Thiết kế vi mạch buck converter trên công nghệ CMOS 180NM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA O0o PHẠM PHÚ CƯỜNG THIẾT KẾ VI MẠCH BUCK CONVERTER TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 180NM Chuyên nghành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 2017 Cơng trình hồn thành tại: trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS HOÀNG TRANG Cán chấm nhận xét 1: TS Trương Quang Vinh Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Minh Sơn Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 05 tháng 01 năm 2017 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Chủ tịch hội đồng: GS TS Lê Tiến Thường Thư ký: TS Trương Công Dung Nghi Phản biện 1: TS Trương Quang Vinh Phản biện 2: TS Nguyễn Minh Sơn ủy viên: TS Bùi Trọng Tú Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Phú Cường MSHV: 13141116 Ngày, tháng, năm sinh: 12/12/1985 Nơi sinh: Cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số : 60520203 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH BUCK CONVERTER TRÊN NỀN CÔNG NGHỆ 180NM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu phương pháp giảm áp dành cho sạc pin Từ chọn giảm áp phù hợp với điều kiện công nghệ CMOS Việt Nam - Khảo sát cấu hình buck hiệu suất cao, cơng suất tiêu thụ thấp Đề xuất cấu trúc buck converter khối chức buck converter - Nghiên cứu, thiết kế sơ đồ nguyên lý tính tốn thơng số lý thuyết khối chức giảm áp chuyển mạch - Mô toàn hệ thống phần mềm Matlab Simulink - Thiết kế mạch buck converter công nghệ 180nm phần mềm Cadence Virtuoso Analog Design III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/07/2015 IV V NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016 CÁN BỘ HUỚNG DẪN : PSG TS HOÀNG TRANG Tp HCM, ngày thảng năm 20 CÁN BỘ HUỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lòi cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy Hồng Trang, người tận tình hướng dẫn em suốt trình thực luận văn Không hỗ trợ mặt kiến thức ủng hộ tinh thần, thầy tạo điều kiện trang thiết bị máy móc, phần mềm để em thực mơ kết luận văn cách tốt Xin chân thành cảm ơn thầy Trương Quang Vinh bạn thành viên IC Design LAB 116 đồng hành hỗ trợ em suốt trình nghiên cứu lab Cám ơn bạn Nguyễn Minh Hiếu hỗ trợ ngày đầu làm quen với thiết kế vi mạch Anh xin cảm ơn vợ gái cổ vũ ủng hộ nhiệt tình để anh yên tâm học tập nghiên cứu Cảm ơn ba mẹ người thân nhiệt tình giúp đỡ hỗ trợ thời gian học tập xa nhà Mặc dù luận văn hoàn thành với tất nỗ lực thân, song tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp ý kiến thầy cô bạn Tp Hồ Chi Minh, ngày thảng năm Tác giả Phạm Phú Cường IV TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tiếng Việt: Ngày thiết bị di động điện thoại di động, máy tính xách tay, hay thiết bị y sinh cầm tay ngày trở nên phổ biến phần tất yếu sống Bộ chuyển đổi điện áp DC sang DC, hay ổn áp DC (DC/DC converter hay DC regulator) sử dụng rộng rãi sạc thiết bị di động, biến đổi nguồn lượng thành điện Khơng có độ ổn định điện áp dòng điện mà có hiệu suất chuyển đổi lượng cao Sự biến đổi lượng từ chuyển đổi DC DC cấp điện cho thiết bị hoạt động với điện áp thấp thường thông qua nguồn điện nguồn adaptor; usb port; pin lượng mặt trời xe điện Việc sử dụng mạch điều chỉnh điện áp DC nhằm tạo nhiều mức điện áp khác phục vụ cho mạch module chức năng, thiết bị ứng dụng hệ thống Yêu cầu điều chỉnh điện áp, điện áp sau điều chỉnh phải có độ gợn áp thấp để đảm bảo điện áp không đổi ổn định theo tải ngõ cho phép Luận văn trình bày vấn đề liên quan đến chuyên đổi buck giảm áp điện chiều phương pháp xung, thực mô hoạt động vi mach công nghệ 180nm Trong báo cáo này, Chương trình bày tổng quan so sánh kỹ thuật chuyển đổi điện áp LDO SMPS , hoạt động chuyển đổi buck, trình bày phương pháp tính tốn các linh kiện chính, ổn định tần số Chương 4, trình bày tính tốn thơng số mạch lọc buck theo yêu cầu đặt Chương thực mơ dạng khối buck với mơ hình bù loại 3, với mục tiêu định hướng tham số trước thiết kế khối chức vi mạch cần thiết Chương Chương trình bày trình mơ kết thực Chương 8, kết luận tác giả hướng phát triển đề tài Luận văn thực thành công mô chuyển đổi buck hai cấp độ dạng khối Matlab mô vi mạch phần meemftn Cadence sử dụng mạch bù tần số loại Mô thực thư viện vi mạch 180nm CMOS TSMC 1P6M cho hiệu suất 80% có khả chuyển đổi điện áp từ 5V đến 40V thành 3.3V ± 6mV, với tải đạt 500mA ± lmA Tần số chuyển mạch chuyển đổi 2MHz, phần lõi vi mạch điều khiển hoạt động điện áp 1.8V English In the 21st century, the fast growing demand of portable and battery-operated electronic systems has driven the efforts to reduce power consumption or to improve the efficiency of these electronic equipments Regulators are essential for most electrically powered systems which include the prevalent chargeable equipments and DC power converter Regulators are required to reduce the voltage variations from USB port, solar cell, lead acid battery, etc Besides, regulators are often utilized to provide a lower voltage from a higher input voltage for power reduction Current trend in portable or battery-powered electronics demands high operating efficiency to prolong the service time of these battery-operated equipments Switched Mode Power Supply (SMPS) is the most prevailing architecture for DC power supply in the systems, primarily for its capability to handle variable loads Thank to development of integrated circuit technology, the power stages converter are driven by a low power consumption controller in CMOS level for small design, high speed and efficiency In this work, the buck converter system using compensation type is implemented in both Matlab/Simulink and Virtuoso Cadence with nearly the same results Simulations are done on 180nm CMOS TSMC 1P6M and show the efficiency with 80%, the converter generate output voltage 3.3V ± 6mV and max load current 500mA ± 1mA from - 40V input at the switching frequency of 2MHz The controller work with power supply 1.8V voltage LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng: Mọi số liệu kết trình bày luận văn thạc sĩ hoàn toàn trung thục chua đuợc cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Phạm Phú Cường viii MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẰU X 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu: 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: 1.4 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 1.4.1 Ý nghĩa khoa học 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 10 2.1 Tình hình nghiên cứu nước 10 2.2 Tình hình nghiên cứu nước 11 2.3 Nhiệm vụ luận văn: 12 2.3.1 Mục tiêu luận văn 12 2.3.2 Nhiệm vụ luận văn 13 CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 3.1 Các phương pháp chuyển đổi điện áp chiều 15 3.1.1 Giảm áp tuyến tính (LDO) 15 3.1.2 Bộ nguồn xung (SMPS) 17 3.2 Bộ chuyển đổi buck 18 3.2.1 Hoạt động: 18 3.2.2 Các thành phần mạch chuyển đổi buck: 21 3.2.3 Ôn định tần số mạch bù tần số loại 31 3.3 Đặc tả kỹ thuật cho đề tài 36 3.3.1 Điện áp nguồn cấp 36 3.3.2 Công nghệ CMOS 180nm 37 CHƯƠNG TÍNH TỐN THƠNG SỐ TẦNG CÔNG SUẤT 33 4.1 Thông số đề xuất: 33 4.1.1 Duty cycle (D): 33 4.1.2 Gợn dòng qua cuộn dây (AIL): 34 4.1.3 Chọn cuộn dây 34 4.1.4 Chọn tụ điện ngõ 35 viii 4.2 Khảo sát đáp ứng tần số 36 4.2.1 Khảo sát đáp ứng bước 36 4.2.2 Khảo sát độ ổn định lọc buck: 37 CHƯƠNG MƠ HÌNH CHUN ĐỔI BUCK TRÊN MATLAB/SIMULINKS 40 5.1 Mô khối công suất 40 5.2 Mô khối điều chế xung 42 5.3 Phân tính đặc tính tần số lọc buck: 43 5.4 Thiết kế mạch bù loại 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ VI MẠCH CÁC KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIÊN 49 6.1 Mạch tạo xung dao động: 49 6.2 Mạch lọc cưa 51 6.3 Comparator 52 6.4 Mạch dịch mức (Level Shifter) 55 6.5 Thiết kế mạch chống chồng lấp xung: 56 6.6 Thiết kế MOSFET công suất dạng ngăn xếp 58 6.7 Mạch điệm: 60 6.8 Thiết kế mạch vi sai mạch bù loại 3: 61 6.8.1 Thiết kế Opam 61 6.8.2 Thiết kế mạch bù loại 3: 63 CHƯƠNG 7.1 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 66 Đánh giá độ bù pha hệ thống vòng hở trước sau qua bù 66 7.2 Đánh giá độ ổn định hệ thống chuyển đổi buck với giá trị điện áp vào khác 68 7.2.1 Đáp ứng ngõ vout theo thời gian: 68 7.3 Line Regulation: 72 7.4 Load Regulation 72 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN 74 8.1 Kết luận: 74 8.2 Hướng phát triển tương lai 75 IX DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Sự phân bố điện áp chiều hệ thống SOCs Hình 1-2 Sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi điện áp chiều Hình 2-1 Mạch chuyển đổi Buck dùng biến đổi điện áp cao thành 3.3V cho ứng dụng di động, cấp nguồn khối vi điều khiển Hình 2-2 Qui trình thiết kế vi mạch tương tự Hình 3-1.: Giản đồ mạch ổn áp tuyến tính dạng vccs Hình 3-2 Dạng mạch ổn áp tuyến tính sau chỉnh lưu Hình 3-3: Mạch buck converter Hình 3-4: Mạch buck Hình 3-5: Dòng điện qua cuộn dây IL trạng thái xác lập Hình 3-6 Dòng điện qua cuộn dây qui định trạng thái CCM(a) hay DCM (b) Hình 3-7 Sơ đồ mạch chuyển đổi buck dùng MOSFET Hình 3-8 Dòng dẫn qua hai MOSFET tăng vọt Q1 Q2 dẫn Hình 3-9 Mạch lái dùng cổng NOT có dạng Taper Buffer Hình 3-10: Dòng qua cuộn dây trạng thái xác lập Hình 3-11: Mạch buck Q1 đóng, Q2 ngưng dẫn Hình 3-12: Mạch Buck Q1 ngưng dẫn, Q2 dẫn Hình 3-13 Đồ thị biểu diễn dòng điện qua cuộn dây (a) dòng điện qua tụ điện (b) Hình 3-14: Sự vọt lố gợn áp ngõ thay đổi tải Hình 3-15: Mạch Buck converter trạng thái Q1 mở có tụ điện ngõ vào Hình 3-16 Dùng cầu phân áp lấy mẫu điện áp ngõ Hình 3-17 Mạch khuếch đại vi sai mạch điều chế xung Hình 3-18 Ngun lí điều chế xung Hình 3-19 Sơ đồ dạng khối chuyển đổi buck Hình 3-20 Đáp ứng tần số khối mạch lọc buck X Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hồng Trang Hình 6-30 Đặc tuyến bode lọc buck với điện áp 40V khơng dòng tải Dựa vào đáp ứng tần số mạch lọc buck, hai truờng hợp ta chọn giá trị pha biên tần số cắt 400KHz ứng với truờng hợp 40V khơng có dòng tải 6.8.2.2 Bộ bù loại 3: Các buớc xác định cục zero mạch bù đuợc trình bày ta xác định đuợc tham số bù: Parameters Switching Frequency Loop crossover frequency desired Open loop Gain fs fc wc Gp 2M Hz 400K Hz 2.51E+06 rad/s 14.26 dB Open loop Phase 0p -179.6 degree Desired Phase Margin 0m 60 degree Separation factor k 55.8872819 Zero frequency coz 4.14E+05 rad/s Pole frequency cop 1.88E+07 rad/s Constant Gain K 1.74E+04 Bảng 6-13 Tham sổ cực zero mạch bù loại Khi có thơng số vị trí cực zero mạch bù ta tính giá trị điện trở tụ điện mạch bù cách dựa vào hệ thức, giá trị điện trở R1 chọn theo mạch phân cực hồi tiếp mạch bù, ta chọn R1 = 11 Okll, cho điện áp ngưỡng hồi tiếp cho OPAMP 900mV Các giá trị điện trở R2; R3; Ci; c2 C3 xác định theo biểu thức: 64 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang ú)z — C2-R2 p C3 x7?3 CÌ2 RI HOk Ohm C3 21.3p Fara Cl 529f Fara C2 18.lp Fara R2 133k Ohm R3 3.21k Ohm Bảng 6-14 Các giá trị linh kiện mạch bù loại 65 (6.1) (6.2) Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang CHƯƠNG MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Q trình thiết kế tính tốn mạch chuyển đổi buck đuợc trình bày chuơng 3, chương Trong chuơng tập trung phân tích kết hoạt động tồn khối mạch Các kết mơ đuợc thục trích xuất từ phần mềm Spectre hang Cadence nằm công cụ mô Virtuoso Mô thục chủ yếu đánh giá thơng số chuyển đổi buck Hình 7-1 Hệ thống mạch chuyển đổi buck với mạch bù loại 7.1 Đánh giá độ bù pha hệ thống vòng hở trước sau qua bù Hình 7-2 Testbench đánh giá độ bù pha biên độ bù loại 66 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang Thực khảo sát đáp ứng ac mô Spectre với công cụ ADE L Với nguồn V7 có điện áp VDC đặt trạng thái DC giả lập ổn định 3.3V, vac thay đổi IV Nguồn VI cấp điện áp tham chiếu cho mạch khuếch đại vi sai phân cực điện áp 900mV Nguồn dòng V2 có dòng điện cung cấp 30uA cho OPAMP tầng Nguồn VO cấp nguồn cho toàn mạch Khảo sát ngõ ngõ Vout mạch buck ngõ Vea mạch khuếch đại vi sai Kết quả: (b) Hình 7-3 Đồ thị biểu diễn đáp ứng ngõ vout ngõ mạch vỉ sai theo tần sổ Ta thấy pha biên độ mạch khuếch đại vi sai có bù khảo sát độc lập chua lắp vào hệ thống, có giá trị bù pha biên độ gần nhu lớn lần luợt 194° 17dB tần số cắt chọn 400KHz = 1/5 fs Cũng vị trí tần số cắt giá trị pha ngõ Vea tầng vi sai nối vào hệ thống cải thiện -33.94° Mạch khuếch đại bù loại thể tác dụng cải thiện pha mạch lọc buck 7.2 Đánh giá độ ổn định hệ thống chuyển đổi buck với giá trị điện áp vào khác Hình 7-4 Nguồn lý tưởng sử dụng 67 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hồng Trang Thực testbech hình 7-1, nguồn V9 cấp nguồn cho hệ thống có điện áp thay đổi từ 5V đến 40V vo cấp nguồn 1.8V cho module điều khiển hoạt động mức 1.8V Nguồn dòng V2 V3 cấp dòng 30uA lOuA phân cực hoạt động cho OPAMP tầng comparator Nguồn VI cấp điện áp ngưỡng 900mV tương ứng với điện áp ngõ mạch buck 3.3V sau lấy tỉ lệ tạo Vfb = 900mV mạch vi sai Nguồn V5 có tác dụng tạo nguồn điện từ Vsupply đến Vsupply - 1.8V cấp nguồn hoạt động cho tầng lái tạo độ điều khiển MOSFET công suất kênh p Mô khối mạch trạng thái trans với điện trở tải RLOAD = 6.6Í2, tương ứng với dòng tải 500mA Lần lượt đặt giá trị Vsupply tăng dần từ 5V Ta có kết sau: 7.2.1 Đáp ứng ngõ vout theo thòi gian: Hình 7-5 Ngõ theo thời gian điện áp cung cấp Vsupppỉy = V, dòng tải lout = 500mA 68 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hồng Trang Hình 7-6 Đáp ứng ngõ theo thời gian điện áp nguồn 20V, dòng tải 500mA 7.2.2 Hiệu suất theo điện nguồn cung cấp: Do chưa thiết kế mạch nguồn cho lõi điều khiển từ nguồn xem cơng suất tiêu thụ tập trung chủ yếu nguồn cung cấp công suất tải tiêu thụ ngõ Khi hiệu suất hệ thống đánh giá hệ thống đạt trạng thái thiết lập ổn định, xác định hiệu suất dựa tỉ số cơng suất trung bình tải tiêu thụ RL cơng suất trung bình nguồn cấp khoảng thời gian mà hệ thống ổn định trạng thái điện áp ngõ _ Pọut _ Ì7.-Ì-I -^1 VouiJoutdt _ f^z Vout loutdt Pm tz—ti Iti Vindi-ndt Jti Vin-Iindt (7 ỉ) Trong đó: - ĨỊ" hiệu suất chuyển đổi Buck Pout- Công suất bình tải Pm: Cơng suất trung bình nguồn cấp t1912: Thời điểm ổn định hệ thống VOut: Điện áp ổn định ngõ ỉout: Dòng điện qua tải tiêu thụ vin: Điện áp chuyển đổi cung cấp nguồn Iin: Dòng điện ngõ nguồn Thực testbench xác định hiệu suất chuyển đổi Buck thay đổi điện áp cung cấp ứng với mức tải tiêu thụ 500mA, 250mA 100mA Ta đồ thị hiệu suất hình 7-7, giá trị chuyển đổi điện áp ngõ mạch chuyển đổi buck đạt 3.3V ứng với điện áp cấp 5V đạt ứng với mức tải 250mA Và hiệu suất hệ thống đạt 80% tập trung điện điện áp vào từ đến 10V tùy vào dòng điện tiêu thụ 69 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang 0,9 > Hoad = 500mA —lload = 250mA * lload = ÍOOmA Hình 7-7 Đặc tuyến hiệu suất theo điện áp cung cấp tương ứng mức tải Tương tự ta thực khảo sát hiệu suất hệ thống theo tải tiêu thụ ứng với hai mức điện áp cấp 7V 24V Dựa đặc tuyến hình 7-7, ta thấy chuyển đổi buck có hiệu suất đạt giá trị 80% điện áp cấp 7V, có xu hướng cải thiện hiệu suất đến 70% tăng dòng tiêu thụ từ 300mA đến 500mA điện áp cung cấp 24V Hình 7-8 Đặc tuyến hiệu suất theo tảỉ tiêu thụ ứng với hai mức điện áp cấp 7Vvà 24V 70 Luận văn thạc sĩ 7.2.2.1 GVHD: PGS TS Hoàng Trang Đồ thị gợn áp theo điện áp cung cấp TrnhnPhípiR Điện áp cung cấp Vsupply (V) Hình 7-9 Độ biến đổi gợn áp 7.2.2.2 Đồ thị thời gian đóng Duty Control (%) theo điện áp cung cấp: Hình 7-10 Sự thay đổi chu kỳ tác vụ D, hay thời gian mở PMOS công suất Đồ thị cho thấy khả điều chỉnh điện áp thông qua chu kỳ tác động D với ngưỡng từ 12% đến 86% cho khả hiệu tạo điện áp 3.3V khoảng điện áp nguồn cấp từ 5V đến 40V 71 Luận văn thạc sĩ 7.3 GVHD: PGS TS Hồng Trang Line Regulation: Hình 7-11 Đáp ứng bước điện áp Vsupply (10V đến 20V tốc độ lV/us) y X 1J Wift LŨÙ UỂi DÕB iúk Hửã llhd HlUBari LKHrãl Had ■M'HM Hình 7-12 Đáp ứng bước ngõ phóng gần khoảng lOOus đến 170us Đáp ứng ngõ theo đáp ứng bước điện áp cung cấp giữ ổn định điện áp ngõ khoảng hiệu chỉnh, với vọt lố khoảng 0.09IV, chiếm khoảng 2.7% vọt lố khoảng 3.15% Thời gian hồi phục 16us 13.7us Kết gần với giá trị mô MATLAB 7.4 Load Regulation Khảo sát đáp ứng điện áp ngõ vout tải thay đổi đột ngột Thời gian hồi phục 9.437us với vọt lố 55.52mV, khoảng 1.6%vout Hình 7-13 Đáp ứng ngõ vout khỉ thay đổi dòng tải 72 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang 7.5 So sánh vổỉ cơng trình khác Paper [26]Yao Qian [8]Rosario Pagano This Work Vin 2.7 5V 5-10V 5-40V Vo 0.7-3.3V 2.1-4.2V 3.3V Output current 10mA- 2000mA 900A 50mA - 500mA Switching Frequency fs 2Mhz 2.2MHz 2MHz Inductor L lOuH - lOuH Capacitor c 2.2uH - 1.8uF - - 20mfỉ c - - 20mfỉ Settling time - - 25us Startup time - - 40us Output Voltage Ripple (%)