A spurious-free switching buck converter for portable applications

DC–DC buck converters are essential to extending the standby time and maximizing the battery life of portable electronic devices. In a portable environment, load conditions vary drastically from heavy-load to light-load levels, depending on whether the device is in active or standby mode. These devices run in standby mode most of the time. The output spectrum of DC–DC buck converters in such an environment must also be spurious-free (i.e. of low tonal content) for them to be able to supply sensitive circuits, such as ICs in mobile communication systems. Among the various buck-converter architectures, switching converters offer the highest power conversion efficiency over a wide range of conversion ratios. Increasing the switching frequency of the buck converter enables the use of compact off-chip components and enhances the converter's integrability. However, operating at high switching frequencies increases switching losses and reduces the power conversion efficiency, especially at light loads. The ultimate goal in designing a switching buck converter is to resolve the conflict between operation at a high switching frequency and efficient power conversion, while maintaining a regulated output-voltage with low tonal content. This thesis proposes a spurious-free switching buck converter with enhanced light-load efficiency for use in noise-sensitive portable electronic devices. The proposed converter achieves low output noise by using a delta-sigma-modulator controller. Its light-load efficiency is enhanced by: 1) scaling the switching frequency of the buck converter (i.e. the sampling frequency of its delta-sigma-modulator controller) according to the load current; 2) switching its operation from continuous conduction mode (CCM) to discontinuous conduction mode (DCM) at light loads; and 3) using a new low-power current-sensing circuit. The delta-sigma modulator is designed with an input-feedforward architecture, which enables the switching frequency of its controller to be scaled without disturbing the stability of the feedback loop of the buck converter, and also reduces the controller quiescent current. The proposed switching buck converter was fabricated in a 0.13-µm digital CMOS process with a maximum switching frequency of 10 MHz, enabling the use of compact off-chip components. The results measured demonstrate that this buck converter achieves a spurious-free output with a noise floor below - 60 dBm and voltage ripples below 70 mV across its full loading range (2 mA to 800 mA). Furthermore, it achieves a power efficiency of greater than 70% over this entire range, with a peak efficiency of 95.12%.Les convertisseurs Buck DC–DC sont indispensables afin de maximi le temps de veille ainsi que la durée de vie de la batterie des appareils électroniques portatifs. Dans un environnement portatif, selon le mode actif ou de veille de l'appareil, les conditions de charge varient fortement de niveau lourd vers le niveau léger de charge. Ce type d'appareil fonctionne la plupart du temps en mode veille. Dans un tel environnement, le spectre sortant de convertisseurs Buck DC–DC doit être sans parasite (c'est-à-dire avoir un contenu tonal faible), pour permettre d'alimenter les circuits sensibles comme les circuits intégrés dans les systèmes de la communication mobile.Parmi les différentes architectures de convertisseur Buck, les convertisseurs de commutation ont la meilleure efficacité de transformation de puissance, sur une gamme plus étendue de taux de transformation. L'accroissement de la fréquence de la commutation du convertisseur Buck, permet l'utilisation de composants hors-puce compacts ainsi que l'amélioration de l'intégrabilité du convertisseur. Cependant, l'exploitation à une fréquence élevée de commutation, augmente les pertes de commutation et réduit également l'efficacité de la transformation de la puissance surtout à des charges légères. Le but final de la conception d'un convertisseur Buck de commutation est de résoudre le conflit entre le fonctionnement à une fréquence élevée de commutation et une transformation de la puissance efficace, tout en conservant une tension de sortie régulée avec un contenu tonal faible.Cette thèse propose un convertisseur Buck de commutation sans parasite avec une efficacité améliorée pour des charges légères en vue d'une utilisation dans les appareils électroniques portables sensibles au bruit. Le convertisseur proposé réalise un faible bruit sortant en utilisant un contrôleur modulateur delta-sigma. L'efficacité à charge légère est augmentée par: 1) le changement de la fréquence de la commutation du convertisseur Buck (i.e. la fréquence d'échantillonnage du contrôleur modulateur delta-sigma) selon le courant de charge; 2) le passage du mode de la conduction continue (MCC) au mode de la conduction discontinue (MCD) pour les charges légères; et 3) l'utilisation d'un nouveau circuit de détection de courant à faible puissance. Le modulateur delta-sigma est conçu avec une architecture d'entrée par anticipation (input-feedforward) qui permet le changement de la fréquence de commutation de contrôleur, sans perturber la stabilité de la boucle de rétroaction du convertisseur Buck et également la reduction du courant de mise en veille du contrôleur.Le convertisseur Buck de commutation proposé a été fabriqué dans un procédé de CMOS numérique de 0.13-µm avec une fréquence maximale de commutation de 10 MHz. Ce qui permet l'utilisation des composants hors-puce compacts. Les résultats mesurés montrent que ce convertisseur Buck atteint une sortie sans parasite avec un seuil de bruit inférieur à 60 dBm et une ondulation de tension au dessous de 70 mV à travers la gamme complète du charge (2 mA à 800mA). Par ailleurs, il atteint une efficacité de puissance de plus de 70% sur cette gamme, avec une efficacité de pointe de 95,12%