온칩 콕크로프트-월튼 전하 펌프의 분할 단계 제어를 통한 소프트 충전 작동 향상 및 1-mA 부하 조건 하 전압 이득 9.4 전력 효율 60.83% 달성

Abstract

전하 펌프는 초음파 이미징 회로, 심박 동기 등을 위한 신경 자극 회로 등 칩 내부에서 작은 입력 전압으로부터 큰 출력 전압을 만들어 내기 위해 주로 사용된다. 높은 전압 이득을 얻어야 하는 환경에서 기존의 부스트 컨버터에 비해 전하 펌프가 칩 내 구현 측면에서 유리하다. 그러나, 전하 펌프는 낮은 스위칭 주파수 대역에서는 캐패시터 사이의 전하 이동으로 인한 전력 손실, 중간 스위칭 주파수 대역에서는 스위치의 저항으로 인한 도통 손실, 그리고 높은 스위칭 주파수 대역에서는 스위치의 게이트 커패시턴스로 인한 스위칭 손실이 일어나 효율이 전체적으로 떨어지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해, 입력 단 혹은 출력 단에 인덕터 또는 벅/부스트 컨버터를 달아 소프트 충전 작동을 구현한 하이브리드 전하 펌프가 제안되었다. 한편, 콕크로프트-월튼 전하 펌프의 구조는 스위치와 캐패시터 양 단에 최대 입력 전압의 2배까지만 전압이 걸린다는 점에서 칩 내 구현에 유리하다. 그러나, 인덕터를 달아 소프트 충전을 하는 방식으로 전력 손실 개선을 충분히 할 수 없다는 단점을 가진다. 이 논문에서는 분할 단계 제어 기법을 적용하여 콕크로프트-월튼 구조의 소프트 충전 작동을 개선시키는 기술을 제안하였다. 제안한 분할 단계 제어를 통해 1-mA 전류 부하에서 9.4의 전압 이득을 얻는 동시에, 60.83%의 전력 효율을 달성하였다.