다양한 출력을 제어할 수 있는 이 기술을 통해 에너지의 효율적인 이용이 가능해집니다. 이러한 방식으로 SIMO DC-DC 컨버터 기술은 다양한 응용 분야에서 혁신적인 솔루션으로 활용될 수 있습니다.