A dual mode step-down switched-capacitor DC-DC converter with adaptive switch width modulation

توضیحات

ABSTRACT

This paper proposes a step-down switched-capacitor (SC) DC-DC converter with pulse frequency  modulation (PFM) and burst mode. This design proposes a novel dual mode control strategy to achieve high performance over a wide load range. PFM is adopted at heavy load to achieve the small output  voltage ripple while burst mode is adopted at light load to improve transient response and power  efficiency. To further improve the efficiency, an adaptive switch width modulation (ASWM) is proposed to reduce switching losses. The measured results show that the proposed four conversion ratios converter can operate with a 2.0–3.6 V input voltage range, load current from 0 to 2 mA at the output voltage of 1.2 V. The peak power efficiency is up to 84.2% from a 2.7 V input voltage supply at a load current of 2 mA. At a load of 60 μA, the burst mode achieves an 11% maximum efficiency .improvement, and the average efficiency improvement of 6% is achieved with ASWM.

INTRODUCTION

 Power supply should meet the needs of high power density, small area and low consumption for advanced devices . Compared with traditional switched-inductor DC-DC converter , SC DC-DC converter can be easily integrated on a chip. It also avoids electromagnetic interference (EMI). Both these advantages raise attentions of researcher to SC DC-DC converter.. There are capacitance modulation and switching frequency modulation for output regulation at present . A digital capacitance modulation is proposed to regulate output voltage , but the lack of capacitance limits the simultaneous 100% capacitance utilization, so the power density of the converter decreases naturally. The switching frequency modulation can be divided into the digital modulation and the analog modulation. The digital switching frequency modulation achieves fast transient response, but it has the disadvantages of low precision and large output voltage ripple for output regulation . An analog switching frequency control  strategy is proposed to guarantee high precision and small output voltage ripple. , but due to the control losses, the power efficiency decreases rapidly at light load, the control strategy also has a problem that no detailed system stability analysis of the converter particularly the SC array is given. In  order to solve the problem, this paper proposes an optimal dual mode controller instead of a single control strategy to regulate output voltage.

چکیده

این مقاله مبدل مبدل DC-DC سوئیچ-خازنی (SC) را با مدولاسیون فرکانس پالس (PFM) و حالت پشت سر هم پیشنهاد می دهد. این طرح یک راهبرد جدید کنترل حالت دوگانه برای دستیابی به کارایی بالا در یک محدوده بار گسترده ارائه می دهد. PFM در بار سنگین برای دستیابی به موج ریز ولتاژ خروجی به کار رفته است، در حالی که حالت لرزش در بار نور به منظور بهبود واکنش گذرا و راندمان برق به کار رفته است. برای بهبود کارایی بیشتر، یک مدولاسیون عرض سوئیچ سازگار (ASWM) برای کاهش تلفات سوئیچینگ پیشنهاد شده است. نتایج اندازه گیری نشان می دهد که چهار تبدیل نسبت نسبت تبدیل می تواند با ولتاژ ورودی 2.0-3.6 V، جریان بار از 0 تا 2 میلی آمپر در ولتاژ خروجی 1.2 ولت کار کند. بهره وری حداکثر انرژی از 2.7 ولتاژ ورودی V در جریان بار 2 میلی آمپر است. در یک بار 60 مگا وات، حالت پشت سر هم حداکثر بهره وری 11٪ را به دست می آورد و بهبود کارایی 6٪ با ASWM به دست می آید.

مقدمه

منبع تغذیه باید نیاز به چگالی بالا، سطح کوچک و مصرف کم برای دستگاه های پیشرفته داشته باشد. در مقایسه با مبدل DC-DC سقفی الکتریکی سقفی، مبدل SC DC-DC می تواند به راحتی بر روی تراشه یکپارچه شود. همچنین از تداخل الکترومغناطیسی (EMI) اجتناب می کند. هر دو این مزایا توجه پژوهشگران به مبدل SC DC-DC را افزایش می دهند. مدولاسیون خازنی و مدولاسیون فرکانس سوئیچینگ برای تنظیم خروجی در حال حاضر وجود دارد. یک مدولاسیون خازنی دیجیتال برای تنظیم ولتاژ خروجی پیشنهاد شده است، اما عدم قابلیت خازن به طور همزمان استفاده از ظرفیت 100٪ را محدود می کند، بنابراین چگالی قدرت مبدل به طور طبیعی کاهش می یابد. مدولاسیون فرکانس سوئیچینگ را می توان به مدولاسیون دیجیتال و مدولاسیون آنالوگ تقسیم کرد. مدولاسیون فرکانس سوئیچینگ دیجیتال با سرعت پاسخ سریع مواجه می شود، اما دارای ضعف دقت پایین و ولتاژ خروجی ولتاژ بالا برای تنظیم خروجی است. استراتژی کنترل فرکانس سوئیچینگ آنالوگ برای اطمینان از دقت بالا و خروجی ولتاژ خروجی کوچک پیشنهاد شده است. ، اما با توجه به تلفات کنترل، بازده قدرت به سرعت در بار نور کاهش می یابد، استراتژی کنترل نیز دارای یک مشکل است که هیچ تحلیل دقیق سیستم مبدل مبدل به ویژه آرایه SC داده نمی شود. برای حل مشکل، این مقاله به جای یک استراتژی کنترل واحد برای تنظیم ولتاژ خروجی، یک کنترل کننده حالت دوگانه بهینه را پیشنهاد می کند.

Year: 2018

Publisher : ELSEVIER

 By :  Lianxi Liu , Hao Chen , Tianyuan Hua , Junchao Mu , Zhangming Zhu , Yintang Yang

File Information: English Language/ 10 Page / size: 2.52 MB

Download

سال : 1396

ناشر : ELSEVIER

کاری از : لیانکس لیو، هائو چن، تیان یوان هوا، جونگائو مو، ژانگینگ زو، یینتان یانگ

اطلاعات فایل : زبان انگلیسی / 10 صفحه / حجم : MB 2.52

لینک دانلود