An Adaptable DC-DC Boost Converter

本論文針對目前既有的切換式轉換器調變技術，研究其優缺點，並以簡單，低成本為主軸來設計。目前切換式轉換器的控制方式有脈衝寬度調變(PWM)及脈衝頻率調變(PFM)兩種技術，其中PWM控制電路的穩定度較難設計，PFM電路較簡單且控制迴路穩定度高，效率方面，PWM輕載效率不佳，但PFM卻很好，重載則相反。以漣波來說PWM優於PFM。 統合以上特性，我們選擇電流模式(Current Mode)的脈衝頻率調變(PFM)來設計，並提出新的控制方法，稱為”Adaptable PFM Technology” 整合了PWM及PFM的優點，它的概念很簡單，當轉換器轉換能量給負載，而負載並不需要如此多的能量，剩下的能量就存放入電容，而產生了漣波，若我們可以針對不同負載需求來動態的變換充電能量，使負載吃多少才給多少能量，如此一來對於系統的輸出漣波可以大大的降低，而且不像PWM一樣在輕載下依然以高切換頻率工作，增加切換損耗，浪費能量。 在本篇論文中，我們使用台積電CMOS 0.35µm 2P4M 5V模型製程製作實現，晶片面積大約1.5 x 1.5 mm²，使用創新技術Adaptable PFM架構，該技術可依據外部負載大小自動調節頻率與工作週期來得到最佳的能量轉換。可適應性轉換器的平均效率大於70%，最大效率82%，與傳統PFM轉換器做模擬比較，在相同條件下，該轉換器的效率對負載效率曲線不但略高於傳統PFM轉換器，而且當負載電流為100毫安時輸出漣波降低了64.3%，解決傳統PFM為人垢病的問題，並且彌補了PWM在輕載下效率不佳的窘境。In this thesis, existing modulation technology of switch regulator is investigated to design simple and low cost dc-dc converter. There are two control methods of existing switch regulators, i.e., pulse width modulation (PWM) and pulse frequency modulation (PFM), PWM control method is difficult to design in stability, while PFM is simple and high stability. In terms of efficiency, PWM has low efficiency in light load but high efficiency in heavy load. On the contrary, PFM has low efficiency in heavy load but low efficiency in light load. In terms of ripple PWM is better them PFM. Regarding the above characteristics, we select PFM current mode control method to design, and propose a novel control method which is the adaptable PFM technology. Its concept is very simple. When the converter converts power to load, it the load does not need so much energy, the unnecessary energy transfers to ripple. Thus a converter is designed to adapt charge power to varying loading to get optimum power conversion. The converter output ripple could be greatly reduced and the power is saved. This converter chip is designed and fabricated with TSMC 0.35µm 2P4M 5V Mixed Signal CMOS technology. The chip area is about 1.5 x 1.5 mm² and makes use of the novel technology of adaptable PFM. This technology can adapt frequency and duty cycle to varying loading to get optimum power conversion. The adaptable converter has average efficiency over 70% and maxima efficiency 82%. Under the same conditions, the efficiency of the adaptable converter higher than that of the conventional converter, However, the ripple is reduced about 64.3% than the conventional converters at 100mA loading current. This technology improves ripple in the PFM and efficiency in the PWM at light load.誌謝 ………………………………………………………………… Ⅰ 中文摘要 …………………………………………………………… Ⅱ 英文摘要 …………………………………………………………… Ⅲ 目錄 ………………………………………………………………… Ⅳ 圖目錄 ……………………………………………………………… Ⅵ 表目錄 ……………………………………………………………… Ⅹ 第一章 緒論 1.1 背景簡介 …………………………………………………… 1 1.2 研究動機 …………………………………………………… 2 1.3 論文架構 …………………………………………………… 3 第二章 各類穩壓器及核心電路的原理與架構 2.1 低壓降線性穩壓器(LDO) …………………………………… 4 2.2 降壓式轉換器(Buck Convert)……………………………… 6 2.3 升壓式轉換器(Boost Converter) ………………………… 8 2.4 能隙參考電壓電路(Bandgap Reference) ………………… 11 2.5 電流檢測技術(Current Sensing Circuit) ……………… 17 2.6 驅動器(Driver) …………………………………………… 23 第三章 可適應性直流對直流升壓轉換器架構 3.1 切換式直流轉換器的控制方法 …………………………… 26 3.2 升壓式直流轉換器的導通模式 …………………………… 29 3.3 升壓式直流轉換器的漣波與效率 ………………………… 33 3.4 可適應性直流對直流升壓轉換器架構 …………………… 36 第四章 電路設計、模擬、佈局以及量測 4.1 能隙參考電壓電路 ………………………………………… 39 4.2 關閉時間控制電路 ………………………………………… 45 4.3 高精確性低功耗的電流感測電路 ………………………… 48 4.4 可適應性負載回授電路 …………………………………… 52 4.5 比較器 ……………………………………………………… 55 4.6 過電壓保護 ………………………………………………… 57 4.7 軟啟動 ……………………………………………………… 59 4.8 驅動器 ……………………………………………………… 61 4.9 完整的系統電路模擬 ……………………………………… 62 4.10 晶片的佈局與量測 ……………………………………… 69 第五章 結論 ……………………………………………………… 77 參考文獻 …………………………………………………………… 78 圖目錄 圖 1.1 直流轉換器的應用範圍 ………………………………… 1 圖 1.2 數位相機各元件工作電壓 ……………………………… 2 圖 2.1低壓降線性穩壓器(LDO) ………………………………… 5 圖2.2低壓降線性穩壓器的回授網路 ………………………… 5 圖2.3低壓降線性穩壓器的電流網路 ………………………… 6 圖2.4 降壓式轉換器架構 ……………………………………… 7 圖2.5 降壓式轉換器切換狀態 ………………………………… 7 圖2.6 升壓式轉換器架構 ……………………………………… 8 圖2.7 升壓式轉換器切換狀態 ………………………………… 9 圖 2.8 零溫度係數電壓示意圖 ……………………………… 11 圖2.9 常數Gm偏壓電路 ……………………………………… 11 圖2.10 典型的Bandgap電路 ………………………………… 13 圖2.11 可低壓工作的Bandgap電路 ………………………… 14 圖2.12 曲率補償概念圖 ……………………………………… 15 圖2.13 電阻式溫度曲率補償Bandgap ……………………… 16 圖2.14 電路技巧式溫度曲率補償 …………………………… 16 圖2.15 串聯檢測電阻式升壓轉換器 ………………………… 17 圖2.16導通電阻檢測式升壓轉換器 ………………………… 18 圖2.17 電感濾波檢測式升壓轉換器 ………………………… 19 圖2.18 無檢測器架構式升壓轉換器 ………………………… 20 圖2.19 SENSEFETs式升壓轉換器 …………………………… 21 圖 2.20 MOSFET的特性曲線 …………………………………… 22 圖2.21串鏈反相器式緩衝器 ……………………………… 23 圖2.22 尺寸比率對延遲時間的特性曲線 ………………… 24 圖2.23 (a) Tapered CMOS buffer (b) 訊號時序圖……… 24 圖2.24 (a) 無短路功率消耗緩衝器 (b) 訊號時序圖 …… 25 圖3.1脈衝頻率調變式(PFM)的升壓轉換器 ……………… 26 圖3.2 PFM轉換器的各端點訊號波形 ……………………… 26 圖3.3脈衝寬度調變式(PWM)的升壓轉換器 ……………… 28 圖3.4 PWM轉換器的各端點訊號波形 ……………………… 28 圖3.5 直流對直流升壓轉換器 ……………………………… 30 圖3.6 直流對直流升壓轉換器連續與不連續之邊界 ……… 31 圖 3.7 直流對直流升壓轉換器的各路徑電流 ……………… 32 圖3.8 連續導通與不連續導通的各路徑電流 ……………… 32 圖3.9 升壓式轉換器的輸出電壓漣波 ……………………… 33 圖 3.10 完整的升壓式轉換器等效電路 …………………… 34 圖 3.11 系統架構 …………………………………………… 37 圖 4.1 可適應性直流對直流升壓轉換器電路 ……………… 38 圖4.2 能隙參考電壓電路 …………………………………… 40 圖4.3 電路做VDD 0V~5V掃描 ……………………………… 40 圖4.4 參考電壓對溫度的影響 ……………………………… 41 圖4.5 參考電壓對不同VDD的影響 ………………………… 42 圖4.6 參考電壓對製程變異的影響 ………………………… 42 圖4.7 偏壓電路和啟動電路 ………………………………… 43 圖4.8 啟動電路模擬結果 …………………………………… 43 圖4.9 兩級運算放大器 ……………………………………… 44 圖4.10 兩級運算放大器頻率響應 …………………………… 44 圖4.11 關閉時間控制電路 …………………………………… 45 圖4.12 閂鎖電路的訊號時序圖 ……………………………… 46 圖4.13 關閉時間控制電路的模擬結果 ……………………… 47 圖4.14 不同輸入訊號對輸出結果的影響 …………………… 47 圖4.15 製程變異對輸出結果的影響 ………………………… 47 圖4.16 串接感測電阻電流感測電路 ………………………… 48 圖4.17 SENSEFETs電流感測電路 …………………………… 48 圖4.18 SENSEFETs電流感測電路模擬結果 ………………… 48 圖4.19 高精確性低功秏的電流感測電路 …………………… 49 圖4.20 電流感測電路中的運算放大器頻率響應 …………… 50 圖4.21 高精確性低功秏的電流感測電路模擬結果 ………… 51 圖4.22 OPA的虛接地效果 …………………………………… 51 圖4.23 電流感測電路對製程變異的影響 …………………… 51 圖4.24 可適應性負載回授電路 ……………………………… 52 圖4.25 電壓移位器模擬結果 ………………………………… 53 圖4.26 電壓移位器對製程變異模擬結果 …………………… 54 圖4.27 可適應性負載回授電路對負載變化 ………………… 54 圖4.28 遲滯比較器電路 ……………………………………… 55 圖4.29 比較器的遲滯電壓 …………………………………… 56 圖4.30 比較器的反應速度 …………………………………… 56 圖4.31 比較器的製程變異 …………………………………… 57 圖4.32 PFM升壓轉換器控制迴路 …………………………… 57 圖4.33 過電壓保護電路 ……………………………………… 58 圖4.34 過電壓保護電路對供應電壓之影響 ………………… 58 圖4.35 過電壓保護電路對製程變異之影響 ………………… 59 圖4.36 軟啟動電路 …………………………………………… 59 圖4.37 轉換器不含軟啟動電路 ……………………………… 60 圖4.38 轉換器含軟啟動電路 ………………………………… 60 圖4.39反相器串鏈式驅動器 ………………………………… 61 圖 4.40 驅動器掛上負載電容模擬 …………………………… 61 圖4.41可適應性直流對直流升壓轉換器電路 ……………… 62 圖 4.42 升壓轉換器負載在100毫安時各端點訊號 ………… 63 圖4.43 升壓轉換器負載在50毫安時內部各端點訊號 …… 64 圖 4.44 測試升壓轉換器最大負載電流 ……………………… 64 圖 4.45 升壓轉換器在不同負載下的輸出電壓波形 ………… 64 圖 4.46 升壓轉換器在不同負載下的誤差訊號波形 ………… 65 圖 4.47 升壓轉換器在不同負載下的電感電流波形 ………… 65 圖 4.48轉換器在不同負載下的電感電流波形與切換頻率 … 65 圖 4.49 轉換器在負載電流0mA至100mA變化的回復時間 … 66 圖 4.50 轉換器在負載電流100mA至0mA變化的回復時間 … 66 圖 4.51 轉換器的過電壓保護測試 …………………………… 66 圖 4.52 無適應性VS.有適應性的漣波比較(a)(b)(c)(d) … 67 圖4.53 轉換器的平均功率 …………………………………… 68 圖4.54 有適應性及無適應性的效率與漣波比較曲線圖 …… 68 圖4.55 升壓轉換器晶片的顯微照 …………………………… 69 圖4.56 能隙參考電壓電路 …………………………………… 70 圖4.57 能隙參考電壓電路量測接線圖 ……………………… 70 圖4.58 能隙參考電壓電路的工作電壓變化對輸出影響 …… 71 圖4.59 能隙參考電壓電路對供應電壓變動的量測結果 …… 71 圖4.60 升壓轉換器量測接線圖 ……………………………… 73 圖4.61 升壓轉換器測試軟啟動功能 ………………………… 74 圖4.62 升壓轉換器在負載電流50mA時的量測訊號 ……… 74 圖4.63 升壓轉換器在空載時的量測訊號 …………………… 74 圖4.64 升壓轉換器的切換訊號及移位電壓及感測訊號 …… 75 圖4.65 升壓轉換器的切換訊號及功率電晶體的跨壓 ……… 75 圖4.66 升壓轉換器的過電壓保護功能測試 ………………… 75 表目錄 表2-1 各類穩壓器歸納表 ……………………………………… 10 表2-2 各種電流感測技術比較表 ……………………………… 22 表3-1 切換式直流轉換器中各種的控制技術 ………………… 29 表4-1 能隙參考電壓電路規格表 ……………………………… 44 表4-2 閂鎖電路的真值表 ……………………………………… 46 表4-3 能隙參考電壓電路量測結果 …………………………… 71 表4-4 能隙參考電壓電路模擬與量測比較表 ………………… 72 表4-5 轉換器電路模擬與量測比較表 ………………………… 7