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Die Spannungsversorgung elektronischer Steuergeräte im Automotive-Bereich wird zunehmend durch Schaltregler sichergestellt. Der SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) besitzt die Eigenschaft, eine Spannung aufwärts wie auch abwärts wandeln zu können und könnte somit klassische Buck- und Boost-Wandler ablösen. Dieser Beitrag untersucht den SEPIC hinsichtlich Eignung für Automotive-Anwendungen. Dazu wurde eine Groß- sowie Kleinsignalanalyse am Wandler durchgeführt, mit geeigneten Simulationsmodellen nachgebildet und Messungen gegenüber gestellt. Der SEPIC zeigt als Hauptvorteile:
1. einen verzugsfreien Übergang zwischen Buck-/Boost Betrieb, 2. geringe Eingangswelligkeit, 3.DC-Kurzschlussfestigkeit. Auch hinsichtlich Wirkungsgrad und EMV-Verhalten stellt der SEPIC eine interessante Alternative dar. Der zwischen Ein- und Ausgang liegende Kondensator wird dauerhaft von einem Strom durchflossen, auf Basis der Effektivströme wird das damit verbundene Ausfallrisiko diskutiert.
A fast transient current-mode buckboost DC-DC converter for portable devices is presented. Running at 1 MHz the converter provides stable 3 V from a 2.7 V to 4.2 V Li-Ion battery. A small voltage under-/overshoot is achieved by fast transient techniques: (1) adaptive pulse skipping (APS) and (2) adaptive compensation capacitance (ACC). The proposed converter was implemented in a 0.25 μm CMOS technology. Load transient simulations confirm the effectiveness of APS and ACC. The improvement in voltage undershoot and response time at light-to-heavy load step (100 mA to 500 mA), are 17 % and 59 %, respectively, in boost mode and 40 % and 49 %, respectively, in buck mode. Similar results are achieved at heavy-to-light load step for overshoot and response time.
A millimeter-wave power amplifier concept in an advanced silicon germanium (SiGe) BiCMOS technology is presented. The goal of the concept is to investigate the impact of physical limitations of the used heterojunction bipolar transistors (HBT) on the performance of a 77 GHz power amplifier. High current behavior, collectorbase breakdown and transistor saturation can be forced with the presented design. The power amplifier is manufactured in an advanced SiGe BiCMOS technology at Infineon Technologies AG with a maximum transit frequency fT of around 250 GHz for npn HBT’s [1]. The simulation results of the power amplifier show a saturated output power of 16 dBm at a power added efficiency of 13%. The test chip is designed for a supply voltage of 3.3 V and requires a chip size of 1.448 x 0.930 mm².
Durch schnell schaltende Leistungsendstufen werden durch kapazitive Umladeströme Störungen ins Substrat und in empfindliche Schaltungselemente eingekoppelt, die dort zur Störung der Funktion führen können. In dieser Arbeit werden Substratstrukturen zur gezielten Ableitung dieser Störungen vorgestellt und ihre Wirksamkeit mit Hilfe von Device Simulation evaluiert. Ohne Ableitstrukturen kann eine Potentialanhebung des Substrats bis zu 20 V entstehen. Die Untersuchungen belegen, dass die Potentialanhebung durch p-Typ Guard-Ringe um 75 %, durch leitende Trenches um 88 % sowie durch Rückseitenmetallisierung um nahezu 100 % reduziert werden kann.
Bootstrap circuits are mainly used for supplying a gate driver circuit to provide the gate overdrive voltage for a high-side NMOS transistor. The required charge has to be provided by a bootstrap capacitor which is often too large for integration if an acceptable voltage dip at the capacitor has to be guaranteed. Three options of an area efficient bootstrap circuit for a high side driver with an output stage of two NMOS transistors are proposed. The key idea is that the main bootstrap capacitor is supported by a second bootstrap capacitor, which is charged to a higher voltage and connected when the gate driver turns on. A high voltage swing at the second capacitor leads to a high charge allocation. Both bootstrap capacitors require up to 70% less area compared to a conventional bootstrap circuit. This enables compact power management systems with fewer discrete components and smaller die size. A calculation guideline for optimum bootstrap capacitor sizing is given. The circuit was manufactured in a 180nm high-voltage BiCMOS technology as part of a high-voltage gate driver. Measurements confirm the benefit of high-voltage charge storing. The fully integrated bootstrap circuit including two stacked 75.8pF and 18.9pF capacitors results in a voltage dip lower than 1V. This matches well with the theory of the calculation guideline.
Size and cost of a switched mode power supply can be reduced by increasing the switching frequency. The maximum switching frequency and the maximum input voltage range, respectively, is limited by the minimum propagated on-time pulse, which is mainly determined by the level shifter speed. At switching frequencies above 10 MHz, a voltage conversion with an input voltage range up to 50 V and output voltages below 5 V requires an on-time of a pulse width modulated signal of less than 5 ns. This cannot be achieved with conventional level shifters. This paper presents a level shifter circuit, which controls an NMOS power FET on a high-voltage domain up to 50 V. The level shifter was implemented as part of a DCDC converter in a 180 nm BiCMOS technology. Experimental results confirm a propagation delay of 5 ns and on-time pulses of less than 3 ns. An overlapping clamping structure with low parasitic capacitances in combination with a high-speed comparator makes the level shifter also very robust against large coupling currents during high-side transitions as fast as 20 V/ns, verified by measurements. Due to the high dv/dt, capacitive coupling currents can be two orders of magnitude larger than the actual signal current. Depending on the conversion ratio, the presented level shifter enables an increase of the switching frequency for multi-MHz converters towards 100 MHz. It supports high input voltages up to 50 V and it can be applied also to other high-speed applications.
Die Nachfrage nach kompakten Spannungsversorgungen ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Vor allem im Bereich der mobilen Geräte wachsen die Anforderung an die Spannungsversorgung hinsichtlich Bauvolumen und Batterielaufzeit. Für die Vollintegration von DC-DC- Wandlern als „Power Supply on Chip“ ist der SC-Wandler (Switched-Capacitor-Wandler) besonders geeignet. Insbesondere für Low-Power-Anwendungen im Bereich 10 mW kann ein SC-Wandler sehr gut, ohne externe Bauelemente, integriert werden. Während es für niedrige Eingangsspannungen (bis zu 5 V) eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Dieser Beitrag untersucht die wichtigsten Grundlagen für SC-Wandler mit Schwerpunkt auf hoher und zugleich variabler Eingangsspannung im Bereich 5 - 20 V. Am Beispiel eines Multi-Ratio-Wandlers (Wandler mit mehreren Übersetzungsverhältnissen), dem rekursiven SC-Wandler (RSC- Wandler), werden die Anforderungen eines SC- Wandler für hohe Eingangsspannungen herausgearbeitet und diskutiert.
In dieser Arbeit wird eine optimierte Bandgap-Referenz zur Erzeugung einer temperaturstabilen Spannung und eines Referenzstroms vorgestellt. Für Low-Power-Anwendungen wurde die Bandgap-Referenz, basierend auf der Brokaw-Zelle, mit minimaler Stromaufnahme und optimierter Chipfläche durch Multi-Emitter-Layout der Bipolartransistoren implementiert. Zusätzliches Merkmal ist ein verbreiteter Versorgungsspannungsbereich von 2,5 bis 5,5 V. Simulationen zeigen, dass eine stabile Ausgangsspannung von 1,218 V und ein Referenzstrom von 1,997 μA realisiert wird. Im Temperaturbereich -40 °C … 50 °C sowie dem gesamten Bereich der Versorgungsspannung beträgt die Genauigkeit der Referenzspannung ± 0,04 % mit einer Gesamtstromaufnahme zwischen 3,5 und 10 μA. Es wird eine Temperaturdrift von 2,18 ppm/K erreicht. Durch das elektronische Trimmen von Widerständen wird der Offset der Ausgangsspannung, bedingt durch Herstellungstoleranzen, auf ±3,5 mV justiert. Die Referenz wird in einer 0,18 μm BiCMOS-Technologie implementiert.
This paper presents an integrated synchronous buck converter for input voltages >12V with 10MHz switching frequency. The converter comprises a predictive dead time control with frequency compensated sampling of the switching node which does not require body diode forward conduction. A high dead time resolution of 125 ps is achieved by a differential delay chain with 8-bit resolution. This way, the efficiency of fast switching DCDC converters can be optimized by eliminating the body diode forward conduction losses, minimizing reverse recovery losses and by achieving zero voltage switching at turn off. The converter was implemented in a 180nm high-voltage BiCMOS technology. The power losses were measured to be reduced by 30%by the proposed dead time control, which results in a 6% efficiency increase at VOUT = 5V and 0.2A load. The peak efficiency is 81 %.