실리콘 파워 트랜지스터를 이용한 PFC Bridgeless Buck-Boost Converter 설계

소인석 中央大學校 大學院 2016 국내석사

본 논문은 저전력 분야에 적용할 수 있는 PFC Bridgeless Buck-Boost 컨버터를 제안한다. Buck-Boost 컨버터가 Bridgeless 로 구성되어 있으며, 이것은 다이오드 브리지 정류기의 제거를 함과 동시에 그와 관련된 전도 손실을 줄이는 역할을 수행한다. PFC BL Buck-Boost 컨버터는 AC 공급전원에 고유의 PFC를 제공하기 위해 불연속 인덕터 전류 모드(DICM)에서 동작하도록 설계 되었다. 제안된 컨버터의 성능은 AC 전원에서 향상된 전력품질 전원전압(90-265V)을 변화시키는데, 광범위하게 평가할 수 있다. 얻어진 전력 품질 지수는 국제 전력 품질 기준 (IEC 610000-3-2)의 허용 가능한 범위 내에 있다. 이전의 PFC BL Buck-Boost 컨버터와 제안한 PFC Buck-Boost 컨버터의 효율 및 입력전류 THD를 비교 분석을 하였다. 결과적으로 각각의 컨버터가 동일한 성능을 보여주었으며 제안한 컨버터의 경우 컨버터 내의 소자수를 줄일 수 있게 되어 구조를 더 간단하게 나타내며 더 저렴한 스위칭 소자 변경을 통해 경제적 측면에 더 개선된 컨버터를 구성하게 되었다. 제안한 컨버터의 성능은 PSIM 시뮬레이션의 환경에서 구현하였다. This paper presents a Power Factor Corrected (PFC) Bridgeless (BL) Buck-Boost Converter as a cost-effective solution for low-power applications. A BL configuration of the Buck-Boost Converter is proposed which offers the elimination of the diode bridge rectifier, thus reducing the conduction losses associated with it. A PFC BL Buck-Boost Converter is designed to operate in discontinuous inductor current mode (DICM) to provide an inherent PFC at ac mains. The performance of the proposed converter is evaluated varying supply voltages (universal ac mains at 90-265 V) with improved power quality at ac mains. The obtained power quality indices are within the acceptable limits of international power quality standards such as the IEC 610000-3-2. We compare the characteristics of the conventional and proposed circuit. Two of them shown the same performance about efficiency and THD of input current. Proposed circuit can reduced the component of the total circuit. After all, converter structure get more simple than before. Also, through the switching components change makes economic benefits of the improved converter. The performance of the proposed converter is simulated in PSIM Simulation environment.

Interleaved PFC bridgeless buck-boost converter 설계

김민규 中央大學校 大學院 2016 국내석사

본 논문은 저전력 분야에 적용할 수 있는 Interleaved PFC Bridgeless Buck-Boost 컨버터를 제안한다. Buck-Boost 컨버터가 Bridgeless 로 구성되어 있으며, 이것은 다이오드 브리지 정류기의 제거를 함과 동시에 그와 관련된 전도 손실을 줄이는 역할을 수행한다. 제안한 Interleaved PFC Bridgeless Buck-Boost 컨버터는 AC 공급전원에 고유의 PFC를 제공하기 위해 불연속 인덕터 전류 모드(DICM)에서 동작하도록 설계 되었다. 제안된 컨버터의 성능은 AC 전원에서 향상된 전력품질 전원전압(90-400V)을 변화시키는데, 광범위하게 평가할 수 있다. 얻어진 전력 품질 지수는 국제 전력 품질 기준 (IEC 610000-3-2)의 허용 가능한 범위 내에 있다. 제안한 컨버터의 성능은 PSIM을 이용해 시뮬레이션 하였고, 기존의 PFC Bridgeless Buck-Boost 컨버터와 제안한 Interleaved PFC Bridgeless Buck-Boost 컨버터의 입력전류의 고조파와 THD를 비교 분석을 하였다. 결과적으로 제안한 컨버터의 입력전류의 고조파와 THD가 기존의 컨버터 보다 좋아진 것을 확인 하였다. This paper proposed a Interleaved Power Factor Corrected (PFC) Bridgeless (BL) Buck-Boost Converter as a cost-effective solution for low-power applications. The proposed Bridgeless configuration of the Buck-Boost Converter is proposed which offers the elimination of the diode bridge rectifier, thus reducing the conduction losses associated with it. An Interleaved PFC Bridgeless Buck-Boost Converter is designed to operate in discontinuous inductor current mode (DICM) to provide an inherent PFC at ac mains. The performance of the proposed converter is evaluated varying supply voltages (universal ac mains at 90-400 V) with improved power quality at ac mains. The obtained power quality indices are within the acceptable limits of international power quality standards such as the IEC 610000-3-2. The performance of the proposed converter is simulated in PSIM Simulation environment. We compare the characteristics of the conventional and proposed circuit. The input current of the Conventional PFC Bridgeless Buck-Boost Converter with the proposed of Interleaved PFC Bridgeless Buck-Boost Converter was the comparative analyzed. After all, The input current Harmonic and THD of the proposed converter was confirmed that reduction than the Conventional converter.

양방향 CRM 벅/부스트 컨버터 디지털 제어 기법

이상연 명지대학교 대학원 2021 국내석사

최근 화석 연료의 고갈 및 환경 문제로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 급증하고 있다. 국내에서 수소연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 수소연료전지차에 대한 연구개발에 박차를 가하고 있다. 수소연료전지차는 초기 시동 시 연료 전지 스택 활성화를 위한 전력 공급을 요구한다. 기존 수소연료전지차에서는 고전압 배터리를 활용하여 연료 전지 스택 활성화를 수행하였으나, 원가 상승 및 개발의 어려움이 존재한다. 이러한 배경으로 저전압 배터리를 활용한 연료 전지 스택 활성화에 대한 연구가 요구되었고, 이를 위하여 BLDC(Bidirectional Low Voltage DC/DC Converter) 개발에 대한 연구가 본 연구에서 진행되었다. 본 논문에서는 Buck./Boost 컨버터와 LLC 공진형 컨버터 직렬 구조를 갖는 BLDC의 고효율 및 고밀도 연구의 일환으로 양방향 CRM Buck/Boost 컨버터 디지털 제어 기법에 대한 연구 내용을 발표한다. 양방향 Buck/Boost 컨버터는 그 동작을 위하여 모든 전력반도체 소자에 MOSFET을 적용하고, 정류 동작시 MOSFET의 바디 다이오드 또는 동기 정류기 모드를 사용한다. 양방향 Buck/Boost 컨버터가 CCM(Continuous Conduction Mode) 동작을 사용하여 구동될 경우 바디 다이오드의 역회복전류로 인해 MOSFET 내부의 기생 BJT가 도통되는 문제가 발생한다. 기생 BJT가 도통될 경우 MOSFET의 항복 전압이 50-60% 감소하는 문제가 있다. 이 문제를 극복하기 위해서는 높은 항복 전압을 갖는 전력반도체 소자를 사용하거나, 역회복 시간이 매우 짧은 SiC 전력반도체 소자를 사용하는 방법이 있다. 하지만 두 방법 모두 비용이 증가한다는 문제가 있다. 이러한 양방향 Buck/Boost 컨버터의 CCM 동작에서의 문제점을 개선하기 위하여 CRM(Critical Conduction Mode) 동작을 적용한다. CRM 동작의 경우 바디 다이오드가 영전류에서 turn off 되기 때문에 역회복전류가 발생하지 않아 기생 BJT 도통 문제가 발생하지 않으며, ZVS(Zero Voltage Switching) 또는 valley switching을 동작을 통해 스위칭 손실을 저감하여 고효율 방안에도 적합하다. CRM 동작 구현을 위한 전용 아날로그 controller IC가 존재하지만 역률 개선 용도로 제작되어왔으며, 기존의 디지털 CRM 동작 컨버터에 관한 연구 또한 양방향 동작을 적용한 연구는 진행되지 않았다. 본 논문에서는 수소연료전지차를 위한 BLDC 연구의 일환으로 양방향 CRM Buck/Boost 컨버터 디지털 제어 기법에 대한 연구결과를 발표한다. 기존의 아날로그 CRM 컨버터의 단점을 개선한 제어 방법과 양방향 동작을 위한 추가 회로를 제시한다. 또한 ZVS 및 valley switching 동작 최적화 dead time 설계 방안, 스위칭 주파수 제한 방안, 디지털 시지연을 고려한 전류 제어기 설계 방안을 제시한다. 설계의 타당성을 검증하기 위하여 입력 260-430V, 출력 160-240V, 1kW의 정격 용량을 갖는 Si-MOSFET 기반의 양방향 CRM Buck/Boost 컨버터와 SiC-MOSFET 기반의 양방향 CCM Buck/Boost 컨버터를 각각 설계하고, 프로토 타입을 제작하여 성능을 비교한다. Si-MOSFET 기반의 CRM Buck/Boost 컨버터는 정격 부하 조건에서 Buck 동작 최대 99.6%의 효율과 Boost 동작 최대 98.7%의 효율을 달성하였다. 전압 및 부하 조건에 따른 효율의 편차가 존재하지만 SiC-MOSFET 기반의 CCM Buck/Boost 컨버터와 동일한 성능을 보임을 확인하였다. Recently, interest in renewable energy is rapidly increasing due to depletion of fossil fuels and environmental problems. Research on hydrogen fuel cells is being actively conducted in Korea, and in particular, research and development for hydrogen fuel cell vehicles are being accelerated. A hydrogen fuel cell vehicle requires power supply to activate the fuel cell stack during initial startup. In the conventional hydrogen fuel cell vehicle, a high voltage battery is used to activate the fuel cell stack, but there are difficulties in cost increase and development. Based on these backgrounds, a study on the activation of a fuel cell stack using a low voltage battery is required, and for this purpose, a study on the development of a BLDC(Bidirectional Low Voltage DC/DC Converter) is conducted in this study. In this paper, as a part of a high-efficiency and high-density study of BLDC with Buck/Boost converter and LLC resonant converter series structure, research on bidirectional CRM Buck/Boost converter digital control technique is presented. The bidirectional buck/boost converter applies MOSFETs to all power semiconductor devices for its operation and uses the MOSFET's body diode or synchronous rectifier mode during rectification. When the bidirectional buck/boost converter is driven using CCM (Continuous Conduction Mode) operation, the reverse recovery current of the body diode causes a problem that the parasitic BJT inside the MOSFET conducts. When the parasitic BJT conducts, there is a problem that the breakdown voltage of the MOSFET is reduced by 50-60%. In order to overcome this problem, there is a method of using a power semiconductor device having a high breakdown voltage or a SiC power semiconductor device having a very short reverse recovery time. However, both methods have a problem in that the cost increases. In this paper, the bidirectional Buck/Boost converter applies CRM(Critical Conduction Mode) operation to improve the problem in the CCM operation. In case of CRM operation, since the body diode is turned off at zero current, no reverse recovery current occurs, so there is no parasitic BJT conduction problem. ZVS (Zero Voltage Switching) or valley switching is used to reduce switching loss, making it suitable for high-efficiency schemes. Although there is a dedicated analog controller IC for implementing CRM operation, it has been manufactured for the purpose of improving power factor. Also, studies on the existing digital CRM operation converter and the study of applying bidirectional operation have not been conducted. In this paper, as a part of BLDC research for hydrogen fuel cell vehicles, it presents the research results of the bidirectional CRM Buck/Boost converter digital control method. This paper presents additional circuit for a control method and a bidirectional action that improves the shortcomings of conventional analog CRM converter. In addition, this paper presents a dead time design method optimizing ZVS and valley switching operation, a switching frequency limitation method, and a current controller design method considering digital delay. In order to verify the feasibility of the design, this paper designs a Si-MOSFET-based bidirectional CRM Buck/Boost converter and a SiC-MOSFET-based bidirectional CCM Buck/Boost converter with input 260-430V, output 160-240V, and 1kW rated capacity to compare the performance respectively by making both of prototypes. The Si-MOSFET-based CRM Buck/Boost converter achieves an efficiency of up to 99.6% in Buck operation and 98.7% in Boost operation under rated load conditions. Although there is a difference in efficiency according to voltage and load conditions, it is confirmed that SiC-MOSFET-based CCM Buck/Boost converter demonstrates the same performance.

IVR 을 위한 high switching frequency buck-boost DC-DC converter

조종완 성균관대학교 일반대학원 2020 국내석사

제안되는 IVR을 위한 High Switching Frequency Buck-Boost DC-DC Converter 에서는 기존 IVR에서 문제점을 해결하기 위해서 DC-DC Converter 에서 사용되는 Inductor 및 Output Capacitor 가 외부에서 내부로 사용되어야 하며, 내부 Inductor 의 경우 현재 공정에서 10 nF 정도의 Inductor 를 사용할 수 있다. 10 nF 에 Inductor 를 사용하게 될 때 발생되는 문제점 중에 하나는 Inductor에 Inductance 감소에 따른 DC-DC Converter 의 Ripple 증가와 내부 Inductor에 구현에 의한 Q 감소로 나타나게 되는데 이를 해결하는 방법으로 Multi–Phase DC-DC Converter 를 제안한다. Multi-Phase DC-DC Converter 에서는 각각의 Phase 들이 합쳐지게 되어 Total 출력 전압에서 Phase 의 수만큼 높아진 Switching Frequency 를 확인할 수 있다. 제안되는 IVR을 위한 High Switching Frequency Buck-Boost DC-DC Converter 에서는 한 개의 Phase 에서 최대 10 MHz의 동작 주파수를 가지기 때문에 미세 공정에 따라서 회로의 속도가 증가하거나 내부의 Feedback Path 를 변경하여 더 높은 동작 주파수에서 개별 DC-DC Converter 를 동작시키는 경우 전체의 Phase 수만큼 곱하여 동작하는 장점이 있기 때문에 추후 요구되는 High Frequency 에서 동작이 가능하다.

휴대용 멀티미디어 기기를 위한 고효율 Buck-boost DCDC 변환기의 설계

정경수 서울시립대학교 2005 국내석사

국 문 초 록 최근 집적 회로 기술의 발달과 소비자들의 문화적 요구에 의해 PDA, MP3, 휴대폰, 노트북 PC 등과 같은 휴대용 멀티미디어 기기들의 시장이 넓어지고 있다. 더욱이 이러한 기기들은 배터리 전원에 의해 동작하기 때문에 보다 오랜 시간 동안 사용할 수 있어야 하며, 전력 소모를 최소화 하기 위하여 매우 낮은 전원 전압을 가져야 한다. 그러나, 휴대용 기기에 사용되는 Li-ion, NiCd, NiMH 등과 같은 대부분의 배터리 들은 출력의 부하 조건에 따라 전압의 변화가 크게 발생하므로, 안정적인 전원 전압을 공급할 수 없다. 따라서, 전원 전압의 변화에도 일정한 출력 전압을 만들어 줄 수 있는 효율적인 전원 관리 회로로써, DCDC 변환기가 필요하게 된다. 저전력 회로의 배터리 수명을 극대화하기 위해서는 단순한 step-up 동작이나 step-down을 하는 변환기가 아닌 입력 전원 전압보다 높은 전압과 낮은 전압을 모두 만들 수 있는 DCDC 변환기가 필요하게 된다. 따라서, 본 논문에서는 하나의 인덕터로 step-up 동작과 step-down 동작을 할 수 있는 변환기 중 효율이 우수하고 입력 전압과 출력 전압의 극성이 일치하는 non-inverting DCDC buck-boost 변환기를 설계하였다. 즉, 외부 소자를 최소화 하여 높은 가격 경쟁력을 가질 수 있고, 스위치를 집적화 하여 효율이 매우 높으며, SOC(System on Chip)로의 구현을 용이하도록 하였다. 본 논문에서 설계한 DCDC buck-boost 변환기는 duty cycle에 따라 스위치의 크기를 선택할 수 있는 ADC(analog to digital converter)를 설계하였다. 즉, 부하 전류에 비례하여 증가하는 duty cycle의 특성을 이용하여 부하 전류 조건에 따라 구동하는 스위치의 크기를 선택적으로 조절할 수 있도록 하였으며, 부하 전류가 작을 경우 스위치의 소모 전류를 최소화할 수 있도록 하였다. 또한, 안정적인 출력 전압을 내보낼 수 있도록 소-신호 분석을 통하여 충분한 phase margin을 갖도록 주파수 보상 블록을 설계하였다. 설계된 DCDC 변환기는 duty cycle이 50%이고 300mA의 부하 조건에서 90%의 효율을 나타내고 있으며, 0.1%/A의 load regulation, 0.2%/V의 line regulation 특성을 나타내고 있다. 본 논문의 DCDC 변환기는 1-poly 4-metal 0.35um CMOS 공정으로 설계하였다. 주요어 : DCDC Buck-Boost 변환기, 효율, ADC, load regulation, line regulation

(A) study on a high efficiency wireless power receiver with a triple mode active rectifier and buck-boost DC-DC converter for power management ICs applications

Ain, Qurat ul Sungkyunkwan University 2023 국내박사

Power management integrated circuits have emerged as a reliable source for power management unit in IC, when it comes to their ability to lengthen battery life, reduce power consumption, and provide a dedicated power supply for the system. Along with other switching and linear regulators, the power conversion circuit is a crucial component of PMICs. The most important components in power conversion circuits and PMICs are DC-DC converters because of their potential to achieve high levels of efficiency. Among the most recent advancements in ICs, Wireless Power Transfer (WPT) has come to be recognized as one of the greatest alternatives. The most practical technique for wirelessly charging mobile applications has been discovered by researchers. Moreover, wearable and Internet of Things (IoT) devices can influence the wireless battery charging technique to increase user flexibility and convenience. In this dissertation, a Study on a high-efficiency Wireless Power Receiver with a Triple Mode Active Rectifier and Buck-boost DC-DC Converter for Power Management ICs Applications is proposed. The main objective of the research is to improve the power conversion efficiency of the system. In this thesis a high efficiency fast settling constant on-time Control DC-DC Buck Converter, a highly efficient active rectifier for wireless power transfer, and a buck-boost DC-DC converter is presented for power management IC application. The Current Reused Current Sensor (CRCS) is proposed in the COT DC-DC buck converter to enhance the loop stability and improve the PCE at the light load. Input current is sensed and added to the feedback voltage of the DC-DC converter to increase the sensed output ripple voltage. Furthermore, the Fast Transient DC-offset Cancellation (FT-DCOC) technique is introduced to achieve fast transient recovery time and cancel the output DC-Offset. Accordingly, the proposed technique removes the issue of a large recovery time. The effectiveness of the proposed architecture with the CRCS and FT-DCOC techniques has been verified with experimental results. A highly efficient active rectifier for wireless power transfer using a 180 nm CMOS process is presented. The proposed gate charge recycling technique is used to reduce the switching loss caused by the switching operation of the gate driver in the A4WP self-resonance method, which is one of the operation modes of the rectifier. Core and driver blocks are shared between each standard mode to reduce size and power consumption. In the WPC / PMA standard mode, zero current sensing (ZCS) technique, and in A4WP standard mode, the digitally controlled delay adjustment (DCDA) technique is used to reduce reverse leakage current generation and area reduction, thus increasing the maximum power conversion efficiency. A buck-boost dc-dc converter for power management ICs applications is also presented. The proposed buck-boost converter harvests energy from an input source and performs dc-dc conversion with only one inductor. The COT DC-DC Buck converter is fabricated with a 0.13 μm CMOS process which enables high density and high speed. A standard supply voltage of 7 ~ 15 V is applied to produce the output voltage of 5~ 5.33 V. The total die area is 2 mm x 1.5 mm. 17μs of settling time is achieved from the proposed technique. Measured transient recovery time from light to heavy load and from heavy load to light load is 3 μs and 2.7 μs, respectively. The maximum DC offset for an output voltage of 5.3 V is 3.5 mV when the current is changed from 10 mA to 1 A and vice versa. The overshoot voltage is 85 mV and the undershoot voltage is 72 mV for an output of 5.3 V at the light to heavy and heavy to light load transition. The transient response of the circuit is accelerated and the efficiency is improved. The measured peak PCE of the proposed COT DC-DC Buck Converter is 95.56 % at 0.5 A and PCE at the light load of 10 mA is 84.60 %. The active rectifier for wireless power transfer is implemented using a 180 nm CMOS process. The achieved efficiency is 98.6 % in the magnetic induction method (WPC/PMA) at 15 W, and 94.86 % in the magnetic resonance method (A4WP). The presented Buck Boost DC-DC converter is fabricated using 130nm CMOS process with a standard supply voltage of 4 V and output of 1.5 V. The measured peak PCE of the proposed Buck boost DC-DC Converter is 91 %. The buck-boost converter is implemented in a BCD 130-nm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process. A standard input voltage of 0.5 ~ 1.5 V is applied to produce the output voltage of 1.5 V. The total die area is 2.4 mm2. The measured peak PCE of the buck boost Converter is 91.2 % at 0.16 A and the PCE at the light load of 5 mA is 84 %.

과도응답 향상기법을 적용한 DC-DC Buck-Boost 변환기

정지택 서울시립대학교 일반대학원 2021 국내석사

본 논문에서는 과도응답 향상기법을 적용한 DC-DC buck-boost 변환기를 제안한다. 부하전류가 급변하는 경우 DC-DC 변환기의 출력전압은 과도상태에 돌입하게 되며 일정한 정착시간(settling time) 후 기존에 설정한 출력전압 값으로 수렴하게 된다. 본 논문에서는 이러한 부하 과도 응답(load transient response) 의 정착시간을 줄이는 효율적인 기법에 관한 것이다. 제안하는 과도응답 향상기법은 주파수 보상회로를 구성하는 Gm amplifier 의 Gm 을 향상시킴으로써 과도응답의 정착시간을 줄인다. 제안하는 기법은 피드백 신호를 감지하여 출력전압 상태에 따라 Gm amplifier 의 출력전류를 증가하여 Gm 을 향상시킨다. 출력전류의 증가는 PWM 제어기가 부하전류 변화에 반응하는 것을 돕는다. 그 결과 DC-DC 변환기는 신속하게 듀티비를 조절하여 향상된 과도응답 특성을 달성한다. 본 논문에서 설계된 DC-DC buck-boost 변환기는 큰 부하전류 응용에 적합한 전류연속모드 및 PWM 제어방식을 사용한다. 또한 DC-DC 변환기의 negative feedback 동작을 위해 전류모드를 채택하였다. 폐루프 시스템의 DC 이득이 증가하고, 안정적 동작을 위한 충분한 위상 마진을 확보하기 위해 PI compensation 을 적용하였다. 뿐만 아니라 초기 스타트-업 구간 동안 돌입전류를 방지하기 위해 소프트 스타트-업 회로를 추가하였다. 해당 소프트 스타트-업 동작을 위해 외부 커패시터를 필요로 하지 않는 새로운 capacitor-sharing 방식을 제안한다. DC-DC 변환기 전력 스위치의 온-저항은 변환기의 효율을 저하시키는 주된 문제 중 하나인 전도손실(conduction loss) 를 최소화하기 위해 20[mohm] 이하로 설계되었다. DC-DC buck-boost 변환기는 0.18um BCDMOS 공정으로 설계되었으며, 시뮬레이션 상 최고 효율은 VIN=3.3[V], VOUT=5.0[V], ILOAD=0.3[A] 조건에서 95.9[%] 이다. A DC-DC buck-boost converter with transient-response enhancement technique is presented in this thesis. When the load current abruptly changes, a DC-DC converter operates initially in the transient state and the output converges to the pre-defined value after certain settling time. The efficient way to reduce this settling time for load transient behavior is described in the paper. By improving Gm value of the transconductance amplifier in the frequency compensation block, transient-response enhancement technique is suggested to decrease the settling time. The output current of the transconductance amplifier can be increased according to the state of the converter output, which is achieved through monitoring the feedback signal. This enhanced feature helps PWM controller respond to a load current change, which makes it possible for DC-DC converter to swiftly control the duty ratio. In the designed DC-DC buck-boost converter, continuous-current mode and PWM schemes are utilized suitable for large load current applications. Current-mode control is included for the construction of the negative feedback operations of DC-DC converter. The PI compensation is applied in order to increase DC gain of the closed-loop system and achieve phase margin enough for stable operations. The soft start-up circuit is also incorporated to prevent the in-rush current during start-up time, where novel capacitor-sharing scheme is suggested without the need of external capacitor components. On-resistance of power switches can be made smaller than 20[mohm] to minimize conduction loss that is one of the main problems to degrade the power efficiency of the converter. The DC-DC converter is implemented with 0.18um BCDMOS process. The peak efficiency is 95.9[%] when VIN=3.3[V], VOUT=5.0[V], and ILOAD=0.3[A] in simulation.

Energy-Efficient Power Management Systems for Low-Power Wireless Sensor Nodes

Park, Inho 고려대학교 대학원 2023 국내박사

Various electronic devices, such as mobile devices, wireless sensor nodes (WSN), and wearable Internet of Things devices, are powered by rechargeable Lithium-ion (Li-ion) batteries. According to the type of battery-powered system, power consumption ranges from several hundred microwatts to several watts. In the case of low-power WSN, the lifespan is extended with energy-harvesting techniques. In addition to the low power consumption, efficient power distribution among the rechargeable battery, energy harvester, and sensor nodes is important. For relatively high-power systems such as application processors, supplying power with high power conversion efficiency (PCE) is critical to circuit performance. Therefore, this dissertation deals with design techniques of a power management system for battery-powered applications to efficiently utilize energy-harvesting battery chargers and dc-dc converter that supplies stable power to the load circuit from a Li-ion battery. In the first research, a high-voltage (HV) dual-input buck converter for triboelectric (TE) energy-harvesting applications with maximum power point (MPP) tracking for TE nanogenerators (TENGs). The proposed system separately harvests each half wave (HW) with a dual-output rectifier for better extraction efficiency. Furthermore, given the similarity between the electrical models of piezoelectric transducers and TENGs, a root-mean-square (RMS) MPP analysis is proposed with a fractional open-circuit voltage method according to each HW from TENGs. The HV dual-input buck converter regulates two HWs from TENGs for MPP tracking (MPPT) with a single inductor. The proposed HV protector prevents the breakdown of the power transistor due to HV stress. To regulate the two input voltages of the buck converter at each MPP, a synchronous pulse-skipping modulation technique is implemented in the system. The entire system is fabricated in a 180-nm bipolar-CMOS-DMOS process with an active area of 2.482 mm2. The maximum input voltage of the HV dual-input buck converter is 70 V, and the maximum end-to-end efficiency of 52.90% is achieved with human-skin- and polytetrafluoroethylene-based TENGs. This dissertation also presents a thermoelectric energy-harvesting interface with a reconfigurable dc–dc converter and a time-based instantaneous linear extrapolation (ILE) MPPT method. The proposed reconfigurable dc–dc converter comprises five switches for buck-boost operation and an additional switch for a dual-conversion mode in which battery power and thermoelectric generator (TEG) power are extracted in one cycle. The proposed ILE MPPT algorithm does not require TEG disconnection from the dc–dc converter, ensuring continuous thermoelectric energy extraction. The proposed MPPT method modulates the open-circuit voltage of TEG by performing linear extrapolation with a fully integrated circuit based on the steady-state voltage ripple information. The proposed interface is fabricated using a 180-nm CMOS process. The peak end-to-end efficiency of 90.48% is achieved with 0.2-V input voltage. The MPPT errors are measured up to 2.0% for the input capacitance variation and up to 1.067% for the equivalent resistance of TEG variation. In the last research, a four-phase hybrid buck-boost dc–dc converter with a delay-based zero-current detector is proposed. The proposed power stage operates in the boost or buck mode, depending on the target output voltage. It utilizes hybrid switched-inductor-capacitor and dual-path topologies with a multi-phase operation to reduce conduction loss due to the dc resistance of the inductor by reducing the RMS value of the inductor current. The delay-based zero-current detector determines the zero-current point of the inductor current with a 5-bit binary signal to compensate for the propagation delay between the control and the output signals of the driver. The system is fabricated using 180-nm CMOS technology. The power density is 1.838 A/mm2, and the peak efficiency is measured at 89.49% and 86.83% in the buck and boost modes, respectively, with a dynamic range of up to 2 A. 모바일 장치, 무선 센서 노드 및 웨어러블 사물 인터넷 장치와 같은 다양한 전자 장치는 충전식 리튬이온 배터리를 전력원으로 구동된다. 배터리 기반의 시스템은 유형에 따라서 전력 소비량이 수백 microwatt에서 수 watt의 범위를 갖는다. 저전력 무선 센서 노드의 경우 에너지 하베스팅 기술이 적용된 전력 관리 시스템을 통해 동작 수명을 연장할 수 있다. 낮은 소모 전력과 더불어 충전식 배터리, 에너지 하베스터 및 센서 노드 간의 효율적인 전력 분배는 전력 관리 시스템의 신뢰도 측면에서 중요하다. 또한, 애플리케이션 프로세서와 같은 상대적 고전력 시스템의 경우 높은 전력 변환 효율로 전원을 공급하는 것이 회로 성능에 중요하다. 따라서 본 논문에서는 리튬이온 배터리에서 부하 회로에 안정적인 전력을 공급하는 에너지 하베스팅 배터리 충전기와 dc–dc 컨버터를 효율적으로 활용하기 위한 배터리 기반의 응용 분야용 전력 관리 시스템의 설계 기법을 다룬다. 첫 번째 연구에서는 마찰전기 전력원에 대한 최대 출력점 추적 기능을 갖춘 마찰전기 에너지 수확 응용을 위한 고전압 이중 입력 벅 컨버터를 소개한다. 제안된 시스템은 추출 효율 개선을 위해 이중 출력 정류기를 통해 마찰전기 전력원의 ac 출력의 각 반파를 개별적으로 수확한다. 또한 압전 소자와 마찰전기 전력원의 전기 모델 간의 유사성을 바탕으로 마찰전기 전력원의 각 반파의 부분 개방 회로 전압 방법을 사용하여 최대 출력점 분석을 제안한다. 고전압 이중 입력 벅 컨버터는 단일 인덕터를 통해서 두 개의 높은 입력 전압을 각 최대 출력점으로 조정한다. 제안된 고전압 보호 회로는 고전압으로 인한 전력 트랜지스터의 파괴를 방지한다. 벅 컨버터의 두 입력 전압을 각 최대 출력점으로 조절하기 위해서 동기식 펄스 스키핑 변조 기술이 시스템에 적용된다. 전체 시스템의 면적은 2.482 mm2이며 bipolar-CMOS-DMOS 공정으로 제작된다. 고전압 이중 입력 벅 컨버터의 최대 입력 전압은 70 V이며, 사람 피부 및 폴리테트라플루오로에틸렌 기반의 마찰 전력원을 사용하여 최대 종단 간 효율 52.90%를 달성한다. 또한 본 논문은 재구성 가능한 dc–dc 컨버터와 시간 기반의 순시 선형 외삽 최대 출력점 추적 기술이 적용된 에너지 하베스팅 인터페이스를 제시한다. 제안된 재구성 가능한 dc–dc 컨버터는 벅-부스트 동작을 위한 5개의 스위치와 배터리 전력과 열전 소자 전력이 동일한 주기에서 추출되는 이중 변환 모드를 위한 추가의 스위치로 구성된다. 제안된 순시 선형 외삽 최대 출력점 추적 알고리즘은 dc–dc 컨버터에서 열전 소자 분리가 필요하지 않으므로 지속적인 열전 에너지 수확을 보장한다. 또한 제안된 최대 출력점 추적 기술은 정상 상태 전압 리플 정보를 기반으로 완전 집적된 회로를 통해 선형 외삽을 수행하여 열전 소자의 개방 회로 전압을 변조한다. 제안된 인터페이스는 180 nm CMOS 공정으로 제작되었으며, 0.2 V의 입력 전압에 대해서 90.48%의 최대 효율을 달성한다. 최대 출력점 오차의 경우 입력 커패시턴스 변동에 대해 최대 2.0%, 열전 소자의 등가 저항 변동에 대해 최대 1.067%로 측정된다. 마지막 연구에서는 지연 기반 영전류 검출기를 갖춘 4상 하이브리드 승/강압 dc–dc 컨버터를 제안한다. 제안하는 전력단은 목표 출력 전압에 따라 승압 또는 강압 모드로 동작한다. 제안된 기술은 인덕터 전류의 평균 제곱근 값을 줄임으로써 인덕터의 dc 저항으로 인한 전도 손실을 줄이기 위해 다중 위상 작동이 포함된 하이브리드 스위치-인덕터-커패시터 및 이중 경로 구조를 채택한다. 지연 기반 제로 전류 검출기는 드라이버의 출력 신호와 제어 신호 간의 전파 지연을 보상하기 위해 5 비트 이진 신호로 인덕터 전류의 영전류 지점을 판단한다. 이 시스템은 180 nm CMOS 공정을 이용하여 제작되었다. 전력 밀도는 1.838 A/mm2이며, 최대 효율은 최대 2 A의 부하 전류 범위에 대해 강압 및 승압 모드에서 각각 89.49% 및 86.83%로 측정된다.

모바일용 듀얼모드 buck-boost 변환기 설계

이경록 충북대학교 2015 국내석사

In this thesis, a dual mode buck-boost converter for mobile applications has been designed to keep power efficiency high in all the load range. For light load, an SFM (switcing frequency modulation) mode is adopted, and for middle or heavy load, a PWM (pulse width modulation) mode is adopted. The circuit converts input voltage 3.3V into output voltage -4.06V using buck-boost type, and synchronous current mode is adopted to enhance power efficiency. The converter has been designed with the Dong-Bu 0.35um BCD process and simulated using HSIM and Hspice. Simulation results show that for the input voltage range 2.9V∼4.2V, the output voltage is generated uniformly to -4.06V. Also the power conversion efficiency has more than 85% for the overall load current of 10 to 150mA, where the power conversion efficiency has more than 10% for the load current 0mA~50mA compared to the PWM mode, and more than 5% for the load current 50mA~100mA compared to the SFM mode.

2차측 전류제어에 의한 3상 BUCK/BOOST 컨버터의 역률 개선

이헌홍 부산대학교 대학원 2003 국내석사

This paper presents an effective Power Factor control method of the Three Phase Buck/Boost Converter with Current Mode in Secondary. In industrial field, some electrical loads require variable voltage for the purpose of operating at the various region, reducing of the voltage error of the PWM voltage in the Motor Control System. However, dc input voltage, input current and ouput voltage(power) is coupled each another. So there is difficulties in Controlling Three Phase Buck/Boost Converter. This thesis provides powerful method for controlling the Converter, Current Mode in Secondary Side is dedicated to effectively controlling the converter in two reasons. In first, that establishs stable input DC voltage, that is, stable input current. In second, that helps output voltage to reach its reference fastly without output voltage overshoot. The effectiveness of the control theory of this paper is verified by the simulation results.