Design of power management unit for transmitter pulser with digital controller

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 TSMC 130nm 공정 기술로 Digital Controller를 이용한 5kHz~5MHz의 주파수를 갖는 Pulse 신호 기반의 High Voltage Tx Pulser 및 이를 구동하기 위한 Power Management Unit 회로를 제안한다. Multi-Channel Transducer array 구동을 위한 High Voltage Pulser로 신뢰성 높은 Ultrasound Imaging 송신 (Tx)이 가능하며, 선형적인 DC 전원을 제공해주는 안정적인 Power Management Unit 회로가 요구된다. Digital Controller는 20MHz의 동작 주파수를 가지며, Serial 통신 방식 중 하나인 SPI (Serial Peripheral Interface)를 이용하여 16MHz Clock 기반으로 데이터를 송수신한다. 또한, 5kHz~5MHz의 Pulse 신호의 주파수를 10kHz 단위로 구분하여 원하는 대역을 선택할 수 있다. Pulse 한 주기 내의 High 신호 구간 비율인 Duty Ratio를 조절하여 선택한 주파수를 유지하며 Pulse Width의 비율을 50~90%로 조절할 수 있다. 12V의 DC-DC Boost Converter로 전원을 받는 High Voltage Pulser에서 동작하기 위해 Digital 전압으로 출력되는 Pulse 신호를 Level Shifter로 외부 입력 전원으로 전압 승압 후 Driver 구조를 통하여 12V로 Pulse 신호 유지가 가능하다. Power Management Unit 회로는 외부 입력 전원 인가 후 Enable 신호가 없는 Always on block이 처음으로 동작하며, Digital Controller block과 내부 Digital Domain에 1.5V의 전원을 공급한다. Start up 회로와 입력 전원에 무관한 BMR (Beta Multiplier Reference) 구조 기반으로 PNP BJT를 사용한 1.2V BGR과 Current Mirror OTA Error Amplifier 구조 기반의 1.5V LDO로 구성되어 있다. Digital Controller로 공급하는 BGR과 LDO의 경우 각각 nW급 저전력의 성능을 가진다. Always on block 안정화 후 Enable 신호를 조절하여 1.2V BGR 전압을 입력 전압으로 받는 p-type 2-Stage Op-Amp 구조 기반으로 Negative Feedback Loop를 형성하는 Buffer를 통한 전압을 Dividing 후 460mV BGR과 1.13V BGR이 동작한다. 각각의 BGR은 AFE, ADC, TRx block에 1.5V 전원을 공급하기 위한 LDO와 DC-DC Converter block에 3V 전원을 공급하기 위한 LDO의 입력 전압으로 인가된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a pulse signal-based high voltage Tx pulser with a frequency of 5 kHz to 5 MHz using a digital controller and power management unit in 130 nm process technology. High voltage pulser for multi-channel transducer array operation enables reliable ultrasound imaging transmission (Tx), and requires a stable power management unit circuit that provides linear DC power. The digital controller has an operating frequency of 20 MHz. Serial peripheral interface (SPI), one of the serial communication methods, transmits and receives data based on a 16 MHz clock. In addition, it selects a band to be used by dividing the frequency of a pulse signal of 5 kHz to 5 MHz in 10 kHz units. By adjusting the duty ratio, which is the ratio of the high signal section within a pulse period, the selected frequency can be maintained, and the pulse width ratio can be adjusted from 50% to 90%. To operate in a high voltage pulser powered by a DC-DC boost converter of 12 V, a pulse signal output at a digital voltage is boosted to an external input power source with a level shifter. A driver structure maintains a pulse signal at 12 V. In the power management unit circuit, the always on block without an enable signal operates for the first time after external input power is applied, and supplies 1.5 V power to the digital controller block and the internal digital domain. It comprises a 1.2 V bandgap reference (BGR) using PNP BJT element based on a beta multiplier reference (BMR) structure independent of input power and startup circuit, and 1.5 V low dropout (LDO) based on current mirror OTA error amplifier structure. In the case of BGR and LDO supplied to the digital controller, each has nW-class low power performance. Buffer based on the p-type 2-Stage op-amp structure that receives 1.2 V BGR as input voltage by adjusting the enable signal after always on block stabilization, 460 mV BGR, and 1.13 V BGR after dividing the voltage. Each BGR is applied as an input voltage of LDO for supplying 1.5 V power to the AFE, ADC, and TRx block and LDO for supplying 3 V power to the DC-DC converter block.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction
• 1.1. Research Background
• 2. Top Block Architecture
• 2.1. Power Management Unit Top Architecture
• 2.2. Digital Controller Architecture
• 2.3. High Voltage Tx Pulser Architecture
• 3. Simulation Results
• 3.1. Top Test Bench
• 3.2. Power Management Unit Top Simulation Results
• 3.3. Digital Controller Simulation Results
• 3.4. High Voltage Tx Pulser Simulation Results
• 3.5. Top Block Layout
• 3.6. Performance Summary
• 4. Conclusion
• References
• Korean Abstract