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Boost converters suffer from a bandwidth limitation caused by the right-half plane zero (RHPZ), which occurs in the control-to-output transfer function. In contrast, there are many applications that require superior dynamic behavior. Further, size and cost of boost converter systems can be minimized by reduced voltage deviations and fast transient responses in case of large signal load transients. The key idea of the proposed ΔV/Δt-intervention control concept is to adapt the controller output to its new steady state value immediately after a load transient by prediction from known parameters. The concept is implemented in a digital control circuit, consisting of an ASIC in a 110 nm-technology and a Xilinx Spartan-6 field programmable gate array (FPGA). In a boost converter with 3.5V input voltage, 6.3V output voltage, 1.2A load, and 500 kHz switching frequency, the output voltage deviations are 2.8x smaller, scaling down the output capacitor value by the same factor. The recovery times are 2.4x shorter in case of large signal load transients with the proposed concept. The control is widely applicable, as it supports constant switching frequencies and allows for duty cycle and inductor current limitations. It also shows various advantages compared to conventional control and to selected adaptive control concepts.
In diesem Beitrag wird ein kapazitiver Low Power DC-DC Wandler mit 15 konfigurierbaren Übersetzungsverhältnissen, einem hohen Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 20 V und einer konstanten Ausgangsspannung von 5 V vorgestellt. Bei einer Ausgangsleistung von 5 mW wird ein maximaler Wirkungsgrad von 81% erreicht. Die Implementierung erfolgt in einem 350 nm Hochvolt-CMOS-Prozess. Während es für niedrige Eingangsspannungen eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden vollintegrierte SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Höhere Spannungen erfordern den Einsatz von Hochvolttransistoren und eine aufwändigere Ansteuerung. Um über einen weiteren Eingangsspannungsbereicht mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad zu wandeln, erweist sich die Topologie des rekursiven Switched-Capacitor Wandlers (RSC Wandler) als vorteilhaft. In der vorliegenden 4-Bit Implementierung ist der RSC Wandler aus N = 4 2:1 Serien-Parallel Wandler-Zellen aufgebaut. Durch verschiedene Anordnung der einzelnen Zellen können 2ᴺ -1 = 15 Wandlungsverhältnisse realisiert werden. Mittels Rekursion werden in jedem Wandlungsverhältnis alle Kapazitäten genutzt, wodurch die Stromfähigkeit und der Wirkungsgrad des Wandlers deutlich verbessert werden. Einheitliche 2:1 Wandler-Zellen ermöglichen einen modularen Aufbau des Layouts.
In recent years, significant progress was made on switched-capacitor DCDC converters as they enable fully integrated on chip power management. New converter topologies overcame the fixed input-to-output voltage limitation and achieved high efficiency at high power densities. SC converters are attractive to not only mobile handheld devices with small input and output voltages, but also for power conversion in IoTs, industrial and automotive applications, etc. Such applications need to be capable of handling high input voltages of more than 10V. This talk highlights the challenges of the required supporting circuits and high voltage techniques, which arise for high Vin SC converters. It includes level shifters, charge pumps and back-to-back switches. High Vin conversion is demonstrated in a 4:1 SC DCDC converter with an input voltage as high as 17V with a peak efficiency of 45 %, and a buckboost SC converter with an input voltage range starting from 2 up to 13V, which utilizes a total of 17 ratios and achieves a peak efficiency of 81.5 %. Furthermore a highly integrated micro power supply approach is introduced, which is connected directly to the 120/230 Vrms mains, with an output power of 3mW, resulting in a power density >390μW/mm², which exceeds prior art by a factor of 11.
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.
Substrate coupling is a critical failure mechanism especially in fast-switching integrated power stages controlling high-side NMOS power FETs. The parasitic coupling across the substrate in integrated power stages at rise times of up to 500 ps and input voltages of up to 40V is investigated in this paper. The coupling has been studied for the power stage of an integrated buck converter. In particular, dedicated diverting and isolation structures against substrate coupling are analyzed by simulations and evaluated with measurements from test chips in 180nm high-voltage BiCMOS. The results are compared regarding effectiveness, area as well as implementation effort and cost. Back-side metalization shows superior characteristics with nearly 100% noise suppression. Readily available p-guard ring structures bring 75% disturbance reduction. The results are applicable to advanced and future power management solutions with fully integrated switched-mode power supplies at switching frequencies >10 MHz.
In a digitally controlled slope shaping system, reliable detection of both voltage and current slope is required to enable a closed-loop control for various power switches independent of system parameters. In most state-of-the-art works, this is realized by monitoring the absolute voltage and current values. Better accuracy at lower DC power loss is achieved by sensing techniques for a reliable passive detection, which is achieved through avoiding DC paths from the high voltage network into the sensing network. Using a high-speed analog-to-digital converter, the whole waveform of the transient derivative can be stored digitally and prepared for a predictive cycle-by-cycle regulation, without requiring high-precision digital differentiation algorithms. To gain an accurate representation of the voltage and current derivative waveforms, system parasitics are investigated and classified in three sections: (1) component parasitics, which are identified by s-parameter measurements and extraction of equivalent circuit models, (2) PCB design issues related to the sensing circuit, and (3) interconnections between adjacent boards.
The contribution of this paper is an optimized sensing network on the basis of the experimental study supporting fast transition slopes up to 100 V/ns and 1 A/ns and beyond, making the sensing technique attractive for slope shaping of fast switching devices like modern generation IGBTs, CoolMOSTM and SiC mosfets. Measurements of the optimized dv/dt and di/dt setups are demonstrated for a hard switched IGBT power stage.
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.
Galvanic isolated gate drivers require a control signal as well as energy transmission from the control side (lowside) to the driver side (high-side). An additional backward signal transmission is preferred for error signals, status information, etc. This is often realized by means of several transformers or opto-couplers. Decreasing the number of isolation elements results in lower cost and a higher degree of miniaturization. This work presents a gate driver with bidirectional signal transmission and energy transfer via one single transformer. The key concept proposed in this paper is to combine bootstrapping to deliver the main gate charge for the driven power switch with additional energy transfer via the signal transformer. This paper also presents a very efficient combination of energy transfer to two high-side supply rails with back channel amplitude modulation. This way an isolated gate driver can be implemented that allows 100% pulse-width modulation (PWM) duty cycle at low complexity and system cost. The proposed high-side driver IC with integrated power supply, modulation and demodulation circuits was manufactured in a 180nm high-voltage BiCMOS technology. Measurements confirm the concept of bidirectional signal transmission with a 1MBit/s amplitude modulation, 10/20MHz frequency modulation and a maximum power transmission of 14mW via the transformer.
Es wird ein hochintegrierter Gatetreiber für 600V-Anwendungen mit einer galvanischen Isolation zwischen der Ansteuerelektronik und der Treiberseite vorgestellt. Eine Besonderheit ist die bidirektionale Signalübertragung und die Energieversorgung über einen einzigen Transformator. Die Treiberansteuersignale werden mittels 10/20 MHz Frequenzmodulation übertragen. Die Signalrückübertragung ist in Form einer 1Mbit/s Amplitudenmodulation realisiert. Die Energieübertragung über den Transformator erlaubt ein dauerhaftes Einschalten des Treibers. Der Energiebedarf während des Schaltvorgangs wird hauptsächlich durch eine Bootstrapschaltung bereitgestellt. Eine weitere Besonderheit ist die Verwendung einer flächeneffizienten Integration einer NMOS Treiberausgangsstufe. Der Gatetreiber wurde in einer 180nm Hochvolt-BiCMOS-Technologie hergestellt. Messungen bestätigen die Funktion des Treibers.