The design of the high efficiency DC-DC Converter with Dynamic Threshold MOS switch

Dynamic Threshold MOS 스위치를 사용한 고효율 DC-DC Converter 설계

The high efficiency power management IC(PMIC) with DTMOS(Dynamic Threshold voltage MOSFET) switching device is proposed in this paper. PMIC is controlled with PWM control method in order to have high power efficiency at high current level. DTMOS with low on-resistance is designed to decrease conduction loss. The control parts in Buck converter, that is, PWM control circuits consist of a saw-tooth generator, a band-gap reference circuit, an error amplifier and a comparator circuit as a block. The Saw-tooth generator is made to have 1.2 MHz oscillation frequency and full range of output swing from ground to supply voltage(VDD:3.3V). The comparator is designed with two stage OP amplifier. And the error amplifier has 70dB DC gain and $64^{\circ}$ phase margin. DC-DC converter, based on Voltage-mode PWM control circuits and low on-resistance switching device, achieved the high efficiency near 95% at 100mA output current. And DC-DC converter is designed with LDO in stand-by mode which fewer than 1mA for high efficiency.

본 논문에서는 DTMOS(Dynamic Threshold voltage MOSFET) 스위칭 소자를 사용한 고 효율 전원 제어 장치 (PMIC)를 제안하였다. 높은 출력 전류에서 고 전력 효율을 얻기 위하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식을 사용하여 PMIC를 구현하였으며, 낮은 온 저항을 갖는 DTMOS를 설계하여 도통 손실을 감소시켰다. 벅 컨버터(Buck converter) 제어 회로는 PWM 제어회로로 되어 있으며, 삼각파 발생기(Saw-tooth generator), 밴드갭기준 전압 회로(Band-gap reference circuit), 오차 증폭기(Error amplifier), 비교기(Comparator circuit)가 하나의 블록으로 구성되어 있다. 삼각파 발생기는 그라운드부터 전원 전압(Vdd:3.3V)까지 출력 진폭 범위를 갖는 1.2MHz 발진 주파수를 가지며, 비교기는 2단 연산 증폭기로 설계되었다. 그리고 오차 증폭기는 70dB의 DC gain과 $64^{\circ}$ 위상 여유를 갖도록 설계하였다. Voltage-mode PWM 제어 회로와 낮은 온 저항을 스위칭 소자로 사용하여 구현한 DC-DC converter는 100mA 출력 전류에서 95%의 효율을 구현하였으며, 1mA이하의 대기모드에서도 높은 효율을 구현하기 위하여 LDO를 설계하였다.