(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM

(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao Buck trên công nghệ Cmos 65NM

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết chuyên đề trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh , ngày 24 tháng 09 năm 2020 Học Viên Đặng Duy iv LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn, quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm kỹ Thuật TP.HCM nói chung quý thầy mơn Điện Tử nói riêng, trang bị kiến thức giúp tơi giải khó khăn q trình làm luận văn Đặt biệt tơi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn, T.S Võ Minh Huân tận tình giúp đỡ trình lựa chọn đề tài hỗ trợ nghiên cứu q trình thực Tơi xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2020 Học viên Đặng Duy v TÓM TẮT Mạch nguồn xung thành phần quan trọng thiết bị điện tử cầm tay, hiệu suất, độ xác giá thành vấn đề lớn Nội dung luận văn đề cập giải đến vấn đề nêu Luận văn phát triển dựa báo tác giả đăng tạp chí IEEE “A 65-nm CMOS high-efficiency PWM/PFM Buck Converter with Bypass mode for Transceiver applications” [20] Nội dung luận văn trình bày mạch nguồn xung DC/DC, mạch nguồn tuyến tính đề xuất sơ đồ hoạt động cho mạch hạ áp DC/DC Buck công nghệ CMOS 65nm với tần số đóng mở 1Mhz, điện áp ngõ vào từ 1.5v đến 3.8v, điện áp ngõ 1.5v, dòng tải tối đa 500mA Mục tiêu luận văn đưa phương pháp để cải thiện hiệu suất mạch nguồn điều khiển nguồn xung DC/DC hoạt động chế độ PWM dòng tải lớn, chuyển qua chế độ PFM dòng tải nhỏ, điện áp đầu vào nhỏ 1.9V vào chế độ Bypass để giảm nhiễu Đồng thời đề xuất thông số cho mạch nguồn Buck so sánh kết mô với thông số đặt ban đầu vi ABSTRACT Switch Mode Power Supply is one of the ingredients is very important in the portable electronic device, so the efficiency, accuracy, and cost is a major issue The content of the thesis will mention and solve these problems This thesis is developed based on the author's own article which was published on IEEE magazine “A 65-nm CMOS high-efficiency PWM / PFM Buck Converter with Bypass mode for Transceiver applications” [20] The thesis presents the DC / DC Switch Mode Power Supply, Linear power supply and propose operation diagram for the low voltage Buck on 65nm CMOS technology with 1Mhz switching frequency, input voltage from 1.5 V to 3.8v, output voltage 1.5v, maximum load current 500mA The main goal of the thesis present a method to improve the efficiency of the Buck circuit and control the DC / DC Buck operating in PWM mode when the load current is high, switching to the PFM mode when the load is low, and when input voltage less than 1.9V will go into Bypass mode to reduce noise This thesis also propose the important parameters for DC / DC Buck and compare the results of the simulation with the initial parameters vii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xi CHƯƠNG Tổng Quan 1.1 Tổng quan chung: 1.2 Kết nghiên cứu liên quan: 1.3 Mục đích đề tài: 1.4 Tóm tắt đề tài: 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài: 1.4.2 Giới hạn đề tài: .6 1.5 Phương pháp nghiên cứu: 1.6 Kết cấu luận văn: CHƯƠNG 2.1 Cơ sở lý thuyết chuyển đổi DC/DC Các phương pháp chuyển đổi DC/DC: 2.1.1 Nguồn tuyến tính: 2.1.2 Nguồn xung: 2.2 Nguồn xung vs nguồn tuyến tính: 2.3 Giới thiệu Mạch hạ áp DC/DC Buck: 11 2.4 Các mạch dùng nguồn hạ áp DC/DC Buck: 13 2.4.1 Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung: 13 2.4.2 Tầng công suất: 16 2.4.3 Cuộn dây: 16 2.4.4 Tụ điện: .17 2.5 Công suất thất thoát hiệu suất: 17 2.6 Tính tốn duty cycle cho mạch Buck: .18 2.7 Bù pha tiêu chuẩn ổn định: 21 2.7.1 Bù kiểu I: 22 2.7.1.1 Hàm truyền bù kiểu I: .23 2.7.2 Bù kiểu II: 23 2.7.2.1 Hàm truyền bù kiểu II: 24 2.7.3 Bù kiểu III: 24 viii 2.7.3.1 Hàm truyền bù kiểu III: 25 CHƯƠNG Thiết kế mạch hạ áp DC/DC Buck .27 3.1 Cải tiến mạch: 28 3.2 Tính tốn thơng số: 29 3.2.1 Tính tốn giá trị tối thiểu chọn cuộn dây tụ điện: 29 3.2.1.1 Chọn cuộn dây: 29 3.2.1.2 Chọn tụ điện: 31 3.3 Sơ đồ khối chi tiết mạch Buck: 33 3.3.1 Phân tích tín hiệu nhỏ mạch: 37 3.3.2 Mạch tạo điện áp tham chiếu (bandgap): 39 3.3.3 Mạch phát điện áp nguồn: 42 3.3.4 Mạch khởi động mềm mạch khuyếch đại tín hiệu lỗi: 48 3.3.5 Mạch so sánh: 49 3.3.6 Mạch cảm biến dòng điện cuộn dây: .50 3.3.7 Mạch phát dòng điện dòng tải giảm xuống mức 0: .53 3.3.8 Mạch tạo dao động: 56 CHƯƠNG Đánh giá hiệu mạch Buck 58 4.1 Chuyển đổi chế độ mạch DC/DC Buck: .58 4.2 Mô theo PVT cho mạch DC/DC Buck: 58 4.3 Hiệu suất mạch DC/DC Buck: 60 4.4 Tóm tắt kết đạt được: 61 CHƯƠNG Kết luận hướng phát triển 65 5.1 Kết luận: 65 5.2 Hướng phát triển: .65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .67 PHỤ LỤC 69 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU VIẾT TẮT DC Direct current PWM Pulse width modulation PFM Pulse frequency modulation IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers DCM Discontinuous Conduction Mode CCM Continuous Conduction Mode CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor EMI Electromagnetic Interference ESR Equivalent Series Resistance MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình Trang Hình 1.1 Nguồn tuyến tính vs Nguồn Xung Hình 1.2 Các mức điện áp ứng dụng phổ biến Hình 2.1 Sơ đồ khối nguồn tuyến tính Hình 2.2 Nguồn tuyến tính Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch DC/DC [2] .9 Hình 2.4 Mạch nguồn xung .9 Hình 2.5 Mạch hạ áp Buck 12 Hình 2.6 Mạch Buck dùng transistor .12 Hình 2.7 Sơ đồ khối điều chế độ rông xung DC/DC Buck 13 Hình 2.8 Bộ điều chế độ rông xung .14 Hình 2.9 Dạng sóng duty cycle Vref mức cao .15 Hình 2.10 Dạng sóng duty cycle Vref mức thấp 15 Hình 2.11 Mạch Buck trạng thái mở [13] 18 Hình 2.12 Mạch Buck trạng thái đóng [13] 19 Hình 2.13 Mơ tả dạng sóng cuộn dây hai trạng thái đóng mở .20 Hình 2.14 Bù kiểu I [1] 23 Hình 2.15 Biểu đồ Bode bù kiểu I .23 Hình 2.16 Bù kiểu II [1] 23 Hình 2.17 Biểu đồ Bode mạch bù kiểu II [1] .24 Hình 2.18 Mạch bù kiểu III [1] 25 Hình 3.1 Ba chế độ điều khiển PWM, PFM Bypass 28 Hình 3.2 Dạng sóng dòng điện cuộn dây hoạt động chế độ biên liên tục không liên tục 30 Hình 3.3 Gợn sóng điện áp mạch Buck [1] 32 Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch Buck với chế độ Bypass 34 Hình 3.5 Sơ đồ khối hoạt động mạch Buck 35 Hình 3.6 Hiệu suất thay đổi hai chế độ PWM PFM.[19] 36 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck .37 Hình 3.8 Mơ phase margin mạch Buck .38 Hình 3.9 Đáp ứng theo thời gian mạch Buck dịng tải thay đổi .39 Hình 3.10 Sơ đồ mạch bandgap 40 Hình 3.11 Sự thay đổi điện áp tham chiếu với nhiệt độ 41 Hình 3.12 Folded cascode opamp dùng mạch bandgap 42 Hình 3.13 (a) đặc tuyến nạp pin lithium-ion (b) đặc tuyến xả pin lithium-ion [22] .43 Hình 3.14 (a) Mạch RC (b) Mạch dựa vào điện áp ngưỡng transistor 44 xi Hình 3.15 Sự thay đổi RSTB với điện áp VDD .44 Hình 3.16 Mạch phát điện áp ngưỡng dùng kiến trúc bandgap 45 Hình 3.17 Mạch phát điện áp ngưỡng dựa kiến trúc bandgap 46 Hình 3.18 Sơ đồ khối chi tiết mạch phát điện áp ngưỡng 47 Hình 3.19 Dạng sóng mạch phát điện áp ngưỡng 48 Hình 3.20 (a) Mạch khởi động mềm (b) Mạch khuyếch đại tín hiệu lỗi .48 Hình 3.21 Dạng sóng mơ tả thời gian khởi động mềm 250us 49 Hình 3.22 Mạch so sánh 49 Hình 3.23 Mạch cảm biến dòng điện thời gian on-time 50 Hình 3.24 Mạch cảm biến dịng điện thời gian off-time 51 Hình 3.25 Opamp tầng dùng cảm biến dịng điện .52 Hình 3.26 (a) Chế độ hoạt động CCM (b) Dạng sóng hoạt động CCM 54 Hình 3.27 (a) Chế độ hoạt động DCM (b) Dạng sóng hoạt động DCM 55 Hình 3.28 Mạch phát dịng điện dòng tải giảm xuống mức 56 Hình 3.29 Mạch tạo dao động .57 Hình 3.30 Dạng sóng mạch tạo dao động 57 Chương mô tả chi tiết cách thiết kế mạch sơ đồ khối chi tiết chế độ hoạt động mạch Buck luận văn Các khối mạch nhỏ phân tích chi tiết, đồng thời tính tốn để chọn cuộn dây tụ điện .57 Hình 4.1 Thay đổi chế độ nguồn xung DC/DC 58 Hình 4.2 Sự thay đổi điện áp ngõ với corners mạch Buck hoạt động chế độ PWM 59 Hình 4.3 Sự thay đổi điện áp ngõ với corners mạch Buck hoạt động chế độ PFM 59 Hình 4.4 Hiệu suất chuyển đổi DC/DC hoạt động chế độ PWM/PFM 60 Hình 4.5 Hiệu suất chuyển đổi DC/DC hoạt động chế độ Bypass .61 xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh Nguồn tuyến tính nguồn xung .2 Bảng 1.2 So sánh nghiên cứu trước IEEE .3 Bảng 3.1 Giá trị thành phần mạch 41 Bảng 4.1 So sánh thông số đề xuất thông số thiết kế .61 Bảng 4.2 so sánh kết đạt luận văn so với nghiên cứu IEEE 62 xiii Hình 3.28 Mạch phát dịng điện dòng tải giảm xuống mức The mosfet MBP dùng để phân cực cho mạch, cặp mosfet 𝑀1 -𝑀2 , 𝑀3 -𝑀4 có chức level shifter để nhận biết tín hiệu từ ground tới zcd từ 𝑉𝑋 tới 𝑉𝑋1 Trong suốt chu kì nạp, tín hiệu “DRIVE” cho lên mức cao, điện áp 𝑉𝑁1 xuống mức thấp tắt NMOS, thay đổi 𝑉𝑍𝐶𝐷 xuống mức thấp, PMOS đóng Ở chu kì xả, tín hiệu “DRIVE”=0, PMOS mở đẩy 𝑉𝑁1 lên mức cao 𝑉𝑍𝐶𝐷 giữ mức thấp NMOS mở Một tín hiệu 𝑉𝑋1 cao 𝑉𝑍𝐶𝐷 , tín hiệu “zcdcontrol’ làm cho flip-flop đẩy tín hiệu 𝑉𝑍𝐶𝐷 lên mức cao để ngắt NMOS nhằm ngăn chặn dòng điện đảo từ ngõ qua NMOS xuống ground 3.3.8 Mạch tạo dao động: Chức hình 3.29, mạch tạo xung clock sóng cưa, dựa vào nguồn dòng để nạp vào tụ điện C0, điện áp tụ tăng lên vh flip-flop mở Mosfet MN9 xả tụ C0 Tần số xung clock phụ thuộc vào nguồn dòng I1 mức điện áp ngưỡng vh vl Hình 3.30 tần số xung clock tạo mạch 1Mhz 56 Hình 3.29 Mạch tạo dao động Hình 3.30 Dạng sóng mạch tạo dao động Chương mơ tả chi tiết cách thiết kế mạch sơ đồ khối chi tiết chế độ hoạt động mạch Buck luận văn Các khối mạch nhỏ phân tích chi tiết, đồng thời tính tốn để chọn cuộn dây tụ điện 57 CHƯƠNG 4.1 Đánh giá hiệu mạch Buck Chuyển đổi chế độ mạch DC/DC Buck: Hình 4.1 Thay đổi chế độ nguồn xung DC/DC Từ hình 4.1 cho ta thấy chế độ hoat động nguồn xung DC/DC thay đổi phụ thuộc vào dòng điện tải điện áp pin Khi điện áp pin lớn 2.1V, nguồn DC/DC vào chế độ khởi động mềm vào chế độ PWM, điện áp pin giảm xuống bé 1.9V, nguồn DC/DC vào chế độ bypass Khi dòng điện tải nhỏ 50mA, nguồn DC/DC chuyển sang PFM để tiết kiệm lượng tăng hiệu suất cho tồn hệ thống 4.2 Mơ theo PVT cho mạch DC/DC Buck: Từ hình 4.2, 4.3 cho thấy chế độ PWM nhiễu tới đa 2.51mV, 33.04mV chế độ PFM Do tần số đóng mở mạch Buck hoạt động PFM nhỏ so với PWM dẫn đến nhiễu nhiều hơn, cho hiệu suất cao 58 Hình 4.2 Sự thay đổi điện áp ngõ với corners mạch Buck hoạt động chế độ PWM Hình 4.3 Sự thay đổi điện áp ngõ với corners mạch Buck hoạt động chế độ PFM 59 4.3 Hiệu suất mạch DC/DC Buck: Hình 4.4 mạch Buck đạt hiệu suất cao 96% với dòng tải 50mA, dòng tải tăng dần hiệu suất chế độ PFM giảm nhanh so với PWM cho thấy điều cần thiết phải chuyển sang chế độ PWM dòng tải lớn Khi dịng tải nhỏ PWM cho hiệu suất thấp PFM Hình 4.5 cho thấy hiệu suất chế độ bypass thay đổi với VDD, VDD=1.6V hiệu suất giảm xuống thấp 74% Hình 4.4 Hiệu suất chuyển đổi DC/DC hoạt động chế độ PWM/PFM 60 Hình 4.5 Hiệu suất chuyển đổi DC/DC hoạt động chế độ Bypass 4.4 Tóm tắt kết đạt được: Các kết mô chương mạch Buck hoạt động xác với chức thiết kế trình bày bảng 4.1 4.2 Thiết kế đạt hiệu suất cao dòng tải lớn nhỏ chuyển đổi phù hợp chế độ PWM PFM Tích hợp Mosfet công suất vào chip Buck giúp tiết kiệm chi phí, chế độ Bypass giúp giảm nhiễu điện áp ngõ từ phù hợp cho ứng dụng yêu cầu nhiễu thấp Bảng 4.1 So sánh thông số đề xuất thông số thiết kế Thông số đề xuất mạch Buck Thông số thiết kế mạch Buck 65 65 0.1-1.0 0.1-1.0 L (uH) < 50uH 10uH C (uF) < 50uF 10uF Điện áp ngõ vào (V) 1.5-3.8 1.5-3.8 1.5 1.5 Công nghệ (nm) Switching (MHz) Freq Điện áp ngõ (V) 61 Dòng điện ngõ tối đa (A) 0.5 0.5 Dòng điện ngõ (mA) 2-500 2-500 Cao/Thấp Hiệu suất 97%/88% 96%/88% Ripple chế độ PWM < 5mV 2.51mV Ripple chế độ PFM < 50mV 33.04mV Diện tích silicon (mm2)