(Luận văn thạc sĩ) thiết kế bộ chuyển đổi điện áp hiệu suất cao buck trên công nghệ cmos 65NM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG DUY THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT CAO BUCK TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 SKC007058 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG DUY THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT CAO BUCK TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2020 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG DUY THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT CAO BUCK TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ MINH HUÂN Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2020 ii LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Đặng Duy Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/08/1988 Nơi sinh: Đồng Tháp Quê quán: Đồng Tháp Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Số 127/2_Đường Man Thiện_P.Hiệp Phú _ Quận 9_TP.HCM Điện thoại nhà riêng: 0976364029 E-mail: duybtpd@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Hệ đào tạo: Đại học quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 03/2014 Nơi học (trường, thành phố): HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật Điện, Điện Tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: “ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT CAO BUCK TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 28/11/2020 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: TS Võ Minh Huân BI Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2014 Công ty I 2017 Công ty M iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết chuyên đề trung thực chưa công bố công 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 trường Đại Học Sư Phạm kỹ Thuật TP.HCM nói chung q thầy mơn Điện Tử nói riêng, trang bị kiến thức giúp giải khó khăn q trình làm luận văn Đặt biệt xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn, T.S Võ Minh Huân tận tình giúp đỡ trình lựa chọn đề tài hỗ trợ tơi 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 cơng 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 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1Tổng Q 1.1Tổng quan chung: 1.2Kết nghiên cứu liên quan: 1.3Mục đích đề tài: 1.4Tóm tắt đề tài: 1.4.1 Nhiệm 1.4.2 Giới hạ 1.5Phương pháp nghiên cứu: 1.6Kết cấu luận văn: CHƯƠNG 2Cơ sở lý thuyết chuyển đổi DC/DC 2.1Các phương pháp chuyển đổi DC/DC: 2.1.1 Nguồn 2.1.2 Nguồn 2.2Nguồn xung vs nguồn tuyến tính: 2.3Giới thiệu Mạch hạ áp DC/DC Buck: 2.4Các mạch dùng nguồn hạ áp DC/DC Buck: 2.4.1 Bộ điề 2.4.2 Tầng c 2.4.3 Cuộn d 2.4.4 Tụ điện 2.5Cơng suất thất hiệu suất: 2.6Tính tốn duty cycle cho mạch Buck: 2.7Bù pha tiêu chuẩn ổn định: 2.7.1 Bù kiểu 2.7.1.1 Hàm truyền bù kiểu I: 2.7.2 Bù kiể 2.7.2.1 Hàm truyền bù kiểu II: 2.7.3 Bù kiể viii 2.7.3.1 Hàm truyền bù kiểu III: CHƯƠNG 3Thiết kế mạch hạ áp DC/DC Buck 3.1Cải tiến mạch: 3.2Tính tốn thơng số: 3.2.1 Tính tốn giá 3.2.1.1 Chọn cuộn dây: 3.2.1.2 Chọn tụ điện: 3.3Sơ đồ khối chi tiết mạch Buck: 3.3.1 Phân tích tín h 3.3.2 Mạch tạo điện 3.3.3 Mạch phát hiệ 3.3.4 Mạch khởi độ 3.3.5 Mạch so sánh 3.3.6 Mạch cảm biế 3.3.7 Mạch phát hiệ 3.3.8 Mạch tạo dao CHƯƠNG 4Đánh giá hiệu mạch Buck 4.1Chuyển đổi chế độ mạch DC/DC Buck 4.2Mô theo PVT cho mạch DC/DC Buck: 4.3Hiệu suất mạch DC/DC Buck: 4.4Tóm tắt kết đạt được: CHƯƠNG 5Kết luận hướng phát triển 5.1Kết luận: 5.2Hướng phát triển: TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC69 ix 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 dịng tải 50mA, dịng 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 dòng 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 cơng 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 Công nghệ (nm) Switching (MHz) L (uH) C (uF) Điện áp ngõ vào (V) Điện áp ngõ (V) 61 Dòng điện ngõ tối đa (A) Dòng (mA) điện n ch Cao/Thấp Hiệu suất Ripple PWM Ripple chế độ PFM Diện tích silicon (mm2) Chế độ điều khiển Các mạch logic điều khiển Bảng 4.1 so sánh kết đạt thông số đề xuất thông số thiết kế thực tế, giá trị cuộn dây tụ điện giảm xuống đến 10uH, 10uF để giảm giá thành diện tích bảng mạch Các thông số tần số switching, điện áp dòng điện tối đa ngõ đạt với thông số đặt từ đầu luận văn Đánh giá diện tích chi Buck nhỏ so với diện tích đề xuất Hiệu suất cao chip Buck cao mô đạt 96% thấp 1% so với thông số đề xuất cao hầu hết thiết kế báo nêu Ripple hoạt động chế độ PWM, PFM 2.51mV 33.04mV tốt so với thông số đặt Bảng 4.2 so sánh kết đạt luận văn so với nghiên cứu IEEE Năm Xuất Công nghệ (nm) Switchin g Freq (MHz) 62 L (uH) C (uF) Điện ngõ (V) áp vào Điện ngõ (V) áp Dòng điện ngõ tối đa (A) Dòng điện ngõ (mA) Cao/Thấ p Hiệu suất Diện tích silicon (mm2) Chế điều khiển độ Các mạch logic điều khiển FOM FOM (Figure of merit) = (Load current range) x [(Max eff + eff.)/2] Giá trị FOM lớn thiết kế tốt Bảng 4.2 so sánh kết đạt luận văn so với nghiên cứu IEEE, thiết kế với công nghệ 65nm nên hiệu suất mạch tốt đồng thời giá trị FOM đạt cao 63 Chương trình bày kết mơ tồn hệ thống mạch Buck, mô nhiễu ngõ Đồng thời so sánh kết đạt luận văn với thông số đề xuất đầu luận văn kết từ báo IEEE 64 CHƯƠNG Kết luận hướng phát triển 5.1 Kết luận: Trong luận văn trình bày nguồn tuyến tính nguồn xung, nêu bật lên ưu nhược điểm loại Đồng thời nghiên cứu phương pháp đưa sơ đồ khối để điều khiển cải thiện hiệu suất cho nguồn xung Ở bảng 4.1 so sánh kết đạt thông số đề xuất thông số thiết kế thực tế, hầu hết thông số thiết kế đạt so với yêu cầu ban đầu, mạch Buck chuyển đổi xác chế độ mơ tả sơ đồ khối đề xuất ban đầu, đánh giá diện tích mạch Buck nhỏ so với đề xuất tích hợp mosfet cơng suất vào chip để giảm giá thành linh kiện Thông qua kết mô chương 4, mạch nguồn DC/DC Buck chuyển đổi phù hợp PWM, PFM Bypass, dòng điện tải bé 50mA, mạch tự chuyển đổi sang chế độ PFM điện áp đầu vào giảm thấp 1.9V mạch chuyển sang chế độ Bypass để giảm nhiễu điện áp ngõ Mạch đạt hiệu suất cao 96% hoạt động chế độ PFM với dòng tải 50mA, hiệu suất thấp 88% hoạt động chế độ PWM với dòng tải 500mA 5.2 Hướng phát triển: Điều quan trọng thiết kế mạch Buck bù pha cho mạch, luận văn dùng kiểu bù III, nhược điểm chiếm nhiều diện tích Do hướng cải tiến quan trọng tới tìm cách bù cho mạch DC/DC Buck, để giảm diện tích cải thiện hiệu mạch Nhiễu mộ trở ngại dùng mạch nguồn xung ứng dụng yêu cầu nhiễu thấp, từ kết chương thấy PFM cho nhiễu lớn so với PWM, dẫn đến yêu cầu cần cải thiện nhiễu hoạt động chế độ PFM Khi cơng nghệ tiến bộ, việc thiết kế mạch tương tự gặp nhiều khó khăn hơn: chẳng hạn độ lợi Mosfet giảm điện áp cấp để mạch hoạt động giảm tương ứng… vấn đề gây khó khăn lớn cho người thiết kế kiến trúc mạch 65 cũ mắc cascode để tăng độ lợi khuyếch đại khơng sử dụng được, kỹ sư phải tìm cấu trúc mạch để thiết kế điều khiển mạch Buck dễ dàng hoạt động công nghệ 24nm, 16nm… 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Marian K Kazimierczuk, “Pulse-width Modulated DC/DC Power Converters”, Edition,Wiley, 2008 [2] Ned Mohan, Tore M Undeland, William P Robbins, “Power Electronics: Converters, Applications, and Design”, 3rd Edition, Wiley, 2002 [3] Maxim Integrated Products, Inc., “DC/DC Converter Tutorial”, Application Note 2031, Nov 29, 2001 [4] Abraham I Pressman, “Switching Power Supply Design”, Second Edition, McGrawHill, Publication Date: Nov 1997 [5] Jon Klein, “Synchronous buck MOSFET loss calculations with Excel model” Application note AN–6005, Fairchild Semiconductor, version 1.0.1, Apr 2006 [6] Daniel Meeks, “Loop Stability Analysis of Voltage Mode Buck Regulator With Different Output Capacitor Types – Continuous and Discontinuous Modes”, Application Report SLVA301, Texas Instruments Inc., Apr 2008 [7] [A Maity, A Patra, N Yamamura, J Knight, “Design of a 20 MHz DC/DC Buck Converter with 84% Efficiency for Portable Applications”, IEEE International Conference on VLSI Design, pp 316 - 321, Jan 2011 [8] Venable Instruments, “Optimum Feedback Amplifier Design For Control Systems”, http://www.venable.biz/tp-03.pdf , http://www.ti.com/lit/ml/slyp090/slyp090.pdf , accessed: Mar 2012 [9] Maxim Integrated Products, Inc., “An Introduction to Switch-Mode Power Supplies”, Application Note 4087, Sep 27, 2007 [10] Zhuo Bi, Wenbin Xia, “Modeling and Simulation of Dual-Mode DC/DC Buck Converter”, Second IEEE International Conference on Computer Modeling and Simulation, (ICCMS), pp 371 - 375, Jan 2010 67 [11] Chu-Hsiang Chia, Pui-Sun Lei, Robert Chen-Hao Chang, “A high-efficiency PWM DC/DC buck converter with a novel DCM control under light-load”, IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp 237 240, May 2011 [12] Donald Schelle, Jorge Castorena, “Buck-Converter Design Demystified”, Power Electronics Technology, June 2006 [13] “Buck converter”, http://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter , accessed: Mar 2012 [14] C F Lee and P K T Mok, “On-chip current sensing technique for CMOS monolithic switch-mode power converters,” in Proc IEEE Int Symp Circuits Syst., Scottsdale, AZ, May 2002, vol 5, pp 265–268 [15] Morra, M Piselli, A Gola, "PFM mode buck converter: A mathematical model to calculate the maximum switching frequency", Electronics Circuits and Systems 2008 ICECS 2008 15th IEEE International Conference on, pp 926929, 2008 [16] Wan-Rone Liou, Mei-Ling Yeh, Yueh Lung Kuo, “A High Efficiency DualMode Buck Converter IC For Portable Applications”, IEEE Transactons on Power Electronics, vol 23, no 2, March 2008 [17] X Zhang, P.-H Chen, Y Okuma, K Ishida, Y Ryu, K Watanabe, Takayasu Sakurai, and M Takamiya, “A 0.6 V Input CCM/DCM Operating Digital Buck Converter in 40 nm CMOS,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol 49, no 11, pp 2377-2386, 2014 [18] P.-H Chen, H.-C Cheng, Y.-A Ai, and W.-T Chung, “Automatic ModeSelected Energy Harvesting Interface With >80% Power Efficiency Over 200 nW to 10 mW,” IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems, 2018 [19] https://techweb.rohm.com/knowledge/dcdc/dcdc_sr/dcdc_sr01/897, 2016 68 [20] D Dang, T T Quoc, K N Van, "A 65-nm CMOS high-efficiency PWM/PFM Buck Converter with Bypass mode for Transceiver applications", IEEE International Conference on IC Design and Technology (ICICDT), pp 1-4, Aug 2016 [21] Chi-Wah Kok, Wing-Shan Tam “CMOS Voltage References: An Analytical and Practical Perspective” Wiley-IEEE Press, 2012 [22] https://batteryuniversity.com [23] J Wiley and Sons, “Introduction to CMOS OP-AMPs and Comparators” New York: Wiley, 1999 [24] Woojin Hong, Myunghee Lee “A 7.4-MHz Tri-Mode DC-DC Buck Converter With Load Current Prediction Scheme and Seamless Mode Transition for IoT Applications ” IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol 67, 2020 [25] Y.-C Hsu, C.-Y Ting, L.-S Hsu, J.-Y Lin and C C.-P Chen, "A transient enhancement DC–DC buck converter with dual operating modes control technique", IEEE Trans Circuits Syst II Exp Briefs, 2018 PHỤ LỤC 69 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG DUY THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT CAO BUCK TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 65NM NGÀNH:... VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Điện, Điện Tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: “ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP HIỆU SUẤT CAO. .. chọn cơng nghệ khác để thiết kế Trong hình 1.2 mơ tả chi tiết mức điện áp cho Mosfet dùng ứng dụng khác nhau, Ở luận văn điện áp ngõ vào tối đa 3.8v, nên lựa chọn công nghệ thiết kế CMOS 65nm dùng