IoT 기기를 위한 초 저전력 전력관리회로 설계 = Ultra-Low Power PMIC Design for IoT Devices

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the recent development of IoT technology, electronic products used for mobile use are increasing explosively. In addition, devices that operate only in special situations among IoT devices spend most of their time in power saving mode. Since Most of these products operate at the DC voltage supplied to a battery, and as the power voltage changes as the battery is used, the voltage generated from the battery is converted to a constant voltage, and a Power Management Integrated Circuit (PMIC) having high efficiency and low power has been actively researched.
In this paper, we discuss the design of ultra-low power buck converter and LDO regulator with low quiescent current. A buck converter was manufactured using a 0.18 μm High Voltage BCDMOS process, and the input voltage is 1.8 Vand the power voltage is 1.2 V. The designed part is 350μm × 345μm, and the maximum load current is 2.5 mA. In addition, the Quiescent current of 150 nA is achieved through a comparator with a BGR with a consumption current of 76 nA and a comparator with a consumption current of 65 nA. The ultra-low power Capacitorless LDO consists of Error Amp, CMFB, Pass Transistor, and inverter-based dynamic unit, and is manufactured using the 28 nm CMOS process. The input voltage is 1 V and the output voltage is 0.8 V. The designed area is 100 μm×120 μm, and the maximum load current is 100 mA. In addition, the Quiescent current of 43 nA is achieved through CMFB with 27 nA consumption current and Error Amp with 16 nA consumption current and inverter-based dynamic unit.

국문 초록 (Abstract)

최근 IoT 기술이 발달함에 따라 모바일용으로 사용되는 전자제품이 폭발적으로 증가하는 추세이다. 또한 IoT기기 중에 특수한 상황에서만 동작하는 기기의 경우 절전모드에서 대부분의 시간을 보낸다. 이러한 제품들을 대부분 배터리로 공급되는 DC전압에서 동작하며, 배터리는 사용함에 따라 출력전압이 바뀌기 때문에 배터리에서 출력되는 전압을 일정한 전압으로 변환해주는 고효율 저전력 PMIC (Power Management Integrated Circuit)의 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
본 논문에서는 Low Quiescent current를 갖는 초 저전력 벅 변환기 및 LDO Regulator 설계에 관한 것이다. 벅 변환기는 0.18um High Voltage BCDMOS 공정을 이용하여 제작되었고 입력전압은 1.8V, 출력전압은 1.2V이다. 설계된 면적은 350μm × 345μm이며 최대 부하전류는 2.5mA이다. 또한 76nA의 소비전류를 갖는 BGR과 65nA의 소비전류를 갖는 비교기를 통해 150nA의 Quiescent current를 달성한다. 초 저전력 Capacitorless LDO는 Error Amp, CMFB, Pass Transistor 및 Inverter-based dynamic unit으로 구성되며 28 nm CMOS 공정을 이용하여 제작되었다. 입력 전압은 1V이며, 출력전압은 0.8V이다. 설계된 면적 100 μm×120 μm이며 최대 부하전류는 100mA이다. 또한 27nA소비전류를 갖는 CMFB과 16nA의 소비전류를 갖는 Error Amp 및 Inverter-based dynamic unit를 통해 43nA의 Quiescent current를 달성한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 1절 연구의 필요성 및 목표 1
• 제 2장 벅 변환기 기본 동작 원리 및 구성 3
• 제 1절 DC-DC 벅 변환기 개요 및 기본 동작 원리 3
• 제 2절 DCM 동작 모드 벅 변환기 특징 8
• 제 3절 초 저전력 벅 변환기 구성 및 동작 11
• 제 3장 초 저전력 벅 변환기 제어기 및 Gate Driver 설계 15
• 제 1절 초 저전력 벅 변환기 제어기 구성 15
• 제 2절 Pulse Generator 구성 19
• 제 3절 Gate Driver 구성 21
• 제 4절 Zero Current Detector(ZCD) 구성 23
• 제 4장 초 저전력 Capacitorless LDO Regulator 설계 25
• 제 1절 일반적인 LDO Regulator 개요 및 기본 원리 25
• 제 2절 초 저전력 Capacitorless LDO Regulator 구성 및 동작 28
• 제 3절 Adaptive Class AB OTA 및 CMFB 회로 구성 32
• 제 4절 Stability 응답 특성분석 36
• 제 5장 레이아웃 38
• 제 6장 시뮬레이션 결과 및 측정 결과 41
• 제 7장 결론 및 후속과제 47
• 참고문헌 48
• Abstract 50